Brevet FR3017487A1 — publié le 20150814

Porte-substrat électrostatique chauffant et polarisé en haute tension La présente invention concerne un porte-substrat électrostatique chauffant et polarisé en haute tension. Le domaine de l'invention est celui du traitement de substrats dans une 5 atmosphère sous faible pression lorsque ces substrats sont polarisés en haute tension. Plus particulièrement, on vise l'implantation ionique qui permet l'introduction d'impuretés à l'intérieur du substrat, technique connue sous le nom de dopage. Le dopage permet de modifier certaines des propriétés du substrat 10 qu'elles soient mécaniques, thermiques, électriques, hydrophobiques ou autres. Pour réaliser cette implantation, on peut maintenant utiliser un implanteur ionique opérant en mode immersion plasma. Ainsi, l'implantation ionique d'un substrat consiste à l'immerger dans un plasma et à le polariser en tension négative, de quelques dizaines de Volts à quelques dizaines de kilovolts 15 (généralement moins de 100 kV), ceci de façon à créer un champ électrique capable d'accélérer les ions du plasma vers le substrat de sorte qu'ils s'y implantent. Les atomes ainsi implantés sont dénommés dopants. La polarisation est généralement pulsée. Dans certaines applications, il convient de chauffer le substrat. 20 On connaît ainsi des machines d'implantation qui utilisent des lampes infrarouges pour chauffer le substrat. Cette situation convient bien pour implanter des pièces mécaniques au moyen d'un plasma qualifié de propre (azote, oxygène, ...). Elle ne convient pas lorsqu'il s'agit de doper du silicium : le plasma utilisé est susceptible de créer des dépôts parasites sur les lampes, ce qui 25 masque le rayonnement et perturbe le chauffage. On connaît ainsi des machines d'implantation employant des enceintes à murs chauds. On peut à ce sujet se référer à l'ouvrage « Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition », année 2000, édité par André ANDERS, publié par John WILEY & Sons, ISBN 0-471-24698-0. L'échange 30 thermique entre les murs chauds et le substrat est médiocre lorsque la pression du travail est très basse car il n'y a pratiquement pas de convection. L'échange thermique par rayonnement si l'on souhaite porter le substrat à haute température (supérieure à 300°C) est inefficace car les pertes sont considérables. Il faut surdimensionner la puissance du chauffage et cela pose 35 des problèmes d'étanchéité : tenue des joints, déformation des composants mécaniques, .... On connaît encore des machines d'implantation qui polarisent le substrat alternativement en tension négative et en tension positive. L'alternance négative attire les ions et elle est donc utilisée pour l'implantation. L'alternance positive attire les électrons qui vont transférer leur énergie au substrat en le chauffant. La température est contrôlée en jouant sur le rapport cyclique et/ou en jouant sur la tension d'accélération des électrons. Cette solution convient bien pour le traitement de surface de pièces qui ne sont pas sensibles. En microélectronique, plus particulièrement sur le silicium, les électrons énergétiques sont susceptibles de créer des défauts induisant une réduction de la durée de vie des porteurs. o Le document US 7,094,670 montre l'intérêt de contrôler la température du substrat pour maîtriser la gravure ou le dépôt parasite lorsqu'on utilise un plasma réactif. Il en ressort que la température doit être supérieure au seuil nécessaire pour le dépôt de matériaux formés à partir du gaz employé (par exemple, polymères du type hydrure de bore). D'autre part, la température doit 15 être inférieure au seuil nécessaire à la gravure du substrat en silicium, qu'il soit polycristallin, monocristallin ou amorphe. Ici, la température du porte-substrat est contrôlée au moyen de la circulation d'un fluide caloporteur à température stable. La température du substrat dépend du flux énergétique provenant du plasma et de la résistance thermique entre le substrat et le porte-substrat. Il s'ensuit que la 20 température obtenue est fortement dépendante du procédé mis en oeuvre. Si le fluide caloporteur est chauffé, sa température ne dépasse pas pratiquement 200°C. Ainsi, on ne peut atteindre une température élevée si l'on emploie un plasma de faible densité, et/ou une faible tension d'accélération et/ou un faible courant d'implantation. 25 Il découle de ce qui précède que le chauffage du substrat dans le cadre de l'implantation ionique par immersion plasma est un réel problème. Ce problème est d'autant plus délicat si l'on emploie un porte-substrat électrostatique. Les avantages d'un tel porte-substrat sont bien connus de l'homme du 30 métier et il n'est donc pas nécessaire de les rapporter ici. A ce propos, le document US 6,538,872 enseigne un porte-substrat électrostatique pourvu d'un moyen de chauffage résistif. Ce système permet de chauffer le substrat indépendamment des paramètres du plasma. Toutefois, ce porte-substrat ne peut être polarisé en haute tension du fait de sa constitution. Il 35 n'est pas prévu d'isolation des différents modules constituant ce porte-substrat. De plus, le module qui comporte la résistance de chauffage est inséré dans une pièce en contact avec le porte-substrat proprement dit. La liaison du module de chauffage au porte-substrat est faite par brasure afin d'optimiser le transport thermique. Cette brasure contient des métaux tel que l'étain, l'indium ou le cuivre et ces métaux sont des contaminants majeurs dans le cas de l'implantation ionique. La présente invention a ainsi pour objet de proposer un moyen de chauffage dépourvu des limitations énoncées ci-dessus, ceci lorsque le porte-substrat est polarisé en haute tension. Selon l'invention, un support comporte : une table polarisée électriquement conductrice raccordée à une alimentation haute tension qui repose sur un socle électriquement isolant, un porte-substrat électriquement isolant prenant la forme d'un cylindre, sa face supérieure présentant un plan d'appui prévu pour recevoir un substrat, des pieds qui reposent sur la table polarisée pour supporter la face inférieure du porte-substrat, - au moins une liaison électriquement conductrice pour raccorder le plan d'appui à la table polarisée ; support remarquable en ce que le porte-substrat incorpore une résistance du chauffage. Un tel agencement répond au problème posé puisqu'il permet de chauffer le substrat à haute température et de la polariser en haute tension. Suivant une caractéristique additionnelle, le porte-substrat étant pourvu 25 d'un épaulement à sa base, il comporte de plus une bride de serrage électriquement conductrice pour brider l'épaulement sur la table polarisée. Dans ce cas, le support comporte au moins un élément électriquement conducteur pour raccorder le plan d'appui à l'épaulement. Avantageusement, l'élément électriquement conducteur comporte : 30 - un premier ruban agencé à la périphérie de la face supérieure, un deuxième ruban qui s'étend sur le cylindre entre le premier ruban et l'épaulement, - un troisième ruban au contact du deuxième ruban agencé sur l'épaulement, 35 des ressorts électriquement conducteurs agencés entre le troisième ruban et la bride. De préférence, le support comporte au moins un écran thermique interposé entre la face inférieure du porte-substrat et la table polarisée. Suivant une caractéristique additionnelle, le support comporte une sonde de température au contact du porte-substrat. A titre d'exemple, la sonde de température est raccordée à un organe de régulation qui alimente la résistance de chauffage. Selon un mode de réalisation préférentiel, la table polarisée incorpore un réseau de refroidissement. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le 10 cadre de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en se référant à l'unique figure annexée qui représente schématiquement une coupe du support selon l'invention. En référence à la figure, le support comprend essentiellement quatre parties : 15 - une table polarisée 10, - un porte-substrat 20, - une bride de serrage 30, et - un socle 40. Le socle 40 est l'organe solidaire de l'enceinte d'implantation sur lequel 20 repose la table 10. Il est électriquement isolant. La table 10 est traversée par un conduit 11 qui débouche d'une part dans le porte-substrat 20 et d'autre part à l'extérieur. La fonction de ce conduit 11 est détaillée plus loin. La table 10 qui est électriquement conductrice se présente comme un 25 plateau raccordé à une alimentation haute tension 12 qui fonctionne en mode continu ou en mode pulsé. Suivant un mode de réalisation préférentiel, la table 10 est refroidie. A titre d'exemple, un réseau de refroidissement tubulaire 13 est noyé dans la table. Ce réseau est alimenté avec un quelconque fluide isolant électrique connu de 30 l'homme de l'art. Il s'agit par exemple d'eau désionisée éventuellement additionnée de glycol ou bien d'huile. Le porte-substrat 20 est électriquement isolant. Il repose sur la table 10 par l'intermédiaire de pieds 15. Il se présente comme un cylindre muni d'un épaulement 21 qui fait saillie sur sa base. 35 La bride de serrage 30 permet de serrer le porte-substrat 20 sur les pieds 15. Elle est électriquement conductrice. D'une part, elle est fixée à la périphérie de la table 10 par un quelconque moyen. D'autre part, elle presse sur l'épaulement 21 par l'intermédiaire de ressorts 31 qui sont eux aussi électriquement conducteurs et qui absorbent les dilatations différentielles. La face supérieure du porte-substrat 20 présente un évidement 22, ce 5 qui définit un anneau 23 à sa périphérie. L'épaisseur de l'anneau 23 vaut typiquement 10 à 15 jim. Le sommet de cet anneau définit un plan d'appui sur lequel repose le substrat 50. Une série d'électrodes 25 est utilisée pour le serrage électrostatique du substrat. Les électrodes sont réparties par paires. Elles sont disposées dans un 10 plan parallèle à la face supérieure du substrat 50, juste en dessous de l'évidement 22. Elles sont réalisées par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple en recourant à la technologie dite « couche épaisse ». Le principe consiste à réaliser un double condensateur : - un condensateur anode-substrat, 15 - un condensateur substrat-cathode. Revenant maintenant au conduit 11, celui-ci est employé pour emplir de gaz l'évidement 22. Le gaz caloporteur est couramment de l'hélium ou de l'hydrogène à une pression de 1 à 20 Torr. Sa fonction est de transmettre la chaleur du porte-substrat 20 à la face arrière du substrat 50. 20 Eventuellement, on peut prévoir un organe de vidange du gaz caloporteur. On pompe ce gaz à travers un circuit qui est rempli, lors de l'application de la haute tension, d'un autre gaz peu propice à générer un plasma, de l'azote par exemple, sous une pression supérieure à une atmosphère. On évite ainsi l'allumage d'un plasma de décharge dans ce circuit 25 lors de l'application de la haute tension. Il convient maintenant de revenir sur la chaîne qui assure la continuité électrique entre la table 10 et le substrat 50. Un premier ruban métallique 201 est déposé sur l'anneau 23 qui figure à la périphérie de la face supérieure du porte-substrat 20. Il est réalisé par 30 exemple suivant la technologie dite « couches minces » avec un matériau tel que titane, nitrure de titane, platine, tungstène, carbure de tungstène. Il faut en tout état de cause un matériau conducteur qui soit si possible réfractaire. L'épaisseur du ruban doit être suffisante pour présenter une résistance électrique acceptable mais elle ne doit pas être trop élevée. Une valeur 35 convenable pour cette épaisseur est comprise entre 1µm et 3 lm. Un deuxième ruban métallique 202 est déposé sur la paroi cylindrique du porte-substrat 20 entre le premier ruban 201 et l'épaulement 21. Finalement, un troisième ruban métallique 203 est déposé sur la face de l'épaulement 21 qui vient en regard de la bride de serrage 30. Les trois rubans ainsi juxtaposés assurent la continuité électrique depuis la face d'appui jusqu'à la bride de serrage qui est elle-même conductrice. En effet, les ressorts 31 sont également électriquement conducteurs. Le chauffage du porte-substrat 20 est réalisé au moyen d'une résistance chauffante 26. Cette résistance peut être collée. Elle peut aussi être intégrée 10 dans le porte-substrat 20. Elle peut encore être déposée, en couche épaisse par exemple. La température du porte-substrat 20 est contrôlée au moyen d'une sonde de température 27. Cette sonde peut être un thermocouple, une thermorésistance, une sonde platine ou un pyromètre. Elle est raccordée à un 15 organe de régulation 28 qui alimente la résistance de chauffage 26. Cet organe de régulation 28 permet de maintenir une température stable quel que soit l'apport énergétique dû au plasma. De préférence, on prévoit un ou plusieurs écrans 29 (trois sur la figure) qui sont interposés entre la base du porte-substrat 20 et la table polarisée 10. On 20 limite ainsi les échanges thermiques entre ces deux éléments. Il s'agit d'écrans réflecteurs ou d'isolants thermiques. Il apparaît que tous les équipements qui suivent sont portés à la tension de polarisation : - convertisseur 28 de la sonde de température 27, 25 - alimentation de la résistance chauffante 26, - alimentation des électrodes 25 du porte-susbtrat 20, - régulateur de la pression du gaz caloporteur. On prévoit donc un module de communication par fibre optique pour faire communiquer ces équipements avec l'automate de régulation. 30 On donne maintenant à titre indicatif un exemple d'un procédé d'implantation au moyen du support décrit ci-dessus : - mise en température du porte-substrat 20, - chargement du substrat 50 sur le porte-substrat 20, - préchauffage du substrat durant 10 à 30 secondes, 35 - activation des électrodes 25 de serrage du substrat 50, - injection du gaz caloporteur dans le conduit 11 sous une pression de 3 à 10 Torr, - implantation ionique, - arrêt de l'injection du gaz caloporteur et pompage de ce gaz, - inactivation des électrodes 25 de serrage, - déchargement du substrat 50. Pour terminer, on précisera que la liaison électrique entre le substrat et la table polarisée peut être faite de bien des manières. On peut par exemple imaginer des trous métallisés pour assurer un contact entre le plan d'appui et la 10 base ou face inférieure du porte-substrat. On peut aussi prévoir des inserts métalliques en lieu et place des trous métallisés. La continuité électrique est alors assurée par les pieds qui sont dans ce cas électriquement conducteurs. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leurs caractères concrets. Il ne serait cependant pas possible 15 de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1) Support comportant : une table polarisée (10) électriquement conductrice raccordée à une alimentation haute tension (12) qui repose sur un socle (40) électriquement isolant, - un porte-substrat (20) électriquement isolant prenant la forme d'un cylindre, sa face supérieure présentant un plan d'appui prévu pour recevoir un substrat (50), - des pieds (15) qui reposent sur ladite table polarisée (10) pour supporter la face inférieure dudit porte-substrat (20), au moins une liaison électriquement conductrice (201, 202, 203, 31, 30) pour raccorder ledit plan d'appui à ladite table polarisée (10), caractérisé en ce que ledit porte-substrat (20) incorpore une résistance du chauffage (26). 2) Support selon la revendication 1 caractérisé en ce que, ledit porte-substrat (20) étant pourvu d'un épaulement (21) à sa base, il comporte de plus une bride de serrage (30) électriquement conductrice pour brider ledit épaulement (21) sur ladite table polarisée (10). 3) Support selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément électriquement conducteur (201, 202, 203) pour raccorder ledit plan d'appui audit épaulement (21), 4) Support selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément électriquement conducteur comporte : un premier ruban (201) agencé à la périphérie de ladite face supérieure, - un deuxième ruban (202) qui s'étend sur ledit cylindre entre ledit premier ruban (201) et ledit épaulement (21), un troisième ruban (203) au contact dudit deuxième ruban (202) agencé sur ledit épaulement (21), des ressorts (31) électriquement conducteurs agencés entre le troisième ruban ( 203) et ladite bride (30).Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un écran thermique (29) interposé entre la face inférieure dudit porte-substrat (20) et ladite table polarisée (10). 6) Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde de température (27) au contact dudit porte-substrat (20). 7) Support selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite sonde de température (27) est raccordée à un organe de régulation (28) qui alimente ladite résistance de chauffage (26). 8) Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite table polarisée (10) incorpore un réseau de refroidissement (13).