FR2849266A1 - Ion beam nanometric/sub nanometric sample surface modifier having multistage ions with very low cinematic energy having ion beam/electrostatic decelerator and surface sweep sampler - Google Patents
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Abstract
Description
MACHINE DE TRAITEMENT UNIFORME DE SURFACES D'ECHANTILLONSUNIFORM TREATMENT MACHINE FOR SAMPLE SURFACES
PAR PROJECTION D'IONS MULTICHARGES.BY MULTICHARGE ION PROJECTION.
L'invention a pour objet une machine de traitement 5 uniforme de surfaces de matériaux, utilisant des faisceaux ions lents multichargés de très basse énergie cinétique, ces traitements permettant d'induire des modifications nanométriques ou sub-nanométriques, physiques ou chimiques, à la surface des échantillons exposés au faisceau d'ions. The subject of the invention is a machine for uniform treatment of surfaces of materials, using multi-charged slow ion beams of very low kinetic energy, these treatments making it possible to induce nanometric or sub-nanometric, physical or chemical, modifications at the surface. samples exposed to the ion beam.
On connaît dans l'état de la technique différents équipements pour la projection d'ions multichargés A titre d'exemple, le brevet européen EP 0483004 décrit une source d'ions positifs fortement chargés à résonance cyclotronique électronique comportant: une cavité hyperfréquence présentant un axe de symétrie (X) ; une entrée haute fréquence débouchant dans la cavité pour y créer un champ électromagnétique de haute fréquence; une introduction de gaz dans la cavité ; des moyens de production d'un champ magnétique selon l'axe dans ladite cavité ; des moyens de production d'un champ magnétique radial multipolaire dans cette cavité, la superposition de 25 ces champs magnétiques axial et radial formant un champ magnétique résultant réparti dans toute la cavité et définissant au moins une surface équimagnétique (S) complètement fermée à l'intérieur de la cavité ; des moyens d'extraction des ions à l'extrémité 30 de la cavité, une sonde polarisable en tension pour améliorer l'ionisation du gaz et augmenter ainsi le flux d'ions extrait, réalisée en métal émetteur d'électrons, disposée en amont des moyens d'extraction et n'ayant aucun contact 35 avec la surface équimagnétique. Various pieces of equipment are known in the prior art for the projection of multicharged ions. For example, European patent EP 0483004 describes a source of highly charged positive ions with electronic cyclotron resonance comprising: a microwave cavity having an axis of symmetry (X); a high frequency input opening into the cavity to create a high frequency electromagnetic field there; introduction of gas into the cavity; means for producing a magnetic field along the axis in said cavity; means for producing a multipolar radial magnetic field in this cavity, the superposition of these axial and radial magnetic fields forming a resulting magnetic field distributed throughout the cavity and defining at least one equimagnetic surface (S) completely closed to the interior of the cavity; means for extracting the ions at the end 30 of the cavity, a voltage polarizable probe to improve the ionization of the gas and thus increase the flow of extracted ions, made of electron-emitting metal, placed upstream of the extraction means and having no contact with the equimagnetic surface.
Un autre brevet de l'art antérieur, le brevet allemand DE 4226299 décrit un équipement comprenant une chambre à plasma dans laquelle on fait le vide nécessaire pour pouvoir produire du plasma et dans laquelle les micro5 ondes sont introduites, une électrode à plasma et une électrode d'extraction à travers lesquelles les ions produits sont extraits du plasma Un champ d'extraction est généré entre l'électrode à plasma et l'électrode d'extraction, en raison de la différence de tension 10 (environ 20 k V) La chambre à plasma est munie d'un ou de plusieurs four(s) d'évaporation de matière qui permettent de produire des plasmas et ainsi des ions de n'importe quels éléments Un faisceau électronique lancé de manière électrique ou magnétique, produit dans l'électrode 15 d'extraction, est superposé au faisceau ionique provenant de la chambre à plasma et traversant l'électrode à plasma et l'électrode d'extraction, de manière qu'il se forme un canal d'extraction avec compensation de charge d'espace pour les ions. Another patent of the prior art, the German patent DE 4226299 describes an equipment comprising a plasma chamber in which a vacuum is created to be able to produce plasma and in which the microwaves are introduced, a plasma electrode and an electrode extraction through which the ions produced are extracted from the plasma An extraction field is generated between the plasma electrode and the extraction electrode, due to the voltage difference 10 (approximately 20 k V) The chamber plasma is equipped with one or more material evaporation furnace (s) which make it possible to produce plasmas and thus ions of any elements. An electron beam launched electrically or magnetically, produced in the electrode 15, is superimposed on the ion beam coming from the plasma chamber and passing through the plasma electrode and the extraction electrode, so that an extraction channel is formed with ec space charge compensation for ions.
De façon générale, les systèmes de production de faisceaux d'ions multichargés de l'art antérieur, utilisés par la recherche ou l'industrie sont équipés de différents types de sources d'ions, parmi lesquelles: des sources d'ions à Résonance Cyclotronique 25 lectronique, appelées sources ECR (Electron Cyclotron Resonance en anglais), dans lesquelles les ions sont créés dans un plasma confiné par champ magnétique et dont les électrons sont chauffés par radiofréquence Ces sources sont capables en particulier de produire des courants 30 intenses de faisceaux d'ions bassement à moyennement chargés. des sources d'ions à faisceau d'électrons, appelées sources EBIS (Electron Beam Ion Sources, en anglais) , dans lesquelles les ions sont produits par 35 collision avec un faisceau d'électrons d'énergie cinétique ajustable et comprimé dans un champ magnétique Ces sources sont capables de produire en particulier des courants faibles d'ions très fortement chargés. In general, the systems for producing multicharged ion beams of the prior art, used by research or industry are equipped with different types of ion sources, among which: ion sources with Cyclotronic Resonance 25 electronics, called sources ECR (Electron Cyclotron Resonance in English), in which the ions are created in a plasma confined by magnetic field and whose electrons are heated by radiofrequency These sources are capable in particular of producing intense currents of beams of '' weakly to moderately charged ions. electron beam ion sources, called Electron Beam Ion Sources (EBIS), in which the ions are produced by collision with an electron beam of kinetic energy adjustable and compressed in a magnetic field These sources are capable of producing in particular weak currents of very highly charged ions.
des sources d'ions à décharge électronique, dans 5 lesquelles les ions sont créés par collision avec les électrons d'une décharge électronique. electron discharge ion sources, in which the ions are created by collision with the electrons of an electronic discharge.
des sources d'ions à laser dans lesquelles les ions sont créés lors de l'impact d'un faisceau laser sur un matériau. Le désavantage de ces sources d'ions est qu'elles ne permettent pas de produire des ions multichargés en quantité suffisante pour permettre de réaliser des procédés rapides lorsque les ions sont extraits de ces sources directement à très basse énergie cinétique Un autre 15 désavantage de ces sources d'ions est que les faisceaux d'ions qu'elles produisent n'ont pas une uniformité suffisante pour permettre la réalisation de traitements de surface de la qualité nécessaire pour les traitements de surface envisagés Un désavantage des faisceaux d'ions 20 créés par de telles sources, lorsqu'ils sont intenses et lorsque les échantillons sont peu conducteurs, est qu'ils génèrent des charges positives indésirables sur la surface de l'échantillon traité, induisant des modifications parfois indésirables des propriétés physiques de la 25 surface Un autre désavantage de ces faisceaux d'ions, lorsqu'ils sont intenses, est qu'ils peuvent générer lors de leur transport sous vide un grand nombre de particules qu'il est impossible de décélérer correctement, ce qui peut provoquer des défauts sous la surface de l'échantillon à 30 traiter Ces problèmes font que les machines existantes permettant d'utiliser des ions de très basse énergie cinétique ne peuvent réaliser avec une qualité suffisante les procédés de traitement de surface visés, c'est-à-dire la production de modifications physiques ou chimiques, de dimensions nanométriques ou sub-nanométriques, à la surface des échantillons traités. laser ion sources in which the ions are created during the impact of a laser beam on a material. The disadvantage of these ion sources is that they do not make it possible to produce multicharged ions in sufficient quantity to allow rapid processes to be carried out when the ions are extracted from these sources directly at very low kinetic energy. Another disadvantage of these ion sources is that the ion beams they produce do not have sufficient uniformity to allow surface treatments of the quality necessary for the surface treatments envisaged to be carried out. A disadvantage of the ion beams created by such sources, when they are intense and when the samples are not very conductive, is that they generate undesirable positive charges on the surface of the treated sample, inducing sometimes undesirable modifications of the physical properties of the surface. Another disadvantage of these ion beams, when they are intense, is that they can generate during their transport so They empty a large number of particles which it is impossible to decelerate correctly, which can cause defects under the surface of the sample to be treated. These problems mean that existing machines allow the use of ions of very low kinetic energy. cannot carry out with sufficient quality the targeted surface treatment processes, that is to say the production of physical or chemical modifications, of nanometric or sub-nanometric dimensions, on the surface of the samples treated.
La présente invention vise à pallier à ces inconvénients, en proposant de coupler un système de 5 production de faisceaux d'ions à un premier système décélérateur permettant d'obtenir des ions de très basse énergie cinétique au niveau de la surface de l'échantillon à traiter, et à un second système de balayage du faisceau d'ions sur la tranche de l'échantillon à traiter permettant 10 d'obtenir une uniformité de traitement satisfaisante pour les procédés visés Dans l'industrie du semiconducteur, par exemple, un procédé de traitement de surfaces standard a une uniformité généralement comprise entre 95 % et 99,99 %, et ce sur toute la surface de l'échantillon à 15 traiter. The present invention aims to overcome these drawbacks by proposing to couple a system for producing ion beams to a first decelerating system making it possible to obtain ions of very low kinetic energy at the surface of the sample to be to process, and to a second system for scanning the ion beam on the edge of the sample to be treated, making it possible to obtain a satisfactory uniformity of treatment for the targeted processes In the semiconductor industry, for example, a process of Standard surface treatment has a uniformity generally between 95% and 99.99%, and this over the entire surface of the sample to be treated.
Pour ce faire, l'invention a pour objet une machine de traitement uniforme de surfaces d'échantillons par projection d'ions multichargés de très basse énergie cinétique, comportant: un ensemble de production de faisceau d'ions, permettant de produire sous vide un faisceau d'ions multichargés, triés ou non en fonction du rapport de leur masse sur leur charge; des moyens de décélération électrostatique 25 permettant la décélération des ions à l'approche de la surface de l'échantillon à traiter, des moyens de balayage permettant à la surface de l'échantillon à traiter d'être balayée par le faisceau d'ions pour obtenir l'uniformité de traitement voulue, des moyens de maintien mécanique d'échantillons permettant de présenter la surface des échantillons à traiter face au faisceau d'ions pendant le traitement, des moyens de production de vide, telles des pompes à vide, montés sur des enceintes à vide à l'intérieur desquelles se situe l'échantillon traiter et circule le faisceau d'ions. To do this, the subject of the invention is a machine for uniform treatment of sample surfaces by projection of multicharged ions of very low kinetic energy, comprising: an ion beam production assembly, making it possible to produce a vacuum beam of multicharged ions, sorted or not according to the ratio of their mass to their charge; electrostatic deceleration means 25 allowing the deceleration of the ions when approaching the surface of the sample to be treated, scanning means allowing the surface of the sample to be treated to be scanned by the ion beam for obtain the desired uniformity of treatment, means for mechanically holding samples allowing the surface of the samples to be treated to be presented facing the ion beam during the treatment, means for producing vacuum, such as vacuum pumps, mounted on vacuum chambers inside which the sample treated is located and the ion beam circulates.
Selon des modes de réalisation particuliers: la machine comporte un système permettant de 5 neutraliser les charges positives apparaissant sur ladite surface pendant le traitement Un objectif de ce système est de permettre aux ions de ne pas être empêchés d'atteindre la surface en subissant une répulsion électrostatique provoquée par la présence de charges 10 positives sur ladite surface, ces charges ayant été créées par les ions ayant préalablement interagi avec ladite surface, la conséquence étant que la distribution en énergie des ions atteignant la surface se trouve la plus réduite possible Un autre objectif de ce système est 15 d'améliorer la qualité du traitement, dans le cas o la présence de charges positives à la surface de l'échantillon soit indésirable Cette neutralisation peut être effectuée par bombardement de la surface par des électrons assez lents pour ne pas induire de modifications indésirables de 20 la surface Dans une version de la machine, ces électrons peuvent être produits par un ou plusieurs canons à électrons, disposé(s) à proximité de la surface de l'échantillon à traiter, entre les électrodes du système décélérateur et la surface de l'échantillon, de manière à 25 ne pas gêner le passage des ions du faisceau Dans une version différente de la machine, les électrons peuvent être produits par un canon à électrons à symétrie cylindrique, situé à proximité de la surface de l'échantillon à traiter, dans l'axe duquel passe le 30 faisceau d'ions Ce canon à électron peut comporter par exemple un filament circulaire polarisé. According to particular embodiments: the machine comprises a system making it possible to neutralize the positive charges appearing on said surface during the treatment. An objective of this system is to allow the ions not to be prevented from reaching the surface by undergoing repulsion electrostatic caused by the presence of positive charges on said surface, these charges having been created by the ions having previously interacted with said surface, the consequence being that the energy distribution of the ions reaching the surface is as small as possible Another objective of this system is to improve the quality of the treatment, in the case where the presence of positive charges on the surface of the sample is undesirable. This neutralization can be carried out by bombardment of the surface by electrons slow enough not to induce unwanted surface changes in one version of the machi ne, these electrons can be produced by one or more electron guns, placed near the surface of the sample to be treated, between the electrodes of the decelerator system and the surface of the sample, so as not to not hinder the passage of the ions of the beam In a different version of the machine, the electrons can be produced by an electron gun with cylindrical symmetry, located near the surface of the sample to be treated, in the axis of which passes the 30 ion beam This electron gun can for example include a circular polarized filament.
la machine comporte un système permettant d'éliminer du faisceau d'ions les ions ayant changé de charge en capturant un ou plusieurs électrons par 35 interaction avec le gaz résiduel présent dans les enceintes à vide Ce système agit en faisant subir une déflexion d'un angle quelconque non nul au faisceau d'ions Cette déflexion étant moins intense lorsque la charge des ions est plus faible, cela permet de faire sortir du faisceau 5 principal les particules parasites du faisceau, dont la charge est plus faible, et de les stopper avec des moyens mécaniques tels des plaques métalliques Dans une version de la machine, la déflexion induite au faisceau est réalisée en imposant au faisceau d'ions un champ électrique 10 créé par les électrodes d'un système de déflexion électrostatique Dans une autre version de la machine, cette déflexion est réalisée en imposant un champ magnétique produit par un aimant ou un électro-aimant Dans le cas d'un champ électrique, celui-ci peut-être produit 15 par des électrodes polarisées et se faisant face, au milieu desquelles circule le faisceau Ces électrodes peuvent avoir, entre autres possibilités, des formes planes, ou hémicylindriques, ou hémisphériques, ces types d'électrodes permettant respectivement d'obtenir après la déflexion un 20 faisceau de meilleure qualité optique. the machine comprises a system making it possible to remove from the ion beam the ions which have changed charge by capturing one or more electrons by interaction with the residual gas present in the vacuum chambers This system acts by subjecting a deflection of a any non-zero angle to the ion beam This deflection being less intense when the ion charge is weaker, this makes it possible to remove the parasitic particles from the beam, whose charge is weaker, from the main beam and to stop them with mechanical means such as metal plates In one version of the machine, the beam-induced deflection is achieved by imposing on the ion beam an electric field 10 created by the electrodes of an electrostatic deflection system In another version of the machine , this deflection is achieved by imposing a magnetic field produced by a magnet or an electromagnet In the case of an electric field, it i may be produced by polarized and facing electrodes, in the middle of which the beam circulates These electrodes may have, among other possibilities, flat, or semi-cylindrical, or hemispherical shapes, these types of electrodes respectively making it possible to obtain after deflection a beam of better optical quality.
Selon une variante, la machine comporte un système de contrôle, utilisant un système d'acquisition d'images, et permettant de mesurer la distribution spatiale d'intensité des photons émis depuis la zone d'interaction 25 du faisceau d'ions avec la surface à traiter Le système d'acquisition d'image peut comporter, par exemple, une ou plusieurs caméras CCD (Charge Coupled Devices, en anglais). According to a variant, the machine comprises a control system, using an image acquisition system, and making it possible to measure the spatial intensity distribution of the photons emitted from the interaction zone 25 of the ion beam with the surface to be processed The image acquisition system can comprise, for example, one or more CCD cameras (Charge Coupled Devices, in English).
Ce système peut aussi comporter des filtres optiques, permettant d'observer uniquement les photons qui sont émis 30 depuis la surface, à une longueur d'onde ou dans une gamme de longueurs d'ondes donnée Ce système permet de suivre le procédé de traitement de surface, dans la mesure o il permet de mesurer l'épaisseur des couches de matériaux qui peuvent recouvrir la surface de l'échantillon, ainsi que de 35 connaître la nature du matériau présent à la surface. This system can also include optical filters, making it possible to observe only the photons which are emitted from the surface, at a given wavelength or in a given wavelength range. This system makes it possible to follow the processing method of surface, to the extent that it makes it possible to measure the thickness of the layers of material which can cover the surface of the sample, as well as to know the nature of the material present on the surface.
la machine comporte un système de contr 6 ôle utilisant un filtre optique couplé à un compteur de photons pour mesurer l'évolution du flux de photons émis depuis la surface de l'échantillon pendant le traitement, dans une 5 gamme de longueurs d'ondes données ou à une longueur d'onde donnée Ce système peut par exemple être constitué de lentilles optiques concentrant les photons, d'une fibre optique guidant les photons vers un monochromateur optique, couplé à un détecteur de photons permettant le comptage Un 10 filtre peut être ajouté à ce système pour permettre de ne détecter que les photons émis depuis la surface à une longueur d'onde donnée ou dans une ou plusieurs gammes de longueur d'ondes données. the machine includes a control system using an optical filter coupled to a photon counter to measure the evolution of the flux of photons emitted from the surface of the sample during processing, in a range of given wavelengths or at a given wavelength This system can for example consist of optical lenses concentrating the photons, of an optical fiber guiding the photons towards an optical monochromator, coupled to a photon detector allowing the counting A filter can be added to this system to allow detection only of photons emitted from the surface at a given wavelength or in one or more ranges of given wavelengths.
la machine comporte un système de modulation 15 thermique associé au système de maintien d'échantillons permettant d'ajuster la température de l'échantillon à traiter Dans une version de la machine, ce système est constitué d'une résistance chauffante située à proximité de l'échantillon à traiter Dans une autre version de la 20 machine, ce système permet de refroidir l'échantillon, étant constitué d'un tube creux, tel un serpentin, situé aussi à proximité ou au contact de l'échantillon à traiter et dans lequel circule un fluide réfrigérant, tels ceux connus de l'homme de l'art, comme par exemple de l'azote 25 liquide La température de l'échantillon peut être mesurée à l'aide de systèmes connus de l'homme de l'art tels une sonde à thermocouple mise au contact de l'échantillon, ou un système de mesure du rayonnement émis par l'échantillon, par exemple dans le domaine infrarouge. the machine comprises a thermal modulation system associated with the sample holding system making it possible to adjust the temperature of the sample to be treated In one version of the machine, this system consists of a heating resistor located near the sample to be treated In another version of the machine, this system makes it possible to cool the sample, consisting of a hollow tube, such as a coil, also located near or in contact with the sample to be treated and in which a coolant circulates, such as those known to those skilled in the art, such as for example liquid nitrogen The temperature of the sample can be measured using systems known to those skilled in the art such as a thermocouple probe brought into contact with the sample, or a system for measuring the radiation emitted by the sample, for example in the infrared range.
la machine comporte un système mécanique permettant de changer l'orientation de la surface de l'échantillon à traiter, ceci afin de rendre la machine compatible avec un mode de transfert d'échantillons qui utilise une orientation différente Dans la machine, la 35 surface de l'échantillon à traiter peut être orientée dans toutes les directions possibles, car l'orientation des différents sous-ensembles de la machine peut être quelconque L'orientation de la machine peut être choisie en fonction de différents critères Dans une version de la 5 machine, la surface de l'échantillon à traiter est orientée vers le bas, de façon à la rendre compatible avec certains systèmes existants de transfert d'échantillons sous vide qui utilisent cette orientation, en particulier ceux utilisés dans certaines machines de dépôt sous ultra-vide 10 par épitaxie par jet moléculaire (MBE, ou Molecular Beam Epitaxy, en anglais) Un autre objectif de cette orientation vers le bas est qu'elle permet d'éviter que des poussières ne se déposent par gravité sur la surface de l'échantillon Dans une autre version de la machine, la 15 surface de l'échantillon à traiter est orientée vers le haut de façon à la rendre compatible avec certains systèmes existants de transfert d'échantillons sous vide qui utilisent cette orientation, en particulier ceux utilisés dans l'industrie du silicium Un autre objectif de cette 20 orientation vers le haut est qu'elle permet à l'échantillon, en particulier lorsqu'il est de grande taille et de faible épaisseur, de reposer entièrement par gravité sur son support et ainsi de rester plan D'autres systèmes de transfert d'échantillon existent dans lesquels 25 la surface des échantillons est à la verticale La machine peut aussi traiter des échantillons dont la surface est à la verticale, en changeant l'orientation des sous-ensembles qui la constituent Un objectif du système mécanique prévu dans l'invention est qu'il permet d'adapter la machine à 30 tout système de transfert d'échantillon, en changeant l'orientation de la surface de l'échantillon dans son transfert de la machine au système de transfert, et viceversa. the machine has a mechanical system making it possible to change the orientation of the surface of the sample to be treated, this in order to make the machine compatible with a sample transfer mode which uses a different orientation In the machine, the surface of the sample to be treated can be oriented in all possible directions, because the orientation of the different sub-assemblies of the machine can be arbitrary The orientation of the machine can be chosen according to different criteria In a version of the machine , the surface of the sample to be treated is oriented downward, so as to make it compatible with certain existing vacuum sample transfer systems which use this orientation, in particular those used in certain ultra-vacuum deposition machines 10 by molecular beam epitaxy (MBE, or Molecular Beam Epitaxy, in English) Another objective of this downward orientation is that it this prevents dust from being deposited by gravity on the surface of the sample In another version of the machine, the surface of the sample to be treated is oriented upwards so as to make it compatible with certain existing vacuum sample transfer systems that use this orientation, especially those used in the silicon industry Another objective of this upward orientation is that it allows the sample, especially when it is large and thin, to rest entirely by gravity on its support and thus to remain flat Other sample transfer systems exist in which the surface of the samples is vertical The machine can also process samples whose The surface is vertical, changing the orientation of the sub-assemblies which constitute it. One objective of the mechanical system provided for in the invention is that it allows adapt the machine to any sample transfer system, by changing the orientation of the surface of the sample in its transfer from the machine to the transfer system, and vice versa.
la machine comporte un ensemble de contrôle 35 composé de modules électroniques et de logiciels, permettant en particulier de régler les paramètres de la machine et d'effectuer le traitement de la surface de l'échantillon en utilisant uniquement les paramètres du procédé que l'utilisateur souhaite voir réalisé Ainsi, les 5 utilisateurs n'ont pas besoin de connaître le fonctionnement de la machine visée par l'invention en détail Cet ensemble de contrôle peut aussi gérer le fonctionnement d'autres organes de la machine, comme par exemple ceux concernant la sécurité de l'utilisateur et le 10 fonctionnement des groupes de pompage de gaz. the machine comprises a control assembly 35 composed of electronic modules and software, making it possible in particular to adjust the parameters of the machine and to carry out the treatment of the surface of the sample using only the parameters of the process that the user wishes to see achieved Thus, the 5 users do not need to know the operation of the machine targeted by the invention in detail This control assembly can also manage the operation of other organs of the machine, such as for example those relating to the safety of the user and the operation of the gas pumping groups.
l'ensemble de production d'ions de la machine comporte une source d'ions du type ECR Cette source d'ions peut être isolée électriquement du reste de la machine, afin d'être portée à une tension électrique choisie par 15 l'utilisateur C'est la valeur de cette tension, combinée aux valeurs des tensions des autres parties de la machine, qui fixe l'énergie cinétique des ions dans le faisceau. the machine's ion production assembly includes an ECR type ion source. This ion source can be electrically isolated from the rest of the machine, so as to be brought to an electrical voltage chosen by the user. It is the value of this voltage, combined with the values of the voltages of other parts of the machine, which fixes the kinetic energy of the ions in the beam.
Cette tension peut être variable, réglable par l'utilisateur, de façon à faire varier l'énergie cinétique 20 des ions D'autres sources d'ions générant des ions multichargés peuvent aussi être utilisées sur la machine. This voltage can be variable, adjustable by the user, so as to vary the kinetic energy of the ions. Other ion sources generating multicharged ions can also be used on the machine.
Lorsque ces sources d'ions sont portées à la tension, elles sont isolées du reste de la machine par une enceinte, afin de protéger l'utilisateur contre les risques de choc 25 électrique De même, lorsque ces sources d'ions émettent des rayonnements ionisants pendant leur fonctionnement, l'enceinte de protection peut comporter un matériau absorbant ces rayonnements ionisants afin de protéger l'utilisateur. l'ensemble de production d'ions de la machine comporte, connecté à la source d'ions, un système d'extraction d'ions à plusieurs électrodes Ce système permet d'extraire les ions de la source d'ions à haute vitesse, afin d'optimiser le courant d'ions produit par la 35 source et les qualités optiques du faisceau, puis de les décélérer afin qu'ils soient transportés dans la ligne de faisceau à plus basse vitesse. When these ion sources are brought to voltage, they are isolated from the rest of the machine by an enclosure, in order to protect the user against the risk of electric shock. Similarly, when these ion sources emit ionizing radiation. during their operation, the protective enclosure may include a material absorbing these ionizing radiation in order to protect the user. the ion production assembly of the machine comprises, connected to the ion source, an ion extraction system with several electrodes This system makes it possible to extract the ions from the ion source at high speed, in order to optimize the ion current produced by the source and the optical qualities of the beam, then to decelerate them so that they are transported in the beam line at lower speed.
l'ensemble de production d'ions de la machine comporte des moyens magnétiques permettant de trier les 5 ions en fonction du rapport de leur masse sur leur charge, et de sélectionner l'espèce ionique avec laquelle l'utilisateur souhaite réaliser le traitement de surface. the ion production assembly of the machine includes magnetic means making it possible to sort the 5 ions according to the ratio of their mass to their charge, and to select the ionic species with which the user wishes to carry out the surface treatment .
Dans une version de la machine, ces moyens magnétiques comportent un électroaimant, le faisceau d'ions circulant 10 dans la chambre à vide située dans l'entrefer de cet aimant, le champ magnétique dans l'entrefer étant ajusté par le réglage du courant électrique qui circule dans les bobines de l'aimant La chambre à vide de l'électroaimant peut être isolée électriquement de celui-ci, afin d'être 15 polarisée à une tension qui, combinée aux tensions des autres parties de la machine, règlent la vitesse des ions dans leur passage au milieu de l'électroaimant Les moyens magnétiques peuvent aussi comporter un aimant permanent, lorsque l'utilisateur ne souhaite utiliser qu'une seule 20 espèce ionique pour les traitements de surface qu'il souhaite réaliser, ou lorsque l'utilisateur souhaite choisir l'espèce ionique de travail en faisant varier la vitesse des ions dans l'entrefer de l'aimant, et non en faisant varier le champ magnétique comme dans le cas 25 précédent L'avantage d'un aimant permanent est qu'il permet de réduire le cot et l'encombrement de la machine. In one version of the machine, these magnetic means include an electromagnet, the ion beam circulating in the vacuum chamber located in the air gap of this magnet, the magnetic field in the air gap being adjusted by adjusting the electric current. which circulates in the coils of the magnet The vacuum chamber of the electromagnet can be electrically isolated from it, so as to be polarized at a voltage which, combined with the voltages of the other parts of the machine, regulate the speed ions in their passage through the middle of the electromagnet The magnetic means can also comprise a permanent magnet, when the user wishes to use only one ionic species for the surface treatments which he wishes to carry out, or when the user wishes to choose the ionic working species by varying the speed of the ions in the air gap of the magnet, and not by varying the magnetic field as in the previous case The advantage of a permanent magnet is that it reduces the cost and the size of the machine.
Lorsque les moyens magnétiques sont absents, le traitement de surface utilise tous les ions qui sont produits par la source d'ions L'avantage, dans ce dernier cas, est que le 30 courant disponible pour les traitements de surface peut être plus important. When the magnetic means are absent, the surface treatment uses all the ions which are produced by the ion source. The advantage, in the latter case, is that the current available for the surface treatments may be greater.
l'ensemble de production de faisceau d'ions de la machine comporte des enceintes à vide munies de jeux de fentes, ces derniers étant composés de plaques métalliques 35 montées, permettant de réduire les dimensions transverses du faisceau d'ions, les enceintes et les jeux de fentes étant isolables électriquement du reste de la machine, et polarisables, afin de permettre de faire varier la vitesse d'ions du faisceau Un objectif de ces jeux de fentes est 5 qu'ils permettent d'améliorer le tri des ions et les qualités optiques du faisceau d'ions Les plaques constituant les jeux de fentes peuvent être fixes, ou montées sur des systèmes de translation mécanique permettant à l'utilisateur de la machine visée par 10 l'invention de régler leurs dimensions Les systèmes de translation peuvent aussi être motorisés Des diaphragmes peuvent être utilisés en lieu et place des fentes. the ion beam production assembly of the machine comprises vacuum chambers provided with sets of slots, the latter being composed of metal plates 35 mounted, making it possible to reduce the transverse dimensions of the ion beam, the chambers and the sets of slots being electrically isolable from the rest of the machine, and polarizable, in order to allow the ion speed of the beam to be varied. One objective of these sets of slots is that they make it possible to improve the sorting of ions and the optical qualities of the ion beam The plates constituting the sets of slots can be fixed, or mounted on mechanical translation systems allowing the user of the machine targeted by the invention to adjust their dimensions. Translation systems can also be motorized Diaphragms can be used in place of slots.
l'ensemble de production de faisceau d'ions de la machine comporte des systèmes d'acquisition d'images 15 disposés le long de la ligne de faisceau, permettant d'observer les photons émis lorsque les ions du faisceau frappent les plaques dont sont constitués les jeux de fentes Un objectif de ce dispositif est de permettre le réglage de la trajectoire du faisceau d'ions par 20 l'utilisateur Un autre objectif est de permettre de mesurer l'uniformité du faisceau d'ions à différents emplacements le long de son parcours dans la ligne de faisceau. le système de décélération du faisceau d'ions est 25 composé d'une ou plusieurs électrodes polarisables à symétrie cylindrique, à l'intérieur desquelles circule le faisceau d'ions Un objectif de ce dispositif est de décélérer les ions du faisceau jusqu'à une très basse énergie cinétique, d'une manière telle que leur trajectoire 30 puisse rester le plus possible perpendiculaire à la surface de l'échantillon Dans une autre version de la machine visée par l'invention, il existe un espace entre l'électrode du système de décélération qui se situe le plus près de la surface de l'échantillon, et la surface de 35 l'échantillon, espace dans lequel sont installés les moyens de neutralisation Un objectif de cette configuration est que les électrons circulent dans une zone o le potentiel électrostatique est peu différent du potentiel électrostatique de la surface, ce qui a pour but de 5 minimiser l'accélération subie par ces mêmes électrons lorsqu'ils se dirigent vers la surface de l'échantillon. the ion beam production assembly of the machine comprises image acquisition systems 15 arranged along the beam line, making it possible to observe the photons emitted when the ions of the beam strike the plates of which are made slot games One objective of this device is to allow the user to adjust the trajectory of the ion beam. Another objective is to allow the uniformity of the ion beam to be measured at different locations along its length. route in the beam line. the ion beam deceleration system is composed of one or more polarizable electrodes with cylindrical symmetry, inside which the ion beam circulates. One objective of this device is to decelerate the ions of the beam to a very low kinetic energy, in such a way that their trajectory 30 can remain as perpendicular as possible to the surface of the sample In another version of the machine targeted by the invention, there is a space between the electrode of the system deceleration which is closest to the surface of the sample, and the surface of the sample, space in which the neutralization means are installed. One objective of this configuration is that the electrons circulate in an area where the potential electrostatic is little different from the electrostatic potential of the surface, which aims to minimize the acceleration undergone by these same electrons when they go ent to the sample surface.
Dans une autre version de la machine visée par l'invention, la première électrode par laquelle passe le faisceau d'ions lorsqu'il pénètre dans le système de décélération est 10 polarisée de telle sorte que les électrons qui seraient produits en aval du système soient repoussés, et ne puissent pas pénétrer à l'intérieur du système de décélération ni atteindre la surface de l'échantillon. In another version of the machine of the invention, the first electrode through which the ion beam passes when it enters the deceleration system is polarized so that the electrons which would be produced downstream of the system are repelled, and cannot penetrate inside the deceleration system or reach the surface of the sample.
Cette première électrode a pour effet d'accélérer les ions 15 entrant dans le système de décélération, les ions étant décélérés ensuite par le champ électrique créé par la différence de potentiel électrostatique existant entre la ou les électrodes du système de décélération, et la surface de l'échantillon. This first electrode has the effect of accelerating the ions 15 entering the deceleration system, the ions then being decelerated by the electric field created by the difference in electrostatic potential existing between the electrode (s) of the deceleration system, and the surface of the sample.
dans une version de la machine, le système de balayage comporte des moyens électromagnétiques qui permettent de défléchir la trajectoire du faisceau de manière à ce qu'il puisse interagir avec toute partie de la surface Ces moyens électromagnétiques peuvent être 25 constitués d'un ou plusieurs électroaimants, entourant une chambre à vide dans laquelle circule le faisceau d'ions, le champ magnétique de l'électroaimant ayant une composante perpendiculaire à la direction primaire du faisceau d'ions. in one version of the machine, the scanning system includes electromagnetic means which make it possible to deflect the path of the beam so that it can interact with any part of the surface. These electromagnetic means may consist of one or more electromagnets, surrounding a vacuum chamber in which the ion beam circulates, the magnetic field of the electromagnet having a component perpendicular to the primary direction of the ion beam.
La trajectoire du faisceau d'ions est défléchie par ce 30 champ magnétique, l'intensité du champ magnétique étant variée en faisant varier le courant qui circule dans les bobines de l'électroaimant, ce qui permet au faisceau d'ions de balayer tout ou partie de la surface de l'échantillon Dans une autre version de la machine, le 35 système de balayage est muni de moyens électrostatiques, qui permettent aussi de défléchir la trajectoire du faisceau d'ions de manière à le faire interagir avec tout ou partie de la surface Ces moyens électrostatiques peuvent être constitués d'un ou plusieurs jeux d'électrodes 5 métalliques de forme quelconque, polarisées et se faisant face, au milieu desquelles circulent le faisceau Dans une autre version de la machine, le système de balayage est muni de moyens mécaniques, motorisés, qui permettent de faire défiler la surface sous le faisceau d'ions, de 10 manière à faire interagir le faisceau d'ions avec tout ou partie de la surface Ces moyens mécaniques peuvent comporter une table de translation motorisée, permettant de faire effectuer à l'échantillon deux mouvements dans des directions orthogonales en elles et à la direction du 15 faisceau d'ions D'autres versions de la machine sont envisagées, dans lesquelles les différents moyens, électrostatiques, magnétiques et mécaniques, sont combinés, permettant au faisceau d'ions d'interagir avec tout ou partie de la surface, ce qui constitue le premier objectif 20 de ce système Un autre objectif de ce système de balayage est de permettre à l'utilisateur de choisir l'uniformité du traitement de la surface de l'échantillon, en choisissant les modalités des différents modes de balayage, en particulier le pas de balayage Un autre objectif de ce 25 système de balayage est de permettre à l'utilisateur de choisir le nombre d'ions qui interagiront avec la surface, en réglant en particulier la vitesse des différents modes de balayage et le pas de balayage. The path of the ion beam is deflected by this magnetic field, the intensity of the magnetic field being varied by varying the current flowing in the coils of the electromagnet, which allows the ion beam to sweep all or part of the sample surface In another version of the machine, the scanning system is provided with electrostatic means, which also make it possible to deflect the path of the ion beam so as to make it interact with all or part of the surface These electrostatic means may consist of one or more sets of metal electrodes 5 of any shape, polarized and facing each other, in the middle of which the beam circulates. In another version of the machine, the scanning system is provided with mechanical, motorized means which make it possible to scroll the surface under the ion beam, so as to make the ion beam interact with all or part of the surf ace These mechanical means may include a motorized translation table, allowing the sample to make two movements in directions orthogonal to them and to the direction of the ion beam. Other versions of the machine are envisaged, in which the different means, electrostatic, magnetic and mechanical, are combined, allowing the ion beam to interact with all or part of the surface, which constitutes the first objective 20 of this system Another objective of this scanning system is to allow the user to choose the uniformity of the treatment of the sample surface, by choosing the modalities of the different scanning modes, in particular the scanning step. Another objective of this scanning system is to allow the user to choose the number of ions that will interact with the surface, in particular by adjusting the speed of the different scanning modes and the sweep step ge.
le système de maintien mécanique d'échantillons 30 est remplacé par un système de maintien utilisant la force électrostatique, comme par exemple un système, connu de l'homme de l'art, dans lequel la face du système de maintien électrostatique, sur laquelle est posé l'échantillon, est polarisée, de manière à induire une 35 polarisation sur la face arrière de l'échantillon, ce qui a pour effet d'induire une force attractive entre la face du système de maintien électrostatique sur laquelle est posée l'échantillon et la face arrière de l'échantillon Un objectif de ce système est qu'il permet de ne pas recourir 5 à des moyens mécaniques dont certaines parties viendraient sur la surface de l'échantillon à traiter, tout en permettant d'orienter la surface de l'échantillon à traiter dans une direction quelconque. the mechanical sample holding system 30 is replaced by a holding system using electrostatic force, such as for example a system, known to those skilled in the art, in which the face of the electrostatic holding system, on which is placed the sample is polarized so as to induce polarization on the rear face of the sample, which has the effect of inducing an attractive force between the face of the electrostatic holding system on which the sample is placed and the rear face of the sample One objective of this system is that it makes it possible not to have recourse to mechanical means, certain parts of which would come onto the surface of the sample to be treated, while making it possible to orient the surface of the sample to be processed in any direction.
près du système de maintien d'échantillons et de 10 la surface de l'échantillon à traiter, sont ajoutés des moyens de mesure des courants de faisceau d'ions et des faisceaux d'électrons Lorsque le faisceau ou l'échantillon à traiter se trouvent dans une position particulière, ce dispositif intercepte le faisceau d'ions et/ou d'électrons. 15 Ces moyens peuvent comporter des dispositifs à collection de charge, tels des cages de faraday, connues de l'homme de l'art, couplées par exemple à un ou plusieurs ampèremètres. near the sample holding system and the surface of the sample to be treated, are added means for measuring the ion beam currents and electron beams When the beam or sample to be treated is located in a particular position, this device intercepts the ion and / or electron beam. These means may include charge collection devices, such as faraday cages, known to those skilled in the art, for example coupled to one or more ammeters.
près du système de maintien d'échantillons et de la surface de l'échantillon à traiter, sont ajoutés des 20 moyens de mesure de l'uniformité des faisceaux d'ions et d'électrons Lorsque le faisceau ou l'échantillon à traiter se trouvent dans une position particulière, ces moyens interceptent le faisceau d'ions et/ou d'électrons Dans une version de la machine, ces moyens peuvent comporter des 25 dispositifs, tels des plaques d'un matériau quelconque, permettant l'émission de photons lorsqu'ils interceptent des ions ou des électrons, couplés à des systèmes d'acquisition d'image, permettant d'obtenir l'intensité des photons émis en différents points du faisceau d'ions et/ou 30 d'électrons Dans une autre version de la machine, ces moyens peuvent comporter des dispositifs à collection de charge, tels des réseaux de fils conducteurs qui collectent le courant, couplés à un ou plusieurs ampèremètres, de manière à permettre de mesurer en différents points l'intensité du faisceau d'ions et/ou du faisceau d'électrons. le système de maintien d'échantillon et l'échantillon lui-même sont isolés électriquement du reste 5 de la machine, afin de leur permettre d'être polarisés Un objectif est de faire varier l'énergie cinétique des ions et/ou des électrons lorsqu'ils interagissent avec la surface, cette énergie cinétique étant contrôlée principalement par la différence entre les potentiels de la 10 zone ou les ions sont créés, dans la source d'ions, et de la surface de l'échantillon à traiter. near the sample holding system and the surface of the sample to be treated, are added means for measuring the uniformity of the ion and electron beams When the beam or the sample to be treated is located in a particular position, these means intercept the ion and / or electron beam In one version of the machine, these means may include devices, such as plates of any material, allowing the emission of photons when '' they intercept ions or electrons, coupled to image acquisition systems, making it possible to obtain the intensity of the photons emitted at different points in the ion and / or electron beam In another version of the machine, these means may include charge collection devices, such as networks of conductive wires which collect the current, coupled to one or more ammeters, so as to allow the intensity to be measured at different points. tee of the ion beam and / or the electron beam. the sample holding system and the sample itself are electrically isolated from the rest of the machine, in order to allow them to be polarized. One objective is to vary the kinetic energy of the ions and / or electrons when they interact with the surface, this kinetic energy being controlled mainly by the difference between the potentials of the area where the ions are created, in the ion source, and of the surface of the sample to be treated.
la machine comporte un système permettant d'injecter de manière contrôlée un ou plusieurs types de gaz à l'intérieur de l'enceinte dans laquelle est situé 15 l'échantillon à traiter Un objectif est de permettre à ce ou ces gaz de participer aux réactions chimiques pouvant avoir lieu sur la surface de l'échantillon à traiter Afin de contrôler les pressions partielles du ou des gaz injectés, ainsi que leur pureté, un analyseur de gaz 20 résiduel, connu de l'homme de l'art, peut être utilisé comme moyen de contrôle complémentaire de ce système d'injection. le système de production de faisceaux d'ions de la machine comporte des moyens de déflexion électrostatique 25 ou magnétique du faisceau d'ions, dans le but d'optimiser sa trajectoire. the machine includes a system making it possible to inject one or more types of gas in a controlled manner inside the enclosure in which the sample to be treated is located. One objective is to allow this or these gases to participate in the reactions chemicals which may take place on the surface of the sample to be treated In order to control the partial pressures of the injected gas or gases, as well as their purity, a residual gas analyzer, known to a person skilled in the art, can be used as a means of additional control of this injection system. the ion beam production system of the machine comprises electrostatic or magnetic deflection means of the ion beam, in order to optimize its trajectory.
le système de production de faisceaux d'ions de la machine comporte des moyens rétractables de mesure du courant de faisceau d'ions, agissant eninterceptant le 30 faisceau d'ions et en collectant ses charges. the ion beam production system of the machine comprises retractable means for measuring the ion beam current, acting by intercepting the ion beam and collecting its charges.
les faisceaux d'ions et d'électrons sont pulsés en intensité, permettant aux ions et aux électrons d'atteindre alternativement la surface de l'échantillon à traiter, dans le but d'empêcher certains ions du faisceau d'être neutralisés directement par les électrons du système de neutralisation par capture électronique. the ion and electron beams are pulsed in intensity, allowing the ions and electrons to alternately reach the surface of the sample to be treated, in order to prevent certain ions in the beam from being neutralized directly by the electrons from the electron capture neutralization system.
des photons un faisceau de photons est dirigé vers la surface de l'échantillon à traiter, afin d'activer 5 le surface de l'échantillon à traiter dans le but de favoriser la réaction chimique ou physique provoquée par le traitement, la longueur d'onde de ces photons étant choisie en fonction de la réaction chimique ou physique voulue par l'utilisateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui suit, relative à des exemples de réalisation préférés, en référence aux figures annexées représentant respectivement: La figure 1 représente le schéma de principe de la machine selon une configuration en ligne droite. of photons a beam of photons is directed towards the surface of the sample to be treated, in order to activate the surface of the sample to be treated in order to promote the chemical or physical reaction caused by the treatment, the length of wave of these photons being chosen according to the chemical or physical reaction desired by the user. Other characteristics and advantages of the invention will appear in the light of the detailed description which follows, relating to preferred exemplary embodiments, with reference to the appended figures representing respectively: FIG. 1 represents the block diagram of the machine according to a straight line configuration.
la figure 2, une variante améliorée de l'exemple de réalisation précédent dans laquelle l'ensemble de production de faisceau d'ions comporte un électroaimant qui 20 courbe la trajectoire du faisceau, la machine étant munie d'un système d'élimination qui courbe aussi la trajectoire du faisceau, donnant à la machine une configuration en U; la figure 3, une variante de l'exemple de réalisation précédent dans laquelle la machine a une 25 configuration en U et utilise des moyens de contrôle du procédé utilisant un système d'acquisition d'images et un système de comptage de photons; la figure 4, une variante de l'exemple de réalisation précédent dans laquelle la machine a une 30 configuration en S. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'un exemple de réalisation d'une machine selon l'invention. FIG. 2, an improved variant of the previous embodiment in which the ion beam production assembly comprises an electromagnet which curves the path of the beam, the machine being provided with an elimination system which curves also the beam path, giving the machine a U-shaped configuration; FIG. 3, a variant of the previous embodiment in which the machine has a U-shaped configuration and uses process control means using an image acquisition system and a photon counting system; Figure 4, a variant of the previous embodiment in which the machine has an S configuration. Figure 1 shows an overview of an embodiment of a machine according to the invention.
Elle comporte un système de productions d'ions 1, capable de produire des faisceaux d'ions multichargés 2 Le 35 faisceau d'ions circule à l'intérieur d'un système de décélération électrostatique 3, qui permet de réduire l'énergie cinétique des ions en utilisant le champ électrique créé par le système de décélération électrostatique Le faisceau pénètre ensuite dans 5 l'enceinte sous vide 4 o se réalise le procédé de traitement de l'échantillon 5 L'échantillon est monté sur un support mécanique 6 permettant de le maintenir Le faisceau d'ions 2 est balayé sur la surface de l'échantillon 5 à l'aide de moyens de balayage 7 Un 10 ensemble de moyens de pompage 8 permet de maintenir sous vide les différentes enceintes qui composent la machine. It includes an ion production system 1, capable of producing multi-charged ion beams 2 The ion beam circulates inside an electrostatic deceleration system 3, which makes it possible to reduce the kinetic energy of the ions using the electric field created by the electrostatic deceleration system The beam then enters the vacuum chamber 4 where the process for processing the sample is carried out 5 The sample is mounted on a mechanical support 6 allowing it to be maintain The ion beam 2 is scanned on the surface of the sample 5 using scanning means 7 A set of pumping means 8 makes it possible to maintain the various chambers which make up the machine under vacuum.
Ces exemples décrivent des variantes de machines destinées à l'étude et au développement de procédés de traitement de surfaces par ions lents multichargés. These examples describe variants of machines intended for the study and development of methods for treating surfaces with slow, multi-charged ions.
Le mode de réalisation préféré pour l'équipement de recherche correspond à la figure 2 illustrant une machine selon une configuration en U Dans cet exemple de réalisation de la machine, l'ensemble de production de faisceau d'ions comporte une source d'ions 9 de type ECR, 20 dans laquelle les ions multichargés sont créés Une telle source d'ions produit plusieurs milliampères d'ions de charge et de nature variée, selon les gaz injectés dans l'enceinte de la source Les états de charge peuvent aller, pour l'argon, jusqu'à la charge maximale, Ar 18 + Le corps 25 de la source d'ions est isolé électriquement du reste de la machine, et est porté à une tension qui peut être variée par l'utilisateur entre -100 V et + 100 V, afin d'annuler l'effet du potentiel du plasma de la source ECR. The preferred embodiment for the research equipment corresponds to FIG. 2 illustrating a machine according to a U-shaped configuration. In this example embodiment of the machine, the ion beam production assembly includes an ion source 9 of the ECR type, in which the multicharged ions are created Such an ion source produces several milliamps of charge ions and of varied nature, depending on the gases injected into the enclosure of the source The states of charge can range, for argon, up to the maximum charge, Ar 18 + The body 25 of the ion source is electrically isolated from the rest of the machine, and is brought to a voltage which can be varied by the user between -100 V and + 100 V, in order to cancel the effect of the plasma potential of the ECR source.
Un extracteur à trois électrodes 10 permet 30 d'extraire à haute vitesse les ions produits dans la source, et de focaliser le faisceau pour lui permettre de garder de bonnes caractéristiques optiques après sa décélération à la sortie de l'extracteur La première électrode est polarisée à -35 k V, la deuxième électrode à 35 25 k V, la troisième électrode à -35 k V. A la sortie de l'extracteur, le faisceau d'ions pénètre dans une enceinte à vide polarisée à -15 k V, dans laquelle sont placées 2 plaques mobiles 12 définissant une fente verticale par rapport au plan de la figure, 5 permettant de réduire la largeur du faisceau à 10 mm Une caméra CCD 13 permet d'obtenir un profil d'intensité du faisceau lorsque la fente est fermée, à partir des photons émis par les ions lorsqu'ils frappent les plaques 12. A three-electrode extractor 10 makes it possible to extract the ions produced in the source at high speed, and to focus the beam to allow it to keep good optical characteristics after its deceleration at the exit of the extractor. The first electrode is polarized. at -35 k V, the second electrode at 35 k k V, the third electrode at -35 k V. At the outlet of the extractor, the ion beam enters a vacuum chamber polarized at -15 k V, in which are placed 2 movable plates 12 defining a vertical slit with respect to the plane of the figure, 5 making it possible to reduce the beam width to 10 mm A CCD camera 13 makes it possible to obtain a beam intensity profile when the slit is closed, from the photons emitted by the ions when they strike the plates 12.
Le faisceau d'ions pénètre ensuite dans une 10 enceinte 14 polarisée à 15 k V, placée dans l'entrefer d'un électroaimant Le champ magnétique B perpendiculaire au plan du faisceau, produit par l'électroaimant courbe les trajectoires des ions du faisceau Le rayon de courbure R de la trajectoire d'un ion de charge q et de masse m, ayant 15 été accéléré par une différence de potentiel DU et soumis à un champ magnétique B est donné par la formule: R 2 = 2 *DU*m / (q*B 2) Selon le champ magnétique choisi par l'utilisateur, les ions, dont le rapport masse sur charge est différent, 20 auront une trajectoire dont le rayon de courbure est différent, ce qui permet de sélectionner l'ion avec lequel l'utilisateur de la machine souhaite réaliser le procédé. The ion beam then enters an enclosure 14 polarized at 15 k V, placed in the air gap of an electromagnet The magnetic field B perpendicular to the plane of the beam, produced by the electromagnet curves the paths of the ions of the beam Le radius of curvature R of the trajectory of an ion of charge q and mass m, having been accelerated by a potential difference DU and subjected to a magnetic field B is given by the formula: R 2 = 2 * DU * m / (q * B 2) According to the magnetic field chosen by the user, the ions, whose mass-to-charge ratio is different, will have a trajectory whose radius of curvature is different, which makes it possible to select the ion with which the user of the machine wishes to carry out the process.
Dans le rayon de courbure de l'aimant est de 250 mm, et le champ magnétique de 0,135 Tesla permet de sélectionner les 25 ions Arll+ parmi les autres ions du faisceau. In the radius of curvature of the magnet is 250 mm, and the magnetic field of 0.135 Tesla makes it possible to select the 25 Arll + ions among the other ions of the beam.
Le faisceau d'ions pénètre ensuite dans une enceinte à vide 15 polarisée à -15 k V dans laquelle des jeux de plaques 16 polarisées à des tensions variant entre -14 k V et -16 k V permettent de modifier sa trajectoire. 30 Dans cette enceinte, des jeux de plaques mobiles 12 définissent des fentes horizontales et verticales par rapport au plan de la figure, permettant de modifier la forme de l'enveloppe du faisceau Une cage de faraday mobile et rétractable 17 permet d'intercepter le faisceau 35 d'ions afin de mesurer son intensité en mesurant à l'aide d'un ampèremètre le courant de charges collectées Une caméra CCD 13 permet de mesurer les caractéristiques du faisceau lorsqu'il est intercepté par les plaques définissant les fentes. The ion beam then enters a vacuum chamber 15 polarized at -15 k V in which sets of plates 16 polarized at voltages varying between -14 k V and -16 k V make it possible to modify its trajectory. 30 In this enclosure, sets of mobile plates 12 define horizontal and vertical slots with respect to the plane of the figure, making it possible to modify the shape of the bundle envelope. A movable and retractable faraday cage 17 makes it possible to intercept the bundle 35 of ions in order to measure its intensity by measuring with the aid of an ammeter the current of charges collected A CCD camera 13 makes it possible to measure the characteristics of the beam when it is intercepted by the plates defining the slits.
Le faisceau d'ions pénètre ensuite dans une enceinte à vide 18 polarisée à -15 k V dans laquelle est installé un déflecteur électrostatique 19, qui constitue une première partie du système d'élimination de particules parasites de la machine Ce déflecteur est composé de deux 10 électrodes se faisant face, dont la surface a la forme d'une partie de sphère et au milieu desquelles circule le faisceau La différence de potentiel entre les deux électrodes est de 4200 Volts, pour permettre aux ions Ar 1 + de sortir de cette enceinte Les ions ayant perdu une ou 15 plusieurs charges par collision avec les molécules du gaz résiduel sont moins défléchis et leur trajectoire n'a pas le même axe que celle des ions Ar"+. The ion beam then enters a vacuum chamber 18 polarized at -15 k V in which an electrostatic deflector 19 is installed, which constitutes a first part of the system for eliminating parasitic particles from the machine This deflector is composed of two 10 electrodes facing each other, whose surface has the shape of a part of a sphere and in the middle of which the beam circulates The potential difference between the two electrodes is 4200 Volts, to allow the Ar 1 + ions to leave this enclosure The ions having lost one or more charges by collision with the molecules of the residual gas are less deflected and their trajectory does not have the same axis as that of the Ar "+ ions.
Le faisceau d'ions pénètre ensuite dans une enceinte à vide 20 polarisée à -15 k V dans laquelle des 20 jeux de plaques 12 définissent des fentes horizontales et verticales par rapport au plan de la figure, qui constituent la deuxième partie du système d'élimination de particules de la machine Ces plaques permettent d'intercepter les ions qui ont changé de charge par 25 collision avec le gaz résiduel des enceintes à vide, et dont la trajectoire à la sortie du déflecteur électrostatique 19 est différente de celle des ions Arll+. The ion beam then enters a vacuum chamber 20 polarized at -15 k V in which 20 sets of plates 12 define horizontal and vertical slots relative to the plane of the figure, which constitute the second part of the system. elimination of particles from the machine These plates make it possible to intercept ions which have changed charge by collision with the residual gas of the vacuum chambers, and whose trajectory at the outlet of the electrostatic deflector 19 is different from that of the Arll + ions.
Cette enceinte à vide est munie d'une caméra CCD 13 qui permet de mesurer les caractéristiques du faisceau 30 lorsqu'il est intercepté par les plaques définissant les fentes. Le faisceau pénètre ensuite dans une enceinte à vide en deux parties ( 21, 22) dans laquelle sont placées les électrodes cylindriques 23 du système de décélération 35 électrostatique La première partie de la chambre à vide 21 est polarisée à -15 k V Elle est isolée par un isolateur 24 de la deuxième partie de l'enceinte à vide 22, qui est au potentiel de la masse électrique de la machine (OV) Le faisceau passe au milieu d'une première électrode 25 5 polarisée à -16 k V, qui empêche les électrons qui seraient produits par collision des ions du faisceau avec les objets présents dans les enceintes à vide de pénétrer dans le système décélérateur Ce réglage permet de se débarrasser de tous les électrons créés avec une énergie cinétique 10 initiale de 1 k V Les électrodes 23 suivantes sont polarisées à des tensions différentes, allant graduellement de -15 k V à -30 V pour la dernière électrode 26, la plus proche de l'échantillon à traiter 5. This vacuum enclosure is provided with a CCD camera 13 which makes it possible to measure the characteristics of the beam 30 when it is intercepted by the plates defining the slots. The beam then enters a two-part vacuum enclosure (21, 22) in which are placed the cylindrical electrodes 23 of the electrostatic deceleration system 35 The first part of the vacuum chamber 21 is polarized at -15 k V It is isolated by an insulator 24 of the second part of the vacuum enclosure 22, which is at the potential of the electrical mass of the machine (OV) The beam passes through the middle of a first electrode 25 5 polarized at -16 k V, which prevents the electrons which would be produced by collision of the ions of the beam with the objects present in the vacuum chambers from entering the decelerator system This setting allows to get rid of all the electrons created with an initial kinetic energy of 1 k V The electrodes 23 following are polarized at different voltages, gradually going from -15 k V to -30 V for the last electrode 26, the closest to the sample to be treated 5.
Le faisceau d'ions pénètre alors dans un espace 15 dans lequel la différence de potentiel avec la surface de l'échantillon à traiter n'excède pas 30 V Un canon à électrons 27 produit des électrons lents 28 qui se dirigent vers la zone d'impact du faisceau d'ions sur la surface de l'échantillon à traiter, l'énergie de ces électrons 20 n'excédant pas 30 e V lorsqu'ils entrent en collision avec la surface de l'échantillon Les ions ont une énergie cinétique de quelques e V/q, o q représente leur charge, lorsqu'ils frappent la surface de l'échantillon Cette énergie cinétique, exprimée dans cette unité, est égale à 25 la différence de potentiel entre l'endroit o les ions sont créés et la surface de l'échantillon, qui est au potentiel de la masse de la machine ( O V) dans cet exemple de réalisation. L'échantillon 5 est maintenu face au faisceau 30 d'ions par un système mécanique 29 sur une platine mobile et motorisée 30, qui permet aux faisceaux d'ions et d'électrons de balayer la surface de l'échantillon Le premier balayage est effectué dans le plan de la figure, perpendiculairement au faisceau d'ions à une vitesse de 35 déplacement de 113 mm/s La direction du second mouvement est dans le plan perpendiculaire à la figure et au faisceau d'ions C'est un mouvement pas à pas, le déplacement étant effectué à la fin de la course du premier balayage, chaque pas déplaçant l'échantillon de 0,5 mm L'intensité du 5 faisceau d'ions Arll+ interagissant avec la surface de l'échantillon est de 10 micro-ampères L'échantillon dans l'exemple est une plaquette de silicium, à la forme d'un disque de 100 mm de diamètre Une dose ionique de 10 A 13 ions/cm 2 est ainsi déposée sur toute la surface de l'échantillon avec une uniformité meilleure que 99 % et en 270 secondes. The ion beam then penetrates into a space 15 in which the potential difference with the surface of the sample to be treated does not exceed 30 V An electron gun 27 produces slow electrons 28 which go towards the area of impact of the ion beam on the surface of the sample to be treated, the energy of these electrons 20 not exceeding 30 e V when they collide with the surface of the sample The ions have a kinetic energy of some e V / q, oq represents their charge, when they hit the surface of the sample This kinetic energy, expressed in this unit, is equal to 25 the potential difference between the place where the ions are created and the surface of the sample, which is at the potential of the mass of the machine (OV) in this exemplary embodiment. The sample 5 is held facing the ion beam 30 by a mechanical system 29 on a mobile and motorized stage 30, which allows the ion and electron beams to scan the surface of the sample The first scan is carried out in the plane of the figure, perpendicular to the ion beam at a displacement speed of 113 mm / s The direction of the second movement is in the plane perpendicular to the figure and to the ion beam It is a stepwise movement steps, the displacement being carried out at the end of the stroke of the first scan, each step moving the sample by 0.5 mm The intensity of the 5 beam of Arll + ions interacting with the surface of the sample is 10 micro- amperes The sample in the example is a silicon wafer, in the form of a 100 mm diameter disc. An ionic dose of 10 A 13 ions / cm 2 is thus deposited on the entire surface of the sample with a uniformity better than 99% and in 270 seconds.
Un système d'injection de gaz 31 permet d'injecter de l'oxygène à l'intérieur de l'enceinte 22 pendant le traitement de la surface de l'échantillon, à une pression 15 de 10 A-7 Torr, afin que l'oxygène puisse réagir avec la surface de l'échantillon activée chimiquement par les ions. A gas injection system 31 makes it possible to inject oxygen inside the enclosure 22 during the treatment of the surface of the sample, at a pressure 15 of 10 A-7 Torr, so that the oxygen can react with the surface of the sample chemically activated by the ions.
La figure 3 illustre une autre version de la machine dans laquelle l'électro-aimant 32 défléchit les ions à un angle différent de 90 Dans cette version de 20 machine, le système d'élimination 33 comporte des électrodes planes 34 pour défléchir le faisceau d'ions avec un angle supérieur à 900 Le système de balayage comporte des électro-aimants en bobines de Helmholtz 35 produisant un champ magnétique B alternatif Le système de 25 neutralisation est constitué d'un filament cylindrique 36 au milieu duquel circule le faisceau d'ions Une caméra CCD 37 permet d'observer les photons émis lors de l'interaction des ions avec la surface de l'échantillon, afin de mesurer l'uniformité du traitement, et son état d'avancement Un 30 système de comptage de photons 38 permet de mesurer l'intensité des photons émis dans la gamme de longueur d'onde qui n'est pas absorbée par le filtre optique 39. FIG. 3 illustrates another version of the machine in which the electromagnet 32 deflects the ions at an angle other than 90 In this version of the machine, the elimination system 33 has planar electrodes 34 for deflecting the beam d with an angle greater than 900 The scanning system includes electromagnets in Helmholtz coils 35 producing an alternating magnetic field B The neutralization system consists of a cylindrical filament 36 in the middle of which the ion beam circulates A CCD camera 37 makes it possible to observe the photons emitted during the interaction of the ions with the surface of the sample, in order to measure the uniformity of the treatment, and its progress. A photon counting system 38 allows to measure the intensity of the photons emitted in the wavelength range which is not absorbed by the optical filter 39.
L'échantillon à traiter 5 est maintenu face au faisceau d'ions par l'action d'un système électrostatique de 35 maintien d'échantillon 40 Cet échantillon est refroidi au contact d'un serpentin 41 dans lequel circule un liquide réfrigérant Un système mécanique permet de transférer l'échantillon de sa position sur son support, à la position 42 puis 43, dans laquelle l'orientation de la surface de l'échantillon est différente. The sample to be treated 5 is kept facing the ion beam by the action of an electrostatic system for maintaining the sample 40 This sample is cooled in contact with a coil 41 in which a coolant circulates A mechanical system allows the sample to be transferred from its position on its support, to position 42 then 43, in which the orientation of the surface of the sample is different.
La figure 4 illustre une autre version de la machine, dans laquelle le système d'élimination 44 utilise le champ magnétique produit par un aimant Dans cette version, le balayage utilise le champ magnétique alternatif 10 produit par deux bobines de Helmholtz 45 pour déplacer le faisceau dans un plan perpendiculaire au plan de la figure et au faisceau d'ions, puis le champ électrique alternatif produit par deux plaques métalliques 46 polarisées pour balayer le faisceau rapidement et à de petites amplitudes 15 dans le plan de la figure et perpendiculairement au faisceau d'ions, puis une table mécanique 47 motorisée permettant de balayer la surface de l'échantillon sous le faisceau d'ions dans une direction parallèle au plan de la figure et perpendiculaire au faisceau d'ions Une plaque de 20 métal 48 située à proximité de l'échantillon 5 permet de mesurer l'uniformité du faisceau d'ions et du faisceau d'électrons, lorsqu'elle est mise en position de les intercepter, en utilisant une caméra CCD 49 Une résistance chauffante 50 située sous l'échantillon permet d'élever sa 25 température, selon les besoins du procédé L'échantillon est isolé électriquement du reste de la machine par deux isolateurs 51, et est polarisé par le moyen d'un générateur de tension 52 Le système de neutralisation utilise, dans cette version de la machine, deux canons à électrons 27, 30 produisant des électrons de basse énergie cinétique 28 en direction de la surface de l'échantillon à traiter Un système 53 utilisant un ampèremètre permet de mesurer le courant des faisceaux d'ions et d'électrons incidents sur l'échantillon à traiter Un système 54 de production de photons permet de projeter des photons de longueur d'onde donnée sur la surface de l'échantillon à traiter. FIG. 4 illustrates another version of the machine, in which the elimination system 44 uses the magnetic field produced by a magnet. In this version, the scanning uses the alternating magnetic field 10 produced by two Helmholtz coils 45 to move the beam. in a plane perpendicular to the plane of the figure and to the ion beam, then the alternating electric field produced by two metal plates 46 polarized to scan the beam quickly and at small amplitudes 15 in the plane of the figure and perpendicular to the beam d ions, then a motorized mechanical table 47 for scanning the surface of the sample under the ion beam in a direction parallel to the plane of the figure and perpendicular to the ion beam A metal plate 48 located near sample 5 makes it possible to measure the uniformity of the ion beam and of the electron beam, when it is placed in the position to intercept them, in using a CCD camera 49 A heating resistor 50 situated under the sample makes it possible to raise its temperature, according to the needs of the process. The sample is electrically isolated from the rest of the machine by two isolators 51, and is polarized by means of a voltage generator 52 The neutralization system uses, in this version of the machine, two electron guns 27, 30 producing electrons of low kinetic energy 28 in the direction of the surface of the sample to be treated A system 53 using a ammeter makes it possible to measure the current of the beams of ions and electrons incident on the sample to be treated A system 54 for producing photons makes it possible to project photons of given wavelength on the surface of the sample to be treated.
La machine selon l'invention permet d'utiliser les ions multichargés ultra lents, de seulement quelques 5 électrons-volts par charge, pour modifier la surface de matériaux à l'échelle atomique, en particulier, mais non exclusivement, la surface de matériaux semiconducteurs Les procédés permis par la machine visée par l'invention sont la gravure de matériaux, le nettoyage de surfaces, la 10 fabrication de nanostructures, la production de modifications physiques ou chimiques, nanométriques, des surfaces, la modification chimique de surfaces à l'échelle atomique, et la fabrication de couches ultra-minces. The machine according to the invention makes it possible to use the ultra-slow multicharged ions, of only a few 5 electron volts per charge, to modify the surface of materials on an atomic scale, in particular, but not exclusively, the surface of semiconductor materials The processes permitted by the machine targeted by the invention are the etching of materials, the cleaning of surfaces, the manufacture of nanostructures, the production of physical or chemical, nanometric, modifications of surfaces, the chemical modification of surfaces to scale. atomic, and the manufacture of ultra-thin layers.
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Also Published As
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| AU2003300625A1 (en) | 2004-07-29 |
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