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18 mars 2013
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TECHNOLOGIE DES COUCHES MINCES

préparation 2 : usinage ionique

pourquoi les applications
notions sur les plasmas comment diriger un ion
dispositif expérimental
  
   
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Les technologies utilisant les faisceaux d'ions, très employées en microélectronique, ont pour origine les travaux développés à la NASA par l'équipe de H.R. Kaufman. En raison de leurs multiples applications dans ce domaine tant en terme d'implantation d'ions, que de dépôts, de lithogravure voire de nettoyage ou de modification des propriétés des matériaux, nous allons leur consacrer un sous-chapitre spécifique. Au tout début de la technique il s'agissait de faisceaux fins, aujourd'hui on sait aussi faire des faisceaux homogènes de très grand diamètre parfaitement compatibles avec les techniques de production de masse de la microélectronique (circuits VLSI).
Pourquoi l'usinage ionique ?

Dans une enceinte sous vide relativement poussé, les atomes (ionisés ou non) en mouvement ont des libres parcours moyens qui sont de l'ordre de grandeur de ladite enceinte. S'ils sont ionisés on imagine aisément qu'à l'aide d'un champ électrique ou magnétique on va pouvoir leur conférer une trajectoire contrôlée et une accélération telle qu'ils percuteront les surfaces vers lesquelles on les dirige avec une énergie suffisante pour :

soit arracher des atomes de la surface (et donc réaliser une gravure ou un micro-usinage)
soit pénétrer profondément à l'intérieur du matériau (implantation d'ions modifiant les caractéristiques du matériau)
Il est assez intuitif que ce procédé va être relativement aisé à contrôler (densité d'ions, énergie cinétique, direction) ce qui en garantit l'excellente reproductibilité, la précision, l'insensibilité aux conditions de mise en oeuvre du système de vide et explique son succès.
Quelques notions de base sur les plasmas

Un plasma, c'est à dire un ensemble de particules en mouvement (ions et électrons) dans un vide relativement poussé (typiquement de l'ordre de 10-4 Torr) se comporte en gros comme un conducteur et, tel un conducteur métallique s'il est soumis à un champ électrique, les charges électriques vont s'organiser pour contrecarrer la pénétration du champ dans le conducteur. Les conditions expérimentales font qu'effectivement le degré de pénétration du champ dans le plasma est très faible et n'affecte pas de manière significative celui-ci, ce qui revient en pratique à dire que les diverses électrodes que l'on va placer dans le système ne vont pas poser de problème.

Une notion importante est la distance que va parcourir un électron avant de heurter et d'ioniser un atome de gaz neutre et simultanément la distance moyenne parcourue par un ion avant d'entrer en collision avec un autre atome (avec pour résultat d'en modifier la direction de déplacement). Ce libre parcours moyen ou lpm (en cm) est donné par lpm = 1/nC où n est la densité des atomes neutres par cm3 et C la section efficace (en cm2) pour le type de collision concerné. On montre qu'à la pression retenue le lpm des ions est de l'ordre de 70cm, mais simultanément celui des électrons est de plus d'un mètre c'est à dire supérieur aux dimensions de l'enceinte ce qui signifie qu'il n'aura aucune efficacité d'ionisation et donc qu'il est exclu de créer un plasma à l'aide d'un seul champ électrique. C'est pourquoi on va devoir utiliser en complément un champ magnétique qui en courbant la trajectoire des particules chargées permettra aux électrons de rencontrer effectivement des atomes de gaz neutre et donc de les ioniser et de créer le plasma. C'est la grande différence avec la pulvérisation cathodique, qui elle opère à des pressions beaucoup plus élevées, pour lesquelles les lpm s'expriment en mm et non en dizaines de cm.

Avec un champ d'une centaine de Gauss, on obtient pour l'électron un rayon de courbure de 0.25cm (R = mv/Bq, m masse de la particule, v composante de vitesse perpendiculaire au champ, B intensité du champ magnétique et q charge de l'électron), par contre les ions qui sont le plus souvent de l'argon étant beaucoup plus lourds ne sont quasiment pas affectés par un tel champ magnétique (l'ion argon est 7.3.104 fois plus lourd que l'électron ce qui conduit à un rayon de courbure de 365m à vitesse égale, donc, sur une trajectoire de moins d'un mètre à l'intérieur de l'enceinte, on peut effectivement admettre que la perturbation de la trajectoire des ions est négligeable).

dispositif expérimental

Il est généralement composé de deux parties, la chambre de création du plasma (source d'ions) d'une part, et celle d'utilisation de celui-ci (ou chambre de travail), d'autre part, auxquelles il convient évidemment d'associer un groupe de pompage permettant l'obtention de la pression réduite.