Implantation ionique par immersion plasma

• PBII : Plasma Based Ion Implantation.
• PIII : Plasma Immersion Ion Implantation.

L'implantation ionique est une technique qui permet d'incorporer par effet mécanique des ions dans un matériau. Le procédé classique relatif à cette technique, consiste à accélérer des ions de masse et d'énergie sélectionnées en direction de la surface du matériau.Ce traitement, qui utilise des faisceaux d'ions de haute énergie (3KeV à 500 KeV), permet une profondeur moyenne de pénétration des atomes allant de 100 A à 1μm. Pour contourner les limitations et la complexité de la manipulation des faisceaux d'ions, une autre technique de production et d'accélération d'ions a vu le jour. C'est l'implantation ionique par immersion plasma. Elle consiste à appliquer à un substrat conducteur plongé dans le plasma des impulsions négatives haute tension. Les ions positifs présents dans le plasma sont alors accélérés vers la surface du substrat où ils sont implantés. Comme le plasma entoure le substrat, toute la surface est implantée en même temps ce qui permet aussi de supprimer l'étape de balayage du faisceau d’ions.

Implanteur conventionnel

Implanteur plasma

Lorsqu’une impulsion négative rectangulaire de tension, d'amplitude V, est appliquée à un substrat conducteur immergé dans un plasma, une gaine ionique se forme autour du substrat et les ions sont accélérés du plasma vers la surface du substrat où ils sont implantés. Sous l'impact de ces ions, des électrons secondaires sont émis de la surface du substrat, et sont accélérés dans la gaine en sens contraire. De ce fait le courant total mesuré a pour expression : I = (1+γ)I_i ; I_i étant le courant ionique collecté et γ le coefficient d'émission secondaire. La variation du courant ionique I_i en fonction du temps, représentée à la Fig est la conséquence directe du comportement de la gaine pendant l'impulsion.

Mecanismes de base

Trois phases succesives sont constatées :

1. Sur une échelle de temps de l'ordre de l'inverse de la pulsation plasma électronique ω_pe^-1 qui est reliée à la densité du plasma par la relation : où ε est la permittivité du vide, m_e la masse d'un électron, e la charge électrique, et n_e la densité électronique du plasma, les électrons sont repoussés du voisinage de l'échantillon tandis que les ions beaucoup plus lourds restent immobiles. ω_pe^-1 vaut 10^-10 s pour une densité plasma égale à 10¹⁰ cm^-3.
2. Sur une échelle de temps de l'ordre de l'inverse de la pulsation plasma ionique ω_pi^-1 exprimée par où m_i est la masse de l'ion, et n_i la densité ionique du plasma les ions sont accélérés vers le substrat. Le courant ionique collectée atteint un maximum très pointu avant de décroître. Ensuite, une fois que les ions de la "matrice ionique" ont été collectés, de nouveaux ions sont extraits de la lisière du plasma et la gaine ionique du plasma poursuit son expansion. ω_pi^-1 vaut 10^-8 s pour une densité plasma égale à 10¹⁰ ions N⁺ cm^-3.
3. Sur une échelle de temps quelques dizaines de fois plus grande que ω_pi^-1, la gaine et la densité de courant évoluent vers le régime permanent décrit par la loi de Child-Langmuir.

Le régime transitoire (étape 2) est caractérisé par des ions ayant une distribution en énergie comprise entre eV et eV_p, où V_p est le potentiel plasma. Pour que les ions soient tous implantés à partir de la lisière de gaine avec une énergie eV coorespondante à la tension appliquée, le procédé d'implantation ionique par immersion plasma requiert une durée des impulsions une centaine de fois plus grande que ω_pi^-1, c'est à dire de l'ordre d'une dizaine de micro secondes. De plus que de brefs impulsions, le générateur d'impulsions doit fournir de très hautes tensions de l'ordre d'une dizaine de kV, pour assurer une importante profondeur d'implantation des ions dans le matériau. Par ailleurs les dimensions du réacteur dans lequel le plasma est créé, doivent être supérieurs à celles de la gaine qui entoure le substrat afin d'éviter la production d'un arcs électriques. La longueur de la gaine en régime de Child Langmuir, reliée à la densité du plasma par : , implique l'utilisation de réacteurs de grandes dimensions à de hautes tensions. A titre d'xemple, pour une densité plasma égale à 10¹⁰cm^-3 et pour une tension de 100 kV la longueur de la gaine vaut 40 cm ce qui signifie que les dimensions du réacteur doivent être au moins 110 cm de diamètre et 40 cm de hauteur. La Quatrième caractéristique requise pour le procédé PBII est le travail à basse pression. En effet, les ions entourant le substrat, doivent avoir leur libre parcours moyen avec les neutres, égal à l'épaisseur de la gaine, pour qu'ils ne perdent pas leur énergie dans les collisions avant d'arriver au substrat. Cette condition entraine comme on peut le voir sur la Fig l'opération à de relativement basse pression.

Gaine non collisionnelle

Par exemple, pour une densité de plasma égale à 10¹⁰cm^-3 et pour une tension de 100 kV dans le cas d'une gaine non collisionnelle la pression minimale est 10^-4 Torr.

Comme nous avons vu précédemment l'implantation ionique par immersion plasma nécéssite : un plasma opérant à basse pression, des pompes primaire et secondaire, un générateur d'impulsions hautes tensions, un substrat (ou un échantillon), un système de refroidissement du substrat ainsi que du générateur d'ondes électromagnétiques : le magnétron.Sur la Fig … une photo du système complet de PBII est représentée.

Légende

L'enceinte du réacteur qui mesure 60 cm de diamètre et 70 cm de hauteur, comprend des aimants qui servent à confiner les électrons du plasma et le rendre ainsi plus dense, des antennes qui servent à propager l'onde électromagétique, et finalement un porte substrat. Le porte substrat lui, est relié au générateur de tension. La production du plasma dans ce générateur opère à la résonnance résonance cyclotronique électronique. En effet, l'application de l'onde électromagnétique (micro-ondes), générée par le magnétron, sur le système magnétique (aimants dans le réacteur) qui produit une intensité de champ magnétique telle que la fréquence de giration des électrons est égale à la fréquence des micro-ondes entraine le chauffage des électrons dans les zones près des aimants. Les électrons chauds oscillent ensuite entre les deux poles magnétiques des aimants et ionisent par collisions les atomes du gaz introduit dans le réacteur.

L'implantation ionique en immersion plasma est appliquée dans plusieurs domaines, on peut citer la métallurgie pour les métaux et alliages et la microélectronique pour les semi-conducteurs. En microélectronique, l’implantation d’ions dans les semi-conducteurs, sert surtout à modifier leurs propriétés électriques. Concernant les dispositifs électroniques, deux utilisations majeures ressortent : le dopage local (p ou n) du silicium et la réalisation des substrats de silicium sur isolant. L'activité électrique dans les circuits rapides à très haut degré d'intégration (VLSI), doit être confinée à des couches extrèmement minces de semi-conducteurs et les interférences électriques entre les éléments du circuit adjacent doivent être minimisées. L'une des façons d'y parvenir consiste à créer des circuits dans un substrat de silicium sur isolant (SOI). L'implantation d'oxygène dans un substrat de silicium permet de former des couches isolantes d'oxyde enterrés dans le silicium. On fabrique ensuite les éléments du circuit dans le film superficiel de 0,5m d'épaisseur, électroniquement isolé. En revanche, dans les métaux, ce sont les modifications mécaniques et chimiques de la couche superficielle qui sont les plus interessantes. L'implantation d'ions à la surface d'un métal transforme celui-ci : elle augment sa dureté, sa résistance à l'usure, à l'oxydation ou la corrosion, diminuer son coefficient de frottement et modifier d'autres propriétés, notemment ses propriétés magnétiques, supraconductrices ou optiques. En dehors des applications à l'élaboration de couches superficielles fonctionnelles à la surface des matériaux, une aplication à l'implantation ionique est la coloration des métaux. Comme dans ce procédé il est possible d'implanter n'importe quel élément ionisé dans n'importe quel type de matériau, il est ainsi possible d'obtenir plusieurs couleurs suivant le type d'ion implanté.

Comme nous venons de le voir, l'implantation ionique par immersion plasma est une technique de traitement de surface, qui permet de modifier les propriétés mécaniques d'une surface sans altérer celles du volume. Il suffit de plonger l'objet dans un plasma et de le polariser à de fortes tensions négatives afin d'attirer les ions positifs présents dans le plasma et les implanter dans l'objet. Cette technique peut être utilisée dans des domaines variées de l'industrie et tend à remplacer la méthode conventionnelles qui présentent des limitations telles que la directivité du faisceau (impossibilité d'implanter des formes tridimentionnelles), faible vitesse d'implantation, coût d'investissement élevé …