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EP-3843123-B1 - INSTALLATION FOR IMPLANTING IONS INTO THE SURFACE OF AN OBJECT TO BE TREATED

EP3843123B1EP 3843123 B1EP3843123 B1EP 3843123B1EP-3843123-B1

Inventors

  • Miko, Csilla
  • Vuille, Pierry
  • BAZIN, JEAN-LUC
  • Kool, Arne
  • BOULMAY, ALEXIS

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20171220

Claims (7)

  1. An installation for implanting monoatomic or polyatomic ions in a surface of an object to be treated (24), this installation (28) comprising a vacuum chamber (20) in which the object to be treated (24) is placed, the installation (18) also comprising a source of ions (26) that injects a beam of monoatomic or polyatomic ions (30) into the vacuum chamber (20), this ion beam (30) being directed towards the surface of the object to be treated (24), the said ion source being arranged so that, when the installation is in operation, the monoatomic or polyatomic ions strike the object to be treated (24) and penetrate more or less deeply into the surface of this object to be treated (24) and gradually accumulate, thus creating an electrostatic potential barrier that tends to slow and repel the ions that subsequently arrive, the installation (18) also comprising a first source of ultraviolet radiation (32) arranged to function at the same time as the ion source (26) and to produce a first ultraviolet radiation (36), the said first source of ultraviolet radiation being oriented so that, when the installation is in operation, the first ultraviolet radiation (36) propagates in the vacuum chamber (20) and falls onto the surface of the object to be treated (24) at the same time as the ion beam (30) strikes the surface of this same object to be treated (24) so that the photons from the first ultraviolet radiation (36) strip the atoms and molecules present in the vacuum chamber (20) of the electrons which will be attracted by the positive potential of the surface of the object to be treated (24) and will recombine with the ions present on the surface of the object to be treated (24), so as to cancel out the electrostatic charges, the said installation further comprising a second source of ultraviolet radiation (42) arranged to illuminate the surface of the object to be treated (24) with a second ultraviolet radiation (46), the said second source of ultraviolet radiation being oriented so that, when the installation is in operation, the second ultraviolet radiation (36) propagates in the vacuum chamber (20) in a direction forming an angle of approximately 90° with the first ultraviolet radiation (36).
  2. The installation for implanting monoatomic or polyatomic ions according to claim 1, in which the ion source (26) is of the electron cyclotron resonance type.
  3. The installation for implanting monoatomic or polyatomic ions according to any of claims 1 or 2, comprising a source of gas (40) arranged to deliver gas into the vacuum chamber (20) via an inlet valve (38) to which the source of gas (40) is connected.
  4. The installation for implanting monoatomic or polyatomic ions according to claim 3, in which the gas contained in the gas source (40) is a noble gas.
  5. The installation for implanting monoatomic or polyatomic ions according to any of claims 1 to 4, in which the material from which the ion beam is produced is chosen among nitrogen N, carbon C, oxygen O, argon Ar, helium He and neon Ne.
  6. The installation for implanting monoatomic or polyatomic ions according to any of claims 1 to 5, in which the ion source is arranged to produce an ion implantation dose in a range comprised between 1*10 14 ions.cm -2 and 7.5.10 17 ions.cm -2 , and preferably between 1*10 16 ions.cm -2 and 15*10 16 ions.cm -2 , the installation comprising a high-voltage source arranged to produce an acceleration voltage of the ions comprised between 7.5 kV and 40 kV.
  7. The installation for implanting monoatomic or polyatomic ions according to any of claims 1 to 6, comprising means for generating a vacuum designed such that the atmospheric pressure inside the vacuum chamber (20) is comprised between 10 4 Pa and 10 -4 Pa and preferably between 10 -2 Pa and 10 -4 Pa.

Description

Domaine technique de l'invention La présente invention a pour objet une installation pour la mise en œuvre d'un procédé d'implantation ionique dans la surface d'un objet à traiter, notamment mais non exclusivement un objet en saphir synthétique, au moyen d'un faisceau d'ions. Cette installation vise à augmenter le nombre d'ions qu'il est possible d'implanter dans la surface de l'objet à traiter et la profondeur à laquelle ces ions peuvent pénétrer dans l'objet. Le procédé peut s'appliquer tout aussi bien à un objet massif qu'à un objet à l'état de poudre formé de particules métalliques ou de particules céramiques. Arrière-plan technologique de l'invention Les procédés d'implantation ionique consistent à bombarder la surface de l'objet à traiter par exemple au moyen d'une source d'ions mono- ou multichargés du type à résonance cyclotron électronique. Une telle installation est encore connue sous sa dénomination anglo-saxonne Electron Cyclotron Resonance ou ECR. Une source d'ions ECR fait usage de la résonance cyclotronique des électrons pour créer un plasma. Des micro-ondes sont injectées dans un volume de gaz à basse pression destiné à être ionisé, à une fréquence correspondant à la résonance cyclotron électronique définie par un champ magnétique appliqué à une région située à l'intérieur du volume de gaz à ioniser. Les micro-ondes chauffent les électrons libres présents dans le volume de gaz à ioniser. Ces électrons libres, sous l'effet de l'agitation thermique, vont entrer en collision avec les atomes ou les molécules et provoquent leur ionisation. Les ions produits correspondent au type de gaz utilisé. Ce gaz peut être pur ou composé. Il peut également s'agir d'une vapeur obtenue à partir d'un matériau solide ou liquide. La source d'ions ECR est en mesure de produire des ions simplement chargés, c'est-à-dire des ions dont le degré d'ionisation est égal à 1, ou bien des ions multichargés, c'est-à-dire des ions dont le degré d'ionisation est supérieur à 1. A titre d'exemple, une source d'ions multichargés du type à résonance cyclotron électronique ECR est illustrée sur la figure 1 annexée à la présente demande de brevet. Très schématiquement, une source d'ions multichargés ECR, désignée dans son ensemble par la référence numérique générale 1, comprend un étage d'injection 2 dans lequel on introduit un volume 4 de gaz à ioniser et une onde hyperfréquence 6, un étage de confinement magnétique 8 dans lequel est créé un plasma 10, et un étage d'extraction 12 qui permet d'extraire et d'accélérer les ions du plasma 10 au moyen d'une anode 14a et d'une cathode 14b entre lesquelles est appliquée une haute tension. L'aspect du faisceau d'ions 16 produit en sortie de la source d'ions ECR 1 est illustré à la figure 2 annexée à la présente demande de brevet. L'un des problèmes rencontré avec le procédé d'implantation ionique brièvement décrit ci-dessus réside dans le fait qu'au fur et à mesure que les ions pénètrent dans la surface de l'objet à traiter, ils créent une barrière de potentiel électrostatique qui tend à ralentir les ions qui arrivent subséquemment, ce qui limite la profondeur de pénétration de ces ions sous la surface de l'objet à traiter. En effet, plus les ions sont nombreux à être implantés à la surface de l'objet à traiter, plus le champ électrostatique que créent ces ions est élevé, et plus la surface de l'objet à traiter tend à repousser les ions qui arrivent de la source d'ions ECR, ce qui pose des problèmes d'homogénéité dans le procédé d'implantation ionique de l'objet à traiter. Dans le cas où l'objet à traiter est conducteur de l'électricité, ce problème est moins présent dans la mesure où certains au moins des électrons libres ou faiblement liés du matériau dans lequel est réalisé l'objet à traiter peuvent se recombiner avec les ions implantés. Par contre, dans le cas où l'objet à traiter est réalisé en un matériau non conducteur de l'électricité, le phénomène de recombinaison entre électrons et ions mono- ou multichargés ne se produit pas, et garantir une distribution homogène des ions dans la surface de l'objet à traiter est pratiquement impossible. Les documents JPH01 119668 A et US 2017/0207063 A1 comptent sur l'apparition, dans la surface de l'objet à traiter, d'un courant électrique induit par le rayonnement ultraviolet au moyen duquel cette surface est éclairée, pour évacuer les charges en excès qui se sont accumulées dans l'objet à traiter. Le document WO2016/06779 décrit par ailleurs un procédé d'implantation d'ions et des substrats en verre à ions implantés. Le document US2007/187615 décrit un système de contrôle de charge comprenant un plateau dont la surface est configurée pour recevoir une plaquette, et un moniteur de charge disposés par rapport au plateau de manière à ce qu'un faisceau d'ions frappe simultanément une partie du moniteur de charge et une partie de la plaquette. Le document US5522935 décrit un dispositif pour le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma pour