FR2722333A1 - Source d'ions de metaux liquides - Google Patents

Abstract

Source d'ions à métal liquide comprenant une tige cylindrique (10, 35) en un matériau conducteur et réfractaire, prolongée par une pointe (12, 13, 37, 39) en matériau réfractaire, destinée à être recouverte d'un métal d'apport liquide, caractérisée en ce que l'ensemble constitué par la tige cylindrique et la pointe traverse un réservoir (14, 15) constitué d'un matériau conducteur, la zone (19, 33) où la tige est engagée dans le réservoir assurant un contact électrique entre la tige et le réservoir, et en ce que le réservoir est en contact avec un filament conducteur (16), la tige cylindrique, le réservoir et le filament conducteur étant ainsi reliés en série du point de vue électrique.

Description

SOURCE D'IONS DE METAUX LIQUIDES

DESCRIPTION

Domaine technique La présence invention se rapporte au domaine des sources d'ions a me-a!!liuide, dans lesquelles des ions son: produics a partr d'un métal d'apport qui

recouvre une pointe en méca! réfractaire..

En appliquant un champ électrique intense, sous vide, encre cette pointe et une electrode d'extraction, il y a emission d'ions suivant un mécanisme d'évaporation de champ. Cetce emission est localisée à l'apex de la pointe. La caille de la zone émissive est de l'ordre de cuelcues nm2 pour un courant d'émission

d'environ 2,A.

Ces sources son: uciiisees dans les machines à faisceaux d'ions focalisés qui occupent une part de plus en plus imporcance dans les techniques de

fabrication microelec:rcnique.

Actuellement, ces machines utilisent presque exclusivement des sources d'ions à métal liquide gal!ium. L'u:ilisacia n d'ions plus légers est in:eressance, car elle permec de diminuer la taille des sondes ioni4ues. Cec7 perme: d'augmenter la résolution des machines existances, par simple changement de la source. En outre, pour des applications d'implantation, un élénen: léger est incéressant car il pénètre plus profondemen: dans la matiére qu'un élément lourd, à

énergie égale.

Etat de la cechnicue L'article de Bel' e: al. paru dans "Journal of applied chvsics", vol. 53, n 7, Juillet 1982, pp. 4602 A 4605 décrti une source d'ions aluminium constituée d'une ooine en cra--: fixée sur un filament de chauffage en cungscene. La pointe de graphite est traitée en surface par dépôt d'un film de titane. En effet, le graphite est relativement résistant aux attaques de l'aluminium liquide, mais il est difficile de le mouiller avec un cel liquide. L'utilisation du film de -titane permet de résoudre ce problème. La source présence la forme illustrée sur la figure 1, o la référence 2 désigne la pointe de graphite, qui présente à sa base une partie cylindrique. Un filament de chauffage 4, en tungsetène, traverse cette partie cylindrique. Le chauffage de la pointe 2 est obtenu par

la chaleur dégagée par effet Joule dans le filament.

Ce type de source présente les avantages d'une part de la simplicité, e: d'autre part de la compacité puisque la pointe de graphite présente un diamètre

d'environ 0,8 mm, pour une longueur de 2 mm.

Néanmoins, on v observe un certain nombre d'inconvénients. Touc d'abord, l'assemblage et le positionnement de la pointe en graphite sur un filament dont le diamètre esc inférieur à 0,2 mm sont très délicats, voire aléatoires. L'ensemble manque de stabilité mécanique, ce qui entraîne des dérives thermiques incompatibles avec des applications dans le domaine de la microéeeczronique. D'autre part, le chauffage de la zone em- issive est mal maîtrisé. Or, plus la puissance thermique utilisée par la source est importance, plus ies dérives thermiques dues au rayonnement sur l'envi-ronnement sont élevées. Ceci, en conséquence, peu: modifier le centrage mécanique de la pointe emissive par rapport à une cible ou par rapport à une électrode d'extraction. Ce centrage influence la direction de l'émission des ions et est inaccessible durant: le fonctionnement. Sa variation conduit donc à une perce de précision; dans le cadre d'une util-satcr.n dans le domaine de la microélectronique, la résolution des structures gravées obtenues avec une telle source s'en trouve considérablement affectée. Un autre problème est celui de la durée de vie limitée de la source. En effet, -a réserve de métal liquide d'apport est faible, et n'est pas utilisable en totalité. Exposé de l'invention La présente invention cherche à résoudre ces

problèmes.

Elie a pour objet une source d'ions à métal liquide comprenant une tige cylindrique en un matériau conducteur et réfractaire prolongé par une pointe en matériau refractaire, destinée à être recouverte d'un métal d'apport liquide, caractérisée en ce que l'ensemble constitué par la tige cylindrique et la pointe traverse un reservoir constitué d'un matériau conducteur, la zone o la tige est engagée dans le réservoir assurant un contact électrique entre la tige et le réservoir, et en ce que le réservoir est en contact avec un filament conducteur, la tige cylindrique, le réservoir et le filament conducteur

étant ainsi reliés en série du point de vue électrique.

Une telle constitution pour une source d'ions en meétal liquide permet de limiter l'apport d'énergie

nécessaire pour un fonctionnement optimal de la source.

Il n'y a en effet, production d'un échauffement que dans une zone très localisée, limitée à la partie de la tige cylindrique au voisinage de la pointe, au réservoir et au filament de tungstène. L'élément le plus résistif du circuit ainsi constitué est la partie cylindrique de la tige, qui, lorsqu'elle est traversée par un courant de z amepères, par effet Joule, atteint

une température de,?O C au voisinage de son extrémité.

De plus, la puissance consommee est limitée à moins de

0 Watts.

L'ensemble est d'un assemblage et d'un positionnement beaucoup moins délicats que dans les sources d'ions a meéai liquide connues de l'art antérieur. Enfin, la stabilité mécanique est nettement ameliorée. L'utilisa.ion d'un réservoir permet par ailleurs d'accroître a réserve de métal liquide et,

donc, la durée de vie de la source.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la tige et la pointe forment une seule et même pièce Par exemple, la tige et la pointe peuvent être

en graphite.

Selon un mode de réalisation encore plus particulier, la pointe en graphite est recouverte d'un

film de titane.

Selon une variante, la pointe est recouverte d'une couche d'accroch. age métallique de même nature que

le métal liquide destiné à être utilisé avec la source.

La couche d'accrochage peut non seulement recouvrir a pointe, mals également une partie du

réservoir.

Dans le cas cu ie métal liquide destiné à recouvrir la pointe en graphite est, par exemple, de aluminiur., un traitement de surface de la pointe permet d'améliorer la mouillabilité de celle-ci par l'aluminium liquide. Des deux traitements de surface exposés ci-dessus, le second présente l'avantage de permettre d'obtenir un film d'aluminium très homogène sur l'ensemble de la pcince. En effet, le traitement de la surface de la pocznte en graphite par dépôt d'un film de titane ne terme: pas de réaliser un mouillage homogène de la pointe avec un film d'aluminium: on obtient, en fait, une formation d'îlots d'aluminium à la surface de la pointe de graphite et il en résulte que la fonction d'appor: de l'aluminium vers la pointe est très perturbée. Le courant émis est alors instable et très difficile à carder constant sur de longues périodes. Par contre, e second traitement favorise d'une part la fonction d'apport du métal à ioniser vers l'apex de la pointe, et d'autre part permet d'augmenter la quantité de métal d'apport stocké. Le courant ionique obtenu lors de la production d'ions aluminium

en est d'autant plus stable dans le temps.

Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, la tige cylindrique et la pointe sont ajustées mécaniquement avec des tolérances serrées à l'intérieur de la zone prévue pour leur passage dans le reservoir.

Cet ajustement présente l'avantage suivant.

Lors du fonctionnement de la source, il est possible que des points chauds, autres que ceux situés au voisinage de la pointe, apparaissent sur la tige cylindrique, de l'autre côté du réservoir par rapport à la pointe. Alors, s'il existe un certain jeu entre la tige cylindrique et Le réservoir, le métal liquide s'y introduit et remonte vers ces points chauds, à partir desquels il peut s'évaporer, ce qui diminue la durée de vie de la source. L'ajustement, sans aucun jeu de la tige à 1'intérieur du réservoir, permet de remédier à

cet inconvénient.

D'autres aspects complémentaires de l'invention

apparaissent dans les revendications dépendantes.

Présentation des ficures De toute facon, les caractéristiques et avantages de l'inrvention azparaîtront mieux à la lumière de la desc--rition qui va suivre. Cette

description porte sur les exemples de réalisation,

donnés à titre expol caif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels: - la figure _, déjà décrite, représente une source d'ions à mé:a_ iiuide selon l'art antérieur, - a figure 2 représente une source d'ions à métal liauide selon La presente invention, - les figures 3a et 3b représentent deux exemples de réservoir- uilise dans une source d'ions à métal licuide selon la présente invention, - la figure 4 représente un mode de réalisation d'une tige pour une source selon l'invention, - la figure 5 représente le dispositif de traitement pour préparer une source d'ions à métal liquide selon la présente invention, les figures 6 et 7 donnent des exemples de resultats obtenus avec une source d'ions selon la

présente inventicn.

Expose déeailé de modes de réalisation de l'invention La figure 2 il ustre un mode particulier de realisation d'une source d'ions à métal liquide selon

la présente invention.

Cette source est constituée d'une tige conductrice comportann une partie cylindrique 10 et une pointe, cette dernière étant elle- même constituée d'une partie ou extréemié conique 12 et d'une partie cylindrique 13. La partie cylindrique 10 est constituée d'un matériau concucteur et réfractaire. En général, le grapn:he conv ent bzen tans le cadre d'une application à une source d'ions d'un métal léger, tel que aluminium. Mais ceci n'exclut pas l'emploi d'autres matériaux, tels que par exemple le tungstène. La tige, dans sa partie cylindrique 10, peut avoir, dans le cas du graphite, un diametre de l'ordre de quelques dixiemes ce millimètre, par exemple 0,5 mm, et une

longueur comprise enore 5 et 20 mm, par exemple 15 mm.

En fait, dans divers exemples de réalisation, une simple mine de crayon de type "HB" a été utilisée, qui

a donné entière satisfac:ion.

L'extrémité 12 de la pointe est taillée en forme de cône, de demi- angle au sommet ayant une valeur comprise entre 48 e: 50 , par exemple 49 , par polissage mécanique en deux étapes. La pointe est placée en rotation, incLinee de 49,5 environ, et elle est amenée au contact d'un plan qui va usiner la partie conique. Dans une première étape, le cône est ébauché

sur une surface de rugosité moyenne, d'environ 30 wmn.

Dans un deuxième temps, la finition est réalisée sur une surface de faible rugosité, par exemple de quelques microns. Ainsi, on obtient, de manière reproductible, un rayon de courbure à ''apex de la pointe de l'ordre de

la dizaine de mi'cmèrres.

La pointe, c'est-à-dire l'ensemble constitué par la partle cylindricue 13 et l'extrémité conique 12 a une Longueur totale comprise entre 5 et 10 mm, la partie cylindrique '3 ayant une longueur de quelques mm

(par exemple 3 mm).

Afin d'éviter, en cours de fonctionnement de la source, une rupture Ou film de métal liquide sur l'arête à la base du cône, là ou commence la partie cylindrique 13, il peu. être intéressant de chanfreiner la zone de raccord L entre la partie cylindrique 13 et

l'extrémité conique 2.

Si la pointe est constituée du même matériau que la partie cylindrique 10 de la tige, l'ensemble

forme une seule et même pièce.

La tige est introduite dans un réservoir 14, dont deux exemples de réalisation sont illustrés plus précisément sur les figures 3a et 3b. Sur chacune de ces figures, le réservoir désigné par les références 14-1 et 14-2, présente une forme ayant sensiblement une symnétrie de révolution autour d'un axe passant par la partie 10. Dans es deux exemples, une ouverture cylindrique 19, à l'intérieur du réservoir, permet le passage, mais aussi _e maintien de la tige dans une position fixe et contribue à la stabilité mécanique de l'ensemble. Sur l'exemple de la figure 3b, le réservoir 14-2 possède une partie 18 évidée, en forme de chanfrein. Cet évidement a pour fonction de permettre d'augmenter la capacité, en métal liquide, du réservoir. Un évidement intérieur 17 permet de diminuer

le volume de matière utilisée pour le réservoir.

Dans tous les cas, le réservoir est constitué d'un matériau conducteur et réfractaire. Si la tige 10 est en graphite, il suffira de choisir par exemple le grapnite comme matéerau pour le réservoir. La tige 10 étant utilisée comme conducteur électrique, il y a, en principe, production d'un échauffement dans une zone très localisée, limitée à la partie conique 12, à la partie cylindrique 13 et au réservoir 14. Cependant, on ne peut parfois éviter la formation de "points chauds" sur la partie cylIndroque 10, et à proximité de la base du réservoir 14, par exemple en un point tel que le point A représenté sur la figure 2. En un tel point chaud, la température peut atteindre une valeur supérieure à celle de _a température à l'extrémité de la tige, au voisinage de la pointe 12, du fait qu'au voisinage de cette poinae la présence de métal liquide contribue à dissiper de la chaleur. Or, le métal liquide peut avoir end--ance à diffuser thermiquement, le long de la tige, en direction des points chauds, ce qui a pour conséquence de vider peu à peu le réservoir et, donc, de diminr.uer L'autonomie de la source. Pour ces raisons, iL peur être intéressant d'ajuster mécaniquement la par:ie cylindrique 10 de la tige avec des tolérances serréees, sans aucun jeu, à l'intérieur de i'ouverture cyindrique 19 (voir figures 3a et 3b) prévue pour le passage de a tige à l'intérieur du réservoir 14. Par consequent, le métal liquide ne peut pas s'échapper le long de la tige. Par ailleurs, ceci renforce La tenue mecanlue de l'ensemble. A titre indicatif, un réservorl- a été réalisé avec un diamètre d'environ 5 mm, pour -une hauteur de 2 mm environ. Le cylindre -9 est usené au diamètre nominal de la tige 10 et celle-ci y est ensuite introduite à force, à la

main. Ceo_ suffit pour assurer l'ajustage serré requis.

Comme ilLustré sur la figure 2, le réservoir 14 est relié éliectricuement à un circuit de chauffage. Ce circuit peut être constitué par exemple par un filament de tungstène 16 enrouLé autour de la base du réservoir 14, du ccé opposé à La pointe 12. Les extrémités de ce filament sont eiles-mêmes reliées à des éléments conducceurs 24, 26, teLs que par exemple des plaques de tantale. Selon une variante, non représentée sur les figures, le filament 6 n'est pas en contact avec la surface extéerieure du réservoir 14, mais il est introduit: dans une gorge taillée dans la surface de ce réservoir. Ceci perme -de limiter le contact entre le filament de chauffage 6 et d'éventuelles gouttes de méta il quide cu, pourraient diffuser le long de la surface extéereure nu reservoir 14. En effet, certains métaux liquides, et notamment l'aluminium, sont

extrêmement corrosifs vis-à-vis des métaux.

La tige est maintenue à sa base par une pince constituée de deux mâchoires 28, 30 qui a pour fonction, d'une part d'assurer un maintien mécanique de la tige avec une r-gtté maximum sans la fragiliser, et d'autre part d'assurer un contact électrique fiable avec le matériau de cette tige, contacts électriques qui permettent la circulation d'un courant d'environ

6 A.

Ainsi constiulé, e circuit de chauffage comprend la tige, avec sa partie cylindrique 10 et sa pointe, le réservoir i4 et le filament 16. Du point de vue électrique, tous ces éléments sont reliés en série et l'ensemble fonctionne sous une tension

d'alimentation flottante de l'ordre de quelques Volts.

L'élément le plus résistif du circuit est la partie cylindrique 10 de a tige, qui, lorsqu'elle est traversée par un courant de 5 A, atteint une température de 700 C par effet Joule. En outre, le fait d'utiliser lia tige comme élément chauffant, permet de limiter la puissance consommée à environ moins de

Watts.

L'ensemble repose sur une embase 32, traversée par 3 tiges filetées 27- 1, 27-2, 27-3. La tige filetée centrale 27-2 se proconge par les mâchoires 28, 30; les tiges latérales 27-1 et 27-3 se prolongent par des mâchoires de fixation 29-1 et 29-2 des plaques 26 et 24. Tous ces éléments (mâchoires, tiges filetées) font

partie du circuit électricue.

La structure cu vient d'être décrite confère une très bonne s abi. lé mécanique à l'ensemble, et notamment à la pointe i2. Ceci permet de stabiliser la zone emissive, à ''acex de la pointe, et de rendre la source ccmpat le avec 'utilisation dans des domaines -echniques o la rczsion nécessaire est extrêmement élevée, par exemple en optique électrostatique. En outre, du point de vue encombrement, la source décrite est totalemer.nt compatibie avec les machines ou systèmes déjà existants sur escuels les sources d'ions à métal

liquide de l'art antérieur sont adaptées.

Un autre mode de reaisation de la tige est reorésenté sur la: 'ue 4. Sur cette figure, la tige traverse un reservo- _r. Ce dernier est similaire à celui décrti ci-dessu.s en ason avec la figure 3b, sauf pour l'ouver-ure cyindriqaue 33 qui présente un diamètre pDus large dans sa partie supérieure que dans sa part!e inférieure, déefn.ssant ainsi un épaulement 34. -a tice est encore constituée d'une partie cylindrique 35. Elle est prolongée par une pointe qui est elle-même consEituée d'une partie conique 37, d'une partie cylindrique 39 et d'un rebord 41. La tige 35 est de diamètre sensiblement plus large que dans le premier mode de réalisation de la tige. La partie cylindrique 39 et l'extrémité 3 de la pointe ont, elles,

sensiblement les mêmes dimenslons que précédemment.

Dans ce mode de réalisation, la partie cylindriqaue et la pointe sont constituées de deux

matériaux différents.

La tige est consituée d'un matériau conducteur et ré-ractaire, par exemple du graphite. Comme dans le premier mode de réalisation, on pourra la réaliser par exemple à -ar-tr d'une mine de crayon. Elle est introduite sur une partie de la profondeur de l'ouverture cylnc-r-zue 33, de façon à être en contact

avec ia pointe.

Ma ?orn:e est constituée d'un matériau

ré acaire tel ue le n- rure de bore ou l'alumine.

lie est introduite de façon à ce que le rebord 41 repose sur l'épaulement 34 et elle est en contact avec

l'extrémité de la partie cylindricue 35.

La pointe 37 est taillée avec un demi-angle au sommet compris entre 48 e: 50 (valant par exemple 49 ) par polissage mécanique à l'aide d'un abrasif comme par

exemple une meule en diamant.

Ce deuxième mode de réalisation.peut aussi être utilisé en combinaisonc avec un réservoir de forme semblable à celui décri-_ en liaison avec la figure 3a, à condition que l'ouverture cylindrique soit adaptée de manière correspondante (ouverture du cylindre plus large dans sa partie supérieure que dans sa partie inférieure). Ce oui a été dit dans le cadre du premier mode de réalisation, sur l'ajustement mécanique avec des tolérances serrées s'applique aussi bien à ce

deuxième mode de réalisation.

Le fonctionnement de la source est le même; il y a toujours contact électrique entre la tige 35 et le réservoir 15 et le courant circule de la tige au réservoir et au filament chauffant. Ce courant produit

un échauffement de la pointe par effet Joule.

Quelle que sol: a forme de la tige, et afin d'améliorer la moui a bi.ité de la pointe 12 et du réservoir par le méea iquide d'apport, il est intéressant de réaliser un traitement de surface de cette pointe et du réservoir. Au préalable, les surfaces à traiter peuvent d'abord avoir été nettoyées dans un bain de trichloréthylène bouillant, puis dégazées par chauffage sous vide à une température

d'environ 1000 -C.

Un traitement de surface a été décrit dans artclce de Bel e: a. déjà cité ci-dessus. Ce trai-ement consisue a deéposer une solution aqueuse de poudre de titane sur la pointe. Après séchage, la pointe est portée sous vide à une température d'environ 1700 C pour faire fondre le titane. Ce traitement est compatible avec la structure de la source selon la présente invention, telie que décrite ci- dessus. Une variante de ce traitement de surface consiste à déposer le film de titane par pulvérisation avant de le porter sous vide à une température d'environ 1700 C pour le faire fondre. Dans le cas de l'utilisaion de la source avec de l'aluminium liquide, il a été constaté, avec ce traitement de surface, une homogénéité nettement améliorée du film d'aluminium par rapport à l'homogénéité obtenue dans le cas o la

surface est traitée avec le procédé décrit ci-dessus.

Ceci permet d'avoir une bonne fonction d'apport vers l'apex de la pointe, et donc un courant ionique plus

stable dans le temps.

Un troisième orocédé de traitement des surfaces, utilisable dans le cadre de la présente invention, consiste à irradier avec un faisceau d'ions la pointe et le réservoir devant recevoir le métal liquide d'apport. Dans le cas o la source est destinée à être utilisée avec de l'aluminium liquide, le

faisceau d'ions es un- faisceau d'ions aluminium.

L'irradiation est rea!isée dans une enceinte à vide. La figure 5 représente schématiquement la mise en oeuvre du procédé d'irrac atcn. La source dont l'extrémité doit être irradiée es. représentée sur la droite de la figure, en position verticale, soutenue par un support 40, qui peut pivoter autour d'un axe vertical, et qui peut égaiemenr ê_re déplacé en translation le long de trois direccions percendiculaires de l'espace. Afin de réaiiser 'irradiaion voulue de l'extrémité de la source 38, il faut dzsposer d'une autre source d'ions 42. Cette source peu etre soit une source identique à celle que L'on cherche à réaliser, et à laquelle on a déjà app!iqué un traitement similaire, soit une source telle que celle décrite dans l'art antérieur, par

exemple dans l'article de Bell et al., déjà cité ci-

dessus. Une électroce d'extraction 44, permet d'accélérer les ions formés par la source 42 sous forme d'un faisceau 48 qui traverse une fenêtre 46 pratiquée dans l'é!ectrode 44. Cette fenêtre comporte un diaphragme d'extraction 47. Afin de régler le courant d'extraction de la source 42, la pointe émettrice est portée à une haute tension variable, d'environ 10-12 kV. L'ensemble constitué par l'électrode d'extraction 44 et la source 42 peut être orienté suivant trois directions perpendiculaires de l'espace. En général, le faisceau d'ions 48 a une forme conique, telle que représentée sur la figure 4, e_ c'est sur l'axe central

de ce faisceau que se répartit le maximum du courant.

On a donc intérêt à positionner la source 42 de telle façon que la partie à irradier de la source 38 se trouve apDroximativemen: sur l'axe central du faisceau

d'ions 48.

La dose d' ions reçue par la source 38 lors du traitement correspond environ à une dose surfacique de oiS8ions/cm2, c'es-à-dc re à une irradiation avec un courant de 2 SA pendanr I heure. La tension d'accélération imposée aux ions aluminium formés à partir de la source 42 peut varier entre quelques kilovolts et 20 kilovolts; elle peut valoir par

exemple environ;2 kilovoLts.

Le traitement de surface est fait pr-ncipalement en deux eéapes: une etape de décapage, pendant laquelle la source 42 émet un courant de quelques microampères, entre 5 et 1A, que l'on règle en ajustant la haute tension à laqueLLe est portee -a pointe émettrice de la source 42. En fait, -a valeur limite supérieure de ce courant doit être choisie de telle façon que dans la première étape, on ait essentiellement émission d'ions simples Al, et pratiquement pas d'émission d'agrégats Al+n. Avec une tension d'accélération entre la pointe emettrice et l'électrode d'extraction 44, d'environ une dizaine de kilovolts, les ions aluminium AI+ vonr: - décaper les surfaces de la source 38 qui sont exposées sur leur trazee (La pointe 52 et l'extrémité du réservoir 54), - Former une couche sur la surface décapée, qui servira de couche d'accrochage pour les agrégats qui seront déposés au cours de la deuxième étape, 2. dans une seconde étape, on fait émettre à la source un courant plus élevé, suffisant pour former un faisceau d'agrégats métalliques, de type Aln+ dans le cas de i'alutminim. En. général, un courant d'une valeur supérieure à 50 uA est suffisant pour former des agrégats. Ces agrégats vont se déposer sur la couche d'ions meétaiques déposée dans la première étape sur la surface traitée et qui joue le rôle de couche d'accrochage. Cette couche d'agrégats métalliques forme eiie-méme une couche d'accrochage pour le métal lqiuide qui doit être ensuite déposé à

l'extrémité de la source.

La durée de chacune des deux étapes décrites

ci-dessus dépend du courant utilisé dans chaque étape.

Avec un courant de quelques microampères, la première étape a une durée d'environ 20 minutes; pour un courant d'environ 50uA, la seconde étape dure environ

minutes.

il est possible d'ajouter à ces deux étapes une étape d'iDmpianta:ion des ions et des agrégats métalliques déjà déposés sur la surface à traiter dans les deux prenmieres eétapes. Au cours de cette étape d'impiantat ion, _a source 42 émet un courant de quelques microampères, de façon à émettre un faisceau comportant principalemen: des ions simples, et peu d'agrégats. Ces ions son: acceélérés sous une tension maximum de l'ordre de 20 kilovolts), de façon à "enfoncer" les agrégats déposés au cours de la deuxième étape, dans La parie superficielle de la zone qui a

eété rai:ee au cours des eétaes précédentes.

Afin de limiter le:ra!tement de surface à la pointe 52, et à la par:ie avan: du réservoir 54 (partie référencée par 20 e: 31 sur les figures 2 et 4, et qui es: limicée, sur ces mêmes figures, par un trait en pointiliest, il es possible d'interposer entre le faisceau 48 et les parties de la source 38 que l'on ne veu: pas irradier, une feulle protectrice 50, telle que par exemple une feuille de papier aluminium. Ceci peut être important, dans le cas o le métal liquide avec lequel la source es: destinée à être utilisée, peut présenter des effets de corrosion sur les parties meétal!inues de la source. C'est le cas notamment de l'alumi nim Cui, a 'eéa: iiquide, peut facilement corroder les par:es du système de chauffage du réservoir et de la ponte ex:érieures à ces derniers, notamment le filament de tungstène 16 (voir figure 2) Si, nar c:nséquen:, une couche d'accrochage constituée d'agrégats étalliques es: déposée sur ces parties lors de l'irradiation, le méta liquide aura tendance, lors de l'utilisation,e a source ainsi préparée, à s'accrocher également sur ces parties, ce qui provoquera une corrcsion rapide des éléments métal _ques situés au voisinage de ces parties. C'est pour cette raison que -'on limite, notamment dans le cas de 'aiun.nr_, _'r-radiation de la source à la pointe, a l'exre-émié avant du réservoir, et aux parois du compartiment 18 ouvert dans le réservoir (voir figure 3b). Après avoir subi ce traitement, la source est prêse à utilisation. On la plonge par exemple dans un bain d'aluminium liquide, qui vient mouiller les parties irradiées et les recouvrir par capillarité sous la forme d'un film mince, parfaitement uniforme et homogène. Cette très bonne homogénéité favorise d'une par: la fonction d'aDopport du métal ionisé vers l'apex de la pointe, et d'au:re par: permet de rendre maximum la quantité de métal d'apport stocké.

Ce troisième traitement, applicable à une source présentant la structure selon l'invention peut également être applicable à tout type de source d'ions à métal liquide en particulier à une source ayant la structure décrite dans l'article de Bell et al., et illustrée sur la figure. Dans ce cas, il suffit de soumettre la pointe de graphite 2 à une irradiation avec, par exemple, un faisceau d'ions aluminium (Al+ puis Aln-. La mouillabilité du graphite s'en trouve améliorée par rapport au traitement proposé par Bell et al. dans l'article precité, puisque ce dernier conduit à la formation d'îlots d'aluminium à la surface de la

pointe de graphite.

L'invention a été décrite dans le cadre de la réalisation d'une source d'ions aluminium. Le choix de cet élément n'est pas limitatif et on peut utiliser la même structure e: ie même traitement de surface pour toute source d'ions d'une autre nature, par exemple pour une source de bore. Le traitement de la surface consistera alors à irraoier la source avec un faisceau d'ions bore, d'abord d' ions B+ puis d'agrégats Bn+. Le bore est, par ailleurs, un élément corrosif à l'état liquide, tout comme 7'aluminium, et il est donc préférable de imiter le traitement de surface à la pointe 12 de graphite et à la partie "avant" du

réservoir 14.

La structure de la source selon la présente invention peut également être utilisée pour la production d'ions à partir d'autres éléments, notamment

d'éléments non corrosifs à l'état liquide.

Après préparation et une fois que la source est mouillée car le métal iuide, la production d'ions à partir de celle-ci est réalisée à l'aide d'une électrode d'extracticn, montee en avant de la pointe, de la même façon que l'électrode 44 est montée en avant

de la source 42 dans le montage de la figure 5.

Le faisceau obtenu peut être plus ou moins riche en agrégats metalliques de taille variable. En fait cette sélection dépend de la tension appliquée à -a pointe. Pour cette raison, l'ensemble de la source est porté à une haute tension d'environ 11 kV, l'alimentation H.T. supplémentaire étant reliée à la base de la tige -0 (par l'intermédiaire des mâchoires 28, 30 dans la représentation de la figure 2). La modulation de la haute tension conduit à une modulation du courant émis par la pointe, ce courant modulant à son tour la disri but-'n de la taille des agrégats émis. La différence de pcotentiel entre la pointe et l'électrode d'extraczcrn module, quant à elle,

l'énergie cinétique des ions ou des agrégats émis.

Des appi'cations essentielles de la source selon la présente invention sont: - d'une part la fabrication de machines à faisceaux d'ions focalisés, - d'autre part, l'utilisation de telles machines dans le domaine de la microélectronique et celui de la réparation d'échantillons pour l'observation par Microscopie par transmission

(TEM).

Le principe consiste alors à utiliser i'interaction entre un faisceau d'ions très énergétiques, focalisés dans une tache de moins de 0,1

micron, et un echantillon.

Les ions incidents vont localement pulvériser la surface de i'éechancion, au niveau de la tache

correspondant à la zone d'imoact.

On contrôle le processus d'érosion suivant des axes X, Y parallèles à la surface de l'échantillon en balayant cette surface avec le faisceau, et on contrôle la profondeur de cette gravure par un déplacement de la

machine suivant un axe z perpendiculaire à la surface.

On peut, avec un apparel! incorporant une source selon la présente invention, élaborer des structures ayant

des tailles de l'ordre de 70 à 80 nanomètres.

Des exemples de résultats obtenus avec une source d'ions aiuminiur., conçue selon la présente invention, sont donnés sur les figures 6 et 7. La source utilisée incorocrai. un traitement de surface avec une couche d'accro--chage en aluminium, tel que

décrit ci-dessus.

La figure 6 est la photographie d'une grille de cuivre prise à l'ade d'un microscope électronique, dans lequel le canon à électrons du microscope a été remplacé par la source d'ions aluminium. La tension d'accélération des ions est de 12,5 keV, et le courant d'émission de 16 PA. Les fils 60, 62, 64 de la grille ont une épaisseur 'a... ron 25 pm. Pour réaliser une telle prise de vue, _ faut irradier la grille avec un faisceau d'ions Aitrès stable pendant environ 1 mn 30 secondes. Cette photograchie montre donc la très bonne stabilisé, dans le temos, du courant et du faisceau de

la source selon!'invention.

La figure 7 est une photographie d'une gravure effectuée sur du GaAs par un faisceau d'ions A1+ de keV d'énergie (couran: iz11 pA). Sur cette photo,

1 cm représente 100 rm.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Source d'ions à métal liquide comprenant une Lige cyvlindrique (10, 35) en un matériau conducteur et réfractaire, prolongée par une pointe (12, 13; 37, 39) en matériau réfractaire, destinee a être recouverte d'un métal d'appor- icuide, caractérisée en ce que ensemble constitué oar la tige cylindrique et la pointe traverse un reservo:r (14, 15) constitué d'un matériau conducteur, -a zone 19, 33) o la tige est engagée dans le reservo-r assurant un contact électrique entre la -ie e: le réservoir, et en ce que le réservoir est en contact avec un filament conducteur (16), la tige cylinraique, le réservoir et le filament conducteur étant a ns- eiés en série du point de vue

électrique.

2. Source d'ions à métal liquide selon la revendication 1, caractéerisee en ce que la tige (10) et

la pointe (12, 13) forment une seule et même pièce.

3. Source '-ioncs à métal liquide selon la revendication 2, caractérisée en ce que la tige (10) et

la pointe!2, 13 sont en graphite.

4. Source d'- icns à métal liquide selon la revendication 3, caracé-risée en ce que la pointe (12,

13) en granhite est reccuverte d'un film de titane.

Source d'icns à métal liquide selon la revendicaion 1, caracté- risée en ce que la tige (35) est consttiuee en un matéerau différent du matériau consti'ut:f de la conte '37, 39) 6. Source d'ions à métal liquide selon la revendication 5, carace:risee en ce que la tige (35)

est en graphite.

7. Source d'i-orns à meétal liquide selon l'une

des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que la

pointe (37, 39) est en aumine ou en nitrure de bore.

8. Source d'i-cns à métal liquide selon la revendication ', caracer-isee en ce que la pointe (12, 13, 37, 39) est recouverte d'une couche d'accrochage meétallique de même nat're que le métal liquide destiné

à être utilise avec la source.

9. Source d'ions à métal liquide selon la revendication 8, caracéerisee en ce que la couche d'accrochage recouvre la pointe, et une partie (20, 31) du réservoir (14, 15) i0. Source d'icns à métal liquide selon l'une

des revendications 8 cu 9, caractérisée en ce que la

couche d'accrochage esc susceptible d'être obtenue par

bombardement ionicue.

'1. Source d'icns à métal liquide selon la revendication 10, caractérisée en ce que le bombardement ionique ccmprend deux étapes: - une étape de décapage, pendant laquelle on dirige sur les parties à irradier de la source d'ions un faisceau d'ions simole, ne comportant pratiquement pas d'agrégats, - une seconde étape au cours de laquelle on dirige sur leaes ctes à irradier de la source un faisceau d'ions comporan: essentiellement des agrégats métalues 12. Source d'ions à métal liquide selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'on ajoute une étape d'implantation, les parties de la source à irradier étant bombardées par un faisceau comportant principalement des tons simples accélérés sous une

forte tension, et peu d'agrégats.

13. Source d'ions à métal liquide selon l'une

des revendications précédentes, caractérisée en ce que

la tige et la pointe (:0, 13; 35, 39) sont ajustées mecaniquement avec des tolérances serrées à l'intérieur de la zone (19; 33) prévue pour leur passage dans le réservoir (14; 15) 14. Source d'ions à métal liquide selon l'une

des revendications précédentes, caractérisée en ce que

!e réservoir (14) présente un évidement (18) 15. Source d'ions à métal liquide selon l'une

des revendications précédentes, caractérisée en ce que

le filament de chauffage (16) est introduit dans une gorge, à la périphérie du réservoir (14; 15) 16. Procédé de préparation d'un échantillon à l'aide d'une source d'ions à métal liquide selon l'une

des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on

produit un faisceau d'ions métalliques à l'aide de cette source, et en ce zu'on dirige ce faisceau sur

l'échanrillon.