WO2003044824A1 - Dispositif de reglage d'un appareil de generation d'un faisceau de particules chargees - Google Patents

Dispositif de reglage d'un appareil de generation d'un faisceau de particules chargees Download PDF

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WO2003044824A1
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Peter Hawkes
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    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/31749—Focused ion beam

Definitions

  • the present invention relates to a device for adjusting an apparatus for generating a beam of charged particles.
  • the invention relates in particular to a device for adjusting an apparatus for generating an ion beam and, more particularly, a device for adjusting an instrument for nano-fabrication by ion beams.
  • the size of the ion probe that is to say the size of the focused ion beam which is sent to a target, as well as the shape of the distribution of the ions in this ion probe at the level of the target.
  • the invention applies in particular to the manufacture of structures of very small sizes, less than 50 nm, and more particularly to the manufacture of nanostructures having sizes of the order of 10 nm or less.
  • the invention finds applications in various fields such as electronics (in particular in this which relates to single electron devices (eg transistors), ultra high density data storage (using nanostructures formed on magnetic materials) and ultra high speed semiconductor devices (using nanostructures formed on semiconductor materials).
  • electronics in particular in this which relates to single electron devices (eg transistors), ultra high density data storage (using nanostructures formed on magnetic materials) and ultra high speed semiconductor devices (using nanostructures formed on semiconductor materials).
  • the present invention applies in particular to the adjustment of an ion beam emitted by an apparatus comprising a point source of ions, that is to say an ion source with point emissive zone and very bright.
  • this point source of ions is preferably an LMIS, that is to say a ' source of liquid metal ions (in English "liquid metal ion source”).
  • Apparatuses are also known for generating ion beams called FIBs and producing focused ion beams (in English "focused ion beams"). But it should be noted that these FIBs do not do not allow the manufacture of good quality nanostructures, of sizes less than 50 nm.
  • tabulated data for example the resolution values of the ion optical system as a function of the values of the ion probe current, for various distances between this ion optical system (comprising a set of electrostatic lenses) and the target of the ion beam.
  • the object of the present invention is to remedy the above drawbacks.
  • the invention aims in particular to add self-tuning, self-diagnostic and self-calibration capabilities to an apparatus for generating an ion beam.
  • the present invention provides a device for adjusting an apparatus for generating a beam of charged particles, making it possible to overcome almost-totally the intervention of an operator.
  • the subject of the present invention is a device for adjusting an apparatus for generating a beam of charged particles, in particular a beam of ions or electrons, this beam being intended to interact with a target, this device being characterized in that it comprises adjustment means provided for: memorizing the desired characteristics for the particle beam, determined by the user of the apparatus, determining the values of the adjustment parameters of the apparatus as a function of these characteristics and memorize these values, and
  • the adjustment means are further provided for:
  • the charged particles are ions
  • the target is a substrate
  • the apparatus comprises a source of ions, means for accelerating these ions and means for focusing these ions.
  • this device is intended for the manufacture of a structure, in particular of a nanostructure, on the substrate, the ion beam is able to erode this substrate, and the adjustment means are provided for: memorizing the desired characteristics for the ion beam, determined by the user of the apparatus as a function of the structure to be manufactured, determining the values of the adjustment parameters of the apparatus as a function of these characteristics and memorizing these values, and - giving these memorized values to the adjustment parameters of the apparatus.
  • the adjustment means are further provided for:
  • the characteristics of the ion beam may include the size and current density of this ion beam.
  • the adjustment means are further provided for implementing the following steps: controlling the apparatus for forming on the substrate, in an area of this substrate which is not intended for the formation of the structure, a test imprint in accordance with a stored reference digital imprint,
  • the adjustment means are further provided for: measuring the adjustment parameters of the device at any time or periodically during the manufacture of the structure and
  • the adjustment means are further provided for: measuring the adjustment parameters of the apparatus at any time or periodically during the manufacture of the structure and, - in the event of instability of at least one of these parameters, stop manufacturing and inform user and / or calibrate the device to set this parameter again.
  • the adjustment means are preferably provided for implementing the following steps with a view to calibrating the apparatus: controlling this apparatus to form on the substrate, in an area of this substrate which is not intended for formation of the structure, a test fingerprint in accordance with a stored reference digital fingerprint,
  • Adjustment parameters may include the emission current of the ion source, the energy of the ions, the focusing of the ion beam, the amplitude of the writing field on the substrate, the correction of stigmatism and the distance between the device and the substrate.
  • This device 2 comprises an ion source 4, for example with liquid metal, which is intended to produce an ion beam, for example formed of gallium ions, a system 6 for extracting and accelerating the ion beam product, a source support 8 and an electrostatic optical system 10.
  • ion source 4 for example with liquid metal
  • a system 6 for extracting and accelerating the ion beam product
  • a source support 8 and an electrostatic optical system 10.
  • Zl the axis of this system 10 and Z the axis of the ion beam 12 emitted by the source 4
  • the axes Z and Zl being parallel .
  • the assembly formed by the source 4, its support 8 and the system 10 constitutes the focused ion column of the apparatus 2.
  • the system 10 essentially consists of electrostatic lenses (not shown) in order to focus the beam 12, to form a focused ion beam 14.
  • the source support is provided with a set 16 of micrometric plates. This set 16, symbolized by mixed lines in the figure, allows the support 8 along an X axis and a Y axis which are perpendicular to each other and to the Z axis.
  • the figure also shows a substrate 18 intended to be treated by the focused beam 14 and constituting a target for this beam (which is capable of eroding this substrate 18).
  • This substrate is mounted on a plate 20 which can be moved along three axes respectively perpendicular to the axes X, Y and Z.
  • the apparatus 2 is intended to fabricate a nanostructure on the substrate 18.
  • This system 22 includes:
  • means 24 for controlling the ion source 4 means 26 for controlling the system 6 for extracting and accelerating the ion beam 12, means for controlling the system 10 for electrostatic optics, and
  • the calibration structures generally gold markers on silicon which are conventionally used for example in electron beam lithography.
  • the duration of use of the ion beam can reach several hours, which makes it necessary to periodically check the characteristics of this ion beam to limit the influence of drifts and transient instabilities.
  • This difference in optical path causes the appearance of faults or aberrations.
  • the writing size is limited in a field of the order of a hundred micrometers.
  • the nano-fabrication technique by FIB can only form small elementary patterns.
  • the possibility of connecting several elementary substructures to define a larger pattern appears. But this remains subject to a rigorous calibration of the size of the elementary writing field by FIB.
  • any variation in the distance between the substrate and the ion column, in the energy of the ions or in the nature of the latter changes the value of the amplitude of the scanning field.
  • the technique considered is rapid, very precise and capable of being automated for calibrating the optical system 10 of the ion column, using the property that heavy incident ions have, such as gallium ions or other metals for example. aluminum, to locally burn the target they hit.
  • the same ion beam generation device is capable of forming its own calibration marks and then verifying them in complete autonomy.
  • the technique considered uses the effect of erosion of the incident ion beam, generated by the ion beam generation apparatus 2, to engrave a simple structure, according to a pattern predetermined by CAD, for example of the square type, single hole ("spot") or cross, in a "sacrificed" area.
  • this structure is then imaged by the device 2 which is then operated in MIB or Scanning Ionic Microscopy mode, under the same conditions, without any modification, by simply collecting, using appropriate detection means 32, the secondary electrons 34 which result from the scanning of the surface of the substrate 18 by the ion beam 14.
  • Electronic processing means 36 provided with display means 38, are provided for processing the signals supplied by these detection means 32.
  • the MIB image obtained by the detection means is digitized by the electronic processing means 36 and, on this digitized MIB image; corresponding to the structure actually engraved, it is then possible to computerize the initial predetermined digitized pattern (square, hole or cross for example) and to differentiate (numerically) the two images. In the case of a square type pattern for example, it is then possible to detect a defect originating from poor focusing and then to remedy it by increasing step by step the focusing effect of the lenses of the beam generation apparatus 2. The process can be automated for different magnifications and repeated step by step, until the scanned MIB image and the original pattern coincide perfectly.
  • the ion beam is kept in "spot” mode and does not scan the surface of the substrate 18 while the latter is moved by means of the plate 20 which supports this substrate, measuring the displacements of this platinum being performed by laser interferometry. Mechanical precision can then drop to a few nanometers (of the order of 10 nm to 5 nm).
  • the markers are formed not by scanning the surface of the target 18 by the ion probe 14 but only by moving this target, the central axis Z1 of the etching ion beam being kept fixed.
  • An MIB image of the structures thus produced then makes it possible, after digitization of this image, to adjust the gain of the amplifier stage of the beam generation apparatus 2 so that a digital weight of 1 or a few bits corresponds to a known displacement (of a certain number of nanometers) at the level of the substrate 18.
  • the calibration of the scanning field is then carried out with a measurement technique by laser interferometry.
  • a device which is complementary to the technique considered above and which reinforces it.
  • the proposed device aims in particular to improve and make more effective the adjustment of the parameters of an ion column delivering an ion probe on the scale of ten nanometers, with a view to forming nanometer-sized structures by controlled ion irradiation.
  • the user of a device for generating a beam of charged particles, and more particularly of an ion beam is offered different levels of assistance:
  • the beam generation device can perform its own calibration marks and then image them by scanning ion microscopy.
  • the system 22 is completed by an adjustment module 40 or calculation module.
  • This module 40 essentially comprising a computer, provides information to the operator
  • the adjustment module 40 is connected to the various control means 24, 26, 28, 29 and 30 that the system includes.
  • the module 40 is connected to the detection means 32 and to the electronic processing means 36 in order to control the operation of the apparatus in scanning ion microscopy mode and to exploit the results of this operation. According to the invention, adjustments are proposed to the operator, these adjustments being determined by the calculation module. Then the operator begins the nano-manufacturing sequence.
  • the module 40 calculates permanently (or periodically but then with a high frequency) the properties of the ion probe (ion beam 14) during this nano-fabrication sequence and compares the result of the calculation with pre-established values, stored in this module 40. If the values obtained during the calculation are different from these pre-established values, the module undertakes correction measures by adjusting the adjustment parameters of the device or, if the difference between the results of the calculation and the preset values is too important, the module 40 informs the operator via the display means 38.
  • the adjustment module 40 stores the desired characteristics for the ion beam 14, determined beforehand by the user of the device 2 as a function of the structure to be produced on the substrate 18.
  • the module 40 determines the values of the adjustment parameters of the apparatus 2 as a function of these characteristics and stores these values.
  • the module gives these values, which it has memorized, to the adjustment parameters of the device 2 via the control means 24, 26, 28 and 30, to which the module 40 sends control signals making it possible to make the desired settings.
  • the characteristics of the ion beam 14 are the size of this ion beam and the current density in this beam.
  • the ion column adjustment parameters are as follows:
  • the module 40 can measure these parameters permanently or periodically (preferably with a high frequency) and determine the characteristics of the beam 14 from these measurements (which are made by through means 24, 26, 28 and 30).
  • the module compares the characteristics thus determined with the memorized characteristics. When one or more of the characteristics thus determined differ (by a predefined percentage, ranging for example from -10% to + 10%) from the corresponding characteristic or memorized characteristics, the module warns the operator and modifies the adjustment parameters again to obtain the correct characteristics for beam 14.
  • the module 40 can simply warn the operator and wait for instructions from the latter to continue manufacturing.
  • the module 40 can implement the following steps: • This module controls the device 2 to form on the substrate 18, in an area of this substrate which is not intended for the formation of the structure, a test fingerprint in accordance with a reference digital fingerprint previously stored in the module 40. • The module then compares the digital test fingerprint with the stored digital reference fingerprint.
  • the module modifies one or more of the adjustment parameters of the device 2 and repeats the steps considered until obtaining a suitable setting for this device.
  • the module 40 can be programmed to act on the device (via the control means 24, 26 and 28 in the event of one or more of the parameters drifting. It should in fact be noted that a manufacturing sequence generally lasts a long time, for example 2 hours.
  • the module 40 is capable of measuring the parameters (permanently or periodically), it can detect the drift of these and remedy them.
  • module 40 can be programmed to interrupt the production sequence (and inform the operator) in the event of instability of one or more parameters, i.e. in the event of a variation brutal of these.
  • the module 40 provision can be made for the module 40 to start a calibration phase of the apparatus 2, according to a technique mentioned above, which uses the formation of patterns (for example crosses or holes) in an area of the substrate 18 where we don't form the structure. It should be noted that the calibration is done without requiring operator intervention.
  • the module itself controls the production of the etchings required in the substrate 18 in order to adjust the parameter (s) again, the module 40 modifying the latter or the latter until a suitable adjustment is obtained.
  • nano-fabrication takes place at very low pressure; for one reason or another, this pressure can increase very quickly; similarly, a problem of an electrical nature is likely to affect the device 2; in such cases, the module 40 cannot act alone and the intervention of the operator is necessary.
  • the present invention is not limited to the adjustment of an apparatus for generating an ion beam (positive or negative). It also applies to the adjustment of other devices for generating charged particle beams such as electron microscopes, the particles then being electrons.

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Abstract

Dispositif de réglage d'un faisceau de particules chargées.Ce dispositif comprend des moyens de réglage (40) pour mémoriser les caractéristiques souhaitées pour le faisceau (14), déterminer les valeurs des paramítres de réglage de l'appareil (2) en fonction de ces caractéristiques, mémoriser ces valeurs et donner ces valeurs mémorisées aux paramítres de réglage de l'appareil. L'invention s'applique notamment à la fabrication de nano-structures.

Description

DISPOSITIF DE REGLAGE D'UN APPAREIL DE GENERATION D'UN FAISCEAU DE PARTICULES CHARGEES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de réglage d'un appareil de génération d'un faisceau de particules chargées.
L'invention concerne en particulier un dispositif de réglage d'un appareil de génération d'un faisceau d'ions et, plus particulièrement, un dispositif de réglage d'un instrument de nano- fabrication par faisceaux d'ions.
On cherche notamment à régler la taille de la sonde ionique, c'est à dire la taille du faisceau d'ions focalisé que l'on envoie sur une cible, ainsi que l'allure de la distribution des ions dans cette sonde ionique au niveau de la cible.
L'invention s'applique notamment à la fabrication de structures de très petites tailles, inférieures à 50 nm, et plus particulièrement à la fabrication de nano-structures ayant des tailles de l'ordre de 10 nm ou moins.
L'invention trouve des applications dans divers domaines tels que l'électronique (en particulier en ce qui concerne les dispositifs - par exemple les transistors - à électron unique) , le stockage de données à ultra-haute densité (utilisant des nano- structures formées sur des matériaux magnétiques) et les dispositifs à semi-conducteurs à ultra-haute vitesse (utilisant des nano-structures formées sur des matériaux semi-conducteurs) .
La présente invention s'applique en particulier au réglage d'un faisceau d'ions émis par un appareil comprenant une source ponctuelle d'ions, c'est-à-dire une source d'ions à zone emissive ponctuelle et très brillante.
De plus, cette source ponctuelle d'ions est de préférence une LMIS, c'est-à-dire une ' source d'ions à métal liquide (en anglais "liquid métal ion source") .
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Au sujet des sources d'ions à métal liquide on pourra se reporter aux documents suivants : [1] Demande internationale PCT/FR 95/00903,
• numéro de publication internationale WO 96/02065, invention de Jacques Gierak et Gérard Ben Assayag, correspondant au brevet américain US-A-5, 936, 251
[2] US-A-4,426, 582, invention de J.H. Orloff et L.W. Swanson.
On connaît en outre des appareil de génération de faisceaux d'ions appelés FIB et produisant des faisceaux d'ions focalisés (en anglais "focused ion beams") . Mais il convient de noter que ces FIB ne permettent pas la fabrication de nano-structures de bonne qualité, de tailles inférieures à 50 nm.
De plus, un dispositif de réglage de la forme d'un faisceau d'ions focalisé est connu par le document suivant :
[3] US-A-4,704,526, invention de H. Kyogoku et T. Kaito (Seiko Instruments and Electronics Ltd.).
La technique de réglage divulguée dans ce document [3] n'est qu'une transposition de la technique de réglage classiquement utilisée en Microscopie
Electronique à Balayage ou en lithographie par faisceaux d'électrons.
Une telle technique n'est pas utilisable dans le domaine nanométrique. De plus, cette technique connue nécessite la réalisation préalable de coûteux et fragiles marqueurs d'étalonnage qui ne sont pas réutilisables.
En outre, selon une technique connue, pour régler un appareil de génération d'un faisceau d'ions, c'est l'opérateur lui-même qui contrôle les différents paramètres d'exploitation du système d'optique ionique de l'appareil et doit s'assurer que les résultats des réglages donnent une résolution théorique qui est cohérente avec l'utilisation prévue pour le faisceau d'ions.
Cette étape est délicate car soumise à interprétation et à compromis.
Pour faciliter la tâche de l'opérateur on lui fournit parfois des données tabulées, par exemple les valeurs de la résolution du système d'optique ionique en fonction des valeurs du courant de sonde ionique, pour diverses distances entre ce système d'optique ionique (comprenant un ensemble de lentilles électrostatiques) et la cible du faisceau d'ions.
Cependant, le réglage de l'appareil reste délicat.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents . L'invention vise en particulier à adjoindre des capacité d' auto-réglage, d'auto-diagnostic et d'auto- étalonnage à un appareil de génération d'un faisceau d' ions .
L'adjonction de telles capacités à l'appareil permet d'améliorer et d'élargir le domaine des applications de cet appareil ainsi que la productivité de ce dernier, en s ' affranchissant quasi-totalement de l'intervention d'un opérateur c'est-à-dire d'un utilisateur de l'appareil. De façon plus générale, la présente invention propose un dispositif de réglage d'un appareil de génération d'un faisceau de particules chargées, permettant de s'affranchir quasi -totalement de l'intervention d'un opérateur. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de réglage d'un appareil de génération d'un faisceau de particules chargées, en particulier un faisceau d'ions ou d'électrons, ce faisceau étant destiné à interagir avec une cible, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réglage prévus pour : mémoriser les caractéristiques souhaitées pour le faisceau de particules, déterminées par l'utilisateur de l'appareil, déterminer les valeurs des paramètres de réglage de l'appareil en fonction de ces caractéristiques et mémoriser ces valeurs, et
- donner ces valeurs mémorisées aux paramètres de réglage de l'appareil.
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de réglage sont en outre prévus pour :
- mesurer en permanence ou périodiquement ces paramètres, lorsque le faisceau de particules chargées interagit avec la cible, et déterminer les caractéristiques du faisceau à partir de ces mesures, comparer les caractéristiques ainsi déterminées aux caractéristiques mémorisées et - si au moins l'une des caractéristiques ainsi déterminées se trouve en dehors d'un intervalle d'amplitude prédéfinie, centré sur la caractéristique mémorisée correspondante, modifier les paramètres de réglage de l'appareil et/ou informer l'utilisateur de l'appareil.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les particules chargées sont des ions, la cible est un substrat, l'appareil comprend une source d'ions, des moyens d'accélération de ces ions et des moyens de focalisation de ces ions, cet appareil est destiné à la fabrication d'une structure, en particulier d'une nano-structure, sur le substrat, le faisceau d'ions est apte à éroder ce substrat, et les moyens de réglage sont prévus pour : mémoriser les caractéristiques souhaitées pour le faisceau d'ions, déterminées par l'utilisateur de l'appareil en fonction de la structure à fabriquer, déterminer les valeurs des paramètres de réglage de l'appareil en fonction de ces caractéristiques et mémoriser ces valeurs, et - donner ces valeurs mémorisées aux paramètres de réglage de l'appareil.
De préférence, les moyens de réglage sont en outre prévus pour :
- mesurer en permanence ou périodiquement ces paramètres, en cours de fabrication de la structure, et déterminer les caractéristiques du faisceau à partir de ces mesures, comparer les caractéristiques ainsi déterminées aux caractéristiques mémorisées et - si au -moins l'une des caractéristiques ainsi déterminées se trouve en dehors d'un intervalle d'amplitude prédéfinie, centré sur la caractéristique mémorisée correspondante, modifier les paramètres de réglage de l'appareil et/ou informer l'utilisateur de l'appareil.
Les caractéristiques du faisceau d'ions peuvent comprendre la taille et la densité de courant de ce faisceau d'ions.
De préférence, les moyens de réglage sont en outre prévus pour mettre en œuvre les étapes suivantes: commander l'appareil pour former sur le substrat, dans une zone de ce substrat qui n'est pas destinée à la formation de la structure, une empreinte de test conformément à une empreinte numérique de référence mémorisée,
- numériser l'empreinte de test, comparer l'empreinte de test numérisée à l'empreinte numérique de référence mémorisée, et
- si ces empreintes sont différentes, modifier au moins l'un des paramètres de réglage de l'appareil et répéter ces étapes jusqu'à l'obtention d'un réglage convenable de 1 ' appareil .
Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de réglage sont en outre prévus pour : mesurer les paramètres de réglage de l'appareil à tout instant ou périodiquement pendant la fabrication de la structure et
- si au moins l'un des paramètres dérive et sort donc d'un intervalle d'amplitude prédéfinie, centré sur le paramètre mémorisé correspondant, modifier le paramètre mesuré pour qu'il se retrouve dans cet intervalle.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, les moyens de réglage sont en outre prévus pour : mesurer les paramètres de réglage de l'appareil à tout instant ou périodiquement pendant la fabrication de la structure et, - en cas d'instabilité d'au moins l'un de ces paramètres, interrompre la fabrication et informer l'utilisateur et/ou calibrer l'appareil pour régler à nouveau ce paramètre .
Dans ce cas, les moyens de réglage sont de préférence prévus pour mettre en œuvre les étapes suivantes en vue de calibrer l'appareil : commander cet appareil pour former sur le substrat, dans une zone de ce substrat qui n'est pas destinée à la formation de la structure, une empreinte de test conformément à une empreinte numérique de référence mémorisée,
- numériser l'empreinte de test, comparer l'empreinte de test numérisée à l'empreinte numérique de référence mémorisée,
- si ces empreintes sont différentes, modifier le paramètre de réglage de l'appareil et répéter ces étapes jusqu'à l'obtention d'un réglage convenable de l'appareil.
Les paramètres de réglage peuvent comprendre le courant d'émission de la source d'ions, l'énergie des ions, la focalisation du faisceau d'ions, l'amplitude du champ d'écriture sur le substrat, la correction de stigmatisme et la distance entre l'appareil et le substrat.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée qui est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de 1 ' invention.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Sur cette figure, on a représenté de façon schématique un exemple d'un appareil 2 de génération d'un faisceau d'ions auquel peut s'appliquer 1 ' invention.
Cet appareil 2 comprend une source d'ions 4 par exemple à métal liquide, qui est destinée à produire un faisceau d'ions, par exemple formé d'ions gallium, un système 6 d'extraction et d'accélération du faisceau d'ions produit, un support de source 8 et un système d'optique électrostatique 10. On note Zl l'axe de ce système 10 et Z l'axe du faisceau d'ions 12 émis par la source 4, les axes Z et Zl étant parallèles.
L'ensemble formé par la source 4, son support 8 et le système 10 constitue la colonne à ions focalisés de l'appareil 2. Le système 10 est essentiellement constitué de lentilles électrostatiques (non représentées) en vue de focaliser le faisceau 12, pour former un faisceau d'ions focalisé 14.
Pour aligner l'axe central Z du cône d'émission du faisceau d'ions 12 (axe de la source 4) avec l'axe optique Zl du système d'optique électro-statique 10, le support de source est muni d'un ensemble 16 de platines micromêtriques . Cet ensemble 16, symbolisé par des traits mixtes sur la figure, permet de déplacer le support 8 suivant un axe X et un axe Y qui sont perpendiculaires l'un à l'autre ainsi qu'à l'axe Z.
La figure montre aussi un substrat 18 destiné à être traité par le faisceau focalisé 14 et constituant une cible pour ce faisceau (qui est capable d'eroder ce substrat 18) .
Ce substrat est monté sur une platine 20 que l'on peut déplacer suivant trois axes respectivement perpendiculaires aux axes X, Y et Z. L'appareil 2 est destiné à fabriquer une nano- structure sur le substrat 18.
On voit en outre un système 22 de commande, ou système d'exploitation, du dispositif 2 de génération du faisceau d'ions. Ce système 22 comprend :
- des moyens 24 de commande de la source d'ions 4, des moyens 26 de commande du système 6 d'extraction et d'accélération du faisceau d'ions 12, - des moyens 28 de commande du système 10 d'optique électrostatique, et
- des moyens 29 de commande de l'ensemble 16 de platines micrométriques.
On voit aussi des moyens 30 de commande des déplacements de la platine porte-substrat 20.
On considère dans ce qui suit une technique visant à résoudre le problème fondamental du réglage des paramètres d'une colonne ionique fournissant une sonde ionique à l'échelle d'une dizaine de nanomètres, en vue de former des structures de taille nanométrique par irradiation ionique contrôlée. La forme géométrique (taille), l'allure (décroissance plus ou moins rapide du nombre de particules lorsque l'on s'éloigne de l'axe central du faisceau) ainsi que le caractère sphérique de la distribution dans la sonde ionique au niveau de la cible sont prépondérants. A une échelle de quelques nanomètres, les problèmes sont d'autant plus compliqués .
Cette technique vise à permettre un ajustement rapide et très précis du profil de cette sonde ionique. Les points concernés sont :
- la focalisation (concentration) du faisceau d'ions 12 sous l'action des lentilles électro-statiques de l'appareil 2, au niveau de la cible formée par le substrat 18, dans une tache (impact) de dimensions nanométriques,
- la correction des défauts de sphéricité de la sonde ionique incidente, et l'étalonnage du champ d'écriture (champ adressable par le faisceau sous l'action de déflecteurs électro-statiques que comprend le système d'optique électrostatique 10) à la surface de la cible, de façon à toujours en connaître précisément la position relative à quelques nanomètres près. L'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé dans une tache de 10 nm pour des applications de nano- fabrication a des contraintes spécifiques :
- l'effet de pulvérisation induit par les ions énergétiques qui bombardent la cible conduit à détruire à plus ou moins long terme les structures d'étalonnage (généralement des marqueurs d'or sur du silicium) qui sont classiquement utilisées par exemple en lithographie par faisceau d'électrons.
De plus, des structures calibrées de quelques dizaines de nanomètres sont délicates à fabriquer, très fragile et surtout coûteuses.
La durée d'utilisation du faisceau d'ions peut atteindre plusieurs heures, ce qui impose de contrôler périodiquement les caractéristiques de ce faisceau d'ions pour limiter l'influence des dérives et des instabilités transitoires.
- Les distances de travail réduites, qui sont nécessaires à l'obtention d'un grossissement géométrique de la tache de source inférieur à 1, réduisent d'autant la profondeur de champ utilisable. De plus, certains substrats comportent des motifs de hauteurs très différentes les unes des autres, de sorte que ces motifs ne sont pas tous situés à la distance focale idéale.
- Dans ce dernier cas, un ion qui tombe sur un tel. substrat au niveau de l'axe optique (axe Zl) parcourt un chemin beaucoup plus court qu ' un autre ion ayant été dévié de plusieurs millimètres par rapport à cet axe.
Cette différence de chemin optique provoque l'apparition de défauts ou aberrations.
Pour limiter ces aberrations à une valeur acceptable, on limite la taille d'écriture dans un champ de l'ordre d'une centaine de micromètres.
Ainsi, sans dispositif annexe, la technique de nano-fabrication par FIB ne peut former que de petits motifs élémentaires. Lorsqu'un déplacement ultra-précis du substrat 18 est utilisé, la possibilité de raccorder plusieurs sous-structures élémentaires pour définir un motif de plus grande taille apparaît. Mais cela reste subordonné à une calibration rigoureuse de la taille du champ d'écriture élémentaire par FIB.
En effet, une correspondance la plus parfaite possible entre les coordonnées des points définis à l'intérieur d'un champ de balayage et les coordonnées de déplacement de la platine 20 qui porte le substrat est nécessaire.
Tout cela est complexe car le balayage de la sonde ionique est obtenu à l'aide d'un générateur de CAO (conception assistée par ordinateur) du genre numérique/analogique (contenu dans les moyens de commande 28) alors que le platine 20 est, quant à elle, pilotée par les moyens de commande 30 constitués par une interface spécifique et indépendante 30.
Il convient également de noter que toute variation de la distance entre le substrat et la colonne ionique, de l'énergie des ions ou de la nature de ces derniers modifie la valeur de l'amplitude du champ de balayage .
La technique considérée est rapide, très précise et susceptible d'être automatisée pour calibrer le système optique 10 de la colonne ionique, en utilisant la propriété qu'ont des ions incidents lourds, tels que des ions de gallium ou d'autres métaux par exemple l'aluminium, de graver localement la cible qu'ils frappent. Avec cette technique, un même appareil de génération d'un faisceau d'ions est capable de former ses propres marques de calibration puis de les vérifier en complète autonomie . La technique considérée utilise l'effet d'érosion du faisceau d'ions incident, engendré par l'appareil 2 de génération de faisceau d'ions, pour graver une structure simple, selon un motif prédéterminé par CAO, par exemple du type carré, trou simple ("spot") ou croix, dans une zone "sacrifiée".
Après gravure du substrat par FIB, cette structure est ensuite imagée par l'appareil 2 que l'on fait alors fonctionner en mode de MIB ou Microscopie Ionique à Balayage, dans les mêmes conditions, sans aucune modification, en collectant simplement, grâce à des moyens de détection appropriés 32, les électrons secondaires 34 qui résultent du balayage de la surface du substrat 18 par le faisceau d'ions 14.
Des moyens électroniques de traitement 36, munis de moyens d'affichage 38, sont prévus pour traiter les signaux fournis par ces moyens de détection 32.
L ' image de MIB obtenue grâce aux moyens de détection est numérisée grâce aux moyens électroniques de traitement 36 et, sur cette image de MIB numérisée; correspondant à la structure effectivement gravée, il est alors possible de superposer informâtiquement le motif prédéterminé initial numérisé (carré, trou ou croix par exemple) et de différencier (de manière numérique) les deux images. Dans le cas d'un motif de type carré par exemple, on peut alors détecter un défaut provenant d'une mauvaise focalisation puis y remédier en augmentant pas à pas l'effet focalisateur des lentilles de l'appareil de génération de faisceau 2. Le processus peut être automatisé pour différents grossissements et être répété étape par étape, jusqu'à ce que l'image de MIB numérisée et le motif initial coïncident parfaitement . - Le même effet d'érosion peut aussi être mis à profit pour corriger un défaut éventuel de "sphéricité", encore appelé défaut d'astigmatisme, au niveau de la tache des ions incidents. Dans ce cas, le perçage d'un unique trou de l'ordre de 10 à 20 nm permet d'obtenir très rapidement, en quelques dixièmes de seconde, une image fidèle de l'empreinte de la sonde ionique .
Si une allure elliptique de la tache est mise en évidence, toujours par comparaison avec une image "idéale" de référence (image circulaire) , et selon l'orientation de l'ellipse obtenue, il est possible de déclencher une procédure de corrections et de tests itératifs, jusqu'à ce que le critère de décision satisfaisant, établi par les utilisateurs, fasse sortir le système informatique utilisé de cette séquence (de préférence automatique) .
-L'étalonnage de la taille du champ d'écriture par FIB est le dernier point crucial que l'on peut mettre en œuvre, de préférence de manière automatisée, avec la technique considérée. On grave d'abord des traits (réseau de traits parallèles ou réseau de traits croisés) ayant une longueur connue avec une très faible incertitude.
Pour ce faire, le faisceau d'ions est maintenu en mode "spot" et ne balaye pas la surface du substrat 18 tandis que ce dernier est déplacé par l'intermédiaire de la platine 20 qui supporte ce substrat, la mesure des déplacements de cette platine étant effectuée par interférométrie laser. La précision mécanique peut alors descendre jusqu'à quelques nanomètres (de l'ordre de 10 nm à 5 nm) .
Dans ce cas, les marqueurs sont formés non pas en balayant la surface de la cible 18 par la sonde ionique 14 mais uniquement en déplaçant cette cible, l'axe central Zl du faisceau d'ions de gravure étant maintenu fixe.
Une image de MIB des structures ainsi fabriquées permet alors, après numérisation de cette image, d'ajuster le gain de l'étage amplificateur de l'appareil 2 de génération du faisceau de façon qu'un poids numérique de 1 ou quelques bits corresponde à un déplacement connu (d'un certain nombre de nanomètres) au niveau du substrat 18.
L'étalonnage du champ de balayage est alors réalisé avec une technique de mesure par interférométrie laser.
Conformément à la présente invention, on propose un dispositif qui est complémentaire de la technique considérée ci-dessus et en renforce 1 ' intérêt . Le dispositif proposé tend notamment à améliorer et rendre plus efficace le réglage des paramètres d'une colonne ionique délivrant une sonde ionique à l'échelle de la dizaine de nanomètres, en vue de former des structures de taille nanomêtrique par irradiation ionique contrôlée. En particulier, on propose à l'utilisateur d'un appareil de génération d'un faisceau de particules chargées, et plus particulièrement d'un faisceau d'ions, différents niveaux d'assis >tance :
Détermination des paramètres optima d'exploitation de l'appareil en fonction des conditions opératoires requises, à savoir :
• sélection d'un mode optique permettant d'obtenir la résolution requise (par exemple tension d'excitation des lentilles de focalisation, distance de travail, mode semi-divergent, mode semi-convergent ou mode collimaté (dans le système optique) ou besoin d'un "cross over" c'est-à-dire d'un croisement des particules chargées, en particulier des ions, dans le système optique) , • taille du champ d'écriture, détection d'effets de distorsion et quantification de ces effets , puis, en liaison avec le programme informatique du générateur de balayage du motif (contenu dans le système 22 d'exploitation de l'appareil 2), validation de ces paramètres ou bien encore mise en évidence des impossibilités ou des conflits entre des paramètres (par exemple niveau de précision du balayage ou dose ionique incidente) . -Détermination du paramétrage de la sonde ionique fournie par le système optique : • caractéristique de la distribution de courant (par exemple largeur ou écart-type)
• valeur du courant transporté .
- Vérification des réglages de l'appareil : En utilisant la propriété qu'ont des ions incidents lourds (ions de gallium ou d'autres métaux) de graver localement la cible qu'ils frappent, l'appareil de génération de faisceau peut réaliser ses propres marques de calibration puis en faire l'image en icroscopie ionique à balayage.
Cela permet alors de vérifier la cohérence de ces marques avec le résultat que 1 ' on élabore au préalable dans un dispositif conforme à l'invention, formé par un module de réglage, ou module de calcul, que l'on intègre au système 22 d'exploitation de l'appareil 2.
On donne ci-après un exemple d'un dispositif conforme à l'invention.
On suppose que l'on veut accomplir une certaine séquence de nano-fabrication avec l'appareil 2.
Conformément à l'invention, on complète le système 22 par un module de réglage 40 ou module de calcul .
Ce module 40, comportant essentiellement un ordinateur, fournit des informations à l'opérateur
(utilisateur de l'appareil) par l'intermédiaire des moyens d'affichage 38. L'opérateur est, quant à lui, amené à fournir des informations (notamment des données) au module 40, informations que l'on a synbolisées par la flèche 42 sur la figure. De plus, pour la mise en œuvre de l'invention, le module de réglage 40 est relié aux divers moyens de commande 24, 26, 28, 29 et 30 que comporte le système
22 d'exploitation de l'appareil 2 afin de commander ces moyens 24, 26, 29 et 30.
Ces derniers sont munis de capteurs appropriés (non représentés) leur permettant de connaître l'état des divers organes 4, 6, 10, 16, et 20 qu'ils commandent . En outre le module 40 est relié aux moyens de détection 32 et aux moyens électroniques de traitement 36 en vue de commander le fonctionnement de l'appareil en mode de microscopie ionique à balayage et d'exploiter les résultats de ce fonctionnement. Selon l'invention, des réglages sont proposés à l'opérateur, ces réglages étant déterminés par le module de calcul. Puis l'opérateur entame la séquence nano-fabrication.
Le module 40 calcule alors en permanence (ou périodiquement mais alors avec une grande fréquence) les propriétés de la sonde ionique (faisceau d'ions 14) pendant cette séquence de nano-fabrication et compare le résultat du calcul à des valeurs pré-établies, mémorisées dans ce module 40. Si les valeurs obtenues au cours du calcul sont différentes de ces valeurs pré-établies, le module entreprend des mesures de correction en ajustant les paramètres de réglage de l'appareil ou, si l'écart entre les résultats du calcul et les valeurs pré- établies est trop important, le module 40 informe l'opérateur par l'intermédiaire des moyens d'affichage 38.
Plus précisément, selon l'invention, le module de réglage 40 mémorise les caractéristiques souhaitées pour le faisceau d'ions 14, déterminées au préalable par l'utilisateur de l'appareil 2 en fonction de la structure à fabriquer sur le substrat 18.
Ensuite le module 40 détermine les valeurs des paramètres de réglage de l'appareil 2 en fonction de ces caractéristiques et mémorise ces valeurs.
Puis le module donne ces valeurs, qu'il a mémorisées, aux paramètres de réglage de l'appareil 2 par l'intermédiaire des moyens de commande 24, 26, 28 et 30, auxquels le module 40 envoie des signaux de commande permettant de faire les réglages souhaités .
Les caractéristiques du faisceau d'ions 14 sont la taille de ce faisceau d'ions et la densité de courant dans ce faisceau.
Les paramètres de réglage de la colonne ionique sont, quant à eux, les suivants :
- le courant d'émission de la source d'ions 4,
- l'énergie des ions, les tensions appliquées aux lentilles de focalisation, - l'amplitude du champ de balayage c'est-à-dire l'amplitude du champ d'écriture, la correction de stigmatisme du faisceau d'ions 14,
- la distance entre l'appareil et la cible 18, cette distance étant réglée par déplacement de la platine 20 parallèlement à l'axe Zl. Il convient de noter que, lorsque l'opérateur veut faire une correction de stigmatisme trop importante, le module de calcul 40 en informe cet opérateur par l'intermédiaire des moyens d'affichage 38.
De plus, en cours de fabrication de la structure sur le substrat 18 le module 40 peut mesurer ces paramètres en permanence ou périodiquement (de préférence avec une grande fréquence) et déterminer les caractéristiques du faisceau 14 à partir de ces mesures (qui sont faites par l'intermédiaire des moyens 24, 26, 28 et 30) .
Le module compare alors les caractéristiques ainsi déterminées aux caractéristiques mémorisées. Lorsqu'une ou plusieurs des caractéristiques ainsi déterminées diffèrent (d'un pourcentage prédéfini, allant par exemple de -10% à +10%) de la caractéristique ou des caractéristiques mémorisées correspondantes, le module avertit l'opérateur et modifie les paramètres de réglage de l'appareil pour obtenir à nouveau les bonnes caractéristiques pour le faisceau 14.
Si les différences sont trop importantes, le module 40 peut simplement avertir l'opérateur et attendre des instructions de ce dernier pour continuer la fabrication.
En outre, avant de commencer la fabrication de la structure ou pendant cette dernière, le module 40 peut mettre en œuvre les étapes suivantes : • Ce module commande l'appareil 2 pour former sur le substrat 18, dans une zone de ce substrat qui n'est pas destinée à la formation de la structure, une empreinte de test conformément à une empreinte numérique de référence préalablement mémorisée dans le module 40. • Le module compare ensuite l'empreinte de test numérisée à l'empreinte numérique de référence mémorisée.
• Si ces empreintes sont différentes, le module modifie un ou plusieurs des paramètres de réglage de l'appareil 2 et répète les étapes considérées jusqu'à l'obtention d'un réglage convenable de cet appareil.
De plus, le module 40 peut être programmé pour agir sur l'appareil (par l'intermédiaire des moyens de commande 24, 26 et 28 en cas de dérive d'un ou plusieurs des paramètres. Il convient en effet de noter qu'une séquence de fabrication dure généralement longtemps, par exemple 2 heures.
Comme le module 40 est capable de mesurer (en permanence ou périodiquement) les paramètres, il peut détecter la dérive de ceux-ci et y remédier.
De plus, on peut programmer le module 40 pour qu'il interrompe la séquence de fabrication (et en informe l'opérateur) en cas d'instabilité d'un ou plusieurs paramètres c'est-à-dire en cas d'une variation brutale de ceux-ci.
Dans ce cas, on peut prévoir que le module 40 commence une phase de calibration de l'appareil 2, selon une technique mentionnée plus haut, qui utilise la formation de motifs (par exemple des croix ou des trous) dans une zone du substrat 18 où l'on ne forme pas la structure . Il convient de noter que la calibration est faite sans nécessiter l'intervention de l'opérateur. Le module commande lui même la réalisation des gravures nécessaires dans le substrat 18 en vue de régler , à nouveau le ou les paramètres, le module 40 modifiant ce ou ces derniers jusqu'à l'obtention d'un réglage convenable.
Il convient en outre de noter que la nano- fabrication a lieu à très basse pression ; pour une raison ou pour une autre, cette pression peut augmenter très rapidement ; de même, un problème de nature électrique est susceptible d'affecter l'appareil 2 ; dans de tels cas, le module 40 ne peut agir seul et l'intervention de l'opérateur est nécessaire. La présente invention n'est pas limitée au réglage d'un appareil de génération d'un faisceau d'ions (positifs ou négatifs). Elle s'applique également au réglage d'autres appareils de génération de faisceaux de particules chargées tels que les microscopes électroniques, les particules étant alors des électrons .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de réglage d'un appareil (2) de génération d'un faisceau de particules chargées (14) , en particulier un faisceau d'ions ou d'électrons, ce faisceau étant destiné à interagir avec une cible (18) , ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réglage (40) prévus pour : mémoriser les caractéristiques souhaitées pour le faisceau de particules, déterminées par l'utilisateur de l'appareil, déterminer les valeurs des paramètres de réglage de l'appareil en fonction de ces caractéristiques et mémoriser ces valeurs, et
- donner ces valeurs mémorisées aux paramètres de réglage de l'appareil.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de réglage (40) sont en outre prévus pour :
- mesurer en permanence ou périodiquement ces paramètres, lorsque le faisceau de particules chargées
(14) interagit avec la cible (18) , et déterminer les caractéristiques du faisceau à partir de ces mesures, comparer les caractéristiques ainsi déterminées aux caractéristiques mémorisées et - si au moins l'une des caractéristiques ainsi déterminées se trouve en dehors d'un intervalle d'amplitude prédéfinie, centré sur la caractéristique mémorisée correspondante, modifier les paramètres de réglage de l'appareil (2) et/ou informer l'utilisateur de l'appareil.
3. Dispositif selon la revendication 1, les particules chargées étant des ions, la cible étant un substrat (18), l'appareil (2) comprenant une source d'ions (4), des moyens (6) d'accélération de ces ions et des moyens (10) de focalisation de ces ions, cet appareil étant destiné à la fabrication d'une structure, en particulier d'une nano-structure, sur le substrat (18), le faisceau d'ions étant apte à éroder ce substrat, dispositif dans lequel les moyens (40) de réglage sont prévus pour : mémoriser les caractéristiques souhaitées pour le faisceau d'ions, déterminées par l'utilisateur de l'appareil en fonction de la structure à fabriquer, déterminer les valeurs des paramètres de réglage de l'appareil (2) en fonction de ces caractéristiques et mémoriser ces valeurs, et
- donner ces valeurs mémorisées aux paramètres de réglage de l'appareil.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les moyens de réglage (40) sont en outre prévus pour :
- mesurer en permanence ou périodiquement ces paramètres, en cours de fabrication de la structure, et déterminer les caractéristiques du faisceau (14) à partir de ces mesures, comparer les caractéristiques ainsi déterminées aux caractéristiques mémorisées et
- si au moins l'une des caractéristiques ainsi déterminées se trouve en dehors d'un intervalle d'amplitude prédéfinie, centré sur la caractéristique mémorisée correspondante, modifier les paramètres de réglage de l'appareil (2) et/ou informer l'utilisateur de l'appareil.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans lequel les caractéristiques du faisceau d'ions (14) comprennent la taille et la densité de courant de ce faisceau d'ions.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les moyens de réglage (40) sont en outre prévus pour mettre en œuvre les étapes suivantes :
- commander l'appareil (2) pour former sur le substrat (18), dans une zone de ce substrat qui n'est pas destinée à la formation de la structure, une empreinte de test conformément à une empreinte numérique de référence mémorisée,
- numériser l'empreinte de test, comparer l'empreinte de test numérisée à l'empreinte numérique de référence mémorisée, et
- si ces empreintes sont différentes, modifier au moins l'un des paramètres de réglage de l'appareil et répéter ces étapes jusqu'à l'obtention d'un réglage convenable de l'appareil.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel les moyens de réglage (40) sont en outre prévus pour : mesurer les paramètres de réglage de l'appareil (2) à tout instant ou périodiquement pendant la fabrication de la structure et si au moins l'un des paramètres dérive et sort donc d'un intervalle d'amplitude prédéfinie, centré sur le paramètre mémorisé correspondant, modifier le paramètre mesuré pour qu'il se retrouve dans cet intervalle.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel les moyens de réglage (40) sont en outre prévus pour : mesurer les paramètres de réglage de l'appareil (2) à tout instant ou périodiquement pendant la fabrication de la structure et
- en cas d'instabilité d'au moins l'un de ces paramètres, interrompre la fabrication et informer l'utilisateur et/ou calibrer l'appareil pour régler à nouveau ce paramètre .
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel les moyens de réglage (40) sont prévus pour mettre en œuvre les étapes suivantes en vue de calibrer 1 'appareil (2) :
- commander cet appareil pour former sur le substrat (18), dans une zone de ce substrat qui n'est pas destinée à la formation de la structure, une • empreinte de test conformément à une empreinte numérique de référence mémorisée,
- numériser l'empreinte de test, comparer 1 ' empreinte de test numérisée à l'empreinte numérique de référence mémorisée, - si ces empreintes sont différentes, modifier le paramètre de réglage de l'appareil et répéter ces étapes jusqu'à l'obtention d'un réglage convenable de 1 ' appareil .
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, dans lequel les paramètres de réglage comprennent le courant d'émission de la source d'ions (4), l'énergie des ions, la focalisation du faisceau d'ions, l'amplitude du champ d'écriture sur le substrat (18) , la correction de stigmatisme et la distance entre l'appareil (2) et le substrat (18).
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