Substrat multicouches implanté à faible dose La présente invention concerne un substrat pourvu d'un empilement de couches déposées. The present invention relates to a substrate provided with a stack of deposited layers.
Cette invention a donc trait à la technologie des couches minces et elle trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de l'optique. En effet, dans ce domaine, de nombreux dispositifs sont réalisés à partir de substrats multicouches, c'est à dire de substrats sur lesquels est empilée une pluralité de couches minces.This invention therefore relates to thin film technology and finds a particularly interesting application in the field of optics. In fact, in this field, many devices are produced from multilayer substrates, that is to say substrates on which a plurality of thin layers are stacked.
Un exemple typique de ces dispositifs est le miroir interférentiel. Un tel miroir est composé d'un empilement de couches pouvant prendre différentes formes. Les ondes réfléchies par chaque couche produisent une interférence constructive gouvernée par la loi de Bragg, ce qui justifie de prévoir un certain nombre de couches. Cette interférence n'a lieu que lorsque l'épaisseur des couches compte tenu de leurs indices de réfraction sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde qu'il s'agit de réfléchir. Ainsi, pour le rayonnement X de grande énergie dont la longueur d'onde est comprise entre 0,1 et 1 nanomètre, on peut utiliser un substrat monocristallin, les couches réflectives étant ici constituées par les plans cristallins parallèles au substrat. Par contre, lorsque la longueur d'onde augmente, il n'existe pas de monocristal satisfaisant.A typical example of these devices is the interference mirror. Such a mirror is composed of a stack of layers which can take different forms. The waves reflected by each layer produce a constructive interference governed by Bragg's law, which justifies providing a certain number of layers. This interference only occurs when the thickness of the layers, taking into account their refractive indices, are of the same order of magnitude as the wavelength to be reflected. Thus, for high energy X-rays whose wavelength is between 0.1 and 1 nanometer, a monocrystalline substrate can be used, the reflective layers here being constituted by the crystal planes parallel to the substrate. On the other hand, when the wavelength increases, there is no satisfactory single crystal.
Pour traiter le domaine spectral couvrant le rayonnement X basse énergie et le rayonnement UV extrême, soit approximativement entre 1 et 30 nanomètres, il est ainsi connu de réaliser un empilement de couches minces déposées sous vide. Les couches sont alternativement composées d'un matériau lourd, plutôt absorbant, tel que le molybdène ou le tungstène, et d'un matériau léger, plutôt transparent, tel que le silicium ou le carbone. Plus l'écart des indices de réfraction des deux matériaux est élevé, ou autrement dit, plus le choc d'indice à l'interface de deux couches successives est important, meilleur est la réflexion résultante. Naturellement, la qualité du miroir dépend étroitement de la précision que l'on peut obtenir sur les différents paramètres caractérisant les couches déposées, et en premier lieu sur l'épaisseur de ces couches. Or les méthodes de production actuellement disponibles ne permettent pas de garantir une précision suffisante sur cette caractéristique dimensionnelle lorsque la spécification optique du miroir est très contraignante.
La présente invention a notamment pour objet d'ajuster l'épaisseur des couches déposées.To treat the spectral range covering low energy X-ray and extreme UV radiation, ie approximately between 1 and 30 nanometers, it is thus known to produce a stack of thin layers deposited under vacuum. The layers are alternately composed of a heavy, rather absorbent material, such as molybdenum or tungsten, and a light, rather transparent material, such as silicon or carbon. The higher the difference in the refractive indices of the two materials, or in other words, the greater the index shock at the interface of two successive layers, the better the resulting reflection. Naturally, the quality of the mirror depends closely on the precision that can be obtained on the different parameters characterizing the deposited layers, and first of all on the thickness of these layers. However, the production methods currently available do not guarantee sufficient precision on this dimensional characteristic when the optical specification of the mirror is very restrictive. The object of the present invention is in particular to adjust the thickness of the deposited layers.
Selon l'invention, un substrat est pourvu d'un empilement de couches déposées et, l'une au moins de ces couches présente dans une zone de réglage n une concentration de défauts ponctuels créés comprise entre 3.10 /cm et 3.1023/cm3.According to the invention, a substrate is provided with a stack of deposited layers and, at least one of these layers has in a setting area n a concentration of point defects created between 3.10 / cm and 3.10 23 / cm 3 .
En effet, il est possible de créer des défauts ponctuels en réalisant une implantation ionique sur cet empilement, ce qui permet de diminuer l'épaisseur de la ou des couches concernées au niveau de la zone de réglage. Suivant un mode de réalisation adapté à l'optique, l'empilement comporte une superposition de couples chacun formé d'une couche impaire et d'une couche paire se distinguant par leurs compositions.Indeed, it is possible to create point defects by performing an ion implantation on this stack, which makes it possible to reduce the thickness of the layer or layers concerned at the level of the adjustment zone. According to an embodiment adapted to optics, the stack comprises a superposition of pairs each formed by an odd layer and an even layer distinguished by their compositions.
Souvent, une couche impaire et une couche paire se distinguent de plus par leurs épaisseurs. A tire d'exemple, la composition d'une couche impaire appartient au groupe comprenant le molybdène et le tungstène.Often, an odd layer and an even layer are further distinguished by their thicknesses. As an example, the composition of an odd layer belongs to the group comprising molybdenum and tungsten.
De même, la composition d'une couche paire appartient au groupe comprenant le silicium et le carbone.Likewise, the composition of an even layer belongs to the group comprising silicon and carbon.
De préférence, l'épaisseur des couches impaires et des couches paires est inférieure à 30 nanomètres.Preferably, the thickness of the odd layers and the even layers is less than 30 nanometers.
Selon une caractéristique additionnelle, la zone de réglage s'étend sur la totalité des couples de couches.According to an additional characteristic, the adjustment zone extends over all of the pairs of layers.
Pour certaines applications, la zone de réglage présente une concentration variable de défauts ponctuels créés. Si cela s'avère nécessaire, la zone de réglage recouvre la totalité de la surface du substrat.For some applications, the adjustment zone presents a variable concentration of point faults created. If necessary, the adjustment zone covers the entire surface of the substrate.
L'invention vise également un procédé de préparation d'un substrat pourvu d'un empilement de couches déposées, ce procédé comprenant une étape d'implantation ionique dans une zone de réglage de l'une au moins de ces couches, la dose d'implantation étant comprise entre 5.10 /cm et 5.10 /cm équivalent oxygène, de sorte que la concentration de défauts ponctuels créés soit comprise entre 3.1020/cm3 et 3.1023/cm3.The invention also relates to a method for preparing a substrate provided with a stack of deposited layers, this method comprising a step of ion implantation in a zone for adjusting at least one of these layers, the dose of implantation being between 5.10 / cm and 5.10 / cm oxygen equivalent, so that the concentration of point defects created is between 3.10 20 / cm 3 and 3.10 23 / cm 3 .
Le procédé comprend éventuellement des étapes additionnelles pour obtenir les caractéristiques du substrat mentionnées ci-dessus.
Avantageusement, il comprend, suite à l'étape d'implantation, une étape de recuit du substrat.The method optionally includes additional steps to obtain the characteristics of the substrate mentioned above. Advantageously, it comprises, following the implantation step, a step of annealing the substrate.
La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en se référant à l'unique figure annexée qui représente un substrat.The present invention will now appear in more detail in the context of the following description of an exemplary embodiment given by way of illustration with reference to the single appended figure which represents a substrate.
En référence à cette figure, une première couche réflective 11 est déposée sur un substrat qui est ici en silicium. Une deuxième couche 12 est ensuite déposée sur la première 11 , ces deux couches formant un premier couple. Un deuxième couple est alors déposé qui est composé d'une troisième 21 et d'une quatrième 22 couche. On dépose ainsi successivement une pluralité de couples, 7 par exemple, le dernier étant formé d'une treizième 71 et d'une quatorzième 72 couches.With reference to this figure, a first reflective layer 11 is deposited on a substrate which is here made of silicon. A second layer 12 is then deposited on the first 11, these two layers forming a first pair. A second pair is then deposited which is composed of a third 21 and a fourth 22 layer. There is thus successively deposited a plurality of pairs, 7 for example, the last being formed of a thirteenth 71 and a fourteenth 72 layers.
Les couches de rangs impairs sont de préférence identiques quant à leurs compositions et à leurs épaisseurs. Le matériau de ces couches est avantageusement absorbant dans le domaine spectral considéré, soit de 1 à 20 nanomètres. On citera à titre d'exemple le molybdène et le tungstène.The layers of odd rows are preferably identical as regards their compositions and their thicknesses. The material of these layers is advantageously absorbent in the spectral range considered, ie from 1 to 20 nanometers. Mention will be made, by way of example, of molybdenum and tungsten.
Les couches de rangs pairs sont de préférence identiques quant à leurs compositions et à leurs épaisseurs. Le matériau de ces couches est avantageusement transparent dans ce même domaine spectral. On citera à titre d'exemple le silicium et le carbone.The layers of even rows are preferably identical as regards their compositions and their thicknesses. The material of these layers is advantageously transparent in this same spectral range. By way of example, mention will be made of silicon and carbon.
Eventuellement on peut prévoir une couche tampon ou même plusieurs couches qui sont déposées directement sur le substrat 1 avant la première couche réflective 11.Optionally, a buffer layer or even several layers can be provided which are deposited directly on the substrate 1 before the first reflective layer 11.
Le substrat ainsi pourvu d'un empilement de couches déposées est alors soumis localement ou globalement à une étape d'implantation ionique. L'implantation ionique est une technique couramment utilisée pour le dopage de matériaux semi-conducteurs. Selon cette technique, des atomes sont ionisés puis ils sont accélérés au moyen d'un champ électrique pour leur fournir une énergie bien définie et les projeter sur le substrat qui devient une cible. Les ions ainsi produits sont freinés par transfert d'énergie aux électrons et/ou aux noyaux des atomes de la cible. Suivant le rapport entre la masse de l'ion implanté et la masse atomique de la cible, on passe du transfert d'énergie électronique au transfert d'énergie atomique à des énergies plus ou moins élevées.
L'implantation peut entraîner une détérioration de l'empilement des couches déposées 11 , 12, ... ,72, ce d'autant plus que les ions implantés sont lourds et de basse énergie.The substrate thus provided with a stack of deposited layers is then subjected locally or globally to an ion implantation step. Ion implantation is a technique commonly used for doping semiconductor materials. According to this technique, atoms are ionized then they are accelerated by means of an electric field to provide them with a well defined energy and to project them on the substrate which becomes a target. The ions thus produced are slowed down by energy transfer to the electrons and / or the nuclei of the target atoms. According to the ratio between the mass of the implanted ion and the atomic mass of the target, we pass from the transfer of electronic energy to the transfer of atomic energy to higher or lower energies. The implantation can cause deterioration of the stack of the deposited layers 11, 12, ..., 72, all the more so since the implanted ions are heavy and of low energy.
L'implantation d'oxygène à haute dose, supérieure à 5.10 /cm , et à moyenne ou haute énergie tend à endommager l'empilement, réduisant considérablement par là même toute possibilité de réflexion.The implantation of oxygen at high doses, greater than 5.10 / cm, and at medium or high energy tends to damage the stack, thereby considerably reducing any possibility of reflection.
L'implantation à haute dose et à basse énergie conduit à une pulvérisation de la cible, c'est à dire à une ablation des couches déposées.The implantation at high dose and at low energy leads to a spraying of the target, that is to say to an ablation of the deposited layers.
L'invention prévoit par conséquent une implantation à faible dose dans une plage s'étendant sensiblement, pour l'oxygène, de 5.10 /cm à 5.10 /cm .The invention therefore provides for implantation at low dose in a range extending substantially, for oxygen, from 5.10 / cm to 5.10 / cm.
Ces paramètres d'implantation permettent de minimiser la perte de réflectivité de l'empilement, tout en produisant une réduction d'épaisseur de la zone implantée de l'ordre de 12%.These implantation parameters make it possible to minimize the loss of reflectivity of the stack, while producing a reduction in thickness of the implanted area of the order of 12%.
Ainsi, pour une dose de 10 /cm d'ions oxygène d'énergie égale à 180 keV, une couche impaire de molybdène passe de 2,76 à 2,60 nanometres et une couche paire de silicium passe de 4,06 à 3,35 nanometres.Thus, for a dose of 10 / cm of oxygen ions of energy equal to 180 keV, an odd layer of molybdenum goes from 2.76 to 2.60 nanometers and an even layer of silicon goes from 4.06 to 3, 35 nanometers.
La profondeur de pénétration des ions implantés que l'on peut estimer à 500 nanometres environ garantit un traitement sensiblement identique des différents couples de couches déposées. La réduction d'épaisseur des différentes couches qui dépend bien de la dose d'implantation est étroitement liée au nombre de défauts ponctuels créés. Par défaut ponctuel, on entend un dérangement de l'ordre atomique, une lacune par exemple, créé par le choc des ions incidents avec les atomes de la cible.The penetration depth of the implanted ions, which can be estimated at around 500 nanometers, guarantees a substantially identical treatment of the different pairs of layers deposited. The reduction in thickness of the different layers, which depends on the implantation dose, is closely linked to the number of point defects created. By point defect, we mean a disturbance of the atomic order, a gap for example, created by the shock of the incident ions with the atoms of the target.
La concentration de défauts ponctuels créés est proportionnelle à la dose implantée pour un ion incident donné, mais le facteur de proportionnalité dépend très fortement de la masse de cet ion et de la masse des atomes de la cible.The concentration of point defects created is proportional to the implanted dose for a given incident ion, but the proportionality factor very strongly depends on the mass of this ion and the mass of the target atoms.
Ainsi, pour une concentration donnée de défauts ponctuels créés, la dose d'implantation sera fonction de la nature de l'ion incident. Un but de l'invention étant de limiter le nombre de ces défauts, il est donc préférable de caractériser l'implantation par la concentration de défauts ponctuels plutôt que par la dose.Thus, for a given concentration of point defects created, the implantation dose will depend on the nature of the incident ion. An object of the invention being to limit the number of these defects, it is therefore preferable to characterize the implantation by the concentration of point defects rather than by the dose.
On donne dans le tableau qui suit les doses nécessaires pour obtenir une concentration de défauts ponctuels créés de 3.1023 défaut/cm3 dans le cas
d'un empilement molybdène-silicium implanté avec des ions O à une dose de 5.1015/cm2 : Ion incident Energie (keV) Dose (ion/cm2) Facteur de défaut (défaut/cm. ion) O 180 5.1015 6.107 The following table gives the doses necessary to obtain a concentration of point defects created of 3.10 23 defects / cm 3 in the case of a molybdenum-silicon stack implanted with O ions at a dose of 5.10 15 / cm 2 : Incident ion Energy (keV) Dose (ion / cm 2 ) Defect factor (defect / cm. ion) O 180 5.10 15 6.10 7
Ar 320 1.25.1015 2,4.108 Ar 320 1.25.10 15 2.4.10 8
N 160 6.1015 5.107 N 160 6.10 15 5.10 7
He 60 3,75.1016 8.106 He 60 3.75.10 16 8.10 6
H 30 3.1017 1.106 H 30 3.10 17 1.10 6
Pour établir l'équivalence entre un ion de référence, l'oxygène dans le cas présent, et tous les ions possibles, on utilise le code de calcul « SRIM ». A ce sujet, on peut se référer au livre « Ion Implantation, Science and Technology » édité par J. F. Ziegler (2000 Ion Implantation Technology Co.), Chapitre 3 « Ion Implantation Physics », pages 175 à 238. Par ailleurs, on peut consulter ce code de calcul, notamment la version 2000-39, sur le site Internet « www.srim.org/srim/srimlegl.htm », en téléchargeant le programme « srim.exe » (protégé par le droit d'auteur 1984-2002, James F. Ziegler) :To establish the equivalence between a reference ion, oxygen in this case, and all the possible ions, the calculation code "SRIM" is used. On this subject, one can refer to the book “Ion Implantation, Science and Technology” published by JF Ziegler (2000 Ion Implantation Technology Co.), Chapter 3 “Ion Implantation Physics”, pages 175 to 238. In addition, one can consult this calculation code, in particular version 2000-39, on the Internet site "www.srim.org/srim/srimlegl.htm", by downloading the program "srim.exe" (protected by copyright 1984-2002 , James F. Ziegler):
« The Shopping and Range of Ions in Matter » (J. F. Ziegler, IBM Research, Yorktown, NY, 10598 USA and J. P. Biersack, Hahn-Meitner Inst., 1 Berlin 39, Germany)."The Shopping and Range of Ions in Matter" (J. F. Ziegler, IBM Research, Yorktown, NY, 10598 USA and J. P. Biersack, Hahn-Meitner Inst., 1 Berlin 39, Germany).
Il s'avère qu'une concentration de défauts ponctuels créés supérieure à 3.1023 défaut/cm3 dégrade fortement les propriétés optiques de l'empilement. La dose d'implantation sera donc déterminée pour éviter de dépasser cette valeur. Il convient toutefois de créer un minimum de défauts ponctuels car sinon l'implantation serait sans objet. La concentration de défauts ainsi créés sera donc supérieure à 3.1020 défaut/cm3. Par ailleurs, deux méthodes permettent de mettre en évidence l'implantation à faible dose. La première méthode, l'analyse en réflexion spéculaire, fournit des informations sur les rugosités interfaciales. La deuxième méthode, les mesures transverses (« Rocking Curve » en anglais), analyse la lumière diffusée autour des différents pics de Bragg de l'empilement des couches.It turns out that a concentration of point defects created greater than 3.10 23 defects / cm 3 greatly degrades the optical properties of the stack. The implantation dose will therefore be determined to avoid exceeding this value. It is however advisable to create a minimum of specific faults because otherwise the layout would be pointless. The concentration of defects thus created will therefore be greater than 3.10 20 defects / cm 3 . In addition, two methods make it possible to demonstrate implantation at low doses. The first method, specular reflection analysis, provides information on interfacial roughness. The second method, transverse measurements (“Rocking Curve” in English), analyzes the light scattered around the different Bragg peaks of the stack of layers.
L'implantation peut être pratiquée globalement, sur toute la surface du substrat. Elle peut être pratiquée localement, dans une zone de réglage, soit en utilisant une technique de photolithographie, soit en employant un faisceau d'ions dirigés.
De préférence, suite à l'implantation, le substrat est soumis à un recuit pour réduire les pertes optiques. A titre d'exemple, la température est comprise entre 100 et 200°C, l'atmosphère est contrôlée ou bien il s'agit de l'air libre, tandis que la durée est de l'ordre de quelques dizaines d'heures. L'invention permet ainsi de réaliser les opérations suivantes :The implantation can be practiced globally, over the entire surface of the substrate. It can be practiced locally, in an adjustment zone, either by using a photolithography technique, or by using a beam of directed ions. Preferably, after implantation, the substrate is subjected to annealing to reduce optical losses. For example, the temperature is between 100 and 200 ° C, the atmosphere is controlled or it is open air, while the duration is of the order of a few tens of hours. The invention thus makes it possible to carry out the following operations:
- calage en fréquence d'un empilement de couches par implantation globale, pour les miroirs ou les masques ;- frequency setting of a stack of layers by global layout, for mirrors or masks;
- implantation localisée pour corriger les défauts d'uniformité de l'empilement ;- localization to correct defects in the uniformity of the stack;
- réparation localisée des défauts de la structure substrat-empilement ; - réalisation d'un gradient de réflexion pour obtenir une palette de longueurs d'onde exploitables, ceci en faisant varier l'un des paramètres d'implantation ;- localized repair of defects in the substrate-stack structure; - Realization of a reflection gradient to obtain a range of usable wavelengths, this by varying one of the implantation parameters;
- fabrication et réparation de masques ou réticules par implantation localisée des zones réfléchissantes.- manufacture and repair of masks or reticles by localization of reflective areas.
Hormis ces exemples de mise en œuvre, l'invention s'applique dès qu'il s'agit de modifier l'épaisseur d'une couche quelconque.Apart from these examples of implementation, the invention applies when it comes to modifying the thickness of any layer.
Par ailleurs, pour protéger le substrat, une couche de recouvrement peut être déposée sur les couches implantées.Furthermore, to protect the substrate, a covering layer can be deposited on the implanted layers.
L'exemple de réalisation de l'invention présenté ci-dessus a été choisi pour son caractère explicite. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention.The embodiment of the invention presented above was chosen for its explicit character. However, it would not be possible to exhaustively list all the embodiments covered by this invention.
En particulier, toute étape ou tout moyen décrit peut-être remplacé par une étape ou un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.
In particular, any step or any means described may be replaced by a step or equivalent means without departing from the scope of the present invention.