Brevet FR2008121A1 — publié le 19700116

L'invention se rapporte au domaine des procédés et appareils pour la fabrication de films minces de résistance cermet. Dans l'art antérieur, les résistances à film mince employées dans les micro-circuits étaient originellement limitées à des valeurs de résistance de quelques centaines d'ohms par élément carré et usuellement dans le domaine d'environ 300 ohms par élément carré. Dans l'art antérieur le plus récent, cependant, des films de résis- tance de valeur très élevée (100 kilobms par élément carré) ont été obtenus en utilisant des films cermet qui sont des films résistants possèdant une conposition : métal-diélectrique. Deux techniques sont communément utilisées pour préparer des films à résistance cermet : l'évaporation simiiîtanée ou Cc- évaporation et l'évaporation par flash.Le procédé d'évaporation, par sa nature même, ne vermet pas un bon contrôle de l'opération en raison de la òrte dépendance du taux de dépôt sur la tempErature de la source ou matériau d'évaporation, de faibles changements seulement de la température de la source produisant des changements relativement inportants dans le taux de dépôt. En conséquence, la co-évaporation est doublement difficile parce que les deux sources d'évaporation doivent être contrôlées avec exactitude pour obtenir la composition désirée et ainsi la résistance en film désirée. L'évaporation par flash est une technique oh une composition de poudre de métal et de matériau diélectrique est entraSnée pour tomber sur un filament chauffé à 2000 C.La conposition de poudres s'évapore presque instantanément au contact du filament de tungstène, d'oW le terme d'évaporation par flash. Dans ce procédé, la composition du film est contrôlée par la composition et l'uniformité du mélange de la poudre. Ce procédé est long comparé au procédé de co-évaporation ou au procédé nouveau de l'invention. Un autre problème associé aux techniques d'évaporation est que tous les matériaux, les métaux réfractaires par exemple, lesquels conviennent aux films de résistance, ne peuvent être aisément évaporés et dans certains cas ne peuvent titre évaporés. Dans l'invention, la projection par radio-fréquence est utilisée pour fabriquer une résistance cermet à partir, virtuellement, de toute combi- naison de métaux et de corps non métalliques. Ce résultat est obtenu parce que les composants non métalliques peuvent être projetés avec des taux de dépit comparables à ceux des métaux. Un corps non métallique est défini comme étant soit un matériau diélectrique (isolant) soit un matériau semi-conducteur. Les cibles métalliques et non métalliques sont soumises simultané- ment à l'opération de projection par des signaux de radiofréquence, c'est-àdire que leurs particules sont co-projetées. L'énergie de radiofréquence sert à la fois à maintenir une décharge de gaz ou plasma couse source d'ions positifs et également à projeter les composants métalliques et non métalliques du film. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les cibles métalliques et non métalliques sont aussi co-projetées mais la partie non métallique esf projetée par radiofréquence, tandis que la partie métallique est projetée par courant continu. La cible métallique est connectée à une source de puissance de courant continu et les quantités relatives de métal et de matériau non métallique -du film formé, et par conséquent la résistivité du film, peuvent être contrôlés en faisant varier la tension du courant continu appliquée à la cible métallique. in comparaison avec les techniques d'évaporation, le procédé de projection est un procédé très facilement contr8lable parce que la régulation de la tension est beaucoup plus aisée à obtenir que la régulation de la température et la réponse du procédé à un changement de tension est essentiellement instantanée par rapport à la réponse thermique de la source d'évaporation dans le vide. En outre, le taux de dép8t, quoique généralement plus faible que celui obtenu par la méthode d'évaporation, n'est pas une fonction importante de la tension, de sorte qu'une tension étroitement régulée n'est pas nécessaire. Les résistances ainsi fabriquées montrent un bon comportement à la température et une excellente adhérence au substrat.En outre, un support de substrat chauffé n'est pas exige et de bien meilleures telé rances géométriques sont possibles parce que l'on peut employer des techniques de masquage inversé photorésistant. Avec l'une des techniques d'évaporation antérieures, notée ci-dessus, un support de substrat chauffé était normalement utilisé à des températures qui durcissaient le matériau photorésistant, de sorte qu'il ne pouvait etre retiré sans endommager le film de résistance. La figure 1 est une vue latérale en coupé, partiellement schémati- que, d'un système ou d'un appareil pour l'exécution d'un dépôt par radiofréquence. La figure 2 est une vue en coupe et en bout d'un dispositif élec- trique incorporant une résistance à film mince. La figure 3 est une vue schématique illustrant un mode de réalisation de l'invention. L'invention consiste en une méthode et un appareil pour projeter simultanément par radiofréquence un matériau métallique et un matériau non métallique sur un substrat maintenu dans une atmosphère de gaz qui est sensiblement inerte dans les conditions de la projection. Le métal peut peut par exemple, tout alliage de nickél-chrome commercialement disponible. Le matériau non métallique peut être par exemple un diélectrique tel que le verre. Un type de verre qui donne de très bons résultats est un verre au borosilicate à température très élevée. D'autres métaux qui peuvent être utilisés comprennent par exemple, le m lybdène, l'or, le rhodium, le titane, le nickel, le cuivre, le fer, l'acier inoxydable, l'aluminium, le chrome, le tantale, l'argent, etc... D'autres matériaux non métalliques qui peuvent être utilisés comprennent par exemple la silice, le phosphure de gallium, le quarts, le germanium, l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de béryllium, le titanate de baryum, l'oxyde de magné- sium, l'oxyde de zirconium, etc..0 les corps métalliques et non métalliques peuvent etre utilisés dans toutes combinaisons. L'atmosphère de gaz inerte préféré est l'argon mais d'autres gaz ou vapeurs peuvent être utilisés, comprenant par exemple la vapeur de mercure, l'hélium, l'hydrogène, le néon, le krypton, l'azote, etc... Le bombardement par radiofréquence permet aux matériaux non métalliques entre projetés en raison de l'effet d'accumulation de charge colin à tous les matériaux diélectriques. La projection par génération de plasma par radiofréquence perset également d'utiliser un appareillage de chambre à vide relativement simple. Un vaste domaine de valeurs de résistance peut être produit en exploitant les grandes variations de la résistivité globale qui sont obtenues par le changement de la proportion de métal par rapport au verre. les valeurs de la résistivité variant de faibles valeurs de 100 microhms centimètres par exemple (pour des matériaux totalement métalliques) à l'infini (cas des diélectriques) sont possibles.L'avantage d'obtenir des résistivités globales et variables pour des applications de icro-circuits est que sans changer l'épaisseur du film, toute valeur de résistance de la famille peut être obtenue pour un circuit demné sans avoir à redessiner les masques définissant le rapport de la longueur à la largeur de ces résistances0 La densité d'empaquetage optimum d'un Micro-circuit peut être obtenue en dessinant des gabarits pour masques, de façon que toutes les résis- tances aient l'apparence d'un carré, Chaque domaine de valeur sensiblement différent de la résistance peut alors avoir un film résistant standard. Farce que ce procédé est capable d'une définition précise des bores des résistances, il est capable d'une définition précise de l'épaisseur d'une résistance et par conséquent capable d'un contrôle précis de la tolérance des valeurs de la résistance. On remarquera que les autres procédés de fabrication de films résistants, qui généralement exigent des substrats chauffés, ne permettent pas de déposer des films de résistance sur la partie supérieure d'un matériau photorésistant. D'autres procédés de fils résistants exigent que le film résistant soit déposé au-dessus de la surface entière de la pièce, puis que la partie du film résistant non désirée soit retirée sélectivement par gravure. le besoin d'obtenir une gravure sélective qui attaque le film résistant lais non le circuit sur lequel il est déposé, restreint les types de films qui peuvent être déposés. La gravure sélective entraîne également une pauvre définition des bords. Selon l'invention, les éléments de résistance & film mince, adhérent et de haute valeur, peuvent être déposés sur tout substrat approprié tel qu'une lame semi-conductrice de silicium oxydé. La figure 1 illustre schématiquement une partie des moyens susceptibles d'être utilisés avec les modes de réalisation de l'invention dont un mode préféré a été représenté figure 3. Un substrat 10, une laie semi-conductrice de silicium pourvue d'un revêtement de silice sont disposés dans une chambre de plaquage 11 qui peut être avantageusement constituée par une cloche conventionnelle comprenant un couvercle 12 et une bast-support 13. Des moyens (non représentés) sont prévus pour évacuer la chambre par le conduit 14. Un gaz inerte, tel que l'argon, est employé de préférence pour procurer une atmosphere non réactive. Le gaz est admis dans la chmbre par un conduit 15. les sources eu cibles 16 du métal, ou de l'alliage, et du verre sont disposées sur des supports à l'intérieur de la chambre. Des sources comprennent de préférence des éléments composites composés d'une partie métallique ou d'alliage 17 et d'une partie d'une composition de verre 18. Far exemple, la source 16 peut comprendre une feuille d'alliage de nickel-chrome à laquelle est fixée une pièce de diélectrique telle qu'un verre au borosilicate. Les sources 16 du létal ou de l'alliage et du verre sont montées dans des ces supports 19 qui sont supportées par des Montants 20. Des conducteurs électriques convenablement isolés 21 sent insérés dans les montants 20 et fixés aux supports 19 pour connecter les sources 16 avec le générateur de fréquence radio 22. Le substrat 10 est monté sur une potence métallique 24 qui peut être une feuille de titane. La potance 24 eSt fixée par ut support 25 au montant 26. Un conducteur électrique 23 passe par le support 25, le montant 26 et la base 13 jusqu'à une borne externe 32 qui peut être connectée au circuit de radiofréquence avant l'opération de dépôt du film pour nettoyer par projection la surface du substrat. A titre d'exemple particulier de la méthode de mise en oeuvre de la présente invention, les deux sources sont préparées de la manière suivants. Une barre d'un verre au borosilicate & haute température, de 0,317 ci d'épaisseur (1/8 de pouce) est fixée à une feuille ayant une épaisseur de 0,5 a (0,020 pouce) d'un alliage comportant approximativement 80 % es poids de nickel et 20 % de chrome, au moyen d'un fil du même alliage métallique. Ces sources sont montées dans une cloche telle que celle représentée & la figure 1. Une lame de silicium oxydé1 de façon à comporter un revêtement de silice, est alors placée sur le support de pièce et les sources et la lame de silicium sont toutes enfermées dans la cloche. La chambre est soumise à un vide d'une pression de 8 x 10 5 Torr. La pompe d'évacuation est alors partiellement arrêtée et l'argon est introduit jusqu'à ce que la pression atteigne environ Torr. Initiallement, les bornes 30 et 31 sont à la fois connectées avec la ligne 33 du circuit de radiofréquence et la borne 32 est connectée avec la ligne 34 du circuit. Le générateur de radiofréquence est alors commandé pour nettoyer par projection les surfaces de la source et du substrat. Un gnéra- teur convenable est l'un de ceux comportant une sortie d'une puissance de 1000 watts et opérant à une fréquence de 27,1 mHz. Le générateur de radiofréquence 22 est connecté par une bobine de couplage 35 à un circuit régulateur 36 et de là aux lignes 33 et 34. Les lignes 33 et 34 peuvent etre connectées à toute borne 30, 31 et 32 selon que l'on désire procéder à une opération de nettoyage ou de recouvrement par projection. Après achèvement de l'opération de nettoyage par projection, la borne 30 seule est connectée à la ligne 33 et la borne 31 est seule connectée à la ligne 34. La borne 32 est déconnectée du circuit et laissée sans connexion. Le générateur de radiofréquence est alors commandé de nouveau pour produire un plasma d'argon dans la cloche. Le plasma sert de source d'ions positifs, lesquels bombardent les surfaces des sources lorsqu'elles sont portées à un potentiel négatif au cours de chaque demi-cycle négatif de la tension de radiofréquence, causant par là l'arrachement d'atones du matériau de la source, lesquels sont projetés sur le substrat 10. Le substrat, revetu d'une couche photorésistante travaillant positivement telle qu'une couche photorésistante de Shippley, pour délimiter les dimensions de la résistance désirée, reçoit un dépSt pendant deux minutes environ. La lame, revetue par projection, est alors retirée de la cloche et le masque photorésistant ainsi que le film résistant en excès sont retirés en utilisant un solvant convenable tel que le xylène, cette opération étant suivie d'un léger nettoyage. Le film résistant en résultant est exempt d'éraflures comme cela résulte des opérations de nettoyage mettant en évidence la bonne adhésion du substrat. La valeur de la résistance du film cermet en résultant est de l'ordre de 100.000 ohms par élément carré et ne montre aucun changement apparent lorsqu'une tension de 200 volts est-appliquée à-la résistance. Si l'on se réfère à la figure 2 du dessin, les produits engendrés par la méthode venant d'être décrite peuvent comprendre un substrat semi- conducteur de silicium 41 revetu d'un dépit de silice 42 sur lequel est déposée la résistance de film mince 43 de haute valeur. rar des techniques de masquage conventionnelles, des bornes 44 peuvent etre appliquées d la résistance 43 de préférence par dépôt par vapeur. On a trouvé que les contacts ou les bornes d'aluminium plaqués par vapeur étaient particulièrement satisfaisants.Le composant complet peut alors hêtre enveloppé d'un film 45 dc matériau isolant tel que le monoxyde ou le bioxyde de silicium par l'utilisation de la méthode par projection par radiofréquence dans le cas de la silice ou par la méthode d'évaporation dans le cas du monoxyde de silicium. Ceci n'ct pas un point critique puisque le film 45 doit etre simplement suffisamment épais pour rendre effectivenent passif le film de résistance. Un mode de réalisation de l'invention est représenté à titre d'exemple à la figure 3. D'une façon générale, dans ce mode de réalisatic'n, l'énergie de radiofréquence est utilisée pour créer le plasma et pour détacher et projeter les particules de la cible non métallique, une tension de courant continu contrtlable étant utilisée pour la cible métallique. Corme exposé précédemment, les parties métalliques et non métalliques sont projetées silul- tanément. La valeur de la tension du courant continu détermine la quantité de matériau conducteur qui est déposée sur le substrat et par là détermine la résistance du film mince déposé. La figure 3 est une vue schématique vue de dessus d'une cloche montrant seulement la base métallique 50 de la cloche. Montée convenablement à l'intérieur de la cloche, se trouve une paire de cibles non métalliques 52 et 54. Ces cibles peuvent avoir une composition de verre telle qu'un verre au borosilicate. Les électrodes conductrices 56 et 58 sont fixées aux cibles 52 et 54 respectivement. Les électrodes peuvent entre en silicium ou en silicium métallisé par exemple et sont connectées à une source réglable de radiofréquence par les conducteurs isolés 60 et 62. On place également dans la cloche un support de substrat 64 auquel se trouve fixé un ensemble de substrats isolants 63.Montée convenablement entre le support du substrat 64 et les cibles 52 et 54 se trouve une cible écran 66 à mailles métalliques qui peut etre réalisée en molybdène ou en nickel-chrome par exemple. La cible 66 est connectée au moyen du conducteur 68 convenablement isolé à la borne négative d'une source de puissance variable en courar.t continu 70. La base de la cloche 50 et l'autre borne de la source de courant continu sont branchées à la masse. La source d'alimentation en courant est réglée de façon qu'une tension continue de zéro a -1000 volts puisse être appliquée à la cible à mailles 66. Les divers éléments à l'intérieur de la cloche sont séparés, de préférence, latéralement par rapport à l'ensemble 50, conte illustré à la figure 3, plutôt que verticalement, couse illustré à la figure 1. En cours d'opération, lorsqu'un signal de radiofréquence est appliqué entre les conducteurs 60 et 62 aux cibles diélectriques 52 et 54 et qu'une tension continue est appliquée à la cible à mailles métalliques 66, les particules de matériaux diélectriques et métalliques sont simultanément projetées et déposées sur les substrats isolants 63. La partie diélectrique est projetée par radiofréquence et la partie métallique est projetée par courant continu. La composition du film et par conséquent sa résistivité peuvent être contrôlées en faisant varier la valeur de la tension du courant continu. Lorsque la tension du courant continu négatif croît, une plus grande quantité de métal est projetée, diminuant de la sorte la résistivité du film dépesé. Lorsque la tension du courant continu est nulle, aucun métal n'est projeté et le film déposé est un diélectrique pur. Après qu'un film de compo- sition désirée, c'est-à-dire lorsqu'une résistivité donnée a été obtenue, la tension du courant continu peut être réduite & zéro pour déposer un film passif ou isolant d'un diélectrique pur sur le film résistant. La quantité de métal dans le film déposé peut aussi être limitée en substituant aux cibles à mailles métalliques des cibles dont les mailles soit de dimensions différentes. Une maille fine permet de projeter une plus grande quantité de métal qu'une maille large. En outre, la composition peut varier en contrôlant la source de radiofréquence appliquée à la cible non métallique. Lorsque le niveau de la puissance de la radiofréquence est accru, une plus grade quantité de matériau non métallique est projetée, accroissant de ce fait la résistivité du film cermet déposé. La simultanéité de la technique de projection par radiofréquence et par courant continu peut être utilisée pour fabriquer des films ayant des propriétés semi-conductrices, résistantes isolantes, ou conductrices, ainsi que pour effectuer des dépôts de tels films dans toute combinaison. Cette technique peut être utilisée pour fabriquer des fibres dichroîques à couches multiples ou pour fabriquer des miroirs comportant des revêtements transparents ou semi-transparents. En plus de ces résistances, cette technique peut être utilisée pour fabriquer : (1) des transistors à effet de champs colportant des parties distinctes telles que des canaux, des isolants, des portes et des contacts sur toutes ces parties combinées, (2) des conducteurs avec une couche isolante, (3) des dispositifs à effet de tunnel, et (4) des dispositifs émetteurs de lumière tels que des films au phosphore avec contacts métalliques. En outre, la technique peut être utilisée pour fabriquer des films résistant à la gravure, des films de durcissement de surface et des films de catalyseurs. Les matériaux mentionnés précédemment comme cibles et gaz convenables sont utilisés dans le mode de réalisation décrit de la présente invention. REVENDICATIONS 1x) Dans une méthode pour déposer un film électriquement résistant sur un substrat comportant les phases suivantes : application d'une énergie de radiofréquence à une atmosphère gazeuse ionisable pour produire un plasma ionisé, bombardement d'une source métallique et d'une source non métallique par ledit plasma pour engendrer une composition de particules dudit métal et de particules dudit matériau non métallique dans ledit plasma, dépôt desdites particules de ladite composition cornac film résistant sur la surface dudit substrat sous forme d'un élément de résistance désirée, le perfectionnement caractérisé par l'application d'une énergie de radiofréquence à ladite source non métallique et l'application d'une tension négative de courant continu à ladite source métallique. 2-) Méthode telle que revendiquée en 1 comportant en outre le réglage de la tension dudit courant continu pour faire varier le nombre de particules métalliques dans ladite composition et pour modifier de ce fait la résistivité dudit film. 3-) Méthode telle que revendiquée en 1 colportant en outre le réglage du niveau de la puissance de l'énergie de radiofréquence pour faire varier le nombre de particules non métalliques dans ladite composition et par là la résistivité dudit film. 4.) Méthode telle que revendiquée en 1 colportant en outre la mise en place de ladite source métallique entre ledit substrat et ladite source non métallique. 5-) Méthode selon la revendication 4 colportant en outre la prévi- sion d'une source métallique sous la forme d'un écran métallique. 6-) Méthode telle que revendiquée en 4 comportant en outre le contrtle de la dimension des mailles dudit écran métallique pour limiter ladite marge de variation du nombre de particules métalliques. 7*) Appareil pour déposer un film Mince de résistance cermet sur un substrat monté à l'intérieur d'une chambre comportant : une cible métallique et une cible non métallique à l'intérieur de ladite chambre, des moyens pour introduire un gaz ionisable dans ladite chambre, des moyens pour ioniser ledit gaz pour former un plasma contenant des ions positifs et des moyens électriques pour entraSner simultanément lesdits ions pour bombarder lesdites cibles en vue de libérer les particules desdites cibles de façon que lesdites particules soient déposées sur ledit substrat pour former une résistance cermet sous forme de film mince. 8-) Appareil tel que revendiqué en 7 où lesdits doyens d'ionisation comprennent une source d'énergie de radiofréquence. 9!) Appareil selon la revendication 8 où lesdits moyens électriques comprennent des moyens pour connecter lesdites deux cibles à une source d'énergie de radiofréquence de façon que les deux cibles soient soumises simultanément à l'opération'de projection par radiofréquence. 10.) Appareil conforme à la revendication 8 où lesdits moyens électriques comprennent des moyens pour connecter ladite cible non métallique à une source de radiofréquence pour la projection par radiofréquence du matériau non métallique et des moyens pour connecter ladite cible métallique à une source de tension de courant continu pour la projection du métal par tension continue. 11-) Appareil selon la revendication 10 où la source de tension dudit courant continu est réglable pour contrôler le nombre de particules libérées de ladite cible métallique contrôlant de la sorte la résistivité de la résistance cermet à film mince. 12-) Appareil tel que revendiqué en 11 où ladite cible métallique comporte un écran métallique situé entre ledit substrat et ladite cible non métallique.