Brevet FR2009104A1 — publié le 19700130

La présente invention est relative à une technique de fabrication de composants en couche mince ainsi qu'aux dispositifs obtenus. Plus particulièrement, la présente invention est relative à une technique de fabrication de composants 5 en couche mince comportant une pellicule ou couche condensée d'un alliage de tantale et d'aluminium, ces composants se révélant d'un intérêt particulier dans la réalisation de résistances. La miniaturisation des composants et des cir-X) cuits associée à la complexité croissante des systèmes électroniques modernes a créé un besoin de fiabilité sans précédent dans les composants en couche mince. En outre, les conditions extraordinaires tant terrestres qu'interplanétaires introduites par 1ère spatiale ont encore accru l'importance des pro-35 blêmes associés à la fiabilité des composant s. Jusqu'à présent, la majeure partie des conditions de stabilité, de précision et de miniaturisation requises ont été remplies simultanément par l'utilisation de composants de tantale dans lesquels le tantale élémentaire ou un composé de ce dernier a été utilisé 20 sous la forme d'une couche mince. En dépit de recherches continuelles, les spécialistes n'ont pu trouver de matière susceptible de concurrencer le tantale ou ses composés du point de vue de la qualité. Conformément à la présente invention, ce 25. but est atteint en utilisant des alliages de tantale et d'aluminium sous forme condensée pour constituer les couches minces des composants intéressants. Les dispositifs résistifs fabriqués selon la technique décrite ont mis en évidence un degré de stabilité inhabituellement élevé et se sont révélés supé-30 rieurs aux structures à base de nitrure de tantale. En bref, la technique selon l'invention consiste à déposer uné mince couche d'un alliage de tantale et d'aluminium contenant de 20 à 60 atomes pour cent d'aluminium sur un élément de support approprié par des techniques de con-35 densation; l'invention vise également la fabrication ultérieure d'un dispositif résistif désiré par des processus classiques. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante réalisée en se référant aux dessins ci-annexés dans lesquels : 69 16605 2 2009104 - la figure 1 est une vue en élévation frontale schématique d'un appareil susceptible d'être utilisé pour réaliser une couche ou pellicule d'un alliage de tantale et d'aluminium par évaporation cathodique conformément à la présente invention; et » les figures 2A à 2E sont des vues en plan d'une résistance réalisée conformément à la présente invention au cours de stades successifs de fabrication. On se réfère à présent plus particulièrement à la figure 1 où est représenté un appareil susceptible d'être utilisé pour le dépôt d'une couche de tantale et d'aluminium par évaporation cathodique. Cette figure révèle une chambre à vide 10 dans laquelle sont disposées une cathode 11 et une anode 12. La cathode 11 peut être constituée d'un alliage de tantale et d'aluminium, d'un disque de tantale partiellement revêtu d'aluminium ou d'un disque de tantale portant des bandes d'aluminium usinées. Dans chaque cas, la configuration de la cathode est telle que l'on obtienne une couche de tantale et d'aluminium contenant de 20 à 60 atomes pourcent d'aluminium. Cet objectif peut être atteint en utilisant une cathode de tantale et d'aluminium contenant de 20 à 60 atomes pourcent d'aluminium ou, dans les deux derniers cas auxquels il a été fait allusion ci-dessus, en concevant le disque de telle manière que le rapport de l'aire géométrique de l'aluminium à l'aire géométrique du tantale soit le même que celui qui lie le pourcentage d'atomes d'aluminium au pourcentage d'atomes de tantale dans la co-uche obtenue. On a représenté, connectée entre la cathode 11 et l'anode 12, une source de potentiel électrique 13. Le plateau 14 est utilisé à titre de support permettant de centrer le support ou subjectile 15 sur lequel la couche doit être déposée. Un masque 16 est disposé sur le support 15 pour limiter le dépôt à la zone désirée. Les5 figures 2A à 2E sont dss vues en plan d'une résistance réalisée conformément à la présente invention. La figure 2A représente un support ou subjectile 21 sur lequel une couche d'alliage de tantale et d'aluminium 22 a été déposée,, Conformément à l'invention, la couche 22 peut être réalisée par une technique de condensation, par exemple, par évaporation cathodique ou évaporation sous vide. La couche d'alliage de tantale et d'aluminium BAD ORIGINAL 69 16605 3 2009104 22 peut, de manière caractéristique, être revêtue d'une substance conductrice 23, par exemple, un alliage Nichrome-or, pour obtenir le corps représenté dans la figure 2B«Ensuite, un réseau conducteur approprié 24 est engendré sur la structure par des techniques 5 de photogravure industrielle, comme montré dans la figure 2C. Puis, l'ensemble obtenu est soumis à une photogravure supplémentaire de manière à former un réseau résistant 25(figure 2D). La couche d'alliage de tantale et d'aluminium 22 est ensuite immergée de manière typique dans un électrolyte d'anodisation et ren-10 due positive par rapport à une autre électrode immergée dans 1'électrolyte, formant ainsi une pellicule ou couche d'oxyde 26 représentée dans la figure 2E. Les dispositifs ainsi obtenus peuvent ensuite être anodisés de la manière décrite dans le brevet belge n°595.903 et/ou pré-vieillis thermiquement de la manière 15 décrite dans le brevet belge n°6l0.325. Comme décrit,le procédé selon 1'invention vise l'utilisation d'un support ou subjectile sur lequel la couche est produite. Les ratériaux convenant comme support sont ceux qui se conforment aux exigences imposées par les diverses phases de trai-20 tement. On préfère que le support possède une surface lisse dont le contour ne présente aucune variation brusque et qu'il soit coiBtitué d'un matériau susceptible de, résister à des températures aussi élevées que 300 à 400°C, car il peut être chauffé à des températures coribenues dans cette plage au cours du dépôt. Tous 25 les types de ne tériaux réfractaires tels que le verre, les céramiques et lesmatériauxà point de fusion élevé répondent à ces conditions. L'utilisation de dispositifs de refroidissement externes permet cependant d'utiliser d'autres matériaux. La présente invention peut être décrite com-30 modément en détails en se référant à un exemple illustratif dans lequel un alliage de tantale et d'aluminium est déposé sur un support par évaporation cathodique dans un appareil similaire à celui représenté dans la figure 1. Un support 15 est tout d'abord vigoureusement 35 nettoyé. Les agents de nettoyage classiques conviennent, le choix d'un agent particulier dépendant de la composition du support lui-même. Le support 15 est disposé sur le plateau 14, comme montré dans la figure 1, et le masque 16 est ensuite centré de manière adéquate. Le plateau 14 et le masque 16 peuvent être constitués de n'importe quel matériau réfractaire. Cependant, il peut être 69 16605 4 2009104 commode d'utiliser un métal pour faciliter la fabrication du masque 16. La cathode utilisée dans la mise en oeuvre de la présente invention peut être constituée d'un alliage de tantale et d'aluminium contenant de 20 à 60 atomes pourcent d'aluminium ; cela 5 peut être également une cathode de tantale et d'aluminium composite réalisée de telle sorte que le rapport géométrique désiré de 1* aluminium au tantale sir l'aire entière s'étend de 20 à 60$. On a constaté que l'aire géométrique de l'aluminium dans la structure composite correspondait approximativement au pourcentage 10 d'atomes d'àluminium dans la couche déposée. Il s'est révélé que les couches déposées contenant moins de 20 atomes pourcent d'aluminium prései.taent ine stabilité médiocre, tandis que les couches déposées contenant plus de 60 atomes pourcent peuvent mettre en évidence une corrosion galvanique dans des conditions ambiantes 15 d'humidité élevées. Par suite, la plage intéressante se situe de 20 à 60 atomes d'aluminium, une plage préférée s'étendant de 25 » à 45 atomes pourcent d'aluminium. On a constaté que l'on obtenait les meilleurs résultats avec une composition contenant 30 atomes pourcent d'aluminium. 20 Les conditions utilisées au cours de 1' évapo ration cathodique telle 30 L'accroissement de la pression du gaz inerte et, par suite, la réduction du vide à l'intérieur de la chambre 10,augmentent ia cadence à laquelle le métal à évaporer ou à projeter est séparé de la cathode et, par suite, augmente la vitesse de dépôt. La pression maximum est habituellement régie par des 35 limitations d'alimentation en énergie, car l'augmentation de la pression a pour effet d'augjnenter également l'écoulement de courant entre l'anode 12 et la cathode 11. Sous ce rapport, une limite supérieure pratique est de 150 microns de mercure pour une tension d'évaporation de l'ordre de 5000 volts. La pression maximum finale est celle sous laquelle l'évaporation peut être conBAD ORIGINAL 69 16605 5 2009104 trôlée de manière raisonnable à l'intérieur des tolérances prescrites. Il s'ensuit du raisonnement donné ci-dessus que la pression minimum est déterminée par la vitesse de dépôt la plus faible que l'on peut tolérer du point de vue économique. Une fois que la 5 pression requise est atteinte, la cathode 11 est rendue négative du point de vue électrique vis-à-vis de l'anode 12. La tension nécessaire pour produire une couche d'alliage de tantale et d'aluminium convenant dans l'optique de la présente invention peut s'étendre depuis des valeurs aussi 10 faibles que 1000 volts à des valeurs de l'ordre de 6500 volts en courant continu. L'augmentation de la différence de potentiel en-= tre l'anode 12 et la cathode 11 a le même effet que l'augmentation de la pression, à savoir, celui d'augmenter à la fois la vitesse de dépôt et l'écoulement de courant. Par suite, la tension maxi-15 mum est dictée par la considération des mêmes facteurs qui réglerfc la pression maximum. L'espacement entre l'anode et la cathode n'est pas critique. Cependant, 18 séparation minimum est celle requise pour produire une effluve qui doit être présente pour que l'éva-20 poration se produise. De nombreuses striations sombres apparaissent dans l'effluve produite au cours de 1'évaporation. Certaines de ces striations sont bien connues et on leur a donné des noms tels que, par exemple, Espace S îmbre de Crookes .ïbur que le rendement soit le meilleur au cours de la phase d'évaporation, le 25 support 15 doit être disposé immédiatement à 1' extérieur de 1 Espace Sombre de Crookes sur le côté le plus proche de l'anode 12. La disposition du support 15 plus près de la cathode 11 donnerait un dépôt métallique de qualité plus médiocre. La disposition du support 15 encore plus loin de la cathode 11 provoquerait 30 l'impact sur le support d'une fraction plus faible du métal total évaporé, augmentant ainsi le temps nécessaire à la production d'un dépôt d'une épaisseur donnée. On doit noter que la situation de l'E3pace Sombre de Crookes varie avec les variations de pression, cet i. 35' espace se déplaçant plus près de la cathode lorsque la pression augmente. Lorsque le support est déplacé plus près de la cathode, il a tendance à constituer un obstacle dans le chemin suivi par les ions gazeux qui bombardent la cathode. Par suite,, la pression doit être maintenue suffisamment basse pour que ÏEspace So-nbre de Crookes soit situé 69 16605 6 2009104 au-delà du point pour lequel le support constituerait un écran pour la cathode. L'équilibrage de ces divers facteurs, à savoir, les la tension, la pression et/ positions relatives de la cathode, de 5 l'anode et du support, pour obtenir un dépôt de qualité élevé est bien connu dans la technique de l'évaporation g On se réfère à présent plus particulièrement à l'exemple en question; en utilisant une tension et une pression appropriées et en espaçant convenablement les divers éléments à 10 l'intérieur de la chambre à vide, une couche d'un alliage de tantale et d'aluminium est déposée selon la configuration déterminée par le ne s que 16. L'évaporàtion ou projection est conduite sur une période de temps calculée pour obtenir l'épaisseur désirée. Dans l'optique de la présente invention, la 15 configuration et l'épaisseur de la couche déposée sont déterminées par la valeur finale de la résistance désirée. L'épaisseur initiale de la couche déposée est, de préférence,supérieure à 400 angstroms. Cette valeur est basée sur deux facteurs; premièrement, l'épaisseur de l'alliage après l'snodisaticn est,de pré-20- férence, supérieure à .300 angstroms pour assurer une continuité; et une seconde transformation d'au moins lOOargstrôms sous la forme oxyde est préférable du point de vue de la facilité de l'opération. Il n'y a pas de limite supérieure de l'épaisseur initiale de la couche qui soit dictée par la procédure décrite , 25 toute épaisseur de couche qui se conforma à le valeur de la résistance finale désirée convenant. Dans un but pratique, il a été déterminé qu'une valeur de 4000 angstroms convenait, bien que l'on puisse réaliser des épaisseurs aussi importantes que 25.000 angstroms sans sortir du cadre de l'invention. 30 Après la phase d'évaporation, la couche d'al liage de tantale et d'aluminium peut être anodisée dans un électrolyte approprié, le processus d'snodisstion étant régi par tous les facteurs que l'on rencontre de manière générale dans les processus d'anodisation classiques. On peut choisir l'un 35 quelconque des électrolytes habituels tels que l'acide nitrique, l'acide borique, l'acide acétique, l'acide citrique, l'acide tartrique,etc... dilués, pour autant que ces substances soient compatibles avec l'alliage à anodiser et selon l'utilisation finale de la structure. Le processus habituel suivi est similaire 'jAD original 1 69 16605 7 20Ô9104 aux processus classiques dans lesquels une tension faible est appliquée initialement, puis augmentée de manière à maintenir un courant d'anodisation constant. Lorsque l'on procède à la fabrication de ré-5 • siçtances selon la présente invention, l'anodisation peut être continuée jusqu'à ce que l'on atteigne une résistance de valeur désirée, comme indiquée par un dispositif de contrôle, et la structure obtenue peut alors être soumise à un pré-vieillissement thermique de la manière décrite dans le brevet belge n°6l0.325 ou 10 traitée d'une manière quelconque compatible avec son utilisation finale. Bans les revendications associées à la présente description, le terme "condensation" est utilisé pour décrire le procédé permettant de former sur le support une couche d'alliage 15 de tantale et d'aluminium. Dans la mesure où le terme "condensation" est représentatif de la formation d'une masse plus compacte, ce terme est csnsé inclure la formation de la couche métallique par des techniques d'évaporation cathodique ou d'évaporation sous vide. 2Q Un exemple de la présente invention est décrit en détail ci-dessous. Cet exemple est donné uniquement à titre illustrâtif et ne limite en aucun cas la présente invention. Exemple Cet exemple décrit la fabrication d'une résis-25 tance conformément à l'invention. Un appareil d'évaporation cathodique similaire à celui représenté à la figure 1 a été utilisé pour produire une couche d'alliage de tantale et d'aluminium. Dans l'appareil réellement utilisé, l'anode était mobile, la différence de potentiel 30 étant obtenue en rendant la cathode négative vis-à-vis de la terre. Un porte-objet de verre pour microscope a été utilisé à titre de support. Le porte-objet a été soumis à une ébullition dans de l'eau régale, puis rincé dans de l'eau dis-35 tillée et séchée à la flamme de manière que sa surface soit nette. Le tantale, de qualité commerciale, était utilisé sous la forme d'un disque de 10 cm de diamètre auquel était fixé une pièce annulaire d'aluminium en feuille (99,5$ de pureté) de telle manière que l'aluminium recouvre 25$ de l'aire géométrique du disque 69 16605 8 2009104 de ta nta le. La chambre à vide a été initialement placée sous un vide de l'ordre de 1 x 10™^ torr., et on y a introduit de l'argon sous une pression de 25 microns de mercure. L'anode 5 et la cathode étaient espacées approximativement de 6,3 cm l'une de l'autre, le support muni de son masque étant disposé entre ces deux éléments dans une" posfcion se trouvant immédiatement à l'extérieur de l'Efepace S imbre de Crookes • Une tension de courant continu d'environ 4000 volts a été appliquée entre la ca-30 thode et l'anode et 1*évaporation cathodique a été réalisée - pendant 8 minutes; cela a permis d'obtenir une couche d'alliage de tantale et d'aluminium (contenant environ 25 atomes pourcent d'aluminium) d'une épaisseur de 1000 angstroms. L'alliage de tantale et d'aluminium projeté 15 a été ensuite revêtu d'une couche de N chrome épaisse de 200 angstroms et d'une couche d'or épaisse de 4000 angstrôms par des techniques d'évaporation sous vide classiques. Ensuite, un réseau conducteur a été engendré dans la couche de N .chrome et d'or par des techniques de photogravure industrielle classiques 20 en utilisant un agent d'attaque du type iode-iodure. Le Nichrome a été éliminé par de l'acide chlorhydrique. Ensuite, un réseau sinueux de treize résistances a été formé dans la structure par des techniques de photogravure industrielle classiques en utilisant un agent d'attaque constitué d'un mélange d'eau, d'acide 25 fluorhydrique et d'acide nitrique selon un rapport de 1:1:1. Ensuite, un masque de graisse a été appliqué par des techniques normalisées sur les zones conductrices et l'ensemble obtenu a été trempé dans un électrolyte à 0,01$ d'acide citrique et anodisé sous une tension de 40 volts pendant 30 mi-30 nutes. Ensuite, la graisse a été éliminée .de l'ensemble anodisé et la structure a été chauffe à 250°C pendant 5 heures à l'air. Enfin, les résistances ont été étalonnées par des techniques d'anodisation classiques. L'ensemble résistant obtenu a été ensuite 35 séparé en résistances individuelles et des bornes ont été appliquées à ces dernières par des techniques d'immersion dans une soudure. Ensuite, les résistances ont été testées sous une charge de 1,3 watt . Au bout d'une semaine, on a constaté que la résistance moyenne variait d'environ 0,1 pourcent. Dans des BAD ORiGiNAL 69' 16605 9 2009104 buts comparatifs, on a procédé à l'estimation d'un groupe de résistances de nitrxire de tantale prépaies selon le processvis décrit dans le brevet belge na 623.060. Après essai sous une chargée 1,3 watt, la résistance des éléments résistants à base de nitrure de tantale variait d'environ 2 à 3$» Bien que certaines formes de réalisation préférées ont été décrites ci-dessus ©n se référant aux dessins ci-annexés, il est bien entendu que ce ne sont là que des exeajfes donnés à titre d'illustration qui ne limitait en aucun cas l'in*= vention. 69 16605 10 2009104 REVENDICATIONS 1.- Résistance à coucha métallique stable constituée, successivement, d'un support non conducteur et d'une couche mince à'3un métal, cette résistance étant caractérisée en ce que la couche mince est formé® principalement d'un alliage d© tantale et d'aluminium contenant de 20 à 60 atomes pourcent d®aluminium« 2.» Résistance suivant le revendication ls caractérisée en ce que la couche mince contient une couche d'oxyde anodique de l'alliage ta nta le-aluminium précité. BAD ORIGINAL