Brevet FR2027696A1 — publié le 19701002

-i- 2027696 .-'.La présente invention concerne un appareil et un procédé de pulvérisation cathodique sous atmosphère de gaz inerte purifié pour déposer des matières sur un substrat, l'invention concerne notamment un procédé et un appareil permettant de déposer des cou-5 ches minces de matières conductrices et/ou isolantes pour la réalisation de circuits en couche mince intégrés ou similaires en matières jusqu'ici difficilement utilisablestou avec une pureté jusqu'ici difficile à atteindre, étant donné les faibles vitesses de pulvérisation cathodique ou autres caractéristiques défavorables. 10 Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un appareil de pulvérisation cathodique sous atmosphère purifiée comprend, un boîtier à l'intérieur duquel s'effectue la pulvérisation, un support maintenant dans l'espace de pulvérisation le substrat sur lequel on désire déposer la couche de matière, une cathode de 15 pulvérisation située dans ledit espace, un espace de purification de lratmosphère constituant l'unique accès de gaz à l'espace de pulvérisation et une électrode de purification montée dans l'es— ' pace de purification. Dans une forme de réalisation de la présente invention, le 20 boîtier est divisé en deux chambres, une de purification et l'autre de pulvérisation, par une paroi intermédiaire dont le pourtour constitue l'unique accès de gaz vers la chambre de pulvérisation. La pulvérisation peut se faire dans une chambre cylindrique entourée d'une chambre de purification annulaire, le substrat étant 25 monté sur une plate-forme que l'on applique contre le bord de la paroi cylindrique de séparation des chambres. En variante, le boîtier peut être un récipient ouvert en haut, avec un couvercle amovible et une cloison transversale également amovible constituant la paroi de séparation des chambres, 30 la chambre de pulvérisation étant située en dessous de la cloison et la chambre de purification au-dessus. Dans une autre formé de réalisation de la présente invention, l'espace de pulvérisation et l'espace de purification sont délimités par un ensemble plan à plusieurs cathodes parallèlement aux-35 quelles est disposée, à une faible distance, une surface d'anode plane. L'ensemble à plusieurs cathodes constitue un écran par rapport auquel les cathodes de pulvérisation et de purification sont 70 00086 -2- 2027696 coplanaires ou sensiblement coplanaires, la cathode de purification étant annulaire et entourant la cathode de pulvérisation à une certaine distance. L'écran est, de préférence, une plaque métallique à la masse, dont une face plane comporte des évidements 5 dans lesquels sont logées les cathodes de purification et de pulvérisation. Les cathodes de purification et de pulvérisation peuvent être alimentées à partir d'une source de courant continu qui les maintient à un potentiel négatif par rapport au boîtier et au subs-10 trat, par exemple reliés à la masse. L'effet de purification de l'atmosphère gazeuse apparaît dans l'espace affecté par la décharge produite entre l'électrode de purification (cathode) et la paroi du boîtier ou surface anodique. En variante, les cathodes de purification et de pulvérisation peuvent être alimentées en courant haute 15 fréquence. {Jette seconde forme est particulièrement avantageuse pour le dépôt des matières isolantes. La présente invention concerne également un procédé de pulvérisation cathodique sur un substrat consistant à disposer le substrat dans un espace de pulvérisation qui n' est alimenté en gaz 20 qu'à travers un espace de purification, à introduire une atmosphère gazeuse inerte sous une pression inférieure à la pression atmosphérique dans les espaces de pulvérisation et de purification, à purifier ledit gaz, puis à pulvériser la matière de la cathode de pulvérisation sur le substrat, tout en maintenant l'action de la ca-25 thode de purification. Le gaz inerte peut être de l'argon à une pression d'environ —2 10 torr. Cet argon peut, si nécessaire, être préalablement purifié, avant son introduction dans l'enceinte, par passage sur de l'oxyde manganeux, pour éliminer l'oxygène qui constitue l'impure-30 té principale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressort iront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation de l'invention. 35 Sur ces dessins : la figure 1 est une représentation en perspective avec arrachement partiel d'un appareil réalisé selon la présente invention ; 70 00Q86 -3- 2027696 la figure 2 est une coupe en élévation d'une deuxième forme de l'appareil de la figure 1 ; la figure 3 est une coupe en élévation d'une troisième forme de l'appareil de la figure 1 \ 5 la figure 4 est une coupe en élévation d'une quatrième for me de l'appareil de la figure 1 . Sur la figure 1, l'appareil est constitué par un récipient en acier inoxydable comportant un corps cylindrique H et une base fixe I. le récipient comporte un couvercle amovible A, duquel par-10 tent trois tiges B qui supportent une plate-forme C pouvant coulisser à l'intérieur du récipient, la plate-forme divise le récipient en une chambre inférieure de pulvérisation S et en une chambre supérieure de purification T. A l'intérieur de la chambre de pulvérisation est disposée une cathode annulaire D en cuivre, qui 15 est supportée par un isolateur de traversée G en céramique de haute qualité, de façon à définir un intervalle annulaire avec le corps du récipient. Cet intervalle est situé en dessous du bord du récipient, dont le corps est mis à la masse et constitue l'anode-de purification. 20 la chambre de pulvérisation comprend une anode E montée à l'extrémité d'un isolateur de traversée de haute qualité S, lui-même fixé au couvercle A et à la plate-forme C. le substrat sur lequel on désire déposer une couche de métal est monté sur un support K comprenant un élément chauffant incorporé qui est alimenté 25 par des fils sortant par l'intermédiaire d'isolateurs de traversée J. ïïn obturateur M, actionné manuellement de l'extérieur du récipient, permet de masquer une zone prédéterminée" du substrat, l'obturateur est commandé par un mécanisme à encliquetage à joint étanche au vide. Cette disposition permet de découvrir successivement cer-30 taines parties ou la totalité du substrat, ce qui rend possible le dépôt de thermocouples en couches minces. le processus de mise en oeuvre de l'appareil de la présente invention pour le dépôt d'une couche mince de métal est le suivant : tout d'abord, le substrat sur lequel sera déposé'le métal est mon-35 té sur le support TL. le couvercle A et la • plate-forme C sont remis en place avec les cathodes D et E. le récipient est ensuite placé dans une enceinte (non représentée) dans laquelle on fait le vide 70 00086 -4- 2027696 jusqu'à 10"6 torr et que l'on remplit d'argon plusieurs fois de suite. On maintient ensuite dans 1'enceinte.un courant d'argon —2 à 99,995 i° sous environ 10 torr. La décharge de purification est ensuite établie dans "la 5 chambre supérieure sous environ 1,2 kV et 10 mA "pendant 30 minutes. La cathode de pulvérisation est ensuite mise en fonction pendant quelque temps pour purifier la chambre inférieure du récipient et également pour éliminer les impuretés superficielles de la cathode, avant d'ouvrir l'obturateur M permettant le dépôt 10 de matière sur le substrat. Les paramètres de l'opération varient avec la matière à pulvériser, mais dans le cas d'une électrode en molybdène, on peut opérer sous environ 2,3 kV pendant 30 minutes à 6 mA, avant de déposer la couche sur le substrat. Un thermocouple (non représenté) est monté sur le support K 15 pour contrôler la température du substrat et il est relié à l'appareillage de contrôle par des fils sortant par des traversées étanches L. Des essais comparatifs ont porté sur un certain nombre de matières à déposer sous forme de film, avec ou sans excitation de 20 l'électrode annulaire de purification D. La résistance pelliculai-re est utilisée comme critère d'évaluation de l'amélioration éventuelle de la qualité du film par l'emploi de l'électrode supplémentaire de purification. Dans pratiquement tous les cas, on note une amélioration très importante de la qualité du film. Même dans 25 le cas du cuivre, qui peut être déposé relativement rapidement par pulvérisation cathodique, l'amélioration est sensible ." Pour ce métal, on note une légère différence de coloration des films déposés, lorsque l'électrode de purification est mise sous tension. Les résultats suivants sont significatifs quant à l'amélioration de la 30 qualité des couches de cuivre et de molybdène. Le rapport de la résistance pelliculaire obtenue sans l'électrode de purification à la résistance pelliculaire obtenue avec l'électrode de purification en service est, dans le cas du cuivre, 12 à 1, et dans le cas du molybdène, 3,5 à 1. 35 Sur la figure 2, on peut .voir .un appareil sensiblement iden tique à celui de la figure 1, mais dont le support SS portant le substrat est rendu coulissant à travers la paroi du récipient pour 70 00086 -5- 2027696 permettre de changer le substrat. Le support SS traverse la paroi par un joint G-S étanche au gaz. .La figure 2 représente le récipient de la figure 1 entouré d'une enceinte hermétique YC qui peut être vidée d'air et remplie 5 d'argon par un dispositif non représenté. Un couvercle supérieur est fixé hermétiquement sur l'enceinte et supporte un dispositif d'adaptation haute fréquence MU qui applique des signaux haute fréquence aux électrodes de purification et de pulvérisation. La figure 3 représente une autre forme de l'appareil de pul— 10 vérisation cathodique, dans laquelle la chambre de pulvérisation S est constituée par une paroi cylindrique DW ouverte en bas et dont la partie haute est fixée hermétiquement au couvercle supérieur d'un boîtier cylindrique CC. Le substrat SU est porté par une plate-forme 3? qui est amenée contre le bord inférieur de la 15 paroi DW, de manière à ne laisser subsister qu'un.petit intervalle entre eux. La paroi DW est entourée d'une chambre annulaire G-C constituant l'espace de purification et dans laquelle est montée une cathode annulaire de purification D. Le boîtier CC est suffisamment résistant pour supporter la 20 pression atmosphérique lorsqu'il est mis sous vide par pompage direct de sa chambre interne, de sorte que la chambre à vide supplémentaire représentée sur les figures 1 et 2 n'est plus nécessaire. Les parois du boîtier, les électrodes de purification et de pulvérisation et la plate-forme P sont creux et comportent des en— 25 trées et des sorties d'eau de refroidissement. Ce refroidissement permet d'éviter efficacement le dégazage des surfaces métalliques. La figure 4 représente une autre variante, dans laquelle un ensemble à plusieurs cathodes comprend un support en acier inoxydable 1, dans lequel sont pratiqués un évidement circulaire central 30 2 et un évidement annulaire concentrique 3. L'évidement 2 contient un disque 4 constituant la cathode de pulvérisation alimentée par un conducteur passant à travers un isolateur 5. La cathode de pulvérisation est en tous points séparée du support 1 et sa surface inférieure est coplanaire avec la face 6 du support. 35 Une cathode annulaire de purification 7 en cuivre ou en tita ne est disposée dans l'évidement 3, de manière à n'être en contact en aucun point avec le' support 1, sa surface inférieure étant co- 70 00086 -6- 2027696 planaire avec la face 6 de ce dernier. Le conducteur d'alimentation de la cathode 7 passe à travers un isolateur 8. Dans l'appareil complet, l'ensemble à plusieurs cathodes est monté dans une chambre à vide (non représentée) à parois de 5 verre, remplie d'argon sous une pression comprise entre 20 et' 150 microns de mercure. Une table porte-substrat 9 est disposée immédiatement en dessous de l'ensemble cathodique et un substrat 10 est placé sur la table sous la cathode 4. La table 9 et le sup- - ' r port 1 sont à la masse et les cathodes 4 et 7 sont portées à des 10' potentiels continus, suffisants pour obtenir une pulvérisation de la matière de la cathode 4 sur le substrat. L'argon pénétrant dans l'espace de pulvérisation situé sous la cathode 4 est initialement purifié par l'effet de la cathode 7. Il est important d'éviter tout contamination du substrat par 15 la matière de la cathode de purification 7. Pour ceci,.il faut que • la distance de la cathode 7 au substrat soit suffisamment importante. La dimension DB est donc au moins égale à 1 cm. La dimension DA, qui est la hauteur de la face 6 du porte-cathode au-dessus de la table, est d'environ 8 à 15 nim. La largeur DC de la cathode 20 de purification est de 5 à 20 mm. Le diamètre DD de la cathode de pulvérisation dépend de l'application envisagée. Si nécessaire, les cathodes de purification et de pulvérisation peuvent être refroidies à l'eau. Le support 1_, portant les cathodes 4 et 7, peut être en aluminium au lieu d'être en acier ino-25 xydable. L'invention n'est évidemment pas limitée aux détails de la forme de réalisation décrite. On peut, par exemple, pulvériser d'autres matières, telles que certains composés semi-conducteurs. La couche déposée peut être amorphe, polycristalline ou monocris-30 talline. L'argon peut être remplacé par d'autres gaz inertes sous des pressions comprises par exemple entre 0,1 et 100 microns de mercure. Dans la forme de la figure 4, le.processus peut être rendu continu. Pour ceci, le substrat peut être un ruban flexible, dépla-35 cé en continu vers l'avant de la figure et disposé de manière qu'il s'approche et s'éloigne de la cathode de pulvérisation sensiblement perpendiculairement pour n'effectuer le dépôt que sur une courte 70 00086 -7- 2027696 longueur parallèle à cette cathode. Il ne peut ainsi y avoir contamination du substrat par la matière de 1_* électrode de purification. Dans ce cas, la table joue également le rôle d'écran. Dans un autre mode de traitement continu, les échantillons de substrat 5 sont successivement amenés sous la cathode de pulvérisation le long de la table. Pour ceci, ils doivent circuler sous la cathode -de purification et, pour éviter toute contamination, ils peuvent être protégés par des écrans se déplaçant en même temps qu'eux sous la cathode de purification. Cette cathode peut être en une 10 matière à pulvérisation rapide, telle que le titane ou le cuivre, cependant d-'autres métaux peuvent également être utilisés. Il peut également y avoir plus d'une cathode de pulvérisation à l'intérieur de l'espace défini par la cathode annulaire de purification et le processus peut être prévu de manière à exposer cha-15 que substrat tour à tour aux différentes cathodes, pour déposer des couches de métaux différents. Les cathodes ne sont pas nécessairement circulaires, par exemple, la cathode de purification peut être ovale ou elliptique et peut comporter, outre la cathode de pulvérisation, une ou plusieurs autres cathodes agissant elles-mêmes 20 comme cathodes de pulvérisation de différentes matières. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif et nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toutes variantes entrant dans son cadre. 70 00086 2027696 - REVENDICATIONS - 1 - Appareil pour la pulvérisation cathodique sous atmosphère purifiée, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier délimitant un espace de pulvérisation dans lequel est prévu un .5 support pour le substrat sur lequel on désire déposer de la, matière, une. cathode de pulvérisation montée dans ledit espace, un . espace de purification également délimité par le boîtier et auquel l'accès de gaz ne peut se faire que par l'espace de purification dans lequel est montée une électrode de purification. 10 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les espaces de purification et de pulvérisation sont constitués par des chambres, dudit boîtier séparées par une paroi dont la périphérie constitue l'unique passage de gaz vers la chambre de pulvérisation. 15 3 .- Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre de pulvérisation est cylindrique et entourée d'une chambre de purification annulaire, le substrat étant porté par une plate-forme qui est appliquée contre le bord de la paroi cylindrique de séparation. 20 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérise en ce que le boîtier comprend une enceinte cylindrique délimitant la , chambre de purification et entourant la plate-forme, l'enceinte étant suffisamment résistante pour supporter la pression atmosphérique lorsqu'elle est intérieurement mise sous vide. 25 5 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier est un récipient ouvert en haut, surmonté d'un couvercle amovible, la cloison de séparation étant constituée par une paroi transversale amovible au-dessous de laquelle se trouve la chambre de pulvérisation et au-dessus de laquelle se trouve la 30 chambre de purification. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cloison, l'électrode de purification et l'électrode de pulvérisation sont solidaires du couvercle amobible. 7 - Appareil selon l'une des revendications 5 et 6, caracté-35 risé en ce que le substrat est monté sur un support coulissant qui peut être introduit ou retiré par une ouverture latérale du récipient, un joint hermétique assurant l'étanchéité au gaz entre le 70 00086 -9- 2027696 support et l'ouverture. - 8 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace de pulvérisation et l'espace de purification sont délimités par un ensemble plan de cathodes et par une surface 5 anodique plane parallèle, à une certaine distance de 1'ensemble cathodique, qui constitue un écran dont la face plane est co— planaire ou sensiblement coplanaire avec les faces des cathodes de pulvérisation et de purification, la cathode de purification étant annulaire et entourant à une certaine distance la cathode tO de pulvérisation. 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'écran est une plaque métallique à la masse, dont la face plane comporte des évidements dans lesquels sont montées les cathodes de purification et de pulvérisation. 15 10 - Appareil selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que les électrodes de pulvérisation et de purification sont alimentées à partir d'une source de courant alternatif à haute fréquence. 11 - Procédé de pulvérisation de matière sur un substrat, 20 caractérisé en ce qu'il consiste à disposer le substrat dans un espace de pulvérisation, dans lequel un gaz ne peut pénétrer que par un espace de purification, à introduire une atmosphère inerte à une pression inférieure à la pression atmosphérique dans les espaces de pulvérisation et de purification, à purifier le gaz et à i i 25 pulvériser la matière de la cathode de pulvérisation sur un' substrat, tout en maintenant un effet de purification dans l'espace de purification.