Brevet FR2183557A1 — publié le 19731221

La présente invention concerne un dispositif permettant de-métalliser par pulvérisation cathodique des séries importantes de disques ou de plaquettes de memes dimensions. Dans son brevet N' 1534917 du 22 Juin 1967, la Demanderesse a déjà montré qutil était possible d'obtenir un dépôt très adhérent sur un substrat par la pulvérisation d'un matériau prélevé sur une cible sous llaction d'un plasma produit a partir d'un gaz inerte ionisé au moins en partie dans une anode tubulaire soumise à un champ magnétique longitudinal. La mise en oeuvre de ce procédé avait conduit la Demanderesse a une réalisation décrite dans ce Brevet dans laquelle la production.du plasma s'effectue dans une chambre contenant la cathode, l'anode tubulaire, la cible et le substrat. Un dispositif strictement conforme au Brevet ci-dessus ne permet pas d'effectuer de façon industrielle plusieurs dépôts successifs de matières différentes sur un meme substrat. Il serait en effet nécessaire de ramener l'enceinte a la pression atmosphérique avec tous les inconvénients que cela comporte entraînant notamment un certain temps mort de manoeuvre et une pollution non négligeable. En outre, les praticiens spécialisés dans le dépôt de couches redoutent d'effectuer des pulvérisations de nature différente dans une meme chambre en raison de la pollution d'une couche par le résidu du matériau pulvérisé précédemment. La Demanderesse a donc été conduite a réaliser une installation de pulvérisation cathodique comprenant plusieurs chambres conformes a la description ci-dessus. L'objet de l'invention est donc une installation de métallisation constituée essentiellement par un compartiment principal et un compartiment de transfert, le compartiment principal étant divisé en un sas de chargement et de déchargement, et en un certain nombre de chambres de pulvérisation séparées optiquement et occupées successivement par les substrats a métalliser, chacune de ces chambres de pulvérisation, alimentée en gaz a ioniser, comprenant une cathode thermoémissive, une anode cylindrique entourée extérieurement a la chambre par un enroulement parcouru par un courant créant a l'intérieur de la chambre un champ magnétique dirigé suivant l'axe de ladite anode cylindrique, des cibles planes rectangulaires et un certain nombre de substrats sous forme de plaquettes rectangulaires, caractérisé en ce que dans chacune desdites chambres de pulvérisation, les arêtes des diedres que forment entre elles les plans des plaquettes de substrats sont maintenus parallèles a l'axe de l'anode cylindrique le long duquel se forme le jet de plasma. Dans une telle installation, comportant N chambres de pulvérisation, une collection de plaquettes de substrat supportée par une platine liée a un axe central par un bras radial est introduite dans un sas de chargement et de déchargement de meme dimension que les N chambres de pulvérisation de sorte que le compartiment principal est divisé N + 1 parties. Lorsque le vide désiré est obtenu dans le sas, les N + 1 bras supports s'abaissent, et les platines tournent exactement de 1 N+1 tour. Puis les bras remontent et placent chaque collection de substrats en face des cibles de pulvérisation. Les cibles de pulvérisation présentant en général la forme des plaquettes sont disposées au centre de chaque chambre de pulvérisation. Le matériau formant les cibles est alors pulvérisé sur les substrats disposés en face de celles-ci. Les diverses plaquettes de substrat défilent tour à tour devant les cibles, les aretes des diedres formées par les plaques de substrat successives demeurant en permanence parallèles à l'axe du cylindre anodique. Il est avantageux d'utiliser deux ou trois cibles rectangulaires formant un angle très ouvert et disposées à proximité immédiate du jet de plasma, les plaquettes de substrat pouvant etre placées sur un manège tournant à vitesse lente autour de l'axe du cylindre de la cathode de façon que les dépôts pulvérisés sur les divers substrats soient identiques. Dans chaque chambre de pulvérisation le produit à pulvériser peut etre différent. Il peut être identique dans deux ou trois chambres successives si l'on veut obtenir une couche dans laquelle le temps de pulvérisation d'un matériau donné est respectivement deux ou trois fois plus long que le temps de pulvérisation d'un autre matériau. On peut également alterner les dépôts s'il s'agit d'obtenir des couches sandwich mais en règle général le dépôt sera dans tous les cas particulièrement adhérent si on le compare aux résultats obtenus par vaporisation. Le principe d'une machine conforme à l'invention sera mieux compris si l'on se reporte à la description d'un exemple particulier de réalisation cité ci-dessous à titre d'exemple nullement limitatif dans lequel - la figure 1 est un schéma d'ensemble d'une telle machine > - les figures 2A et 2B représentent une plaquette porte-substrat, - la figure 3 est une vue schématique d'un tonneau porte-substrats. La figure i représente une coupe schématique d'une machine de-métallisation comportant une enceinte formée de deux compartiments, un compartiment principal 1 situé au-dessus du compartiment de transfert 2. Cette enceinte est reliée également à un moteur de verin 4 et à un moteur central de rotation 5 par l'intermediaire d'une colonne étanche 6 contenant arbre 7 correspondant au moteur de verin 4 ainsi que l'arbre creux 8 du moteur central de rotation 5. Au-dessous du compartiment de transfert 2, on voit un moteur d'entraînement des manèges satellites 9 dont l'arbre 10 pénètre dans le compartiment de transfert 2 grâce à une colonne étanche 11. L'enceinte supérieure est constituée d'un certain nombre de chambres de pulvérisation telles que 14 et d'un sas 12 de chargement et de déchargement disposés sur la platine supérieure 13 du compartiment principal qui demeure fixe lors de la rotation des diverses pièces de la machine de métallisation. Les chambres de pulvérisation 14 et le sas 12 ont intérieurement les memes dimensions transversales. Chaque chambre de métallisation 14 est reliée par un col cylindrique 39 à une chambre 15 contenant la cathode 16 constituée par un filament thermoémissif. Dans cette chambre se trouve également l'entrée du gaz inerte (non représentée). La chambre de métallisation comprend une anode de forme cylindrique 17 disposée de telle sorte que son axe soit confondu avec celui du col 39. A l'extérieur de l'enceinte de la chambre de métallisation 14, on trouve au niveau de 11 anode 17 un enroulement 18 donnant naissance à un champ magnétique axial dans l'anode cylindrique 17. Lorsque la cathode 16 est portée à sa température de service et qu'une différence de potentiel est établie entre l'anode 17 et la cathode 16, il se produit au sein de la chambre 15 contenant la cathode 16 une ionisation partielle du gaz neutre en raison de l'intensité du champ électrique qui s'établit entre la cathode et l'anode et qui tend à accélérer, au voisinage de la cathode 16, les électrons issus de cette dernière. L'ionisation du gaz se poursuit à proximité immédiate de l'anode cylindrique 17 d'où s'échappe un jet allongé de plasma orienté verticalement dont l'axe est confondu avec celui de l'anode. C'est ce jet de plasma qui est utilisé pour réaliser la pulvérisation. Le sas 12 forme une enceinte, fermée par un couvercle amovible 19 et dotée d'un dispositif de pompage auxiliaire relié à l'enceinte du sas 12 par la tubulure 20. Les substrats placés sur les porte-substrats sont disposés sur une platine tournante 21 lors du chargement dans le sas 12. il existe autant de platines tournantes telle que 21 qu'il y a de chambres de pulvérisation et de sas. Chacune de ces platines tourne autour d'un axe tel que 22 lui-meme entrainé en mouvement de rotation par un arbre horizontal 25 grâce à des pignons coniques de renvoi d'angle 23 et 24. Le moteur central de rotation 5 met en mouvement l'arbre creux 8 par l'intermédiaire des pignons 26 et 27, entraînant en mouvement le manège central 28 qui supporte les platines tournantes telles que 21. Après chaque pulvérisation, les platines sont amenées en position basse puis le moteur central de rotation 5 les fait tourner d'un angle déterminé autour de l'axe central vertical commun. Ces platines normalement situées dans le compartiment supérieur 1 sont entraînées simultanément dans le compartiment de transfert 2 par l'action du moteur de verin 4 qui entraîne en rotation l'arbre 3 porteur d'une vis sans fin 30. Un manchon 31 solidaire de l'arbre creux 8 se déplace alors le long de la vis sans fin entraînant dans un mouvement vertical le manège central 28 et les platines 21 qu'il supporte. Les platines peuvent en outre tourner sur elles-memes grâce au moteur d'entraînement 9. L'arbre 10 de ce moteur est relié par l'intermédiaire d'un accouplement téléscopique 33 à un arbre creux 32 qui prolonge l'arbre 10. L'extrémité supérieure de cet arbre creux 32 est muni d'un pignon conique central 34. Ce dernier entraîne en mouvement un pignon 35 solidaire de l'arbre 25 qui entrain les platines telles que 21 en rotation autour de l'axe 22 grâce aux pignons de renvoi d'angle 23 ainsi que cela a été précisé plus haut. Le mécanisme de déplacement des substrats est alors le suivant : le sas étant ouvert grâce au couvercle amovible 19, un ensemble porte-substrats est placée sur la platine 21. Pendant l'ouverture du sas, l'étanchéité entre le sas 12 et le compartiment de transfert 2 est assuré grâce au plateau 49 qui vient prendre appui contre la base 36 de l'enveloppe cylindrique délimitant verticalement le sas 12. La pression du plateau49 contre la base 36 est obtenue par un soulèvement et une rotation du doigt coudé 38. Le sas 12 est à nouveau fermé par la mise en place du couvercle 19. Le groupe de pompage auxiliaire fait le vide à nouveau dans le sas à travers la tubulure -20. Le doigt coudé 38 relache ensuite sa pression sur le plateau 49 et s'efface par rotation sur lui-meme. Le sas est remis en communication avec le compartiment de transfert 2. Le moteur de verin 4 commande alors la descente simulténée de toutes les platines telles que 2.Le moteur de rotation du manège central 5 fait alors effectuer à l'ensemble du manège une rotation de 1 tour La dernière platine sur laquelle trouvent les substrats ayant subi le vernier traitement dans la Ne chambre de métallisation vient alors se placer exactement au-dessous du sas, tandis que la platine comportant les substrats introduits en dernier lieu à travers le sas vient se placer exactement au-dessous de la première chambre de métallisation, chacune des autres platines se trouvant ainsi présentee à la chambre suivante de métallisation. Sous l'action du moteur de verin 4, le manège central remonte et les platines sont mises en place dans leurs chambres de métallisation respectives. La métallisation est commandée dans chacune desdites chambres.Le moteur d'entraînement 9 fait tourner la platine supportant les substrats qui sont recouverts uniformément d'une couche de pulvérisation correspondant à la matière contenue dans la cible. La figure 2 représente de face le porte-substrat utilisé dans le cas très particulier où les substrats à recouvrir sont des disques de petit diamètre dont les deux faces latérales doivent être métallisées par pulvérisation alors que les bords externes de ces disques doivent etre exempts de tout dépôt. La figure 2A fait mieux comprendre le mode de fixation de ces disques. On voit ainsi sur la figure 2A en 40, la plaque extérieure comportant des ouvertures circulaires 41 de diamètre approprié, inférieur au diametre du disque à métalliser. Sur la figure 2B on voit en 42 les disques à métalliser disposés dans une plaque centrale 43 percée d'ouvertures de diamètre égal à celui des disques et permettant de charger rapidement le porte-substrats. Cette plaque centrale chargée de substrats est bloquée entre deux plaques ex térieures 40 et 40'. Ces plaques extérieures sont maintenues par l'ergot inferieur 44 et l'ergot supérieur 45 pressé lui-meme par un ressort de blocage 46. On note que la base du porte-substrats est dotée d'un galet 47 permettant la rotation de la plaquette autour de l'axe 48, 48'. L'application industrielle de la pulvérisation exige que les substrats, soient assemblés sur de telles plaquettes en vue d'un traitement homogène permettant d'obtenir une fiabilité élevée. La figure 3 montre l'assemblage de telles plaquettes sur la platine de la chambre de métallisation. On voit que les plaquettes telles que décrites à la figure 2 sont montées sur un support cylindrique 51 qui permet dans le cas de figure le traitement régulier et simultané de 14 plaquettes. Lorsqu'il s'agit de métalliser un seul côté du substrat, il est avantageux de garnir de substrats à traiter les deux faces de chaque plaquette. Lorsque les deux côtés du substrat doivent être métallisés, comme c'est le cas examiné dans l'exemple de réalisation décrit dans la figure 2, il est nécessaire d'utiliser le support décrit précédemment avec ses plaques ajourées 40 et 40' ; il permet la métallisation sur les deux faces.Les plaquettes porte-substrats peuvent pivoter d'un démi-tour lorsque le galet 47 vient en contact d'un patin fixe 36 installé sur le plateau de chaque manège (voir figure 1 > . Dans chaque chambre de métallisation, les cibles 54 et 55 sont disposées de telle sorte que l'arête 53 du diedre qu'elles forment, soit sensiblement parallèle à l'axe 52, 52' définissant l'axe de révolution du cylindre porte-substrat 51, luimême confondu avec l'axe de l'anode cylindrique 17. L'arête 53 du diedre formé par les deux cibles doit se trouver légèrement en retrait de l'axe de l'anode cylindrique. Dans une autre réalisation, les deux cibles sont disposées de telle sorte que l'arete de leur dièdre soit perpendiculaire à l'axe de l'anode cylindrique 17. Dans une des réalisations conforme à l'invention, la machine de métallisation comprend cinq chambres (N + 1 = 5). Le compartiment supérieur présente un diamètre de 1 200 mm. Chaque chambre de pulvérisation a un diamètre de 370 mm. Chaque chambre de pulvérisation comprend deux cibles planes de 100 mm de coté et de 250 mm de haut refroidies par un circuit d1eau. Les deux cibles disposées en forme de diedre perpendiculairement à l'axe du cylindre générateur de plasma forment un angle très ouvert. Le plasma pulvérise le matériau des cibles en direction des parois latérales internes des plaques porte-substrats. La première chambre pulvérise un métal d'accrochage sur le substrat alors que les deuxième et la dernière chambres pulvérisent un métal prenant en sandwich le métal pulvérisé par la troisième chambre. Dans d'autres exemples de réalisation on a utilisé la deuxième et la troisième chambres à pulvériser le même métal tandis que la dernière chambre pulvérisait une couche de protection éventuellement isolante. La durée de l'opération complète est de une heure pendant laquelle une couche de l'ordre de 10 microns est facilement déposée sur une face. Bien que les disppsitifs qui viennent dletre décrits paraissent les plus avantageux pour la mise en oeuvre de l'invention, on comprendra sans peine que diverses modifications puissent être apportées à l'invention sans sortir du cadre de celleci, notamment en ce qui concerne la fixation des pièces à métalliser, le positionnement en distance des cibles par rapport aux pièces à métalliser et l'ordre dans laquel s'effectuent les combinaisons des divers mouvements décrits ci-dessus, certains éléments desdites combinaisons pouvant etre remplacées par d'autres qui leurs sont équivalents. REVENDICATIONS 1/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique constituée essentiellement par un compartiment principal, un compartiment de transfert et des moyens de transfert, le compartiment principal étant divisé en un sas de chargement et de déchargement et en un certain nombre de chambres de pulvérisation alimentées en gaz à ioniser, séparées optiquement et occupées successivement par les substrats à métalliser, chacune de ces chambres de pulvérisation comprenant une cathode thermoémissive et son enceinte, une anode cylindrique entourée extérieurement à la chambre par un enroulement parcouru par un courant créant à l'intérieur de la chambre un champ magnétique dirigé suivant l'axe de ladite anode cylindrique, des cibles planes, et un certain nombre de substrats de forme plane caractérisée en ce que les arêtes des diedres que forment entre eux les plans contenant les cibles planes sont maintenus parallèles à l'axe de l'anode cylindrique le long de laquelle se forme le jet de plasma, 2/ Installation de traitement par pulvérisation cathodique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de transfert permettant de maintenir en permanence les plans contenant les cibles parallèles à une direction fixe, sont assurés par un mécanisme de translation le long de la direction fixe et par plusieurs mécanismes de rotation autour de ladite direction fixe. 3/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique selon la revendication 2, caractérisé en ce qutun mécanisme de translation d'ensemble entraîne simul tanément tous les porte-substrats du compartiment principal dans le compartiment de transfert et vice versa. 4/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un mécanisme de rotation d'ensemble de tous les porte-substrats fait effectuer à ces derniers la même rotation à l'intérieur du compartiment de transfert. 5/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cibles sont constituées de deux plaques rectangulaires refroidies à l'eau en contact le long de grands côtés des rectangles, formant entre elles un diedre très ouvert, l'arête de ce diedre étant proche de l'axe de- l'anode cylindrique. 6/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique selon la revendication 1 et 5, caractérisée en ce que les cibles sont constituées par deux plaques rectangulaires refroidies à l'eau, en contact le long des petits côtés des rectangles et formant entre elles un diedre dont wu'arête est perpendiculaire à l'axe de l'anode cylindrique. 7/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique selon les revendications 1 et 5, caractérisée en ce que les substrats à métalliser sont disposés sur des plaquettes porte-substrats rectangulaires, assemblées sur un manège cy lindrique, tournant autour d'une direction fixe à une vitesse prédéterminée dans chaque chambre de pulvérisation. 8/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique selon la revendication 6, caractérisée en ce que les plaquettes porte-substrats sont réunies au manège cylindrique par l'intermédiaire d'un axe de rotation. 9/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'axe de rotation des plaquettes porte-substrats est doté d'un galet à son extrémité inférieure. 10/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique selon la revendication 9, caractérisée en ce que le plateau de chaque dispositif porte-substrats est doté d'un patin fixe sur lequel vient frotter le galet du porte-substrats à chaque tour de manège, entraînant son retournement. 11/ Installation de métallisation par pulvérisation cathodique, caractérisée en ce que les moyens de transfert comprenant un doigt coudé de sécurité appliquant un plateau- sur la paroi verticale du sas et assurant ainsi l'étanchéité du compartiment de transfert vis-à-vis du sas ouvert.