Brevet FR2221536A1 — publié le 19741011

L'invention concerne un procédé et un dispositif de dépôt de couches minces sous vide à partir d'une cible chaude soumise à l'action d > un plasma. On sait que l'utilisation dans une enceinte à vide, d'un générateur de plasma de forme compacte opérant à une pression différente de la pression régnant dans enceinte à vide et fournissant à travers une ou plusieurs ouvertures, un pinceau concentré de plasma, a permis de réaliser une source universelle produisant des couches de pulvérisation ou de vaporisation suivant que la cible refroidie bombardée par le plasma est portée à un potentiel positif ou négatif. Jusqu a présent il avait paru nécessaire de refroidir les cibles pour pouvoir contrôler la vitesse de dépôt des couches. De plus, dans les dispositifs antérieurs, une électrode du générateur se trouvait très souvent à vue directe de la cible ou du substrat, le champ qui s'établissait alors perturbait l'homo- génité du plasma entraînant une ionisation excessive des atomes évaporés et la formation d'un dépôt insuffisamment homogène. L'Inventeur en mettant en oeuvre dans une enceinte à vide, un générateur compact fournissant un pinceau de plasma indépendant de la polarité des cibles, a pu se libérer des inconvénients cités ci-dessus. En portant une cible à un potentiel-négatif constant, l'inventeur a constaté qu'un équilibre thermique résultant du rayonnement de la cible est rapidement atteint et qu'en conséquence, il est possible, comme avec une cible refroidie, obtenir un dépôt d'épaisseur prédéterminée, la seule différence résidant dans l'augmentation de la vitesse et dans l'amélioration de la qualité du dépôt. En polarisant la cible non refroidie éventuellement isolée thermiquement au moyen d'une tension alternative -en haute fréquence, a été également possible de former sur le substrat une couche très épaisse et adhérente par impact d'ions et d'électrons sur la cible non refroidie quelle que soit la nature du matériau servant de cible, qu'il soit conducteur ou isolant. L'objet de l'invention est donc un procédé de dépôt de couches minces sous vide, à partir d'une cible chaude consistant à placer dans une enceinte, maintenue sous vide, le substrat à recouvrir, un générateur de plasma de forme compacte et muni d'une ouverture de sortie du plasma,à disposer à proximité du faisceau de plasma une cible formée-du matériau à déposer sur le substrat, caractérisé en ce que l'on porte la cible à un potentiel négatif au moins pendant l'alternance négative d'une source de potentiel haute fréquence pour entraîner sa pulvérisation par des ions du plasma et en ce que le potentiel de la cible est ajusté à une valeur déterminée expérimentalement pour chaque matériau pour amorcer la vaporisation de la cible. Lorsque la polarisation est continue les ions arrivent de façon continue sur la cible réalisée en matériau conducteur. Ils provoquent d'abord la pulvérisation bien connue dite 1,pulvérisation cathodique", puis la température de la cible s'élève et l'évaporation commence et se développe pour chaque valeur du potentiel appliqué jusqu'à ce que l'apport d'énergie des ions incidents soit équilibrée par l'évaporation, la pulvérisation et le rayonnement thermique de la cible. Ce dernier constitue un facteur important de déperdition d'énergie dans le vide à partir de 6000C environ. I1 en résulte qu'un équilibre thermique est très rapidement atteint conduisant à la formation d'une couche de dépôt à vitesse constante, prévisible exactement avec la meme précision que lorsque la cible est refroidie.Le procédé permet donc d'obtenir aussi facilement une couche d'épaisseur prédéterminée que le procédé à cible refroidie. Lorsque la polarisation de la cible est alternative- en haute fréquence, il se produit comme précédemment une courte période durant laquelle la cible est portée à un potentiel négatif. Sous l'impact des ions, la température de la cible s'élève et il se produit en même temps une pulvérisation cathodique. Mais lorsque la cible devient positive, la pulvérisation cesse; par contre sous l'action du bombardement électronique, la partie superficielle de la cible continue a s' échauffer. Comme dans le cas de la polarisation continue, la cible donne naissance à une évaporation superficielle. Les deux phénomènes de vaporisation et de pulvérisation se combinent comme précédemment. La température de la cible s'élève et atteint une valeur d'équilibre dépendant, toutes choses égales d'ailleurs de la tension appliquée.On peut donc comme dans le cas précédent régler le débit de la cible et la vitesse de formation de la couche avec autant de précision que lorsque l'opération est effectuée avec une cible froide. I1 est évident qu'en polarisation alternative, on peut utiliser des cibles chaudes réalisées en matériaux conducteurs ou isolants. La polarisation de la cible peut être avantageusement combinée avec une polarisation continue négative ou alternative du substrat en cours de recouvrement on obtient ainsi à la manière connue un léger bombardement ionique du dépôt qui vient maintenant se superposer à la pulvérisation cathodique et à l'évaporation, conduisant des dépôts de couches de grande pureté particulièrement adhérents et obtenues à des vitesses très élevées. Une forme de réalisation d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé faisant l'objet de la présente invention est décrite ci-après à titre de simple exemple nullement limitatif en se référant au dessin annexé dans lequel - la figure unique est une coupe schématique du dispositif mettant en oeuvre le procédé dans lequel est soumise à un potentiel alternatif à haute fréquence. Dans une enceinte délimitée par une enceinte I et une platine 2, on dispose sur un passage 3 de la platine un générateur de plasma 4 de type connu de forme ramassée opérant à une pression différente de la pression régnant dans l'enceinte à vide grâce à un groupe de pompage (non représenté) aboutissant à la canalisation 5 munie d'une vanne 6. Le générateur de plasma 4 comporte une ou plusieurs ouvertures axiales telles que 7 donnant chacune naissance à un pinceau de plasma 8 et éventuellement à d'autres pineaux de plasma non représentés parallèles à la platina 2. Le passage 3 de la platine alimente le- générateur 4 en eau de refroidissement, en courant électrique et en gaz destiné à être ionisé.A proximité immédiate du flux de plasma 8, est placée la cible 9 disposée sur un élément portecible 10 luimeme relié à l'extérieur à travers un passage-- étanche 11 d'un modèle standard. La cible 9 est constituée dans l'exemple de réalisation décrit par un corps métallique conducteur éventuellement isolé thermiquement de l'élément porte-cible. La cible 9 est portée à un potentiel alternatif haute fréquence grâce à une source de tension haute fréquence 12 à travers une canalisation électrique 13 extrêmement courte. La source de tension est munie d'un bouton de réglage de tension 14. Etant donné que la cible est alimentée en tension alternative haute fréquence, elle pourrait être constituée en un matériau isolant. Dans la partie supérieure de la cloche se trouvent placés les substrats 15, 16, et 17 reliés à travers un passage étanche à une source de tension négative munie d'un rhéostat de réglage 19. La mise en oeuvre du dispositif se fait suivant le procédé faisant l'objet de l'invention. Lorsque le víde est atteint dans l'enceinte à vide et que le générateur de plasma 4 est mis en service, on commence par mettre les substrats 15, 16, 17 sous une tension négative grâce à la source 20 en vue d'effectuer un dernier nettoyage des substrats par bombardement ionique, puis cette tension négative des substrats est ramenee à une valeur plus'proche de zéro. La source de tension alternative à haute fréquence est alors appliquée conduisant à la pulvérisation de la cible et à un bombardement ionique et électronique alternatif de la cible ; le potentiel appliqué à celle-ci définit l'énergie incidente des charges électrisées. La cible s'échauffe.Dans le cas où elle est réalisée en chrome elle atteint rapidement la température de couleur du rouge blanc pour une position déterminee du bouton de réglage 4 de la tension alternative. Ce chrome se sublime progressivement et vient se déposer par un processus analogue à l'éva- poration sur les substrats, En même temps la pulvérisation se continue, il en résulte la formation d'une couche particulièrement adhérente sur les substrats. Le fait que les substrats soient portés en même temps à un potentiel faiblement négatif conduit à prolonger sur la couche un léger bombardement ionique qui diminue la contamination gazeuse de la couche, améliore l'état de surface et même l'uniformitéde l'épaisseur de la couche. En effet, la présence du plasma au-dessus de la source d'évaporation ionise partiellement les atomes évaporés ; ces atomes ionisés sont attirés alors par le substrat et s'y déposent avec une certaine énergie. Le réglage de la tension permettant d'obtenir la vaporisation du chrome est assez aisé. En effet, si le chrome se vaporise à la pression atmosphérique à plus de 24000C, et sous une pression de 10 tors à une température de tordre de 1600au, sa valeur n'est plus que de 125O0C lorsque la pression dans la chambre atteint 10 Tors. Lorsque l'on augmente progressivement la tension appliquée à la cible, la température de celle-ci s'élève en raison de l'augmentation de l'apport d'énergie fournie par le bombardement corpusculaire. Lorsque la cible a atteint une température de l'ordre de 6000C à 800 C, le rayonnement thermique ralentit l'augmentation de température et lorsque le chrome atteint la température de 12500C correspondant à sa température de sublimation, l'énergie de vaporisation en même temps que l'énergie de rayonnement viennent compenser l'apport d'énergie du au bombardement corpusculaire, il est dont particulièrement aisé de régler la tension appliquée au moyen du bouton 4 à la juste valeur réalisant un équilibre stable d'apport énergétique et de déperdition par évaporation et rayonnement. On peut ainsi déterminer facilement la quantité de matière à évaporer par unité de temps. Un réglage du meme genre s'obtient aisement pour le titane et le calcium qui subissent tous deux une sublimation. Dans le cas où le matériau ne se sublime pas et fond avant de s'évaporer il peut se poser des problèmes de corrosion ou de réaction à chaud avec le matériau constituant le porte-cible. il devient alors souvent avantageux de remplacer le porte-cible par un creuset isolant traversé par une électrode. Le matériau à déposer est alors simultanément pulvérisé à l'état liquide et vaporisé. Dans le cas où l'on veut effectuer une opération de pulvérisation et de vaporisation à plusieurs sources, le générateur de plasma muni, par exemple, de deux ouvertures envoie simultanément du plasma sur deux cibles formées des constituants à combiner. On règle la tension appliquée à chaque cible à la valeur qui permet d'obtenir une évaporation réalisée dans des proportions aussi proches que possibles de la composition stoechiométrique. Le dispositif qui vient d'être décrit permet la pulvérisation et la vaporisation de tous types de matériaux. Il est évident que lorsqu'il s'agit exclusivement de realiser des dépots métalliques, il peut etre avantageux d'appliquer à la cible une tension continue négative réglable dans les mêmes conditions que précédemment. Ces deux exemples de réalisation paraissent être les plus avantageux pour la mise en oeuvre du procédé faisant l'objet de l'invention, on comprendra cependant que diverses modifications puissent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention notamment en appliquant aux divers éléments des tensions différentes de celles qui viennent d'être décrites, notamment en appliquant à la cible une tension alternative non sinusoldale ou en remplaçant certains des éléments décrits ci-dessus par d'autres éléments remplissant les memes fonctions techniques. REVENDICATIONS 1/ Dispositif permettant le dépôt de couches minces sous vide à partir d'une cible chaude dans lequel on place dans une enceinte maintenue sous vide au moins un substrat à recouvrir, un générateur de plasma de forme compacte muni au moins d'une ouverture de sortie du plasma, au moins une cible formée du matériau à déposer sur le substrat disposée à proximité du faisceau de sortie du plasma, caractérisé en ce que la cible est reliée à une alimentation en tension alternative. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cible est alimentée en tension alternative à haute fréquence. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les substrats à recouvrir sont reliés à une source de tension négative réglable. 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur de plasma comprend deux ouvertures et en ce que enceinte à vide contient une cible alimentée en tension alternative haute fréquence réglable, une cible alimentée en tension continue négative réglable et en ce que le substrat est maintenu à une tension négative au moins pendant l'alternance négative de source de tension haute fréquence. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enceinte à vide contient un générateur de plasma à deux ouvertures, une cible alimentée en tension alternative haute fréquence réglable, une cible alimentée en tension continue réglable, au moins un substrat maintenu à une tension négative réglable. 6/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une au moins des cibles est isolée thermiquement du porte-cible et reliée électriquement à ce dernier alimenté en tension alternative haute fréquence.