Brevet FR2273369A1 — publié le 19751226

La présente invention concerne un dispositif diode de pulvérisation cathodique en radiofréquences à cibles allongées. On sait que les cibles utilisées communément pour la pulvérisation cathodique diode en radiofréquence sont constituées d'un élément plan de forme circula ire, assez ramassée, protégé en général sur toutes ses faces par un blindage, sauf sur sa face active. On sait que l'on a également réalisé des cibles de forme différente ou des groupements de cibles en vue de répondre à des problèmes précis. Ainsi, des cibles cylindriques ont été mises en oeuvre pour le dépôt de revêtements sur des substrats du type des lames de rasoir mais alors il devient problèmatique de réaliser un blindage protégeant la cible de façon réellement efficace. Divers autres inventeurs ont combiné des groupements de cibles devant lesquels des substrats étaient amenés à défiler. La présente invention est le résultat de recherches orientées en vue de définir la forme à donner à la cible et son support pour obtenir avec le meilleur rendement un dépit très homogène sur une grande surface ou sur une surface constituée elle-meme d'un assemblage de nombreux éléments plus petits. Par ailleurs, dans de très nombreux cas, la cible doit etre maintenue à une température prédéterminée, en général assez basse , ;un système de refroi- dissement par circulation de fluide doit donc étre incorporé au support de la cible. Cette condition oblige le constructeur à donner au support de la cible une certaine épaisseur pour le passage de canalisations et élimine en général les structures à cibles mobiles en raison des problèmes d'étanchéité du passage des canalisations du fluide de refroidissement. Enfin, dans le choix des formes à donner à la cible, il y a lieu d'éviter de créer dans celles-ci des zones à angles vifs entrainant des "effets de pointe" qui sont susceptibles de conduire à la formation de zones de pulvérisation irrégulière ou discontinue. L'objet de la présente invention est donc d'abord un dispositif diode de pulvérisation cathodique en radiofréquence comprenant au moins une cible allongée comportant une surface active placée sur un support épais contenant la canalisation du fluide de refroidissement et protégée par un blindage, caractérisé en ce que la surface active de la cible a la forme d'un rectangle allongé, de longueur au moins quatre fois plus grands que sa largeur, en ce que ladite surface active repose sur le plan diamétral d'un support massif de forme semicylindrique et se trouve liée thermiquement à celui-ci, et en ce que le blindage a également une forme semi-cylindrique et entoure ledit support. Dn voit qu'une telle disposition permet d'éviter l'ensemble des inconvénients de la technique antérieure signalés ci-dessus. En outre, une telle géomètrie permet d'associer plusieurs bobines magnétiques au dispositif de pulvérisation cathodique et d'obtenir dans la zone de pulvériLidin un champ magnétique assurant une meilleure concentration du plasma au niveau de la cible. On voit également qu'une telle structure permet facilement d'interposer entre la cible et le substrat une grille maintenue à la masse et de confiner le plasma entre la cible et la grille. Dans ces conditions, seuls iEs atomes neutres, pulvérisés, passent à travers la grille et vont se dépurer sur le ou les substrats.On obtient ainsi un abaissement appréciable de la température du substrat, ce qui permet plus facilement de réaliser des dépôts mur des matériaux fragiles tels que les plastiques, le papier ou les tissus sans i1Exer dangereuse- ment la température de ceux-ci. De plus, 'une telle disposition permet d'effectuer des dépots sur des couches semi-conductrices sans les polluer par l'action des électrons secondaires. Une telle disposition peut être utilisée prise isolement et permet d'nbte- nir une couche de grande homogénéité sur un substrat de grande surface, notamment en utilisant un dispositif de pulvérisation de façon continue, tandis que l'on fait défiler le substrat à vitesse rigoureusement constante,dseent la cible. On peut également réaliser des agencements de telles cibles afin d'effectuer par exemple une pulvérisation simultanée sur les deux faces d'un substrat ou afin de déposer successivement deux couches de matériaux différents sur une méme surface, et enfin on peut combiner les différentes actions en montant les substrats sur des manèges et les présenter successivement à diverses ribles Les combinaisons ainsi réalisables sont innombrables et la description qui va suivre, après avoir décrit la disposition fondamentale das's s-- -a forme élémentaire en référence à la figure 1 correspondant à une cible allongée unique associée à an substrat unique. présentera sommairement quelques unes des réalisations avantageuse$ ixperimen- tées par l'inventeur sans présenter un caractère exhaustif, en référence à la figure 2 correspondant au recouvrement simultané d'un substrat sur ses deux faces, la figure 3 représentant la combinaison de deux cibles placées dos à dos selon l'invention, et à la figure 4 décrivant très schématiquement la métallisation continue d'un fil ou d'un ruban. Si l'on se reporte à la figure t, on note, au centre de la fi ure, dans une enceinte à vide (non représentée), la surface active de la cible 1 montée sur un support 2 constitué par un demi-cylindre coupé le long d'un plan diamètral, contenu lui-meme dans un cylindre creux 3 formant le blindage. Le cylindre 3 repose sur une plaque 4, liée électriquement à la masse. En avant de la- cible et lui faisant face, se trouvent le porte-substrat 5 et le substrat 6. Le porte-substrat peut se réduire à un cadre sur lequel est directement fixé un substrat : une plaque de verre par exemple, destinée à etre recouverte sur ses deux faces par pulvérisation cathodique. Le substrat et le porte-substrat peuvent être mobiles en rotation autour d'un axe 7,7'. La distance entre le plan de la cible et le plan du substrat est déterminée de telle sorte que la rotation du substrat ne soit pas genée par la cible. Deux bobines créent un champ magnétique dans l'espace compris entre la cible et le substrat afin de confiner le plasma qui prend naissance lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre les deux électrodes et qu'un courant de gaz est injecté dans l'enceinte, celle-ci ayant été portée au préalable à un vide de l'ordre de 10 Torr. Ces bobines dont on a figuré simplement les plan médians 6 et 9, concourent en outre à améliorer et à uniformiser le dépôt que l'on forme sur le substrat. Lorsque le substrat supporte difficilement une élévation de température, et s'il est constitué par exemple par une plaque de matériau plastique transparent à la place du verre, il est très avantageux de placer entre la cible et le substrat une grille Il reliée électriquement au blindage et prenant appui sur celui-ci. Sa présence repousse les électrons secondaires vers l'espace compris entre la grille Il st le blindage 3, de sorte que ceux-ci ne peuvent plus atteindre le substrat 5 qui ne reçoit plus que les atomes neutres arrachés à la cible. Le refroidissement de l'élément porte-cible relié thermiquement à la cible elle-rnme est assuré par une circulation d'eau traversant la platine et dont on a représenté les conduits d'entrée 12 et de sortie 13. Lorsque l'on veut effectuer un dépôt métallique sur les deux faces-de la plaque de matière plastique transparente, et que l'on veut obtenir une épaisseur double ou triple sur l'une des faces de la plaque, le résultat s'obtient aisément en montant cette plaque sur le support 6, pivotant autour de l'axe 7;7'. On expose la face qui doit recevoir la couche la plus épaisse une durée de temps double ou triple de l'exposition de l'autre face, étant donné la linéarité du rapport entre l'épaisseur du dépôt et le tempsd'exposition. Le dispositif à une seule cible allongée protégée par son blindage, peut également etre utilisé en disposant la cible allongée dans un plan horizontal, la face active de la cible étant tournée vers le bas. Autour de la cible dans l'enceinte sous vide, on dispose un tambour, se rapprochant par sa forme des tambours de machine à laver. On dispose dans le tambour en vrac, des petits éléments tels que des vis par exemple, que l'on veut recouvrir d'une couche protectrice par nulvérisation cathodique. La rotation du tambour modifie sans cesse la position des petits éléments de sorte que ces éléments sont rapidement recouverts assez uniformément d'un déport très adhérent.Sous une cible de ce modèle, dont la surface active était de 300 mm x 60 mm, on a pu recouvrir d'une couche protectrice uniforme 1 000 vis en 5 minutes. Il est certain que des performances plus élevées seront obtenues par la suite. La figure 2illustre un dispositif fréquemment utilisé par l'inventeur pour réaliser un dépit simultané sur les deux faces d'un substrat. On y voit en 21 l'une des deux cibles montée sur un support 22 et protégée par son blindage 23. De même, on reconnait en face, le blindage 24 d'une cible 20 montée sur un support 26. Entre les deux cibles 21 et 20, à égale distance des deux cibles, se trouve placé le substrat 27. Celui-ci est guidé et supporté par un cadre métallique 28. Les deux cibles sont refroidies gracie à une circulation de fluide de refroidissement dont on voit le canal d'entrée et de sortie en 32 et 33. Le plan moyen de chacune des deux bobines 29 et 31 subit une discontinuité telle que 34 et 35 afin de permettre le passage du substrat 27.En effet, dans le cas de deux cibles montées face à face, le substrat est fréquemment constitué par une plaque continue que l'on fait défiler à vitesse prédéterminée devant les deux cibles 21 et 20 le long du cadre conducteur 26, déterminant la position de la plaque par rapport aux cibles. La plaque pénètre dans ce cas dans l'enceinte à vide par un couloir latéral étroit doté de deux sas successifs (non représen tés). La sortie de la plaque traitée est assurée dans les mêmes conditions dans un deuxième couloir doté de deux sas. La figure 3 représente deux cibles verticales de composition chimique différente 41 et 44 qui ont été disposées dos à dos dans une enceinte à vide. Le porte-substrat est alors constitué par un tambour vertical 48. Les deux cibles 41 et 44 sont portées par leurs porte-substrats respectifs 42 et 45 disposés dans des blindages 43 et 46 reliés dos à dos par une génératrice 47 constituant l'axe de symétrie de l'ensemble. Chacune des faces du tambour telles que 49 porte des logements dans lesquels ou sur lesquels sont fixées les pièces à recouvrir, des plaquettes par exemple. Le tambour 48 tourne à une vitesse prédéterminée autour d'un axe cotnci- dans avec la génératrice 47. La cible 41 étant formée de titane dépose une couche de titane sur le substrat, la cible 44 étant constituée de cuivre, on obtient sur chaque substrat une couche de titane sur laquelle se superpose une couche de cuivre. La figure 4 représente une coupe très schématique d'un dispositif à 4 cibles tournées toutes quatre vers l'intérieur. On trouve encore une fois 4 cibles allongées 51, 52, 53, 54, montées- sur des porte-cibles semi-cylindriques 55, 56, 57, 58, protégés par des blindages également semi-cylindriques 59, 61, 62, 63. Dans ce cas, le substrat est disposé suivant l'axe 60. Cela peut être un fil ou un câble ou un ruban à recouvrir d'une couche protectrice par pulvérisation cathodique. Lorsque l'on a voulu recouvrir un fil fin par ce procédé, il a suffi d'installer au-dessus et au-dessous du dispositif, une bobine. La bobine recevant le fil traité est dotée d'un mouvement en soi connu, à une vitesse appropriée. La bobine portant le fil à traiter est dotée d'un système de freinage en soi connu assurant une tension suffisante au fil. Des guides métalliques conducteurs assurent le positionnement exact du fil et en même temps l'amorçage lorsque le fil est isolant. Le même dispositif a été mis en oeuvre pour traiter une bobine constituée d'un ruban plan. Les exemples de réalisation décrits ci-dessus montrent l'intérêt des cibles allongées et les diverses variétés d'association de telles cibles que l'on peut réaliser facilement et à un prix de revient nettement plus bas que ce qui se faisait jusqu'à maintenant puisque toutes les cibles multiples sont constituées à partir d'un élément standard massif, robuste, indéréglable et susceptible d'etre fabriqué en série. On a également constitué des assemblages de cibles en triangles, les cibles étant tournées vers l'intérieur, en polygone de 5 et de 8 cibles. Ces cibles peuvent être alimentées soit toutes ensemble soit au contraire unitairement. Les porte-substrats utilisés ont été très souvent des porte-substrats plans formant un double cadre entre les éléments duquel on peut faire glisser un substrat. On a également utilisé des porte-substrats en forme de tambour que l'on a fait tourner à une vitesse prédéterminée par le calcul ou par des essais préalables, permettant, sous la tension appliquée, d'obtenir la couche d'épaisseur désirée. Les divers avantages obtenus en disposant dos à dos deux substrats accolés par leur blindage ont été décrits. Dans le cas où l'on désire déposer sur un substrat plus de deux couches de matériaux, ou bien si l'on veut accélérer la vitesse de dépôt de deux couches, on peut réaliser des dispositifs comportant, liés par leur blindage, formée de trois ou quatre porte-cibles tournés cette fois vers l'extérieur. Un porte-substrat en "tambour de machine à laver" permet de présenter successivement chaque substrat aux différentes cibles. REVENDICATIONS 1/ Dispositif diode de pulvérisation cathodique en radiofréquence comprenant au moins une cible allongée comportant une surface active placee sur un support épais contenant la canalisation du fluide de refroidissement et protégée par un blindage, caractérisée en ce que la surface active a la forme d'un rectangle allongé de longueur au moins quatre fois plus grande que sa largeur, en ce que ladite surface active repose sur le plan diamétral du support massif de forme semi-cylindrique et se trouve liée thermiquement à celui-ci et en ce que ledit blindage a également une forme semi-cylindrique et entoure ledit support. 2/ Dispositif diode de pulvérisation cathodique mettant en oeuvre une cible selon la revendication 1, placée verticalement au centre de l'enceinte à vide face au substrat, caractérisé en ce que deux bobines magnétiques horizontales entourent simultanément la cible et le substrat. 3/ Dispositif diode de pulvérisation cathodique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une grille reliée au blindage est disposée entre la cible et le substrat. 4/ Dispositif diode de pulvérisation cathodique mettant en oeuvre une cible selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cible est placée horizontalement dans l'enceinte à vide approximativement au centre d'un tambour tournant, b axe horizontal. contenant en vrac des objets de petite taille à recouvrir. 5/ Dispositif diode de pulvérisation cathodique mettant en oeuVre deux cibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux cibles sont disposées verticalement face à face dans l'enceinte et en ce que le substrat est disposé verticalement entre les deux cibles. 6/ Dispositif diode de pulvérisation cathodique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux cibles et le substrat sont entourés simultanément par deux bobines magnétiques horizontales. 7/ Dispositif diode de pulvérisation cathodique en continu selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux bobines présentent de part et d'autre de la fente située entre les deux cibles un décrochement permettant le passage permanent du substrat et en ce que le matériau à recouvrir pénètre dans l'enceinte par un couloir étroit doté de sas successifs. 8/ Dispositif de pulvérisation cathodique mettant en oeuvre deux cibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux cibles sont disposées verticalement dos à dos dans l'enceinte et en ce que le substrat est porté par un tambour vertical tournant autour de l'arrête commune des deux cibles. 9/ Dispositif de pulvérisation cathodique mettant en oeuvre plusieurs cibles selon la revendication 1, disposées verticalement dans une enceinte à vide, caractérisé en ce que les faces actives délimitent un prisme à section droite polygo nale au centre duquel défile en continu un ruban ou un câble à recouvrir centré au moyen de guides métalliques conducteurs. 10/ Dispositif de pulvérisation cathodique mettant en oeuvre plusieurs cibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux des surfaces sensibles au moins ne sont pas constituées du même matériau.