Brevet FR2273408A1 — publié le 19751226

La présente invention concerne un procédé et un dispositif simplifié d'adaptation d'impédance pour les appareils de pulvérisation cathodique diode en radiofréquence. On sait qu'un dispositif de pulvérisation cathodique diode en radiofréquences comprend une enceinte maintenue sous vide à une pression stable par un groupe de pompage bien dimensionné. Cette enceinte contient une cible formée du matériau à pulvériser disposée en face du substrat à recouvrir. Un générateur amène dans l'enceinte grâce à un câble coaxial une énergie sous une fréquence bien déterminée que l'on prend- en général égale à 13,56 MHz car les éléments des circuits au niveau de la cible et de l'oscillateur sont alors plus faciles à définir. Un plasma s'établit dans l'enceinte, dans le champ électromagnétique au voisinage de la cible grâce à un gaz injecté sous un débit réglable avec précision au moyen d'une microvanne. Le générateur a en général une impédance de sortie de 50 ohms, cette impédance étant également celle du cabale coaxial utilisé pour amener la puissance sur la cible. On sait également que pour obtenir une pulvérisation industriellement utilisable, il est nécessaire qu'il y ait entre le générateur et la cible un couplage capacitif. Cette condition est évidement satisfaite lorsque le matériau constituant la cible est un diélectrique. Mais si l'on veut pulvériser un corps conducteur, on réalise cette condition en disposant une capacité en série entre la source et l'électrode. En raison de sa simplicité, cette solution est retenue dans tous les cas, que la cible soit conductrice ou non conductrice. On sait également que pour obtenir le rendement optimal, il est essentiel qu'un circuit d'adaptation d'impédance soit disposé entre le câble coaxial amenant l'énergie du générateur et la cible. Le générateur ayant une impédance de 50 ohms. l'ensemble : adaptateur, cible, plasma, doit à son tour être équivalent à une impédance de 50 ohms. Par ailleurs, les faces latérales et arrières de l'électrode supportant la cible sont entourées d'un blindage de protection mis à la masse. Les impédances propres de chacun des éléments du circuit de charge sont faciles à déterminer : au point de vue électrique, la cible munie de son blindage peut être représentée par une capacité C , Le plasma de son côté e présente en première approximation une impédance équivalente à une capacité C et à une résistance R. L'ensemble cible + plasma constitue donc une impé p dance formée d'une résistance R et d'une capacité C = C + C , montée en e p parallèle avec la résistance R. On associe alors un circuit d'adaptation d'impédance formant un L dont l'impédance Z ajoutée à l'impédance du circuit de charge défini précédemment est équivalente à une résistance de 50 ohms. De sorte que les adaptateurs d'impédance habituellement utilisés sont constitués d'une capacité C1 montée en parallèle à l'entrée du circuit de l'adaptateur et d'une self L montée en série. A cette dernière, il est nécessaire d'adjoindre une capacité C2 montée en série, ainsi que cela a été précisé précédemment. La valeur de cette capacité est choisie de façon à compenser partiellement l'action de la self L. Divers paramètres influencent la valeur à donner à C1 et à L ; plus particulièrement, on peut noter - la structure de l'enceinte i - le champ magnétique s - l'épaisseur de la cible sur son électrode, et, plus généralement, la géométrie de l'ensemble : cible, électrode et blindage de l'électrode. - la pression de gaz régnant dans l'enceinte. L'expérience ayant montré que chaque fois que l'on procède à des opérations de pulvérisation en laboratoires, on modifie involontairement l'un au moins de ces paramètres. En conséquence, il a été généralement admis jusqu'à présent par les usagers et les constructeurs qu'il y avait lieu de construire l'adaptateur d'impédance en lui donnant une self L d'une valeur fixe prédéterminée et en lui associant deux condensateurs variables C1 et C2. Pour éliminer les impondérables et assurer une certaine stabilité au procédé de pulvérisation, on a pris l'habitude de mettre en oeuvre des condensateurs variables sous vide ou à air pour constituer les capacités C1 et C2. Il en est résulté que l'adaptateur d'impédance occupe.dans l'appareillage un volume très important.L'adaptateur devant se trouver immédiatement à la sortie du câble coaxial, il peut se trouver placé dans l'axe de la chambre sous vide, obstruant en partie l'espace réservé en priorité à la canalisation de pompage sous vide. En outre, les condensateurs de ce type sont également assez onéreux et leur prix grève d'autant le prix de l'installation. Préoccupé par les inconvénients énumérés ci-dessus, l'inventeur s'est attaché à simplifier la structure de I'appareillage en vue de lui donner un caractère plus industriel. Une analyse des conditions de travail habituel lors des dépits par pulvérisation cathodique effectués à l'échelle industrielle et non plus dans des conditions de laboratoire, lui a permis de constater qu'il était possible de maintenir constants un certain nombre de paramètres énumérés ci-dessus sans nuire à la souplesse du fonctionnement de l'appareil. Plus particulièrement, il est apparu que es paramètres suivants pouvaient entre maintenus constants - structure de l'enceinte ; - le champ magnétique ; - l'épaisseur de la cible et la géomètrie de l'ensemble cible, électrode et blindage de l'électrode. Dans ces conditions, 1'Inventeur a remarqué que l'adaptation d'impédance faisait intervenir seulement deux variables : la pression et la valeur donnée au condensateur d'entrée C1 monté en parallèle à l'entrée du circuit d'adaptation d'impédance 5 il a également constaté que la valeur du condensateur C2 monté en série avec la self L pouvait être maintenu fixe. De sorte que l'objet de l'invention est un procédé d'adaptation de l'impédance comprise entre un générateur à fréquence radio, et un appareil de pulvérisation cathodique diode disposé dans une enceinte maintenue sous vide, comprenant à la sortie du circuit d'adaptation d'impédance, la cible et le substrat entre lesquels un plasma est formé grâce au champ électromagnétique variable établi en alimentant la cible avec ledit générateur et trace au gaz injecté dans l'enceinte avec un débit réglable par une microvanne, caractérisé en ce que l'on ajuste l'adaptation de l'impédance par le réglage de la pression d'admission du gaz injecté sans toucher à la valeur des éléments du circuit d'adaptation d'impédance. En effet, le condensateur C2 gardant une valeur fixe prédéterminée, pour une valseur de C1 il n'aura une adaptation correcte d'impédance pour chaque valeur de C1 que pour une valeur unique de la pression. De sorte que si l'on donne à C1 une valeur fixe, les conditions optimales seront obtenues pour une valeur unique de la pression. Dans la pratique, cette valeur de la pression s'obtient facilement en ajustant le débit du gaz injecté dans l'enceinte sous vide, de l'argon par exemple. L'objet de l'invention est donc également un circuit d'adaptation d'impédance pour dispositif de pulvérisation cathodique diode mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, présentant une forme très ramassée et un encombrement réduit, caractérisé en ce qu'il comprend exclusivement des éléments capacitifs ou selfiques de valeur fixe, prédéterminés en fonction des conditions normales de fonctionnement dudit dispositif, l'ajustage ds l'impédance étant obtenu par un réglage de la microvanne d'admission du gaz injecté. On a pu ainsi réaliser un système de pulvérisation diode en radiofréquence où la seule variable pour la recherche de l'accord est la pression du travail. L'adaptation est obtenue en agissant simplement sur la microvanne dtintroduc- tion du gaz. En plus des gains de volume ainsi réalisés permettant au constructeur de l'équipement de résoudre plus facilement- les problèmes de structure concernant notamment la position du conduit de pompage et du cotit minime du nouvel adaptateur d'impédance, le procédé selon l'invention permet d'obtenir le réglage des conditions de travail par l'action sur une seule variable : la pression. De sorte que les conditions de pulvXrisation deviennent désormais parfaitement reproductibles et les couches obtenues sont réellement interchangeables. Un exemple de réalisation à caractère nullement limitatif est donné ci-dessous en référence à la figure t correspondant à un schéma de principe de l'adaptateur d'impe dance. En se reportant à la figure 1, on voit que le problème d'adaptation d1impédance consiste à déterminer les valeurs X1 et X2 de telle façon que l'impédance totale du circuit d'utilisation vue de A B, soit égale à une résistance pure Ro. On connatt C capacité de 11 électrode, Rp et Cp la résistance et la e capacité du plasma pour une valeur donnée des divers paramètres de l'appareillage de pulvérisation (structure de l'enceinte, champ magnétique et géomètrie de l'ensemble cible-électrode-blindage, pression). il est donc possible de déterminer les valeurs de X1 et X2. On sait en outre que X, doit comprendre un élément capacitif C2 destiné à permettre l'utilisation de l'appareil méme lorsque la cible est conductrice. On sait que X1 doit etre une capacité pure et que X2 doit comprendre en série avec la capacité C2 un élément selfique -L. Les valeurs ainsi calculées ne correspondent en fait que de façon plus ou moins approchée aux valeurs à donner pour obtenir une adaptation parfaite. C'est pour cela que l'on utilisait jusqu'à présent des capacités variables sous vide ou à air. L'adaptation d'impédance se présente alors dans les dispositifs usuels connus, dans la plupart des cas, sous l'aspect d'un cube de 350 mm de c5té à insérer au plus près de la cibls. un tel dispositif représente un volume de l'ordre de 43 litres difficilement logeable sans perturber la disposition la plus commode du conduit reliant l'enceinte aux pompes à vide. Selon l'invention, on remplace les condensateurs variables par des condensateurs fixes céramique de l'ordre de 600 picofarads présentant chacun un diamètre de l'ordre de 2 centimètres et une longueur de 5 à 10 cm. La self L a été réalisée avec un-plat de cuivre de 10 mm de large, formé de 5 spires d'un diamètre de 10 cm, espacées de 3 à 4 millimètres. L'ensemble est très aisément logeable dans un cylindre d'un diamètre au plus égal à 200 millimètres et une hauteur inférieure à 200 millimètres, de sorte que l'encombrement de l'adaptateur d'impédance est inférieur à 6 litres, soit au moins 7 fois plus faible que celui de l'adaptateur classique. La mise en oeuvre de l'appareil de pulvérisation cathodique en est considérablement simplifiée : On met en service le groupe de pompage. L'enceinte est rapidement amenée à la pression nominale (inférieure à 10 Torr). L'appareil est mis sous tension , on ouvre la microvanne, le débit d'argon ramène progressivement la pression par exemple vers 5.10 3 Torr. Le plasma se déclenche, l'appareil est en service, le réglage est affiné au moyen de la microvanne. Un dispositif plus perfectionné doté d'une vanne à réglage automatique en fonction de la pression permet, après réglage de la pression à la valeur de déclenchement du plasma d'obtenir un fonctionnement normal parfaitement automatique de l'équipement. Le dispositif selon l'invention constitue donc bien un perfectionnement permettant de réaliser l'automatisation et par conséquent l'industrialisation effective des procédés de pulvérisation cathodique qui avaient conservé jus qu'à présent certaines caractéristiques de nature artisanale. REVENDICATIONS 1/ Adaptation de l'impédance comprise entre un générateur de tension à fréquence radio et un appareil de pulvérisation cathodique diode disposé dans une enceinte maintenue sous vide comprenant à la sortie du circuit d'adaptation d'impédance la cible et le substrat entre lesquels un plasma est formé grâce au champ électromagnétique variable établi en alimentant la cible avec ledit générateur et grâce au gaz injecté dans l'enceinte avec un débit réglable par une microvanne, caractérisé en ce que l'on ajuste l'adaptation de l'impédance par le réglage de la pression d'admission du gaz injecté sans toucher à la valeur des éléments du circuit d'adaptation d'impédance. 2/ Circuit d'adaptation d'impédance pour dispositif de pulvérisation cathodique diode mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, présentant une forme très ramassée et un encombrement réduit, caractérisé en ce qu'il comprend exclusivement des éléments capacitifs ou selfiques de valeur fixe, l'ajustage de l'impédance étant obtenu par un réglage de la position de la microvanne d'admission du gaz injecté.