Brevet FR2435810A1 — publié le 19800404

L'invention est relative aux dispositifs pour pulvériser une substance à partir d'une cible contenue dans une enceinte à l'aide d'ions provenant d'un~plasma, lui-meme engendré dans un gaz raréfié contenu dans cette enceinte par une décharge d'électrons entre une cathode et une anode également disposées dans ladite enceinte, en vue notamment dé déposer une couchemince de ladite substance sur un substrat contenu lui aussi dans l'enceinte en question. On rappelle que, dans ces dispositifs de type "triode", 1 'ano- de est généralement portée à un potentiel positif de l'ordre de 100 à 200 V par rapport au filament cathodique émetteur d'électrons, généralement mis à la masse et que le potentiel du plasma prend alors une valeur intermédiaire, de l'ordre de 50 à 100 V. Or si l'on appelle U la différence de potentiel entre un élément métallique et un ion qui le frappe; le seuil U0 de ce paramètre au-delà duquel ce choc se traduit par l'arrachement d'au moins un atome dudit élément, c'est-à-dire par la pulvérisation de celuici, est de l'ordre de 15 à20 V seulement. I1 en résulte que les ions du plasma ci-dessus ont tendance à pulvériser les différentes pièces métalliques, mises à la masse, qui l'entourent L'invention a pour but, surtout, d'améliorer la pureté du plasma et donc celle de la substance pulvérisée en réduisant le pourcentage, dans ceux-ci, des impuretés provenant des éléments qui entourent le plasma. On rappelle que, dans ce même but d'amélioration de pureté, il a déjà éte proposé d'entourer le plasma par un manchon s'étendant entre la cathode et l'anode à l'intérieur de l'enceinte, ce manchon étant constitué en un matériau non polluant, par exemple en silice ou en alumine, porté de préférence au même potentiel que le plasma (potentiel "flottant"). C'est à des dispositifs perfectionnés de ce genre que l'invention se rapporte plus particulièrement, dans le but de réduire la proportion, dans le plasma, des impuretés en provenance des électrodes (cathode et anode) entre lesquelles est en-gendrée la décharge cathodique. On fait observer qu'en effet, dans les dispositifs considérés, les ions négatifs du plasma sont-fortement attirés par l'anode ils bombardent donc celle-ci en la pulvérisant en partie. 0e -même- les ions positifs du plasma - en général majoritairesbombardent le filament cathodique et les parois qui l'entourent en les pulvérisait en partie. Ces pulvérisations se traduisent par des pollutions du plasma : l'importance de ces pollutions n'est pas négligeable puisque l'on observe couramment dans les couches minces déposées à l'aide des dispositifs considérés des pourcentages d'impuretés (acier inoxydable, tungstène dépassant 1 % en poids. Pour atteindre le résultat indiqué, selon l'invention, on agence les dispositifs du genre en question de façon telle que leurs électrodes soient cachées vis-à-vis de toute "vue directe" à partir de l'intérieur du manchon. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - la cathode est séparée du volume intérieur du manchon par un écran ajouré en matériau non polluant, - l'écran selon l'alinéa précédent est essentiellement constitué par un diaphragme percé en son centre, notamment en forme de tronc de cône ou de pyramide convergeant vers la cathode, - dans la paroi selon l'alinéa précédent, la petite base, évidée, du tronc de cône ou de pyramide présente une section de l'ordre de 2 quelques cm - l'écran ci-dessus est essentiellement constitué par une pluralité de parois en chicane, - le filament cathodique est disposé dans un puits dont l'axe est décalé angulairement, de préférence de 90 degrés, par rapport à l'axe du manchqn, puits de préférence constitué ou au moins revêtu intérieurement d'un matériau non polluant, - l'anode est constituée par une boucle fermée coaxiale au manchon et entourant une extrémité de ce manchon, - la boucle selon l'alinéa précédent est constituée par un tube métallique parcouru par une circulation d'eau de refroidissement, - un écran en matériau non polluant est disposé autour du support de la cible, et un autre tel écran est disposé autour du support du substrat s'il en est prévu un, - le matériau non polluant est un matériau réfractaire isolant fa cile à obtenir avec une grande pureté, tel que la silice ou l'alumine, - le matériau non polluant est celui constitutif de la cible. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit l'on va décrire un mode de réalisation pré eéré de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. La figure unique, de ce dessin, montre schématiquement en coupe axiale verticale un dispositif de dépôt établi selon l'invention. D'une façon connue en soi, on fait comprendre au dispositif considéré . - une enceinte à vide 1 équipée de moyens de pompage appropriés tenon représentés), et contenant un gaz raréfié susceptible de donner naissance à un plasma P par décharge d'électrons en son sein, - un support supérieur 2 pour un substrat 3, -lequel présente au dépôt une surface plane horizontale tournée vers le bas, ledit support étant équipé de moyens de chauffage et de polarisation électrique généralement négative, - un support inférieur 4 pour une cible 5, laque-lle présente audessous du substrat une surface plane horizontale tournée vers le haut, ce support étant équipé de moyens de refroidissement et de polarisation électrique généralement positive, - et un manchon 6 s'étendant horizontalement entre un filament cathodique 7 et une anode 8. Le manchon 6, constitué en un matériau réfractaire électriquement isolant et non polluant; de préférence en silice ou en alumine, est mis à un potentiel flottant de façon à être porté automatiquement, lors du fonctionnement du dispositif, au potentiel électrique du plasma, ce qui empeche la pulvérisation dudit manchon par ledit plasma. Le manchon 6 est évidé supérieurement par une fenêtre 9 disposée- juste au-dessous du substrat 3 et inférieurement par une fe nêtre 10 traversée par la cible 5 et son support 4. Des bobines magnétiques 11 de confinement concentrent le plas ma dans la zone axiale centrale du manchon. Des moyens de réglage schématisés par la flèche 23 permettent de disposer la surface de la cible 5 au ras de cette zone. Pour ce qui est de la cathode et~de -l-'anode, conformément à l'invention, on les cache à toute vue directe à partir de l'intérieur du manchon 6 de façon à empêcher essentiellement leur bombardement direct par les ions du plasma. Plus précisément la cathode est ici constituée par un filamen en tungstène disposé dans un puits verticale2 en silice ou matériau analogue, lui-même entouré par une chemise 13 refroidie par circu lation d'eau. Ce puits 12 est raccordé par un coude à angle droit 14 également en silice ou analogue à l'entrée du manchon 6, c'est-à-dire à son extrémité située à gauche sur la figure 1. Cette entrée du manchon est délimitée par un diaphragme 15 percé en son centre et constitué aussi en silice ou matériau analogue. Ce diaphragme pourrait être plan, mais on lui donne de préférence la forme d'un tronc de cône ou de pyramide convergeant vers la cathode et constitué d'un seul bloc avec le manchon, qu'il prolonge à l'intérieur du bras horizontal du coude 14, un espace annulaire 16 étant réservé entre ces deux pièces pour permettre le pompage du canon à électrons. L'ouverture centrale 17 du diaphragme 15 est relativement petite, étant par exemple délimitée par un cercle de 2 ou 3 cm de diamètre si la section transversale verticale intérieure du manchon est de l'ordre de 150 cm . La liaison entre le manchon 6 et le bras- h-orizontal du coude 14 ppurrait être assurée à l'aide d'autres masques ajourés que les diaphragmes ci-dessus, par exemple à l'aide d'une pluralité de plaquettes, notamment planes et parallèles entre elles, montées en chicane de façon à obliger les électrons émis par la cathode à suivre un parcours non rectiligne pour parvenir à l'intérieur du manchon 6, ce qui empêche tout bombardement direct de cette cathode par des ions à trajectoire rectiligne ou peu incurvée à partir du plasma confiné dans ce manchon. L'anode 8, quant à elle, est constituée par une boucle fermée entourant l'extrémité du manchon 6 la plus éloignée de la cathode, c'est-à-dire son extrémité de droite sur la figure 1 : elle demeure ainsi accessible des électrons qui contournent ladite extrémité, mais non des ions du plasma à trajectoires rectilignes. Ladite boucle est avantageusement formée par un tube métallique, notamment en acier inoxydable, dans lequel circule de l'eau de refroidissement. On v-oit encore sur le des-sin plusieurs écrans en matériau non polluant, savoir - en 18 une plaque transversale occultant axialement l'extrémité de droite du manchon 6, - en 19 un obturateur plan calé sur un arbre pivotant 20 d'axe vertical, propre à isoler le substrat 3, par exemple lors des réglages ou encore au début d'un traitement pour permettre une pulvérisation préalable, sans dépôt sur lui, de la couche superficielle de la cible, - en 21 un-écran suppresseur cylindrique entourant la cible 5 et son support 4, écran pénétrant dans la fenêtre 10 et s'étendant sensiblement juqu'à la surface utile de la cible 5, - en 22 u-n écran suppresseur entourant le substrat .3 et son support 2, - et des moyens schématisés par les flèches 23 et 24 pour régler en position verticale respectivement la cible 5 et le substrat 3. Le matériau non polluant constitutif des différents élements 6, 12 14, 15, 18, 19, 21 et 22 ci-dessus peut être un matériau isolant réfractaire facile à obtenir avec une grande pureté, tel que la silice ou l'alumine, les éléments en question étant alors portés automatiquement au potentiel flottant des ions du plasma qui viennent en contact a-vec eux. Mais- ce matériau pourrait également, au moins dans les zones les plus bombardées desdits éléments (diaphragme 15, plaque 18, portion du coude 14 disposée axialement en regard du trou 173 être constitué par un matériau identique à celui constitutif de la cible, cas dans-lequel les éléments correspondants peuvent bien entendu être isolés de la masse ou reliés à celle-ci. Lors du fonctio-nnement du dispositif ainsi décrit - lequel fonctionnement est en lui-meme bien connu - un faisceau d'électrons est émis selon le trajet fléché f, à travers l'orifice 17, depuis le filament 7, vers l'anode 8, à travers le gaz raréfié confiné à l'intérieur du manchon 6. L'impact de ces électrons sur ledit gaz transforme ce dernier en le plasma P. Certains des ions -de ce plasma sont projetés sur la cible 5 (trajet fléché g) et arrachent de celle-ci des atomes ou ions qui sont à leur tour projetés sur le substrat 3 (trajet fléché h. Les ions dudit plasma ne peuvent frapper directement l'anode 8 puisque cette dernière est cachée. Par ailleurs, la plus grande partie des ions du plasma attirés par ia cathode sont arrêtés par les parois constituant le diaphragme 15 et le coude 14 : seule une très petite fraction de ces ions traverse l'orifice 17 en direction de la cathode et, du fait de la forme même du diaphragme, ces ions ou plus précisément ceux qui ont pu être arrachés de la cathode par l'impact desdits ions sur celle-ci, demeurant ensuite piégés dans le volume, du coude 14, disposé du côté, du diaphragme, opposé au manchon. L'expérience montre que ces mesures de protection vis-à-vis des électrodes permettent d'obtenir sur le substrat 3 un dépot pratiquement exempt d'impuretés en provenance de ces dernières, la proportion de ces impuretés n'étant plus que de l'ordre de quelques cent aines de p.p.m. A titre purement illustratif et bien entendu aucunement limitatif de l'invention, on donne ci-après deux exemples de substances susceptibles de convenir pour constituer respectivement la cible et le plasma a) la cible constituée d'une plaque d'or de haute pureté pulvérises en plasma d'argon permet de déposer sur le substrat 3 des couches de pureté comparable, ce qui est confirmé par les analyses physiques et électrochimiques effectuées: b) on peut également prévoir plusieurs cibles escamotables et pulvériser successivement un semi-conducteur de type p et un de type n réalisant in situ des jonctions p-n ou n-p. : si la première cible est constituée de silicium de type n dopé au phosphore, la seconde cible constituée de silicium de type p dopé au bore, le plasma étant produit avec un mélange d'argon additionné de 10 % d'hydrogène, on obtient sur lesubstrat une couche semiconductrice amorphe de silicium hydrogéné dopé (p ou n) de type identique à celui de la cible utilisée; on réalise une jonction en ùtilisant successivement les deux cibles; ces résultats sont impossibles à obtenir avec les systèmes de puivérisation connus vu leur taux de pollution élevé . toute impureté étrangère à la cible modifie le dopage initial et conduit à des couches dont les propriétés électriques sont très différentes de celles de la cible utilisée. En suite de quoi, et quel que soi-t le mode de réalisation adopté, on obtient finalement un dispositif permettant de déposer des couches minces particulièrement pures par pulvérisation cathodique. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce -qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. En particulier, les dispositifs ci-dessus, qui permettent de pulvériser une cible dans des conditions remarquables d'absence de pollution, pourraient être utilisés indépendamment de tout dépot de couche mince, et en particulier à des fins de préparation de surfaces en vue notamment d'études physiques ultérisures de cellesci : en effet le bombardement ionique de la surface de la cible 5 exposée au plasma, réparti de façon régulière sur toute cette surface, confère à celle-ci une surface polie exempte d'impuretés et son état peut être réglé très facilement en agissant sur la polarisation de ladite cible, la tension de cette polarisation pouvant être très faible et par exemple aussi petite que 20 V, ce qui réduit notablement les défauts superficiels induits par des attaques à énergie élevée. Oe même le dispositif de pulvérisation décrit ci-dessus est utilisable avec tous les types de plasmas, qu'ils soient engendrés avec de-s gaz neutres t-A, Kr, Xe, etc.) ou réactifs(O2,N2, NH3, SH2, Hz, C02. CH4 > Hg, etc.). Enfin il peut fonctionner aussi bien selon le mode "triode continu" (cible polarisée en tension continue négative) que sous le mode "triode radiofréquence" (cible polarisée en tension alternative à fréquence élevée, par exemple à 13,5 MHZJ. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour pulvériser une substance à partir d'une cible contenue dans une enceinte - l'aida d'ions provenant d'un plasma, lui-même engendré dans un gaz- raréfié contenu dans cette enceinte par une décharge d'électrons entre une cathode et une anode également disposées dans ladite enceinte, comprenant en outre, encore à l'intérieur de ladite enceinte, un manchon en matériau non polluant qui s'étend entre la cathode et l'anode, caractérisé en ce qu'il est agencé de façon telle que la cathode t7) et l'anode t83 soient cachées vis-à-vis de toute vue directe à partir de l'intérieur du manchon (6). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode (7) est séparée du volume intérieur du manchon (6) par un écran ajouré en matériau non polluant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écran est essentiellement constitué par un diaphragme 115) percé en son centre, notamment en forme de tronc de cène ou de pyrapide convergeant vers la cathode. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la petite base (171, évidée, du tronc de cône bu de pyramide 2 présente une section de l'ordre de quelques cm 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écran-est essentiellement constitué par une pluralité de parois en chicane. 6. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendictions, caractérisé en ce que la cathode t7) est disposée dans un puits (12) dont l'axe est décalé angulairement, de préférence de- 90 degrés, par rapport à l'axe du manchon. puits de préférence constitué ou au moins revêtu intérieurement d'un matériau non pol- luant 7. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'anode (8) est constituée par une boucle fermée coaxiale au manchon et entourant une extrémité du mancyon. 8; Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la boucle est constituée par un tube métallique parcouru par une circulation d'eau de refroidissement. 9. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'un écran (21) en matériau non polluant est disposé autour du support (4) de la cibla. 10. Dispositif selon l'une quelconque des pr-écédentes revendications, caractérisé. en ce que le matériau non polluant est un matériau réfractaire isolant facile à obtenir avec une grande pu resté, tel. que la silice ou l'alumine. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le matériau non polluant est celui constitutif de la cibla.