Brevet FR2492163A1 — publié le 19820416

_ 1 _ Agencement de cathode pour pulvériser le matériau d'une cible dans une installation de pulvérisation cathodique La présente invention concerne un agencement de cathode pour pulvériser un matériau à partir d'une cible dans une installation de pulvérisation cathodique, cet agencement comportant des aimants disposés en forme de cadre du côté de la cible opposé à la surface à pulvériser. On connaît des agencements de ce type, par exemple d'après le brevet américain n0 4 166 018, suivant lequel pour obtenir une densité de plasma maximale devant la surface à pulvériser, l'agencement d'aimants était tel qu'une partie aussi importante que possible des lignes de force magnétiques traverse la plaque-cible et sorte de celle-ci du côté avant, puis y revienne. Chaque ligne de force for- mait donc un arc devant la surface à pulvériser, et l'agen- cement était en outre conçu de manière que l'ensemble des lignes de force en forme d'arcs forme un tunnel fermé en lui-même dans lequel était enfermé le plasma lors de la pulvérisation. La pulvérisation avait lieu surtout dans la région de la surface de la cible recouverte par ce tunnel. Ceci permettait d'augmenter nettement l'efficacité de la pulvérisation, mais il demeurait toujours encore l'inconvénient que la pulvérisation se faisait de façon non uniforme et que par conséquent les plaques-cibles devaient être remplacées avant d'avoir été consommées to- talement. Avec le prix élevé de nombreux matériaux de cible ceci représentait une perte assez importante. Pour obtenir une meilleure utilisation, on a déjà proposé de disposer derrière la plaque - cible plusieurs groupes différents d'aimants de manière que la composante du champ magnétique parallèle à la surface de cette plaque-cible soit maximale sur une partie aussi importante que possible de la surface de la cible; il s'est avéré que le taux de pulvérisation (dans l'efficacité d'extraction du matériau), -2- dépend principalement de cette composante parallèle du champ magnétique. D'après le brevet américain NO 4 180 450 il est connu de disposer d'autres aimants du côté arrière de la plaque- cible, en plus d'un premier aimant ou groupe d'aimants, de manière que leur direction d'aimantation, forme un angle compris entre 45 et 90 degrés par rapport à la di- rection d'aimantation des premiers aimants. De ce fait on pouvait obtenir une dénudation plus uniforme dans le cas de la plupart des matériaux de cible, mais il s'est avéré qu'avec cet agencement, ainsi qu'avec d'autres agencements connus, il n'était pratiquement pas possible de pulvériser des matériaux aimantables, par exemple du nickel ou même du fer. Ceci est rendu difficile du fait que la cible ai- mantable courtcircuite fortement les lignes de force magné- tiques et que le champ magnétique n'existe alors plus dans la région de décharge devant la cible, de sorte qu'on ne peut pas entretenir une décharge suffisamment forte dans cette région. Suivant l'état connu de la technique, l'épais- seur d'une cible en matériau magnétique est limitée à quel- ques dizaines de millimètres dans le meilleur des cas. Cette limitation est due à l'énergie magnétique disponi- ble dans la zone efficace. Pour la pulvérisation de maté- riaux ferromagnétiques celle-ci doit être suffisamment importante pour que la cible puisse être saturée magnéti- quement afin de laisser passer suffisamment de lignes de champ; les lignes de champ qui traversent doivent four- nir une composante de champ magnétique parallèle à la sur- face à pulvériser d'au moins 100 Gauss à une distance de quelques millimètres devant cette surface. Il est facile à concevoir et on a déjà proposé de résou- dre ce problème par une augmentation correspondante de la force des aimants. Suivant l'état actuel de la technique on ne dispose à cet effet que de matériaux magnétiques 2492lI63 -3- permanents constitués par des-alliages spéciaux coûteux. Par conséquent, des éléments constitués par de tels ma- tériaux sont coûteux, ne sont pas non plus faciles à usiner et, en raison des effets dynamiques extrêmement importants, sont difficiles à incorporer et à maintenir dans un système. Des dispositifs de pulvérisation connus utilisant un champ magnétique ne sont pas aptes à l'utilisation de cibles plus épaisses et ce, même dans le cas o les cibles ne sont pas constituées par un matériau magnétique. Dans ce cas également, l'épaisseur plus importante se traduit par une intensité de champ parallèle insuffisante du côté avant de la cible,en raison de quoi il est nécessaire d'utiliser des tensions d'amorçage et de combustion plus importantes pour obtenir des densités de plasma suffisam- ment importantes et par conséquent des taux de pulvérisa- tion élevés. On a cherché à résoudre de nouveau le pro- blème, en conservant la configuration géométrique de l'agencement d'aimants et la répartition du champ, en augmentant tout simplement de façon correspondante la force de tous les aimants de l'agencement, ce qui est possible en principe mais, comme on l'a déjà dit, repré- sente une dépense nettement plus importante. La présente invention se propose, dans un agencement pour la pulvérisation cathodique de matériaux, notamment éga- lement de matériaux ferromagnétiques, d'améliorer la ren- tabilité en permettant d'augmenter l'épaisseur de la cible et par conséquent la quantité disponible du matériau de la cible pouvant être pulvérisé durant une phase opératoire. Ceci est obtenu suivant l'invention grâce au fait que l'aimant en forme de cadre est constitué par un matériau magnétique permanent possédant une densité de flux d'énergie d'au moins 40 kJ/m, et l'autre aimant est constitué par un matériau de même type -4 - possédant une densité d'énergie de flux magnétique de moins de 40 kJm3 Comme on le verra d'après la description suivant d'un exem- ple de réalisation, l'invention permet d'obtenir une forte augmentation de la composante du champ magnétique parallèle à la surface de la cible qui est déterminante pour l'effi- cacité de la pulvérisation, tout en assurant une bonne uti- lisation de la cible, et, de façon surprenante, ceci n'est pas obtenu par une augmentation uniforme de la force de tous les aimants de l'agencement mais par une répartition correspondante de matériau magnétique de densité de flux. d'énergie différente. Du fait que la moitié ou plus des matériaux magnétiques nécessaires peut être faiblement énergétique et par conséquent est nettement meilleur mar- ché, on obtient simultanément une économie très importante également lors de la construction du nouvel agencement. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers donnés à titre d'exemple et représentés au dessin annexé sur lequel la figure 1 est un schéma d'un exemple de réalisation sim- ple, dans lequel on prévoit simplement un cadre extérieur en matériau magnétique fortement énergétique, et la direc- tion d'aimantation du matériau faiblement énergétique dis- posé à l'intérieur de ce cadre forme un angle de 90 degrés avec celle de l'aimant extérieur; la figure 2 représente un agencement similaire qui cepen- dant comporte en plus un autre aimant central en matériau fortement énergétique; la figure 3 est un diagramme permettant une comparaison de l'invention avec l'état connu de la technique; - 5 - la figure 4 est un schéma d'un autre exemple de réalisation de l'invention, dans lequel les directions des champs des matériaux fortement et faiblement énergétique forment entre elles un angle de 45 degrés; la figure 5 représente un agencement pour la pulvérisation à partir du côté extérieur d'un tube constitué par un matériau de cible la figure 6 représente un agencement pour la pulvérisation à partir du côté intérieur d'un tube constitué par un maté- riau de cible; et la figure 7 représente un mode de réalisation détaillé d'un dispositif appelé magnétron planaire comportant une plaque-cible plane refroidie. Sur les figures l et 2, la référence 1 désigne une plaque constituée par le matériau à pulvériser, par exemple une plaque de nickel de 6 mm d'épaisseur, une pulvérisation aussi uniforme que possible devant être obtenue d'un côté (le côté supérieur sur les figures) de cette plaque, dans une installation de pulvérisation cathodique. Dans ce but, de l'autre côté (le côté inférieur sur les figures) de la plaque l sont disposés deux aimants ou groupes d'aimants, à savoir un premier aimant ou groupe d'aimants 2, qui forme un cadre, dont la direction d'aimantation est perpendicu- laire à la surface à pulvériser, comme indiqué par des flèches et les noms des pôles N et S sur les figures; les directionsd'aimantation peuvent également être inversées. Le ou les aimants formant le cadre extérieur est (sont) constitué(s) par un matériau magnétique permanent possé- dant une densité de flux d'énergie rémanente d'au moins KJm3. De tels matériaux existent dans le commerce; par exemple, un alliage magnétique connu, constitué par des terres rares et du cobalt et pressé avec un liant synthétique, possède une densité de flux d'énergie 24r2163 r enanente de 50 kJm3, et le rn'me matériau magnétique sous fo-re massive, sans liant syntitue, possède même une densité de flux d'énergie rémanente de plus de 100 kJmn Le cadre 2 peut par exemple être annulaire, oval ou rec- tangulaire et il peut être constitué d'une seule pièce ou être assemblé à partir de plusieurs aimants individuels. A l'intérieur du cadre 2 est disposé le second aimant ou groupe d'aimants qui forme une plaque (fig.1) ou une bague (fig. 2) et qui est constitué par un matériau magnétique faiblement énergétique, dont la direction d'aimantation, comme indiqué par les flèches et les noms des pôles, forme un angle de 90 degrés avec la direction d'aimantation du cadre extérieur, le pôle (N) se trouvant sur le bord extérieur de l'aimant intérieur 3 et le pôle de l'aimant extérieur 2, formant le cadre, qui est tourné vers la cible étant identiques, c'est-à-dire deux pôles nord sur les figures. Les directions d'aimantation peuvent égale- ment être inversées, de manière que ce soit deux pôles sud. Grâce à cet agencement on obtient que le flux magnétique dans l'espace extérieur se ferme essentiellement dans la région du disque-cible; les fuites magnétiques restent donc faibles. Même lorsque la cible est constituée par un matériau aimantable, comme par exemple du nickel, et donc qu'une partie du flux magnétique est court-circuitée par celui-ci, la partie restante du flux magnétique, traver- sant la plaque-cible, devant la-surface de cible à pul- vériser forme un champ possédant une composante parallèle suffisamment importante. Les agencements représentés schématiquement sur les figu- res 1 et 2 peuvent être disposés dans une installation -7- classique de pulvérisation cathodique, une haute tension négative de quelques centaines de volts étant appliquée à la plaque-cible devant servir de cathode lors de la pulvérisation, et le côté positif de la source de tension étant relié de façon connue soit à une anode distincte se présentant, par exemple sous la forme d'un anneau ou d'une tige, soit de façon simple à la paroi de la cham- bre de pulvérisation. Sur la figure 2, au centre du disque-cible est encore prévu un autre aimant 6 fortement énergétique dont la direction d'aimantation est opposée à celle de l'aimant extérieur 1. Grâce à cet aimant supplémentaire fortement énergétique on obtient une augmentation supplémentaire du flux magnétique, de sorte que des cibles encore plus épaisses que celles utilisées avec l'agencement de la figure 1 peuvent être pulvérisées. Sur le diagramme de la figure 3, les ordonnées représen- tent l'induction magnétique parallèlement à la surface de la cible à une distance d'environ 16 mm du système d'aimants, en Gauss, en fonction de la distance, en centimètres du point de mesure par rapport à un axe passant par le centre de la plaque-cible. La courbe 7 se rapporte à un agencement connu du type décrit ci-dessus. Comme on le voit sur le diagramme, dans une zone située à une distance allant de 2 à 3 cm du milieu de la plaque on obtient une intensité de champ magnétique de 250 Gauss. Si dans cet agencement on utilise des aimants fortement énergétiques 2 à la place des aimants faiblement éner- gétiques courants jusqu'ici, on obtient alors une composante parallèle légèrement plus importante d'environ 300 Gauss. Par contre, avec un agencement suivant l'in- vention, réalisé en correspondance avec la figure 2, on obtient une intensité de champ parallèle nettement plus importante de 600 Gauss. L'agencement suivant la figure 2 permet par conséquent de pulvériser des cibles nette- - 8- ment plus importantes. D'autres recherches ont montré qu'en fonction du maté- riau et de l'épaisseur de la plaque-cible, il est avan- tageux d'utiliser une orientation mutuelle différant de degrés des directions magnétiques des aimants inté- rieurs faiblement énergétiques et des aimants extérieurs fortement énergétiques, pour obtenir encore une meilleure utilisation du matériau de la cible. La figure 4 représente schématiquement le cas d'une orien- tation de 45 degrés, les directions d'aimantation étant indiquées par des flèches. is L'invention n'est pas limitée à la pulvérisation de sur- faces de cible planes. Les figures 5 et 6 représentent- deux cas montrant comment une pulvérisation de surfaces cylindriques est possible. Sur ces deux figures, la réfé- rence 11 désigne une cible tubulaire dont le côté extérieur (fig. 5) ou respectivement intérieur (fig. 6) doit être pulvérisé. A cet effet, de l'autre côté de la cible qui ne doit pas être pulvérisé, donc à l'intérieur (fig.5) ou respectivement à l'extérieur (fig.6) du tube, sont dispo- sés annulairement des aimants faiblement énergétiques 12 et des aimants fortement énergétiques 13 aimantés radia- lement, les directions d'aimantation des deux systèmes magnétiques formant entre elles un angle compris entre degrés et 90 degrés; les figures 5 et 6 représentent le cas d'un angle de 90 degrés. Par ailleurs, un agen- cement de cathode cylindrique possédant une telle constitution peut être utilisé dans une installation de pulvérisation d'une manière analogue à celle décrite ci- dessus dans le cas d'une plaque-cible plane/ La figure 7 représente de nouveau un agencement avec une plaque-cible plane. La référence 20 désigne un disposi- tif de maintien pour un agencement d'aimants similaire - 9 - à celui de la figure 2 qui est constitué par des aimants extérieurs fortement énergétiques 21 et des aimants inté- rieurs faiblement énergétiques 22. Les aimants sont recou- verts par une plaque de refroidissement 23 qui, de son côté, porte la plaque-cible 24. Pour refroidir cette der- nière la plaque 23 comporte des canaux 25 par lesquels un agent de refroidissement peut être introduit lors du fonc- tionnement. Sur sa périphérie, la plaque-cible est entou- rée par une bague 27 qui, conjointement avec la plaque 23, est vissée sur la monture 20. Pour le fonctionnement, on prévoit une alimentation en tension non représentée pour la plaque-cible 24. La monture 20 est entourée par l'enceinte dont l'ouverture 29-ne laisse libre que le côté avant de la surface de la cible pour la pulvérisation. La distance entre les parois intérieuresde l'enceinte 28 et de côté extérieur de la monture 20 doit, de façon connue, être plus faible que le libre parcours moyen entre les électrodes à la pression de décharge. - 10 - REVENDICATIONS 1. Agencement de cathode pour pulvériser le matériau d'une cible dans une installation de pulvérisation cathodique, comportant au moins un aimant en forme de cadre du côté -de la cible opposé à la surface à pulvériser et un autre aimant se trouvant à l'intérieur de l'aimant en forme de cadre et dont la direction d'aimantation forme un an- gle compris entre 45 degrés et 90 degrés avec la direction d'aimantation de l'aimant en forme de cadre, caractérisé en ce que l'aimant en forme de tadre (2,13,21) est cons- titué par un matériau magnétique permanent possédant une densité de flux d'énergie d'au moins 40 kjI3, et l'autre aimant (3,12,22) est constitué par un matériau de même type possédant une densité d'énergie de flux magnétique de moins de 40 k*3. 2. Agencement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les différences entre les densités de flux d'éner- gie des deux matériaux magnétiques est égale à au moins kJm3. 3. Agencement suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'intérieur de l'aimant en forme de cadre (2,21) est disposé, en plus de l'aimant (3,22) en matériau faiblement énergétique, un autre aimant (6,21) situé cen- tralement et possédant une densité de flux d'énergie de plus de 40 kJ /3. 4. Agencement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la direction d'aimantation de l'aimant en matériau fortement énergétique forme un angle de 90 degrés avec la direction d'aimantation de l'aimant en matériau fai- blement énergétique. 5. Agencement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'agencement d'aimants et la cible (1,11,24) peuvent se déplacer l'un par rapport à l'autre.