Brevet FR2502185A1 — publié le 19820924

i La présente invention se rapporte à un dispositif de dépôt d'une couche mince, permettant de réguler le profil de la pression du gaz réactionnel pour l'amener à une condition souhaitée. Pour déposer des couches minces commes des pellicules conductrices, des pellicules isolantes et analogues, lors de la fabrication de diverses pièces de dispositifs électroniques, on a adopté des dispositifs de dépôt de couche mince. Parmi ceux-ci, des dispositifs de pulvérisation ont récemment été largement utilisés afin d'améliorer l'aptitude à l'adhérence, la dimension du grain, l'aplatissement des pellicules couvrant l'irrégularité de surface d'un substrat. Lors du dépôt de couches minces en utilisant de tels dispositifs de pulvérisation, le profil de la pression du gaz réactif introduit dans un récipient réactionnel affecte fortement la qualité de la couche déposée. Le profil de la pression du gaz devient meilleur quand le gaz réactif est introduit dans le récipient réactionnel de façon que la vitesse de diffusion le long de l'écoulement du gaz réactif soit égale ou plus rapide que la vitesse de diffusion dans la direction horizontale de l'écoulement du gaz. La figure 1 montre un schéma illustrant un dispositif conventionnel de pulvérisation o le repère 1 désigne un récipient réactionnel et le repère 2 désigne une entrée de gaz réactif. Le repère 3 indique une sortie de gaz réactif qui est placée suffisamment loin de l'entrée 2. Le gaz réactif est introduit dans le récipient réactionnel 1 par l'entrée 2 comme le montrent les flèches. Le gaz réactif introduit se dilate et se diffuse tandis qu'il avance,donc la pression du gaz au point A est considérée comme étant supérieure à celle au point B. En conséquence, la relation entre la vitesse de diffusion longitudinale Vx et la vitesse de diffusion horizontale Vy est considérée comme étant exprimée par Vx >y Vy. En considérant cependant que la vitesse du mouvement thermique v du gaz réactif (--/kT/m) (T= tempé- rature, m=poids moléculaire et k=constante) et la vitesse de diffusion horizontale Vy sont sensiblement les mêmes, il est difficile de répondre à la relation ci-dessus Vx >, Vy. Le gaz réactif se diffuse également dans les directions indiquées par les flèches en pointillé, avec pour résultat une dilatation en configuration semi- nodulaire autour de l'entrée 2 de gaz réactif et le profil de la pression de gaz que l'on souhaite peut diffi- cilement être obtenu. Afin de répondre à la relation Vx > Vy, un procédé est proposé pour augmenter la quantité de gaz à introduire, donner à tout le corps du récipient réactionnel la forme d'une tubulure et évacuer suffisamment le gaz réactif en utilisant une pompe à vide de forte capacité afin de redresser l'écoulement de gaz dans la direction longitudinale (direction x) comme on peut le voir sur la figure 2 A et d'augmenter la vitesee du gaz Vx tandis que l'on se rapproche de la sortie 3. Cependant, pour réaliser cette proposition, non seulement il faut un dispositif de décharge puissant mais de plus la quantité du gaz réactif à utiliser augmente. Par conséquent, il reste des problèmes parce que le prix augmente et qu'il est difficile de bien réguler le gaz réactif et donc il est difficile d'obtenir un profil souhaité de la pression du gaz. Une telle impossibilité d'obtenir un profil souhaité de la pression du gaz provoque une dispersion du matériau de pulvérisation ainsi qu'une diminution de l'énergie cinétique du fait de la réduction du trajet libre moyen, et une insuffisance d'allure ou de taux de pulvéri- sation ou une croissance anormale de la couche du fait d'une réadhérence du matériau de pulvérisation qui se disperse sur la cible. En particulier, quand il faut obtenir une couche mince de bonne cristallisation, c'est-à-dire quand on obtient une couche mince répondant de façon simultanée à l'orientation sur l'axe c etàla composition chimique théorique de la couche, on ne peut que choisir le point moyen de chacune des conditions ci-dessus comme la meilleure condition pour répondre à toutes, parce que ces conditions ont des dépendances opposées sur le profil de la pression du gaz, respectivement. Ces problèmes sont évidents dans le cas du dépôt d'une couche d'un matériau conjugué comme des oxydes et des nitrures. Une solution est recherchée depuis longtemps dans de telles circonstances. La présente invention a par conséquent pour objet de résoudre les problèmes ci-dessus. A cette fin, la présente invention procure un dispositif de dépôt de couche mince, ayant une tubulure d'accélération prévue dans une position souhaitée dans un récipient réactionnel pour introduire le gaz réactif dans le récipient réactionnel par la tubulure afin que la vitesse de diffusion longitudinale du gaz réactif soit maintenue identique ou supérieure à la vitesse de diffusion verticale. Selon l'invention, on prévoit un dispositif de dépôt de couche mince qui comprend un récipient réactionnel; des substrats supportés dans le récipient réaction- nel; une tubulure d'accélération de gaz prévue dans le récipient réactionnel: un moyen d'alimentation en gaz pour amener un gaz réactif dans le récipient réactionnel par la tubulure; et un moyen de dépôt de couche mince pour déposer une couche mince sur le substrat. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - les figures 1, 2A et 2B montrent des schémas d'un dispositif conventionnel; - les figures 3A et 3B montrent respectivement des vues en coupe et de dessus illustrant un mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 montre une vue en coupe de la tubu- lure; - les figures 5 et 6 montrent des vues en coupe illustrant d'autres modes de réalisation de l'invention; - les figures 7A et 73 montrent respectivement des vues en coupe et de dessus illustrant un autre mode de réalisation de l'invention; et - les figures 8 à 11 montrent des vues en coupe illustrant d'autres modes de réalisation de l'invention. La présente invention sera maintenant décrite en détail en se référant aux modes de réalisation préférés illustrés sur les dessins. Les figures 3A et 3B montrent respectivement des vues en coupeeVdtdessus d'un mode de réalisation du disposi- tif de dépôt d'une couche mince selon la présente invention, o les mêmes repères que ceux de la figure 1 désignent les mêmes pièces. Le repère 4 désigne un porte-substrat, le repère 5 un substrat placé sur le portesubstrat 4 pour recevoir une couche mince, le repère 6 une cible, le repère 7 une tubulure d'accélération de gaz, le repère 8 un tube d'alimentation en gaz, le repère 9 une vanne d'ajustement de la quantité de gaz, le repère 10 un joint torique et le repère 11 une source de puissance de pulvé- risation. La tubulure 7 d'accélération de gaz prévue dans le récipient réactionnel 1 permet à l'énergie du mouvement thermique de chaque molécule du gaz réactif d'être convertie en énergie cinétique le long de l'axe de la tubulure (direction longitudinale x) quand le gaz réactif est introduit dans le récipient réactionnel 1 par la tubulure 7 d'accélération de gaz comme on peut le voir sur la figure 4, afin que la vitesse de diffusion longitudinale du gaz réactif soit maintenue aussi rapide ou plus rapide que la vitesse de diffusion horizontale. En effet, selon la conception du pourtour de la paroi latérale 7A de la tubulure 7, l'écoulement du gaz réactif peut être accéléré sensiblement jusqu'à la même vitesse que la vitesse du mouvement thermique de la molécule du gaz tandis que l'énergie du mouvement thermique est efficacement convertie en énergie cinétique le long de l'axe de la tubulure. Plus particulièrement, chaque molécule de gaz ayant sa propre énergie de mouvement thermique est accélérée tandis que sa direction d'écoulement le long de la paroi latérale 7A est changée de force pour la direction axiale de la tubulure par la pente de la paroi 7A comme on peut le voir sur la figure 4. Par conséquent, la vitesse de diffusion verticale Vy de l'écoulement accéléré de gaz est rendue plus lente pour maintenir la relation Vx >/ Vy, donc on peut obtenir un profil de pression de gaz souhaité et un écoulement mince de gaz est formé sur la surface de la cible 6. Du fait de cette relation, les atomes et les molécules se libérant de la cible 6 se couplent efficacement les uns aux autres pour former une couche mince de bonne qualité sur le substrat 5. Essai 1: par un procédé de pulvérisation réactive utilisant du zinc comme matériau pour la cible 6 et de l'oxygène comme gaz réactif et en introduisant le gaz dans le récipient réactionnel 1 par la tubulure d'accélération de gaz 7, une couche mince souhaitée a été déposée sur le substrat 5. Essai 2: par un procédé de pulvérisation réactive utilisant de l'aluminium comme matériau de la cible 6 et de l'azote ou de l'ammoniac dilué par l'azote comme gaz réactif, on a déposé une couche mince souhaitée sur le substrat 5. Essai 3: en formant la cible 6 en un métal tel que de l'acier inoxydable, du zinc et autres, en prévoyant des pores 12 dans la cible 6 comme le montre la figure 5 et en prenant le procédé de dépôt de plasma CVD (dépôt de vapeur chimique) en laissant de l'alkylzinc dilué par le gaz porteur d'hydrogène et autres, fuir par les pores 12, une couche CVD souhaitée a été déposée sur le substrat 5. Essai 4: en formant la cible 6 en un métal comme de l'acier inoxydable, de l'aluminium et autres, et en prenant le procédé de CVD au plasma en permettant à de l'alkylaluminium dilué par le gaz porteur tel que de l'hydrogène et autres, de fuir par les pores 12, on a déposé une couche mince CVD souhaitée sur le substrat 5. La tubulure d'accélération de gaz 7 peut être pourvue d'un dispositif de placage d'ions comprenant un moyen conventionnellement connu de placage d'ions 13 comme on peut le voir sur la figure 6 pour déposer une couche mince souhaitée. Les figures 7A et 7B montrent des vues en coupe et de dessus illustrant un dispositif de pulvérisation selon l'invention, o les mêmes pièces que sur la figure 3 sont désignées par les mêmes repères. La cible 6' a une configuration cylindrique autour de laquelle sont placés les substrats 5. Le gaz réactif est introduit de la direction adjacente à une extrémité de la cible 6' le long du pourtour, vers son autre extrémité. La tubulure 7 d'accélération de gaz prévue dans le récipient réactionneli permet à la vitesse du mouvement thermique de chaque molécule du gaz réactif d'être convertie en vitesse cinétique de la direction axiale (direction longitudinale) de la tubulure 7 quand le gaz réactif est introduit dans le récipient réactionnel 1 par la tubulure 7 d'accélération de gaz comme on peut le voir sur la figure 4, avec pour résultat que la vitesse de diffusion longitudinale 'lx du gaz réactif est rendue plus rapide que la vitesse de diffusion horizontale Vy. Par conséquent, selon la conception du pourtour de la paroi la-térale74A de la tubulure d'accélération 7 de la figure 4, l'écoulement du gaz réactif peut être accéléré sensiblement à la même vitesse que la vitesse du mouvement thermique de la molécule de gaz tandis que la vitesse est efficacement convertie en vitesse cinétique le long de la direction axiale de la tubulure d'accélération de gaz 7. Par conséquent, la relation Vx '> Vy peut facilement être réalisée. Cela permet la formation d'un écoulement mince de gaz, suffisamment accéléré et ayant les dernières composantes de diffusion horizontale par rapport à l'écoulement de gaz, sur la cible 6' et la formation de deux écoulements de gaz avec des pressions différentes du gaz, l'un à une pression supérieure sur la cible 6' et l'autre à une pression inférieure sur le substrat 5, respectivement. Par ailleurs, quand la tubulure 7 d'accélé- ration de gaz est placée axialement par rapport à la cible 6', une réadhérence du matériau de pulvérisation sur la cible 6' peut être réduite et l'on peut réaliser une accélération plus efficace de l'écoulement de gaz. En conséquence, il est possible de former un écoulement mince de gaz à haute pression, sur la surface de la cible avec pour résultat une réduction de la disper- sion du matériau pulvérisé et une amélioration de l'allure de pulvérisation. Par ailleurs, une couche mince de bonne cristalli- sation peut être déposée en maintenant la composition chimique théorique du matériau à pulvériser. La figure 8 montre un autre mode de réalisation selon l'invention o un capuchon conique 14 est prévu à une extrémité de la cible adjacente à la tubulure 7 d'accélération de gaz pour améliorer l'écoulement de gaz le long de la surface de la cible. De même, en meulant la partie extrême de la cible, un effet semblable peut être atteint. La figure 9 montre un autre mode de réalisation de l'invention o la sortie proche de l'autre extrémité de la tubulure d'accélération 7 est pourvue d'une première ouverture d'évacuation sous vide 3A et d'une seconde ouverture d'évacuation sous vide 3B entourant le premier tube 3A. Les repères 12A et 12B désignent des vacuomètres pour mesurer le degré de vide formé dans les première et seconde ouverturesd'évacuation sous vide 3A et 3B, respectivement. L'écoulement du gaz peut être encore amélioré en utilisant simultanément ces deux ouvertures indépendantes. Quand les ouvertures d'évacuation sont connectées à une pompe à vide faible et poussé respective- ment, la turbulence de l'écoulement de gaz est contrôlée, et la formation d'un écoulement mince de gaz de haute pression en particulier à proximité de la surface de la cible peut être réalisée plus efficacement. La figure 10 montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel l'entrée de gaz réactif 2 ou la sortie 3 du récipient réactionnel 1, dans le cas présent la sortie 3 de gaz, a une configuration en entonnoir. Cet agencement permet la réduction de la turbulence de l'écoulement de gaz comme dans le mode de réalisation de la figure 9. Par ailleurs, un générateur de champ magnétique comme un ensemble à aimant 15 peut être prévu à proximité de la cible, comme le montre la figure 11. Quand la ligne de force magnétique produite par l'ensemble 15 agit sur la substance de pulvérisation (particule), cela augmente non seulement l'efficacité de pulvérisation mais cela concentre également l'écoulement du plasma à proximité de la cible, ce qui permet de réduire une dégradation du substrat due à l'écoulement du plasma. Ainsi, il est possible d'augmenter encore l'allure de pulvérisation et de réaliser une régularité de l'épaisseur de la couche en améliorant la qualité de celle-ci. Comme cela est apparent à la lecture de la description qui précède, selon l'invention, o une tubulure d'accélération de gaz est prévue dans un récipient réactionnel pour introduire un gaz réactif dans le récipient par la tubulure d'accélération de gaz afin que la vitesse de diffusion longitudinale (le long de l'écou- lement de gaz)soit maintenue aussi rapide ou plus rapide que la vitesse de diffusion horizontale, il est possible d'obtenir un profil souhaité de pression de gaz. Par conséquent, la dispersion et la réadhérence des substances de pulvérisation sont réduites, ce qui permet d'améliorer l'allure de pulvérisation et d'empêcher une croissance anormale de la couche. Par ailleurs, la meilleure condition de l'orientation suivant l'axe c peut être réalisée en maintenant également la composition chimique théorique de la couche. La présente invention est particulièrement efficace pour le dépôt d'une couche d'un matériau conjugué. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Dispositif de dépôt d'une couche mince, caractérisé en ce qu'il comprend: un récipient réactionnel (1); des substrats (5) supportés dans ledit récipient réactionnel; une tubulure d'accélération de gaz (7) prévue dans ledit récipient réactionnel, un moyen d'alimentation en gaz (8) pour amener un gaz réactif dans ledit récipient réactionnel par ladite tubulure; et un moyen de dépôt d'une couche mince pour déposer une couche mince sur ledit substrat. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de dépôt d'une couche mince précité comprend une cible (6) placée dans le récipient réactionnel précité et un moyen de pulvérisation (11) pour pulvériser ladite cible. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cible précitée a une configuration cylindrique et en ce que les substrats précités sont placés de façon à entourer ladite cible en permettant au gaz réactif de s'écouler de la tubulure précitée le long de la direction longitudinale de ladite cible. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'un moyen générateur de champ magnétique (15) est de plus prévu à proximité de la cible précitée. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un capuchon conique (14) est prévu à une partie extrême de la cible précitée à proximité de la tubulure précitée. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récipient réactionnel précité est pourvu de deux ouvertures 1 1 d'évacuation (3A, 3B). 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le récipient réactionnel précité est pourvu d'une ouverture d'évacuation en forme d'entonnoir (3). 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de dépôt d'une couche mince est un moyen de placage d'ions.