Brevet FR2563239A1 — publié le 19851025

AGENCEMENT POUR REV TIR DES SUBSTRATS PAR PULVERISATION CATHODIQUE La présente invention se rapporte au domaine de la pulvérisation cathodique, notamment en vue de métalliser des plaquettes de semiconducteur. Au cours de l'élaboration préalable, par une procédure photolithographique, ces plaquettes de semi-conducteur ont reçu une structure surfacique géométrique avec des évidements pour connexions électriques aménagés dans une couche surfacique isolante. Alors que la plaquette présente souvent un diamètre compris entre 50 mm et mm et une épaisseur de moins de 1/10 mm, les évidements n'ont généralement qu'une largeur de quelques micromètres et une profondeur correspondant à peu près à l'épaisseur de la couche isolante. L'apport de la couche de métallisation (épaisseur de couche de l'ordre de 1 micromètre) qui a lieu ensuite sert à établir les connexions des plaquettes au travers des évidements, d'autres structures supplémentaires étant formées ensuite dans la couche métallique, par attaque ou gravure, au cours d'opérations suivantes. Des matières usuelles pour constituer la couche métallique sont- l'aluminium, des alliages d'aluminium, des alliages titane-tungstène, etc.. Dans les installations de pulvérisation cathodique connues, avec magnétron plan ("magnétron planar") habituellement utilisées pour la réalisation de couches de métallisation, on distingue les agencements suivants: 1. Installations à tambour: Plusieurs plaquettes de substrat sont fixées sur la périphérie extérieure d'un tambour à section polygonale. A côté du tambour se trouve au moins un magnétron de pulvérisation qui, dans la région o il se trouve en face des plaquettes de substrat, constitue sensiblement une source linéaire de matière, avec deux sources en forme de ligne droite à extrémités courbées. La zone d'érosion de telles sources possède donc la forme d'une trajectoire fermée. Lorsque le tambour tourne régulièrement autour de son axe, les plaquettes de substrat sont uniformément revêtues, en direction axiale du fait de la source linéaire, en direction périphérique du fait du mouvement uniforme. La distance entre les plaquettes de substrat à la position de revêtement et le magnétron plan peut être modifiée dans certaines limites, sans que cela provoque le dépassement des tolérances admissibles pour l'homogénéité d'épaisseur de couche. 2. Installations à plateau: Dans cet agencement, plusieurs plaquettes de substrat se trouvent sur un grand plateau tournant circulaire. Au-dessus de celui-ci se trouve au moins un magnétron. La zone d'érosion de celuici doit être aménagée, dans la région située en face des plaquettes de substrat, de façon que, lors d'une rotation uniforme du plateau tournant autour de son axe, ces plaquettes soient uniformément revêtues. Dans cet agencement connu, la distance entre les substrats et le magnétron plan peut, là encore, être modifiée dans certaines limites, sans que cela provoque le dépassement des tolérances d'homogénéité d'épaisseur de couche. 3. Installations pour plaquette unique: Dans ces installations, une seule plaquette de substrat circulaire se trouve, immobile, en face d'un magnétron plan dont la zone d'érosion possède la forme d'un anneau. Il faut alors qu'une certaine relation entre le diamètre de plaquette de substrat, le diamètre de cercle de la zone d'érosion et l'intervalle magnétron-substrat soit respectée pour "tenir" des tolérances de répartition de + 5 % ou moins. Si l'intervalle est trop petit, la plaquette de substrat reçoit alors, sur une zone annulaire située en face de la zone d'érosion, une couche de revêtement plus épaisse qu'au centre. Par contre, si l'intervalle est trop grand, la plaquette de substrat présente une épaisseur de revêtement maximale au centre, décroissant fortement vers le bord. Outre l'homogénéité d'épaisseur de couche, il faut aussi, dans tous les cas, un revêtement aussi bon et uniforme que possible des éventuels gradins que les surfaces de substrat à revêtir comportent, par exemple sur les bords des évidements sus-mentionnés pour les connexions électriques, et cette qualité de revêtement uniforme doit être réalisée aussi bien pour ce qui est de la répartition locale sur les plaquettes de substrat que pour ce qui est de l'orientation directionnelle des bords. Avec les agencements connus, le recouvrement des surfaces de gradin situées perpendiculairement à une surface de substrat, recouvrement appelé "recouvrement de gradin" (indiqué en pourcentage de l'épaisseur de couche à une certaine distance du gradin) est souvent insuffisant et irrégulier. Dans le cas de l'installation pour plaquette unique, il est fréquent d'obtenir un recouvrement insuffisant des gradins au voisinage du bord de la plaquette de substrat, dans le cas des surfaces de gradin dirigées vers l'extérieur. Toutefois, également avec les installations à tambour et avec celles à plateau, les valeurs du recouvrement de gradin dans le cas des gradins verticaux valent à peine plus de 50 %. La cause de cela réside dans la distribution directionnelle de la matière cathodique pulvérisée. Cette distribution obéit à la loi en cosinus de Lambert, c'est-à-dire que son intensité maximale est perpendiculaire au plan de cathode. Cet état de fait n'est pas fondamentalement modifié si une creusure -2563239 d'érosion se forme au cours de l'enlèvement de matière de la surface pulvérisée du magnétron. Pour les installations à plaquette unique, on a aussi utilisé occasionnellement une variante du magnétron plan avec un seul anneau de plasma sur une surface cathodique conique. Cette dernière a pour effet qu'il y a un courant de matière dirigé obliquement vers l'intérieur. Le recouvrement des gradins sur les plaquettes de substrat n'est toutefois amélioré que de façon peu sensible par cette disposition connue. Ceci étant, la présente invention a pour but de parvenir, pour le revêtement de substrats, à un agencement pour pulvérisation cathodique autorisant un recouvrement amélioré des gradins sans compromettre la qualité d'homognéité d'épaisseur de couche. Pour atteindre ce but, l'invention utilise un agencement pour revêtir des substrats par pulvérisation cathodique, comportant une cathode en forme de corps creux ouvert du côté du substrat à revêtir et une anode, un système magnétique pour la zone de pulvérisation du côté intérieur de la cathode en forme de corps creux étant prévu du côté extérieur de cette cathode non tourné vers le substrat, et le but précité est atteint par le fait que le système magnétique est constitué de façoh que, lors du fonctionnement, deux zones de pulvérisation- s'établissent sur le côté intérieur, à pulvériser, de la cathode, et par le fait que le rapport des débits de pulvérisation des deux zones de pulvérisation est réglable. Un agencement de pulvérisation avec surface cathodique en forme de corps creux, par exemple en forme de pot, est déja connu en soi par le brevet CH-P 204 862 (Berghaus). Dans "Research/Development" (février 1971, page 40) est décrit un dispositif analogue avec surface cathodique concave de forme hémisphérique, dans lequel, au moyen de deux bobines coaxiales, un champ quadripolaire est engendré et une zone d'érosion de forme annulaire est maintenue sur la surface cathodique, l'uniformité du revêtement d'un substrat plan ainsi que les taux de revêtement pouvant être influencés au moyen des courants passant dans les deux bobines. Pour revêtir des substrats dotés de gradins (par exemple les évidements sus-mentionnés dans des couches isolantes sur des plaquettes de semiconducteur, aux fins de réalisation de connexions électriques), ces agencements connus conviennent mal, en dépit d'une surface cathodique entourant partiellement les objets à revêtir, cette inadéquation étant due à ce que le bombardement de matière depuis des directions différentes ne peut pas être réglé en fonction des besoins propres à chaque cas. Par contre, avec l'agencement selon l'invention comportant deux zones de pulvérisation séparées, la possibilité de régler indépendamment l'une de l'autre, pour ce qui est de leur débit, pour ainsi dire deux sources de pulvérisation, constitue un important progrès par rapport à tous les agencements connus n'ayant qu'une seule zone de pulvérisation sur une surface cathodique conique ou hémisphérique. L'agencement selon l'invention est alors particulièrement avantageux si chacune des deux zones de pulvérisation est dimensionnée et agencée localement de façon à fournir par elle-même une répartition de couche homogène sur une surface de substrat plane. Le rapport des débits de pulvérisation peut alors être réglé de manière optimale en considérant le recouvrement des gradins. Un tel agencement convient aussi particulièrement bien pour la réalisationde couches d'alliage par pulvérisation simultanée d'un premier métal venant de la première zone et d'un deuxième métal venant de la deuxième zone. La composition de l'alliage peut alors être choisie ad libitum par réglage du rapport des intervalles de temps et/ou des débits de pulvérisation simultanés ou séquentiels. La composition de l'alliage sur les gradins des surfaces de substrat à revêtir est alors meilleure, comme on pouvait le présumer en considérant la disposition des deux zones de pulvérisation par rapport aux surfaces latérales des gradins. Cela résulte de ce que les diverses parties de surface de la cathode se revêtent mutuellement, de sorte que le mélange a lieu non seulement sur le substrat mais aussi sur la cathode. En utilisant, dans le cadre de l'invention, des magnétrons de pulvérisation connus en soi, on peut très simplement former une première zone de pulvérisation au moyen d'un magnétron ayant une surface cathodique plane, et une deuxième zone de pulvérisation au moyen d'un magnétron ayant une surface cathodique en forme de paroi cylindrique se trouvant perpendiculaire à la précédente. Toutefois, l'invention peut être facilement réalisée et mise en oeuvre avec deux parties cathodiques coniques, comme indiqué dans les exemples suivants. On décrira maintenant plus en détail des formes de réalisation particulières de l'invention qui en feront mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que ces formes de réalisation sont choisies à titre d'exemple et qu'elle ne sont nullement limitatives. Leur description est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente un premier exemple de réalisation avec un magnétron plan ('magnétron planar") comme fond et un magnétron cylindrico-annulaire comme paroi latérale d'une cathode réalisée en forme de pot; et - la figure 2 représente un deuxième exemple de réalisation, dans lequel deux parties de cathode en forme de cône forment ensemble une cavité cathodique. Dans l'exemple représenté sur la figure- 1, la référence 1 désigne la cathode d'un magnétron plan constituée de la matière de revêtement, la cathode étant reliée à la plaque de refroidissement 2 munie de canaux d'eau. La cathode peut être brasée ou soudée à la plaque de refroidissement, ou seulement pressée contre celle-ci. Le système magnétique du magnétron plan consiste,- dans l'exemple de la figure 1, en un électro-aimant avec une culasse en fer 3 et une bobine 4, et est réalisé à la façon d'un aimant en pot Toutefois, d'autres systèmes magnétiques appropriés, avec des aimants permanents, sont habituels. Dans la mesure o elle est réalisée en matière non-magnétique, la cathode est traversée par les lignes de champ magnétique, de sorte qu'un tunnel annulaire fermé, constitué de lignes de champ, est formé par dessus sa face libre et, en fonctionnement, provoque l'emprisonnement d'électrons et d'ions. Ces derniers provoquent, par bombardement ionique de la cathode, la pulvérisation cathodique dans la zone d'érosion 5 de la matière de revêtement. Dans le présent exemple, c'est une plaquette de substrat circulaire 6 qui est revêtue, en tant que plaquette individuelle immobile. Afin d'obtenir un revêtement aussi homogène que possible, le magnétron plan qui forme le fond de la cavité cathodique est également construit en tant que corps de rotation et est agencé parallèlement et concentriquement à la plaquette de substrat 6. Jusqu'à ce point, l'agencement décrit correspond à celui connu. La distance de la cathode 1 à la plaquette de substrat 6 et le diamètre de la zone d'érosion 5 sont choisis de façon à obtenir une répartition d'épaisseur de couche aussi homogène que possible. Maintenant, selon l'invention, l'agencement comporte en plus un deuxième magnétron constitué par une cathode cylindrique creuse 7 faite en matière de revêtement, par un cylindre de refroidissement 8, par une culasse en fer 9 et par une bobine 10. La surface de cathode de ce deuxième magnétron se trouve donc, comme on peut le voir sur le dessin, perpendiculaire à la surface de cathode du premier magnétron plan et constitue, avec celle-ci, une cavité ouverte en direction de la plaquette de substrat. Dans cet exemple, les deux surfaces de cathode sont reliées l'une à l'autre, électriquement et mécaniquement, et constituent donc une unique cathode en forme de corps creux, et forment, avec l'anneau isolant 11 et une anode 12, une unité modulaire dans laquelle les plaquettes de substrat 6 peuvent être introduites en direction axiale au moyen d'un organe de fixation, -puis être revêtues alors qu'elles sont fixes. Pour l'opération de pulvérisation, l'anode et la cathode doivent être alimentées avec des tensions appropriées. Il est particulièrement simple de n'utiliser qu'un seul appareil d'alimentation, et par conséquent d'utiliser la même tension de décharge pour les deux décharges gazeuses des magnétrons. On évite ainsi l'isolement électrique des cathodes des deux magnétrons, décrit dans l'exemple suivant. Le rapport des débits de pulvérisation des deux zones de pulvérisation 5 et 14, est réglé, par un choix approprié des courants dans les bobines 4 et 10, de façon que la plaquette de substrat, et d'éventuels gradins du substrat soient revêtus avec une uniformité suffisante. Dans les agencements selon l'invention, les deux zones de pulvérisation peuvent être exploitées au choix avec une tension continue ou une tension alternative. Les avantages de l'invention existent dans les deux cas. En outre, on peut appliquer de façon connue une tension continue ou alternative au substrat, afin de commander l'action du plasma sur la surface du substrat. Un autre avantage peut être obtenu par un mouvement relatif des champs magnétiques, et par conséquent des zones de pulvérisation, par rapport aux substrats. Avantageusement, on ne déplace alors - voir l'exemple suivant selon la figure 2 - que les aimants, mais pas les cathodes. Le progrès consiste alors non seulement dans l'amélioration du degré d'utilisation des cathodes mais aussi dans l'uniformité d'érosion, due à la matière pulvérisée en va-et-vient entre les différentes parties de la cathode. Sur la figure 2, la référence 20 désigne la partie supérieure, munie d'une bride 21, d'une enceinte étanche au vide qui peut être reliée par bridage à une chambre à vide ou à un poste de pompe à vide. En son côté dessous, la partie d'enceinte 20 est fermée avec étanchéité au vide au moyen de la bague isolante 23 associée aux deux joints d'étanchéité annulaire 24 et 25. Le côté intérieur de l'enceinte situé en regard de l'espace sous vide est garni avec des parties de cathode 26 et 27 faites de la matière à pulvériser, lesquelles constituent, là encore, une forme en pot dont le côté ouvert est tourné vers le substrat 28 à revêtir. Sur le pourtour extérieur de la partie d'enceinte 20 est agencé obliquement un premier système magnétique annulaire 29 qui est fixé à une enveloppe extérieure 31 montée de façon à pouvoir tourner. Ce premier système magnétique produit à l'intérieur de la chambre de pulvérisation, dans la région de la cathode 26, un champ magnétique qui provoque, d'une manière connue en soi, la pulvérisation dans une première zone de pulvérisation lorsqu'une 1 0 tension correspondante est appliquée entre la cathode et les substrats. De façon analogue,'il y a aussi, en dessous de la partie fond 22, du côté extérieur, un deuxième système magnétique annulaire 32 agencé excentriquement, lequel est porté par un fond 34 lié à l'enveloppe extérieure rotative 31, et est donc entraîné avec cette enveloppe lors de la rotation de cette dernière. Ce deuxième système magnétique produit, à l'intérieur de l'espace de pulvérisation, au-dessus de la cathode 27, le champ magnétique nécessaire pour la marche d'une deuxième zone de pulvérisation. La disposition des pôles des deux systèmes d'aimant est avantageusement choisie de façon que ces systèmes se repoussent mutuellement. La position inclinée, c'est-à-dire l'angle entre les- axes des systèmes d'aimant annulaires et l'axe de la cathode en forme de corps creux, et l'excentricité des deux systèmes d'aimant sont orientés au mieux, de façon que ces derniers présentent constamment, au cours de leur rotation, un intervalle minimal choisi à l'avance. Comme représenté en outre sur la figure 2, l'enceinte avec partie fond 22 est portée par une colonne fixe 35 sur laquelle des roulements à billes 36 sont maintenus pour constituer un palier de rotation pour le fond 34 ainsi que pour l'enveloppe extérieure 31, et l'entraînement des deux parties mentionnées en dernier s'effectue par l'arbre 37, au moyen de la roue dentée 38 engrenant dans la couronne dentée 39 fixée à l'extérieur du logement des roulements à billes. Lorsque le système magnétique annulaire 29 coopérant avec la cathode 26 est agencé obliquement, et que ce système et le système magnétique 32 conjugué à la cathode 27 sont agencés asymétriquement par rapport à celleci, comme représenté sur la figure 2, on obtient 1 1 alors, du fait du mouvement de rotation, un déplacement périodique des champs magnétiques par rapport aux surfaces cathodiques fixes. Cela conduit à une érosion plus uniforme des différentes parties de la surface de cathode. Dans ce contexte, il est alors généralement opportun que les mouvements soient mutuellement harmonisés dans le temps de façon à obtenir une utilisation maximale des matières de la cathode. En considérant l'exemple de réalisation selon la figure 2, on va expliquer un autre procédé pour régler le rapport des débits de pulvérisation des zones de pulvérisation formées par les deux magnétrons. Ce procédé exige l'utilisation de deux appareils d'alimentation séparés. De cette manière-, les deux parties de cathode isolées l'une de l'autre sont mises à des potentiels différents, et les débits de pulvérisation peuvent ainsi être commandés. Dans la description précédente, on n'a décrit que des exemples avec deux parties de cathode, avec lesquelles le rapport des débits de pulvérisation est réglable. Toutefois, sur la base de ce qui a été décrit, il est clair pour l'homme de l'art que la cathode au sens de l'invention pourrait aussi être dotée de plusieurs zones de pulvérisation, ou encore être réalisée en plusieurs parties. Il est alors opportun de prévoir, pour toutes les zones individuelles, la possibilité de régler séparément le débit de pulvérisation, afin de pouvoir s'adapter aux cas d'utilisation les plus divers. Les moyens pour commander le débit de pulvérisation d'une zone de pulvérisation peuvent être d'un type connu en soi et peuvent même, selon le cas d'utilisation, être éventuellement réalisés sous la forme de moyens de régulation pour maintenir constant le rapport des débits de deux ou plusieurs zones de pulvérisation. Il peut être éventuellement opportun de faire fonctionner alternativement les zones de pulvérisation individuelles, et d'agir sur chaque durée de mise en circuit pour régler les débits moyens, débits en moyenne sur le temps de revêtement, des zones de pulvérisation individuelles. De tels moyens pour réguler le débit ont déja été plusieurs fois décrits dans des publications et ne constituent pas un objet de la présente invention. Toutefois, dans le cas o l'on prévoit plus de deux zones de pulvérisation au sens de l'invention, il faut constamment satisfaire à cette caractéristique que le rapport des débits de pulvérisation doit pouvoir être réglé pour au moins deux zones de pulvérisation. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particulartiés qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails des modes de réalisation particuliers choisis pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variante peuvent être apportées aux réalisations particulières qui ont été décrites à titre d'exemple et à leurs éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des. équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS: 1. Agencement pour revêtir des substrats par pulvérisation cathodique, comportant une cathode en forme de corps creux ouvert du côté du substrat à revêtir et une anode, un système magnétique pour déterminer la zone de pulvérisation du côté intérieur de la cathode en forme de corps creux étant prévu du côté extérieur de cette cathode non tourné vers le substrat, caractérisé en ce que le système magnétique (3,4,9,10,29,32) est constitué de façon que, lors du fonctionnement, deux zones de pulvérisation (5,4) s'établissent sur le côté intérieur, à pulvériser, de la cathode (1,7,26, 27), et en ce que le rapport des débits de pulvérisation des deux zones de pulvérisation est réglable. 2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode (1,7) en forme de corps creux possède la forme d'un cylindre creux ouvert d'un côté, et en ce qu'une première zone de pulvérisation (14) est sensiblement limitée à la surface périphérique intérieure, et une deuxième zone de pulvérisation (5) est limitée à la face frontale fermée du cylindre. 3. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode en forme de corps creux (26,27) est réalisée en forme de cône, avec deux zones coaxiales différentes constituant la première et la deuxième zone de pulvérisation. 4. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode (26,27) est réalisée en deux parties, et en ce qu'il est prévu, pour les deux parties, des bornes séparées pour appliquer des potentiels cathodiques différents. 5. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les champs magnétiques produits par le système magnétique (29,32) sont mobiles par rapport à la cathode (26,27). 6. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système magnétique est constitué de deux systèmes annulaires partiels (9,10,29; 3,4,32). 7. Agencement selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins l'un des systèmes partiels (29,32) peut tourner autour de l'axe de la cathode en forme de corps creux (26,27). 8. Agencement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les aimants (29,32) ont leurs pôles disposés de façon que les systèmes partiels se repoussent mutuellement. 9. Agencement selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'angle entre les axes des systèmes annulaires partiels (29 et l'axe de la cathode en forme de corps creux (26) est réglable.