Brevet FR2568269A1 — publié le 19860131

L'invention concerne un dispositif de pulvérisation pour installations de pulvérisation cathodique, comprenant un corps de base de la cathode avec une cible constituée du matériau à pulvériser, un écran de chambre noire séparé par un intervalle d'air du corps de base de la cathode, ainsi qu'une anode disposée dans la région du bord de la cible et pourvue d'au moins une rainure ouverte dont l'ouverture est située dans un côté de l'anode non visible depuis la cible. Dans les installations de pulvérisation cathodique, l'anode sert, comme son nom l'indique, à la fermeture du circuit électrique comprenant la cathode. L'anode sert à capter et à évacuer des électrons émis par la cathode et entrant d'abord dans l'effluve électrique faisant partie du processus de pulvérisation et qui est typique pour celui-ci. Dans de nombreux dispositifs de pulvérisation connus, la fonction d'anode est assurée par la chambre à vide, formant le récipient, qui est au potentiel de la masse. Il s'est cependant avéré souhaitable, pour des motifs liés à la conduite du processus, de prévoir, à proximité immédiate de la cathode ou de la cible, une anode particulière qui, soit est reliée directement à la masse ou mise au potentiel de la masse, soit mise à un niveau de potentiel - le plus souvent positif - par rapport à la masse. Dans le cas présent, il s'agit également d'un dispositif de pulvérisation avec une anode supplémentaire. Le matériau enlevé de la cathode ne se déplace aucunement en ligne droite et seulement en direction de la normale à la surface de l'aire de pulvérisation de la cible vers le substrat disposé mobile ou fixe en regard de cette aire de pulvérisation. Il se produit au contraire une distribution du matériau de revêtement dans l'espace, de sorte que ce matériau est projeté ou condensé plus ou moins fortement sur l'anode. Dans la mesure o le matériau de revêtement est électri- quement conducteur, ce qui est généralement le cas lors de la pulvé- risation de métaux dans une atmosphère neutre ou non réactive, les résistances de contact dans le circuit électrique entre la cathode et l'anode ne sont pas affectées, même pendant des opérations de revêtement de longue durée. Cependant, pour de nombreuses appli- cations dans l'électronique et l'optique, de même que pour le revêtement de vitres de grande surface, il-faut également des couches de matériaux non conducteurs, c'est-à-dire de matériaux appeLés diélectriques. De telles couches peuvent être réalisées à la fois par pulvérisation de métaux formateurs d'oxyde dans une atmosphère réactive et par pulvérisation de cibles faites des oxydes eux-mêmes. L'expérience a montré qu'une fraction plus ou moins grande du matériau enlevé de la cible se condense alors inévita- blement sous forme du produit réactionnel sur l'anode et y forme une couche superficielle isolante qui, à mesure que son épaisseur croît avec le temps, réduit de plus en plus le courant anodique. Ceci conduit non seulement à des conditions de fonctionnement instables et incontr8lables, mais aussi à des claquages hautement indésirables, lorsque d'importantes charges superficielles localement limitées se forment sur la couche superficielle isolante de l'anode et provoquent de temps en temps des décharges qui perturbent considérablement le processus de pulvérisation. Il y a donc eu de nombreuses tentatives pour éloigner l'anode autant que possible de la zone d'effluve à proximité de la surface de la cible. C'est ainsi que la demande de brevet allemand DE-OS 24 17 228 par exemple recommande la disposition de l'anode en dehors de l'effluve électrique et en dehors de la direction de migration des particules pulvérisées du matériau constitutif de la cible. Outre le fait que ce but est pratiquement irréalisable, l'entrée des électrons dans l'anode est ainsi rendue plus difficile ou ralentie, de sorte que l'anode attire seulement une petite partie du courant cathodique sur elle. La plus grande partie du courant cathodique passe alors obligatoirement aux surfaces internes de la chambre à vide, se trouvant au potentiel de la masse, ou à des pièces également au potentiel de la masse - disposées à l'intérieur de la chambre à vide et dont fait partie en particulier le porte-substrat, pouvant être constitué également par un cylindre tournant lorsque le matériau de support est en forme de bande. Les résultats sont de nouveau des conditions de fonctionnement instables et inacceptables pour un processus continu. Pour cette raison, on a extrait de nouveau l'anode de sa position cachée pour la ramener à proximité immédiate de la cible, avec l'espoir que le niveau de température élevée s'établissant ainsi obligatoirement (La décharge que constitue l'effluve électrique passant directement à l'anode) empêche le recouvrement de l'anode ou assure "le nettoyage" de l'anode. En cas de-revêtement par pulvé- risation de matériaux isolants ou diélectriques, il est dans ce cas également à peu près impossible de maintenir des conditions de fonctionnement stables pendant une longue durée. En effet, dans la pratique, les demandes d'une longue durée d'utilisation de l'anode, ou de conditions de fonctionnement restant constantes pendant longtemps, et un couplage électrique aussi bon que possible de l'anode sont diamétralement opposées. Par la demande de brevet allemand DE-OS 22 43 708, il est connu de disposer une anode annulaire dans la région du bord d'une bride d'une cathode qui est par ailleurs essentiellement cylindrique. Dans l'une des surfaces d'anode en forme de couronne, qui est visible depuis le matériau de la cible, sont ménagées des rainures concen- triques servant à améliorer l'adhérence du matériau pulvérisé projeté sur l'anode. Bien qu'il soit ainsi possible d'empêcher dans une large mesure que le matériau indésiré déposé à cet endroit s'écaille et tombe après avoir atteint une épaisseur de couche déterminée, il n'est pas possible d'empêcher ni même de réduire notablement l'isolement produit par le dépôt de matériaux isolants (diélectriques). C'est précisément L'imbrication avec la surface de l'anode qui provoque la formation d'une couche isolante particulière- ment épaisse et nécessitant un nettoyage fréquent de L'anode. La demande de brevet allemand DE-OS 26 36 293 décrit un dispositif de pulvérisation cathodique qui permet de pulvériser différents matériaux simultanément ou l'un après l'autre. Pour éviter dans ce cas ce que l'on appelle une contamination transversale du- matériau de la cible par condensation de matériau de cible d'une autre cathode, des écrans sont disposés entre les cathodes ou élec- trodes et les substrats, respectivement Le porte-substrat. Ces écrans sont au potentiel de la masse et exercent de ce fait, dans une certaine mesure, une fonction d'anode. Cette fonction d'anode se dégrade cependant avec le temps lorsque les matériaux pulvérisés sont des diélectriques. Un labyrinthe formé par des rainures dans les côtés frontaux des écrans ne peut pas remplacer ou préserver la fonction d'anode parce que les rainures sont trop éloignées de L'aire de pulvérisation proprement dite ainsi que de la zone o se produit l'effluve électrique assurant le processus de pulvérisation. L'invention vise par conséquent à indiquer un dispositif de pulvérisation du type décrit au début, mais qui assure des condi- tions de fonctionnement stables pendant de longues durées, même en cas de revêtement de substrats avec des matériaux isolants, et dont l'anode attire une fraction importante du courant cathodique à elle. A cet effet, selon l'invention, l'anode est disposée sur le bord de l'écran de chambre noire et les flancs latéraux de la rainure ou de chaque rainure sont essentiellement parallèles à l'aire de pulvérisation de la cible. Avec une telle disposition, la rainure ou chaque rainure - il est préférable de prévoir plusieurs rainures parallèles - est située aussi près que possible de l'aire de pulvérisation de la cible, donc de l'effluve électrique. Malgré cela, elle ne sert pas à produire une imbrication avec le matériau condensé parce que cet endroit reçoit beaucoup moins de matériau que le côté de l'anode situé plus près de la cible et aussi à cause de l'orientation des rainures. La ou les rainures empêchent à peu près complètement et sur une durée comparativement très longue la pénétration de matériau de revêtement et même lorsque cela se produit, la formation de couches isolantes à cet endroit s'effectue à une si faible vitesse que l'entrée des électrons est préservée pendant une très longue durée de fonctionnement. Une anode ainsi conformée et disposée assure donc des conditions de fonctionnement stables sur de longues périodes; le démontage ou le nettoyage de l'anode est Par conséquent nécessaire seulement à des intervalles très longs et, surtout, le nombre des claquages éventuels n'augmente pas progressivement avec le temps. Avec une disposition selon l'invention, les conditions deviennent d'autant plus avantageuses que Le nombre des rainures est élevé et que le rapport de la profondeur (T) à la largeur (B) de chaque rainure est grand. Il est particulièrement avantageux que le rapport de la profondeur à la largeur de la rainure ou de chaque rainure soit d'au moins 2,5: 1. Dans ce cas, une fraction extrêmement faible seulement du matériau de revêtement parvient jusque sur le fond de la rainure, si bien qu'un effet d'isolation éventuel ne peut se produire qu'au bout d'un temps très long. La formation de plasmas dits secondaires, conduisant à des effluves électriques en dehors de l'aire de pulvérisation proprement dite, est également évitée. Le nombre des claquages n'augmente pas progressivement avec le temps. Il est ainsi possible de fabriquer de façon reproductible des produits finis de haute qualité. Comme l'intervalle entre les entretiens et inspections nécessaires de l'installation est prolongé, l'utilisation de l'instal- lation devient en outre plus rationnelle. L'objet de l'invention est applicable à la disposition dite en diode, c'est-à-dire à un système o le dispositif de revêtement ne comporte pas d'autres électrodes outre la cathode et l'anode. L'invention est toutefois applicable de manière particulière- ment avantageuse à la cathode dite à magnétron, comportant sur le côté arrière de la cible un système magnétique qui crée à travers l'aire de pulvérisation un tunnel fermé de lignes de champ magnétique qui maintient l'effluve électrique à cet endroit et augmente l'effet de pulvérisation, appelé taux de pulvérisation, du facteur 10 au moins. L'anode peut être reliée à la terre, c'est-à-dire se trouver au potentiel de La masse, mais il est possible aussi de la fixer avec isolation, avec ou sans raccordement à un potentiel anodique particulier. Il n'est pas davantage nécessaire que l'anode possède une forme géométrique semblable à celle de la cathode; une dispo- sition symétrique n'est pas non plus obligatoire. Il s'est révélé que l'anode selon l'invention convient particulièrement pour la fabrication de couches diélectriques de SnO2; In203; SnO; Ta203 et TIC à partir des métaux correspondants. Elle convient cependant très bien aussi à la pulvérisation de cibles constituées de matériaux isolants tels que SiO2; SiN; SiON; A1203; In203; SnO2; SiC. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs et de leur fonction- nement, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une coupe axiale d'un dispositif de pulvérisation à symétrie de révolution réalisé comme un magnétron; - la figure 2 est une vue en perspective du dispositif de figure 1, avec un arrachement pour montrer deux coupes radiales faisant un angle entre elles; - la figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif de pulvérisation en position retournée par rapport à la figure I et avec un support particulier pour l'anode; - la figure 4 est une vue en perspective d'une partie d'un dispositif de pulvérisation oblong, comprenant des anodes en forme de baguettes disposées des deux côtés; - la figure 5 est un diagramme montrant le nombre des claquages en fonction du temps à des fins de comparaison; et - la figure 6 est une variante de l'anode selon la figure 3. Les figures 1 et 2 montrent un dispositif de pulvérisation 1 du type magnétron, qui est monté dans une paroi 2 d'une chambre à vide dont les autres parties ne sont pas représentées. Le dispositif de pulvérisation 1 comprend un corps de base 3 en forme de godet de la cathode, qui est composé d'une paroi frontale plane 4 et d'une paroi latérale annulaire avec un rebord 5. Derrière la paroi frontale4 se trouve un système magnétique constitué de plusieurs aimants permanents 6 et 7; les positions des pôles de ce système sont indiquées par des flèches. Les aimants permanents 6 et 7 aboutissent à l'arrière sur une culasse magnétique 8 qui ferme le circuit magnétique. Il s'agit ici d'une disposition de magnétron typique. Dans la face arrière de la paroi frontale 4 est fraisé un canal de refroidissement 9 qui est recouvert étanche au liquide par une plaque de fermeture 10. Ce canal communique par des tubulures de raccordement 11 et 12 avec un circuit de fluide de refroidissement. Le corps de base 3 de la cathode est en un matériau bon conducteur thermique, en cuivre de préférence. Une pièce isolante 13 à symétrie de révolution est fixée sur le côté arrière du corps de base 3 au moyen de vis de tirage 14 quitraversent la pièce isolante 13 et la culasse magnétique 8. les têtes desvis de tirage 14 s'appuient sur une plaque de pression métallique 15 disposée du côté de la pièce isolante 13 se trouvant à l'opposé de la culasse 8. Pour obtenir une rigidité diélectrique suffisante vis-à-vis de la paroi 2 de la chambre à vide, la pièce isolante 13 entoure la plaque de pression 15 par un prolongement annulaire 16 dont la longueur correspond à l'épaisseur de la paroi 2. Un anneau support 16 disposé contre le côté intérieur de la paroi 2 est fixé à celle-ci par des vis 18. Le corps de base 3 avec la pièce isolante 13 sont fixes à la paroi 2 de la manière décrite ci-après. Une bague de serrage 19, possédant un rebord 20 et un col 21, est fixée à l'anneau support 17 au moyen de vis 22. La bague de serrage 19 s'emboîte sur un bord extérieur 23 de la pièce isolante 13 et presse celle-ci contre l'anneau support 18. Un joint d'étanchéité 24 en anneau, disposé entre-la pièce isolante 13 et la paroi 2, est alors déformé de manière qu'une fermeture étanche au vide soit assurée. Les figures 1 et 2 font ressortir que le corps de base 3 de la cathode est fixé avec isolement vis-à-vis de la paroi 2. Le corps de base 3 est en un métal conduisant bien la chaleur, en cuivre par exemple. D'un autre côté, la bague de serrage métallique 19 est vissée à la paroi 2, avec interposition de l'anneau support 17 qui est également en métal, et se trouve par conséquent au potentiel de la masse. La bague de serrage 19 et son-col 21 sont séparés du corps de base 3 de la cathode par un intervalle d'air 25 qui est dimensionné de manière qu'un effluve électrique ne puisse pas s'établir dans cet intervalle sous les vides de service habituels. La bague de serrage 19 constitue par conséquent l'écran de chambre noire habituel. Sur la paroi frontale est disposée une cible discorde 26 ayant Les mêmes dimensions; la cible peut être fixée à cette paroi par un processus de soudure connu par exemple. La cible 26 de l'exemple représenté est un disque circulaire. Les parties décrites jusqu'ici du dispesitif de puLvérisa- tion appartiennent à L'état de la technique. Le col 21 exerce la fonction d'anode et c'est à cet endroit que les dépôts indésirés de matériau ont été observés. Conformément à L'invention, une anode particulière 27 est disposée dasm la région du bord de la cible. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, cette anode possède deux rainures 28 ouvertes, délimitées latéralement par des flancs plans et parallèles. Ces rainures sont situées dans un côté de l'anode 27 qui n'est pas visible depuis la cible 26. Au cas o l'anode 27 serait fabriquée avec réalisation des rainures 28 par plongée dans une bague massive, les rainures seraient creusées à partir de la surface cylindrique extérieure de cette bague. Il s'ensuit que le fond des rainures est très difficilement accessible au matériau de revêtement. Par contre, les électrons issus de l'effluve élec- trique peuvent très bien entrer dans les flancs voisins des rainures de l'anode 27. La forme de l'anode, en peigne en section droite, peut être variée de multiplesfaçons. Il n'est pas nécessaire que les nervures 29 situées entre les rainures possèdent toutes la même longueur ou s'étendent exactement dans des plans radiaux. Les flanes des rainures peuvent également être situés sur des surfaces coniques par exemple et il est possible aussi de donner un plus grand diamètre à la nervure extérieure, de sorte que l'accès du matériau de revête- ment aux rainures 28 est-rendu plus difficile encore. On voit également sur les figures 1 et 2 que la face limite antérieure 30 de l'anode 27 est située sensiblement dans le même plan que l'aire de pulvérisation 26a de la cible 26.Dans le cas représenté, la face limite 30 est même légèrement avancée par rapport à l'aire de pulvérisation 26a. Cette situation s'établit de toute manière au cours de l'utilisation du matériau de la cible 26 puisque celle-ci est consomméedans la mesure o du matériau de revêtement est déposé sur le substrat (non représenté). Le substrat se trouve devant l'aire de pulvérisation 26a, en alignement paralLèle avec celle-ci. On voit également sur Les figures 1 et 2 que l'anode 27 du système à symétrie de révolution qui y est représenté se compose d'un anneau porteur 31 ayant la forme d'un cylindre creux concen- trique à l'axe A-A de la cathode et de nervures 29 formées perpendi- culairement sur cet anneau porteur. L'anode 27 peut être fixée sur le col 21 de façon à pouvoir être remplacée facilement, par exemple au moyen de vis de serrage radiales, d'un joint à baïonnette ou d'un dispositif analogue. La figure 3 montre de façon bien plus schématique un dispositif de pulvérisation analogue la avec une cible 26. Dans ce cas, la paroi 2 est cependant pourvue d'un col ou tubulure 32, sur l'extrémité de laquelle est fixé un anneau support 33. La disposition est inversée par rapport à celle des figures I et 2, en ce sens que l'aire de pulvérisation 26a, de même que l'anneau support 33, sont dirigés vers le haut et vers l'intérieur de la chambre à vide. L'anneau support 33 sert à immobiliser l'anode 27 laquelle présente, sur la figure 3, trois nervures 29 et deux rainures 28 du côté gauche et quatre nervures 29 avec trois rainures 28 du côté droit. L'écaillage et le détachement de matériau déposé sur l'anode sont pratiquement exclus avec cette forme de réalisation protégée. Le col ou tubulure 32 sert dans ce cas également d'écran de chambre noire; les isolateurs nécessaires ici également ne sont pas représentés pour simplifier. La figure 4 montre une partie d'un dispositif de pulvé- risation lb possédant un corps de base de cathode 3b de forme rectangulaire et une cible rectangulaire 26. Cette dernière est délimitée par des côtés longitudinaux parallèles 34 et l'anode 27 est composée de deux baguettes profilées 27a disposées parallèlement aux côtés longitudinaux 34 et portant des nervures 29 faisant saillie latéralement et renfermant entre elles deux rainures 28. Les baguettes profilées 27a sont disposées symétriquement et possèdent en principe la même section droite, comme les anodes à asymétrie de révolution des figures I à 3. Il n'est pas obligatoire, mais il est possible de relier les anodes en forme de baguettes selon la figure 4 à leurs deux extrémités par des pièces transversales. Sur la figure 5, le temps t en heures est indiqué en abscisses et le nombre n des claquages est indiqué en ordonnées. La courbe a montre l'augmentation progressive des claquages avec un système selon les figures 1 et 2 o seul le col lisse 21 exerce la fonction d'anode (état de la technique). On voit que le nombre des claquages augmente de façon drastique au bout d'environ 1 h de fonctionnement déjà, de sorte qu'un fonction- nement prolongé d'un tel dispositif de pulvérisation n'est pas possible. La courbe "b" montre les conditions avec un dispositif de pulvérisation, également selon les figures 1 et 2, mais avec l'anode selon l'invention. Même au bout de 4 heures de pulvérisation, on n'a pas pu constaté une augmentation des claquages. Le même dispositif a ensuite été utilisé encore pendant plus de 20 heures sans qu'il y aiteu un changement quelconque dans ce comportement. La figure 6 montre la possibilité de réaliser une anode sous forme d'un empilage d'anneaux ou de bandes de tôle, que des pièces d'appui métalliques 35 maintiennent à une telle distance les uns des autres et de la paroi 2 qu'ils constituent des nervures 29 renfermant entre elles des rainures 28. Les pièces d'appui 35 de l'exemple représenté, ayant la forme d'anneaux ou de bandes, sont situées à peu près au milieu de la section des nervures, de sorte que d'autres rainures 28' sont formées sur le côté opposé. Les ouvertures de ces dernières rainures ne sont pas non plus visibles depuis la cible puisqu'elles sont recouvertes, à distance, par le col ou tubulure 32. Le nombre des labyrinthes est ainsi augmenté, c'est-à-dire doublé, et la réalisation de l'anode d'un tel empilage d'anneaux ou de bandes est fortement réduite en prix et simplifiée. La figure 6 montre également que la face limite extérieure 30 est considérablement avancée par rapport à la surface 26a de la cible. IL s'est avéré que cette avance ne constitue pas un inconvénient puisque, avec ou sans cette avance, le col 32 empêche une liaison en ligne droite entre la cible et les rainures, c'est-à- dire empêche de voir les rainures directement depuis la cible. 11, REVENDICATIONS 1. Dispositif de pulvérisation pour installations de pulvérisation cathodique, comprenant un corps de base de la cathode avec une cible constituée du matériau à pulvériser, un écran de chambre noire séparée par un intervalle d'air du corps de base de la cathode, ainsi qu'une anode disposée dans la région du bord de la cible et pourvue d'au moins une rainure ouverte dont l'ouverture est située dans un côté de l'anode non visible depuis la cible, caractérisé en ce que l'anode (27) est disposée sur le bord de l'écran de chambre noire (19) et que tes flancs de la rainure ou de chaque rainure (28) sont orientés essentiellement parallèles à l'airede pulvérisation (26a) de la cible (26). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la profondeur (T) à la largeur (B) de la rainure est d'au moins 2,5: 1. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que La face limite antérieure (30) de l'anode (27) est située sensiblement dans le même plan que l'aire de pulvérisation (26a) de la cible (26) non encore utilisée. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au cas o la cible (26) est à symétrie de révolution, l'anode (27) est composée d'un anneau porteur (31), ayant La forme d'un cylindre creux concentrique à l'axe (A-A) de la cathode, et de nervures radiales annulaires (29) qui s'étendent à partir de l'anneau porteur et renferment au moins une rainure (28) entre elles. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au cas o la cible (26) est délimitée par des côtés longitu- dinaux parallèles (34), l'anode est composée d'au moins deux baguettes profilées (27a) parallèles aux côtés longitudinaux (34), qui portent des nervures (29) en saillie latéralement et renfermant au moins une rainure (28) entre elles.