Brevet FR2562560A1 — publié le 19851011

2562560' L'invention concerne une installation de pulvé- risation cathodique comportant au moins deux postes juxtaposés, dont un poste de chargement et un poste de gravure, pouvant être réunis en un seul poste, et un poste de dépôt de couches, une chambre à vide, au moins une cathode de pulvérisation et un porte- substrats déplaçable en va-et-vient entre les postes. Par la demande de brevet allemand DE-OS 29 32 483, on connaît une installation de pulvérisation cathodique comportant trois postes et un nombre correspondant de porte-substrats dis- posés sur un plateau circulaire qui est rotatif à la façon d'une tourelle autour d'un axe concentrique. Cette installation ne comporte cependant pas de circuit de refroidissement menant aux différents porte-substrats, de sorte qu'il est pratiquement im- possible de maintenir un niveau de température déterminé pendant les différents traitements. De plus, il est pratiquement impos- sible sur de telles installations d'éviter une contamination transversale entre les différents postes parce que la construc- tion interdit la disposition de vannes à sas entre les postes. Il n'est donc pas possible, par exemple, d'ouvrir le poste de chargement et de maintenir en même temps le poste de dépôt voisin en service. L'état de la technique comporte en outre des installations de pulvérisation cathodique composées d'unités dites modulaires. Plusieurs postes sont délimités dans ce cas par une chambre à vide individuelle et une rangée de ces chambres à vide sont séparées entre elles, ainsi qu'aux deux extrémités de l'ins- tallation vis-à-vis de l'atmosphère, par des vannes à sas. Cette disposition permet un fonctionnement quasiment continu et les vannes à sas empêchent également la contamination transversale. Les substrats sont passés suivant un mouvement linéaire à travers tous les postes sur des porte-substrats en forme de plaques mon- tées sur des roulettes. Il est cependant difficile de refroidir les substrats suffisamment parce qu'il n'est pas possible, par exemple, en raison des vannes à sas, de maintenir le porte- substrats mobile raccordé en permanence à un circuit de refroi- dissement. Comme solution pour résoudre ce problème dans de telles installations, on pose le porte-substrats sur des plaques de refroidissement stationnaires dans les différents postes. Or, un tel refroidissement est insuffisant pour certains produits sensibles à la chaleur et, surtout, il n'est pratiquement pas reproductible. Au sujet du refroidissement des substrats, il est à noter que les substrats devant être maintenus avec des limites très étroites à une température déterminée, peuvent être collés sur le porte-substrats au moyen d'une masse conductrice de chaleur, de manière à assurer une bonne transmission de chaleur entre le porte-substrats et les substrats. Cependant, la dispo- sition d'un porte-substrats mobile sur des plaques de refroidis- sement stationnaires, pourvues d'un circuit de refroidissement, introduit dans la chaîne du transport de chaleur un maillon très faible, à savoir les transmissions de chaleur entre le porte- substrats et la plaque de refroidissement, lesquelles ne sont de nouveau pas reproductibles et occasionnent un gradient de température relativement élevé. L'interruption du transport de chaleur par un intervalle d'air plus ou moins étroit est critique surtout lorsque deux processus de traitement impliquant tous deux une charge thermique des substrats se suivent immédiatement dans des postes voisins. La charge thermique des substrats est inévitable en particulier dans les processus dits à plasma qui sont la base d'une opération de pulvérisation cathodique et d'une opération de gravure par plasma. La charge thermique dans le cas des sys- tèmes dits à diodes est plus grande, en raison de la plus longue durée du processus, qu'avec les cathodes dites de magnétron, o la décharge à plasma est limitée à une région étroite de la sur- face cathodique ou de la cible. La charge thermique plus faible résulte uniquement de la durée beaucoup plus courte du dépôt de couches dans le cas des cathodes de magnétron, o le taux de pul- vérisation est 10 à 30 fois plus grand. Cependant, pour de nombreux processus, o il importe d'obtenir des couches d'une grande uniformité, les cathodes de magnétron ne peuvent pas être utilisées, du fait que l'opération de pulvérisation est localement limitée, ou ne peuvent être utilisées que sous des conditions de fonctionnement compliquées, de sorte que l'on continue à appliquer, dans de tels cas, la pulvérisation dite par diodes. Un processus à diodes constitue également la gravure dite par plasma, o le porte- substrats avec les substrats sont isolés électriquement vis-à-vis de la chambre à vide et sont connectés à un générateur à haute fréquence. La direction de pulvérisation est alors inversée et le matériau à arracher des substrats par le processus de gravure se dirige vers une plaque collectrice dans le poste de gravure. Cette opération est également liée à une forte charge thermique des substrats car la décharge à plasma agit dans ce cas directement sur la surface des substrats. Bien que la gravure sous l'action d'un champ magnétique soit en principe possible également, les processus dits à diodes prédominent dans la pratique pour des rai- sons d'uniformité. L'invention vise par conséquent à perfectionner une installation de pulvérisation cathodique du type décrit au début en ce sens que les substrats puissent être refroidis en per- manence et sous des conditions reproductibles sur leur parcours à travers les différents postes. Selon l'invention, une telle installation est caractérisée en ce que le porte-substrats est fixé en porte à faux, au moyen d'un bras, à une monture de pivotement qui fait saillie à l'intérieur de la chambre à vide, et en ce qu'un circuit à fluide de refroidissement est amené à travers la monture de pivotement jusque dans le porte-substrats. Selon l'invention, le mouvement linéaire - habi- tuel dans de telles installations de pulvérisation cathodique - du portesubstrats est remplacé par un pivotement suivant un trajet en arc de cercle autour de la monture, laquelle peut être utilisée pour l'établissement d'une liaison permanente entre le porte-substrats et la source de fluide de refroidissement. Il devient ainsi possible de refroidir le porte-substrats de façon continue, non seulement dans tous les postes, mais aussi pendant son transport de l'un à l'autre poste, et de maintenir pendant tout ce temps le contact Z562560 thermique intime entre Les substrats et Le porte-substrats avec Le circuit de refroidissement, par exemple en collant les substrats sur Leur support au moyen d'une masse conductrice de chaleur. Selon un perfectionnement de L'invention, iL est particulièrement avantageux de monter Le porte-substrats isoLé électriquement vis-à-vis de La chambre à vide et de Le raccorder à un générateur à haute fréquence. Le poste de chargement peut aLors être utilisé de manière particulièrement simple comme poste de gravure. Par application de La haute fréquence au porte-substrats et en raison du rapport de surfaces du porte-substrats et des aires de paroi situées vis-à-vis de Lui dans le poste de chargement,ces aires agissent comme une anode et Les substrats peuvent être gravés par Le processus à plasma ainsi établi. Le couvercle de changement surtout peut assu- rer en pareil cas La fonction d'anode et servir de collecteur pour Le matériau enLevé par La gravure. Dans ce but, iL est préférable de munir Le couvercle de chargement d'une plaque interchangeable. IL est également très avantageux de donner à La chambre à vide une forme paraLLéLépipédique, de prévoir dans sa paroi supérieure deux ouvertures circulaires, dont l'une peut être fermée par La cathode de pulvérisation et L'autre par Le couvercle de chargement décrit ci-dessus, et de disposer L'axe de La monture de pivotement dans un plan de symétrie vertical passant entre les ouvertures. Lorsque le couvercle de chargement est en outre monté de manière qu'il puisse être écarté latéralement par pivo- tement, le chargement ou le garnissage du porte-substrats dans le poste de chargement est facilement réalisable d'en haut. Différentes parties de l'instalation sont également faciles d'accès dans le poste de dépôt, après démontage ou écartement par pivotement de la cathode de pulvérisation. L'invention permet également, de façon particu- lièrement simple, de maintenir le refroidissement permanent des substrats lorsque les différents postes sont mutuellement séparés et présentent un passage de communication pouvant être ouvert et fermé. 256Z560 Selon un mode de réalisation, les deux postes sont séparés par une cloison présentant un passage dont le bord forme un siège pour un premier obturateur et le bras supportant le porte-substratsest pourvu d'un second obturateur qui est appli- qué contre ledit siège lors du pivotement du porte-substratsdans le poste de dépôt de couches. Le porte-substrats a dans ce cas la fonction supplémentaire d'un obturateur; bien entendu, lorsque le second obturateur prévu sur le bras supportant le porte-substrats est appliqué contre le siège de la cloison de séparation, le premier obturateur, fermant jusqu'alors le passage entre les deux postes, est écarté de manière à ne pas gêner la mise en place du second obturateur. La circulation du fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement peut ainsi être maintenue sans interrup- tion et la contamination transversale entre les différents postes de traitement est absolument exclue. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des des- sins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une installation de pulvérisation cathodique comportant deux postes, le couvercle de chargement et la cathode de pulvérisation ayant été écartés vers l'extérieur par pivotement; - la figure 2 est une coupe partielle de l'ins- tallation de figure 1, mais après le pivotement vers l'intérieur du couvercle de chargement et de la cathode de pulvérisation à leurs positions de travail, au cours d'une opération de dépôt de couches, o le porte-substrats est situé sous la cathode de pulvérisation; - la figure 3 est une vue en perspective d'une variante de l'installation de la figure 1, dans laquelle les deux postes peuvent être isolés l'un de l'autre par une cloison de sépa- ration pourvue d'un passage obturable; et - les figures 4 et 5 sont des vues en plan de l'installation de figure 3 montrant les deux positions extrêmes possibles du porte-substrats et de l'obturateur combiné avec lui. La figure 1 représente une installation de pul- vérisation cathodique 1 qui comporte deux postes 2 et 3 disposés l'un à côté de l'autre, dont le premier constitue à la fois un poste de chargement et un poste de gravure, tandis que celui dési- gné par 3 constitue un poste de dépôt de couches. Ces postes font partie d'une chambre à vide paralLélépipédique 4 dont la paroi supé- rieure 5 présente deux ouvertures circulaires 6 et 7. La première de ces ouvertures peut être fermée par un couvercle de chargement 8 qui peut être relevé et abaissé par un mécanisme de levage 9 et qui peut en outre être écarté latéralement par pivotement par un mécanisme de pivotement 10 et par l'intermédiaire d'un bras 11. L'autre ouverture circulaire 7 peut être fermée par une cathode de pulvérisation 12 qui est montée avec son réseau d'adaptation d'impédance 13 sur une bride de fermeture étanche 14, laquelle peut pivoter autour d'un axe excentré 15. Entre les ouvertures 6 et 7 se trouve un plan de symétrie, par rapport à ces deux ouvertures, qui est orienté verticalement et passe à peu près par la traverse 16 servant au renforcement de la paroi supérieure 5 de la chambre à vide. Dans ce plan de symétrie est situé l'axe vertical d'une monture de pivo- tement 17 qui fait saillie dans la chambre à vide 4 par une traver- sée isolée électriquement dans la paroi inférieure 18 de cette chambre. L'extrémité inférieure de la monture de pivotement n'est pas visible ici; elle est située à l'intérieur d'un carter 19 dans lequel est logé un autre réseau d'adaptation d'impédance. La monture 17 porte un bras radial 20 qui supporte un porte-substrats 21. En raison de l'isolation de la monture 17, le porte-substrats 21 peut être connecté à travers celle-ci à un générateur de haute fréquence. A la position représentée sur la figure 1, le porte-substrats 21 est situé coaxialement sous l'ou- verture 6, de sorte que les substrats 21 disposés sur lui sont visibles à travers cette ouverture. Lorsqu'on fait pivoter le couvercle de chargement 8 dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre au- dessus de l'ouverture 6 et lorsqu'on le fait descendre ensuite jusqu'à l'établissement d'une fermeture étanche au vide, une opération de gravure peut être effectuée dans le poste 2, pour laquelle le générateur à haute fréquence connecté à la monture de pivotement 17 fournit l'énergie nécessaire. Après cette opération de gravure, le porte- substrats 21 peut être amené coaxialement sous l'ouverture 7 par un pivotement dans le sens des aiguilles d'une montre au moyen de la monture 17. Lorsque la cathode de pulvérisation 12 a été pivo- tée à sa position de travail, les substrats 21 peuvent être soumis à cette position à-une opération de dépôt de couches. Dans l'exemple représenté, on voit en plus, à travers l'ouverture 7, un disque circulaire 23 qui sert de plateau de pulvérisation préalable. Sur ce plateau peuvent être précipitées, au début de l'opération de dépôt, les impuretés de&la surface de la cathode de pulvérisation 12. Pour céder ensuite sa place au porte- substrats 21, le disque circulaire 23 est monté sur un mécanisme de relevage 24 qui permet de faire descendre le disque sur une hauteur suffisante pour que le porte-substrats 21 puisse venir se placer juste au-dessus de lui. Sur la figure 2, des parties identiques à celles représentées sur la figure 1 portent les mêmes références. Cette figure fait ressortir, en combinaison avec la figure 1, que le porte-substrats 21 est réalisé sous forme d'un corps creux essen- tiellement cylindrique, dans le dessus duquel est disposé un plateau support 26 qui est parcouru de caneaux de refroidissement 25. Ce plateau présente un certain nombre de creux ou cuvettes non référencéspour le positionnement des substrats 21 à la position visible sur la figure 1. Les caneaux de refroidissement 25 commu- niquent avec un circuit de refroidissement 27 qui est seulement représenté ici symboliquement par une conduite à double coude mais qui est bien entendu constitué de deux conduites, pour l'aller et le retour, menant soit à un échangeur de chaLeur, soit à une dé- charge. Le terme "circuit de refroidissement" désigne ici n'importe quel système de guidage d'un fluide de refroidissement liquide à travers le porte-substrats 21. On voit que le circuit de refroidissement 27 passe par la monture de pivotement 17. La figure 2 montre également que le disque circulaire 23 est abaissé dans ce cas par rapport à sa position de la figure 1, de manière qu'il reste suffisamment de place entre ce disque et l'ouverture 7 pour le pivotement du porte- substrats 21 entre eux. La cathode de pulvérisation 12 porte sur son côté inférieur une plaque-cible qui est faite du matériau à pul- vériser et à déposer sous forme de couches sur les substrats. La surface de cette plaque-cible, qui n'est pas non plus référencée, est parallèle au plateau support 26. La cathode de pulvérisation 12 est également raccordée à un circuit de refroidissement 28, dont on voit une petite partie seulement. Les figures 1 et 2 montrent en outre une tubu- Lure d'aspiration 29 pour l'évacuation du système, de même qu'un bâti 30. La figure 3 représente une installation de pul- vérisation cathodique 31 qui est une variante de celle des figures 1 et 2 et comporte également deux postes 2 et 3 ayant la même fonction que dans le premier exemple. Le couvercle de chargement 8 et la cathode de pulvérisation 12 sont seulement représentés très schéma- tiquement. Dans cette variante, la liaison entre le porte-substrats 21 et la monture de pivotement 17, liaison par laquelle passe également le circuit de refroidissement, est réalisée par un bras 32 d'une forme différente, en ce sens qu'il est coudé dans un plan horizontal (figures 4 et 5). Entre les deux postes 2 et 3 se trouve dans ce cas une cloison 33 dans laquelle est ménagé un passage, lequel est fermé à la position visible sur la figure 3 par un obturateur 34 sous forme d'une plaque rectangulaire. Cet obturateur est appliqué contre un siège 35 qui est formé par le pourtour du passage dans la cloison et dont la forme correspond à peu près au pourtour de l'obturateur 34. Un second obturateur 36, correspondant au premier obturateur 34, est fixé de telle manière au bras coudé 32 qu'il s'applique de façon étanche au vide contre le siège 35 lorsque le porte-substrats 21 pivote du poste 2 (figure 4) dans le poste 3 (figure 5). Toute contamination transversale entre les postes 2 et 3 est ainsi exclue. On peut voir sur les figures que le bras coudé 32 passe au travers du second obturateur 36. Donc, le circuit de refroi- dissement non référencé traverse également le second obturateur, si bien que la circulation de fluide de refroidissement peut être maintenue tant dans Le poste 2 et dans le poste 3 que lors du trans- port entre eux. Le mouvement de transport est symbolisé par les arcs de cercle sur les figures 4 et 5. Comme masses conductrices e chaleur pour coller les substrats 22 sur le plateau support 26, on peut utiliser, par exemple, des métaux à bas point de fusion (Gallium; point de fusion = 28,6 C) ou des alliages à bas point de fusion (Indium/ Gallium; point de fusion = 15,9 C), mais aussi des pâtes orga- niques mélangées avec des poudres métalliques conduisant bien la chaleur (argent ou aluminium). R E V E N D I C AT I 0 N S 1. Installation de pulvérisation cathodique compor- tant au moins deux postes juxtaposés, dont un poste de chargement et un poste de gravure, pouvant être réunis en un seul poste, et un poste de dépôt de couches, une chambre à vide, au moins une cathode de pulvérisation et un porte-substrats déplaçable en va- et-viententre les postes, caractérisée en ce que le porte-subs- trats(21) est fixé en porte à faux, au moyen d'un bras (20, 32), à une monture de pivotement (17) qui fait saillie à l'intérieur de la chambre à vide (4) et en ce qu'un circuit à fluide de re- froidissement (27) est amené à travers la monture de pivotement jusque dans le porte-substrats. 2. Installation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le porte-substrats (21) est un corps creux essen- tiellement cylindrique, dans le dessus duquel est disposé un plateau support (26) sur lequel sont disposés les substrats et dans lequel sont ménagés des canaux de refroidissement (25). 3. Installation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le porte-substrats (21) est monté isolé électri- quement vis-à-vis de la chambre à vide et connecté à un généra- teur à haute fréquence. 4. Installation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que la chambre à vide (4) est parallélépipédique et présente dans sa paroi supérieure (5) deux ouvertures (6, 7), dont l'une peut être fermée.par la cathode de pulvérisation (12) et l'autre par un couvercle de chargement (8), et que l'axe de la monture de pivotement (17) est situé dans un plan de symétrie vertical passant entre les ouvertures (6, 7). 5. Installation selon la revendication 4, caracté- riséeen ce qu'un disque circulaire (23) servant de plateau de pulvérisation préalable est disposé relevable et abaissable dans l'ouverture (7) pour la cathode de pulvérisation (12). 6. Installation selon la revendication 1, caracté- riséeen ce que les deux postes (2, 3) sont séparés par une cloison (33) présentant un passage dont le bord forme un siège (35) pour un premier obturateur (34) et que le bras (32) supportant le porte- substrats(21) est pourvu d'un second obturateur (36) qui est appliqué contre ledit siège (35) au pivotement du porte-substrats (21) dans le poste de dépôt de couches (3). 7. Installation selon la revendication 6, caracté- risée en ce que le bras (32) supportant le porte-substrats (21) est coudé dans un plan horizontal.