Brevet FR2589168A1 — publié le 19870430

La présente invention a pour objet un appareil et un procédé d'utilisation de celui-ci pour la formation de films minces au moyen d'un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma. Ce type d'appareil permet le dépôt d'une grande variété de matériaux sous forme de films minces par décom- positiondans une enceinte sous pression réduite, d'un ou de plusieurs gaz réactifs dilués ou non dans un ou plusieurs gaz porteurs. La décomposition est induite par décharge élec- trique dans le gaz. De façon plus spécifique, l'appareil, pour la for- mation de films minces au moyen d'un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma, comporte une enceinte sous pression réduite, dans laquelle est enfermé au moins un gaz réactif, au moins un substrat en forme de plaque support du film mince et au moins une électrode polarisée en forme de plaque, géné- ratrice du plasma. Divers travaux ont été effectués sur ce type d'appareil. La technique propose notamment un appareil, comprenant une enceinte sous pression réduite dans laquelle sont disposées une plaque support, appelée substrat, sur laquelle viendra se déposer le film mince après décomposition des gaz réactifs et une plaque pleine, polarisée et située en regard dudit substrat, reliée à une source de radio-fréquence. Le substrat et l'enceinte sont généralement reliés à la masse. Cependant l'efficacité de ce type d'appareil, c'est-à-dire la quantité de matière effectivement déposée sur le substrat par rapport à La quantité de matière utilisée, et son rendement énergétique sont relativement faibles et dépendent de la géométrie de L'appareiL. En outre, celui-ci doit être conçu pour permettre une maintenance aisée car les électrodes et les autres parois de L'appareil se recouvrent d'une épaisseur croissante de dépôt qu'il convient d'éliminer régulièrement soit par une méthode de gravure par plasma (décapage), soit par l'interven- tion d'un opérateur. En effet, le film, formé par la décom- position des gaz réactifs se dépose non seulement sur le substrat, mais aussi dans l'ensemble de l'enceinte. L'invention a pour objet de résoudre les difficul- tes sus-mentionees. - A cet effet, conformément à l'invention, l'enceinte comporte un espace ménagé entre deux plaques supports dispo- sées sensiblement parallèlement l'une à l'autre et entre lesquelles est disposée, au moins, une électrode polarisée. De cette façon, l'appareil est très compact et conduit à un rapport volume de l'appareil sur surface déposée très favorable. D'autre part, cette configuration se prête à une très bonne uniformité de dépôt. Avantageusement, la ou les électrodes se présentent sous forme de grilles. L'avantage de cette configuration est que l'essentiel du matériau se dépose effectivement sur les substrats, supports du film mince, et non pas sur d'autres parois de l'appareil ou sur l'électrode. L'invention s'applique également à un procédé d'utilisation de l'appareil dans lequel une méthode de cir- culation des gaz par pompage permet de limiter considérable- ment le problème et de contamination. Cette contamination est due en particulier aux impuretés de vide résiduel et auxdépôts par diffusion dans la chambre qui entoure l'enceinte. L'invention, ses caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 montre, schématiquement et en coupe, l'enceinte qui comporte, notamment, Les substrats et une électrode, - la figure 2 montre un schéma d'appareil présen- tant deux contre-électrodesdeux:substrats et une électrode centrale, - la figure 3 montre, schématiquementun appareil présentant deux substrats et trois électrodes, - la figure 4 montre, schématiquement, un appareil présentant deux substrats et deux électrodes, - la figure 5 montre, schématiquement, un appareil présentant deux contre-électrodes, deux substrats et une électrode centrale, - la figure 6 présente l'enceinte de la figure 1 située dans la chambre étanche. En se reportant, tout d'abord, à la figure 1 l'appareil, repéré dans son ensemble 1, comporte une enceinte 2, dans laquelle arrivent, par un conduit 8 d'alimentation, les gaz réactifs débouchant avantageusement dans l'enceinte par une ouverture située à l'extrémité longitudinale avant 12 de L'enceinte. L'enceinte 2, qui a la forme générale d'un paral- lèlépipède creux, se trouve obturé vers son extrémité longi- tudinale avant 12 par un premier étranglement 10 et vers son extrémité longitudinale arrière 13 par un second étrangle- ment 11. Les gaz se trouvant dans l'enceinte 2 sont évacués à l'extrémité arrière 13 par le conduit 9. Sur la figure on a repéré par les lettres AV et AR le côté respectivement "avant" et "arrière" de l'enceinte en faisant référence à la circulation des gaz dans l'appareil tel que schématisé par les flèches. Dans l'exemple illustré, deux plaques supports du film 4 et 5, les substrats, sont logées dans les parois laté- rales de l'enceinte 2 et disposéessensiblement parallèlement l'une à L'autre. Les substrats 4 et 5 comportent chacun sur leur face arrière, c'est-à-dire sur la face sur Laquelle ne se déposera pas le film généré par les gaz réactifs, une contre-électrode 6, 7. Pour permettre que l'esse ntiel du matériau se dépose effectivement sur les substrats 4 et 5, l'enceinte 2 comporte un espace 14 ménagé entre lesdits subs- trats dans lequel est disposée, de façon sensiblement centra- le, une électrode 3. Avantageusement l'électrode 3 et les contre-électrodes 6 et 7 se présentent sous forme de grille. En se référant à la figure 6, on voit que l'encein- te 2 est disposée dans une chambre étanche 15 dont le volume est supérieur à celui de l'enceinte 2 et dans laquelle règne une pression inférieure à celle de ladite enceinte. Le gaz sous pression réduite de la chambre 15 est évacué par le conduit 16 dans le sens indiqué par la flèche. Conformément à la figure 2, qui est une représen- tation schématique du principe retenu à la figure 1, les substrats sont à la masse par l'intermédiaire des contre- électrodes 6,7, et l'électrode centrale 3 reçoit la puissance électrique génératrice du plasma. La tension V appliquée peut être continue, alternative, voire alternative pulsée. La distance entre les substrats peut varier selon les utili- sations mais le système ne garde son intérêt majeur que lorsque l'espacement entre les substrats reste inférieur ou de l'ordre des dimensions longitudinales et transversales de l'appareil. En outre, plus la "transparence" de l'élec- trode est grande, c'est-à-dire plus les espaces ménagés dans sa structure sont importants, plus le rendement rela- tif au dépôt de matière augmente. Il est à noter que cette transparence de l'électrode peut cependant varier selon le dépôt recherché et l'environnement retenu. Les cas extrêmes sont de la tôle pleine, jusqu'à quelques fils tendus en forme de grille sur un cadre léger. Si la décharge génératrice de plasma est alimentée par un générateur continu ou éventuellement alternatif, soit les substrats 4 et 5 doivent être conducteurs et assurer la fonction de deuxième électrode, soit si les substrats sont isolants ou si l'on souhaite éviter le bombardement du substrat par des particules accélérées, on utilise avanta- geusement trois électrodes, 3, 23 et 33 en forme de grille. L'électrode centrale 3 est alors polarisée par rapport aux deux autres 23 et 33, entre lesquelles est établie une tension V:, tel qu'illustré figure 3. Dans le cas o la polarisation est réalisée en radio-fréquence, tension alternative, on peut utiliser deux électrodes destinées 3 et 23, entre lesquelles on établira une tension V2, tel qu'illustré figure 4. Il est à noter que dans les différents cas o la décharge est alimentée en tension alternative, l'autre électrode peut être assurée par les substrats 4 et 5 ou s'ils sont isolants par des plaques ou grilles, les contre- électrodes 6 et 7, placées directement sur la face arrière des substrats. Les différents types de fonctionnement préconisés ci-dessus tendent àlimiter l'importance du bombardement ionique, lequel, dans beaucoup de cas est défavorable, mais il existe des matériaux (carbone amorphe pour l'iptique, couche d'accrochage, etc) pour lesquels un bombardement ionique est souhaitable. Dans un tel cas il suffit, selon l'invention, d'utiliser des plaques électrodes pleines. Dans le cas o les substrats et les dépôts de films sont conducteurs, on peut les polariser négativement par rapport à la ou les autres électrodes. Sinon, on peut brancher antisymétriquement les deux contre-électrodes (fig. 5) disposées derrière les substrats, aux bornes d'une source radiofréquence de puissance. On génère donc une tension V3 et l'on alimente alors, notamment par un générateur alter- natif, la décharge génératrice de plasma sur la (les) électrodes. Selon l'invention, on peut déposer une grande variété de matériaux sous forme de film mince, par décompo- sition dans une enceinte sous pression réduite, d'un ou de plusieurs gaz réactifs dilués ou non dans un ou plusieurs gaz porteurs. La décomposition étant induite par décharge électrique dans le gaz. Les semi- conducteurs déposés peuvent être dopés par adjonction dans le mélange de gazd'un gaz transporteur de l'élément dopant. Les propriétés du matériau dépendent en général fortement de la pureté chimique du milieu réactant et du bombardement ionique (flux, énergie) auquel est soumis le film pendant sa croissance. Voici quelques exemples de matériaux et de gaz générateurs: Semiconducteurs Gaz Silicium amorphe hydrogéné SiH4, Si2H6 As Ga Ga (CH3)3, AsH3 Alliages divers CH4, SiH4, GeH4, SiF4 Isolants Silice SiH4, 02, N20 Nitrure de silicium SiH4, N2, NH3 Polymères Gaz monomères Conducteurs Métaux Organométalliques En se référant aux figures 1 et 6, on note que les gaz réactifs sont injectés dans l'enceinte 2 et ren- contrent un premier étranglement 10, appelé aussi réparti- teur, qui permet une distribution homogène des gaz dans l'enceinte. Après séjour en présence du plasma de déposi- tion, les gaz qui sont évacués par le conduit 9 passent dansun deuxième étranglement 11 pour ajuster leur pression. L'évacuation des gaz est généralement réalisée par pompage. Les fuites de gaz de l'enceinte vers la chambre étanche ainsi que le dégazage de la chambre, des parois extérieures de l'enceinte, des systèmes de chauffage et autres mécanismes présents dans la chambre, sont évacués généralement par une pompe à vide, qui est dimensionnée pour maintenir la pression résiduelle dans la chambre à un niveau très inférieur à celui de l'enceinte. Aussi, la figure 6 présente une chambre étanche adaptée à la géométrie de l'en- ceinte. Diverses variantes peuvent être apportées au mode de réalisation illustré et décrit. C'est ainsi que l'on peut prévoir une ou plu- sieurs électrodes se présentant sous forme de plaques perforées planes dont on adapte les dimensions des ori- fices de passage en fonction du rendement et du dépôt recherché. Par ailleurs, on notera que dans le mode de fonctionnement de la figure 2, on n'a représenté qu'une seule électrode (3). Cependant, on peut prévoir plusieurs électrodes, tel que montré figure 3 ou figure 4. On peut, notament, en se référant à la figure 4, prévoir deux élec- trodes (3, 23) de polarité opposée, soumises à une décharge électrique génératrice de plasma et disposées entre deux substrats (4,5) reliés à la masse. REVENDICATIONS 1. - Appareil pour la formation de films minces au moyen d'un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma comportant une enceinte sous pression réduite, dans La- quelle est enfermé au moins un gaz réactif, au moins un substrat en forme de plaque support du film mince et au moins une électrode polarisée en forme de plaque, généra- trice du plasma, caractérisé en ce que l'enceinte (2) com- porte un espace (14) ménagé entre deux telles plaques sup- ports (4,5) disposées sensiblement parallèlement l'une à l'autre et entre lesquelles est disposé au moins une telle électrode polarisée (3). A- Appa-reil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la ou lesdites électrodes (3) se présen- te(nt) sous forme de grilles. 3. - Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la ou lesdites électrodes (3) se présen- te(nt) sous forme de plaques perforées. 4. - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une électrode polarisée (3) est disposée entre deux telles plaques sup- ports (4,5) comportant chacune une contre-électrode (6,7) polarisée antisymétriquement à la ou lesdites électrodes (3) et disposée sur une face de ladite plaque (4,5) sur laquelle ne s'effectue pas le dépôt. 5. - Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que deux électrodes de polarité opposée(3,2Zsont disposées entre deux telles pla- ques supports (4,5) reliées à la masse. 6. - Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que trois électrodes (3,23,33) sont disposées entre deux telles plaques support (4,5), l'élec- trode centrale (3) étant polarisée par rapport aux deux autres (23,33) entre lesquelles est appliquée une tension (V1). 7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite enceinte (2) comprend vers l'extrémité longitudinale avant (12) un premier étranglement (10) et vers l'extrémité longitudi- nale arrière (13) un second étranglement (11), destiné à améliorer l'écoulement de la vapeur chimique dans ladite enceinte (2). 8. - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite enceinte (2) est disposée dans un chambre étanche (15) dans laquelle règne une pression inférieure à celle de ladite enceinte (2). 9. - Procédé d'utilisation d'un appareil pour la formation de films minces au moyen d'un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce quesuivant les modalités de dépôts recherchéeston polarise au moins une électrode (3,23,33) disposée entre deux plaques sup- ports (4,5) et on polarise antisymétriquement, ou on ne polarise pas, l'une au moins desdites plaques support (4,5). 10. - Procédé d'utilisation selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce que l'on polarise, antisymé- triquement à l'une au moins desdites électrodes (3,23,33), des contreélectrodes (6,7) dont on pourvoit lesdites plaques support (4,5). 11. - Procédé d'utilisation selon la revendica- tion 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce qu'on polarise antisymétriquement chacune desdites plaques (4,5) en les reliant aux bornes d'une source radio-fréquence de puissance et on soumet au moins l'une desdites électrodes (3,23,33) à une décharge génératrice de plasma, de façon à obtenir un bombardement ionique. 12. - Procédé d'utilisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'on réalise un vide plus poussé dans ladite chambre étanche (15) que dans ladite enceinte (2) dans laquelle circule au moins un gaz réactif.