Brevet FR2600269A1 — publié le 19871224

PR XEDE ET AGENCEXENI POUR PULVERISER UNE MATIERE PAR DECHARGE A HAUTE FREQUENCE La présente invention se rapporte à un procédé et un agencement 5 pour pulvériser une matière à haute fréquence, avec au moins deux électrodes dont au moins une porte la matière à pulvériser et au moins une autre constitue la contre-électrode. Dans les agencements de pulvérisation, pour accroître la densité du plasma dans l'espace de pulvérisation, on utilise déjà depuis 10 longtemps des champs magnétiques. On a d'abord développe des agencements pour la pulvérisation en courant continu, lors de laquelle la direction de la pulvérisation est clairement définie par la polarité du champ électrique. C'est toujours la cathode, chargée négativement, qui est pulvérisée et, pour cette raison, on parle souvent de 15 pulvérisation cathodique". A l'aide de champs magnétiques dans l'espace de décharge, on peut allonger les trajectoires des électrons et accroître ainsi le nombre des ions produits par électron. Le brevet americain 4 166 018 (Chapin) a décrit pour la première fois un agencement avec électrodes planes, l'agencement dit "magnétron planar", 20 dans lequel les lignes de champ magnétique sortent de la surface cathodique et rentrent dans celle-ci, en formant donc un genre de tunnel au-dessus de la surface cathodique. Les électrons du plasma sont d'une certaine manière enfermés dans ce tunnel et sont réfléchis par la cathode chargée négativement. Si le tunnel de champ magnétique 25 sur le plan cathodique est en outre fermé en soi, la majeure partie des électrons à l'intérieur du tunnel peut être maintenue sur une trajectoire sans fin. Un tel agencement offre une possibilité très économique de pulvérisation cathodique par tension continue. Il est également connu de pulvériser par haute fréquence. Dans 30 ce cas, bien que la tension haute fréquence utilisée ait une polarité constamment changeante, il y a néanmoins une direction préférentielle de pulvérisation, l'expérience montrant que c'est toujours du côté de la plus petite surface d'électrode que la pulvérisation a lieu de préférence (voir "IBM J. Res. Develop.", Mars 1970, page 168). 35 Toutefois, la pulvérisation n'est pas rigoureusement limitée au côté de la plus petite électrode, et il y a aussi, en même temps, une pulvérisation de la plus grande surface d'électrode si la différence entre le potentiel du plasma et le potentiel de la plus grande électrode excède le seuil d'arrachement. Plus le rapport de la plus 5 grande à la plus petite surface d'électrode est élevé, plus il y a de pulvérisation simultanée depuis la plus grande surface d'électrode, jusqu'à ce que, pour un rapport de 1:1, aucune des deux surfaces ne présente plus de caractère préférentiel pour ce qui est du sens de la pulvérisation. Avec les agencements assistés par champ magnétique 10 connus dans Z'art antérieur (champ magnétique sur la plus petite électrode, celle à pulvériser), il peut encore y avoir une pulvérisation de la plus grande électrode, même en présence de rapports de surfaces de 10:1. Pour obtenir que les deux électrodes dans une chambre à vide 15 aient un rapport de surfaces tel que, lors de la pulvérisation sous haute fréquence, on soit assuré que la pulvérisation ne se produira pratiquement que d'un côté, on a souvent utilisé, dans l'art antérieur, la paroi-même de la chambre à vide comme contre-électrode dont la surface est sensiblement supérieure à dix fois celle de l'électrode 20 portant la matière à pulvériser, de sorte qu'il n'y avait plus à craindre une pulvérisation de la paroi de la chambre. Une autre possibilité décrite dans le brevet américain 3 661 761 consiste à munir de protubérances celle des électrodes qui, dans la chambre à vide, ne doit pas être pulvérisée, afin d'accroître sa 25 surface par rapport à celle de l'électrode portant la matière à pulvériser. Egalement lors de la pulvérisation HF, on a déjà utilisé des champs magnétiques pour accroître la densité du plasma, afin d'obtenir des taux de pulvérisation plus importants. Un tel agencement est 30 décrit par exemple dans le brevet américain US-PS 3 369 991. Dans l'agencement représenté sur la figure 1 de ce brevet, il y a, en face de l'électrode 22 portant la matière T à pulvériser, un dispositif 80 faisant office de contre- électrode et servant de support pour les substrats à revêtir, et des aimants 90 sont prévus dont les lignes de 35 - champ traversent pratiquement perpendiculairement aussi bien les substrats que la surface-cible I d'ou la pulvérisation doit avoir lieu. Pour assurer que seule cette dernière surface sera pulvérisée, les surfaces qui présentent le même potentiel que le dispositif-support sont, là encore, plus grandes, au moins le fond métallique de la 5 chambre à vide opérant en plus, à côte d'autres parties mises à la terre, en tant que surface d'électrode. De la figure i du brevet américain précité, on peut déduire que la totalité des surfaces d'électrode ne devant pas être pulvérisées, mises à la terre, est, par rapport à la totalité de la surface d'électrode T portant la matière à 10 pulvériser, - dans un rapport qui est certainement sensiblement supérieur à 10:1, de sorte qu'une pulvérisation n'a lieu que depuis la dernière surface mentionnée. Comme indiqué, lors de la pulvérisation HF, si le rapport des surfaces des électrodes est supérieur à 10:1, il n'y a plus lieu de 15 redouter une pulvérisation substantielle de la plus grande surface d'électrode. Dans le domaine compris entre 10:1 et environ 5:1, un effet perturbateur peut se produire, notamment si l'on opère avec des tensions de pulvérisation élevées. En technique des semi-conducteurs, et souvent aussi lors de la réalisation de minces couches pour 20 applications optiques, la pulvérisation des deux électrodes n'est déjà plus admissible avec des rapports de surface supérieurs à 5:1, et même avec un rapport inférieur, du fait du risque de souillure des surfaces à ouvrer ou des couches à leur appliquer. Une pulvérisation bilatérale conduit aussi à un rendement sensiblement plus faible, puisqu'une 25 partie de l'énergie de la décharge gazeuse est consommée par la pulvérisation indésirable de la contre-électrode. Par le brevet britannique 1 358 411, il est connu, dans le cas d'une installation de pulvérisation haute fréquence entre deux électrodes dont l'une porte une matière à pulvériser et l'autre porte 30 un substrat qui doit être revêtu, de maintenir un faible champ magnétique axial (qui facilite la décharge gazeuse à de faibles pressions) et, afin de protéger le substrat, ou la couche croissant sur celui-ci, contre le bombardement électronique, de produire immédiatement en avant de la table de travail portant le substrat, un 35 champ magnétique supplémentaire relativement fort, dont les lignes de force forment des arceaux au-dessus de la surface du substrat. Typiquement, le premier champ magnétique nommé possède une intensité de 100 Gauss seulement, tandis que le deuxième champ magnétique possède une densité de flux de 1000 Gauss. La coopération des deux champs a pour effet que les électrons formés dans la décharge gazeuse sont déviés de la région centrale de la table de travail (o se trouvent les substrats), et que le bombardement électronique des substrats est ainsi éliminé. Toutefois, avec cet agencement connu, si le rapport des surfaces des électrodes est inférieur à 10:1, la 10 suppression Ce la co-pulvérisation et de la plus grande des deux électrodes n'es' plus possible. La présente' invention a pour but d'indiquer un procédé et un agencement pour pulvériser une matière au moyen de haute fréquence, dans lesquels la co-pulvérisation de la plus grande surface d'électrode 15 sera éliminée en quasi totalité, même en présence de rapports de surfaces défavorables. Avec le procédé- selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la densité de flux magnétique dans une région -de la contreélectrode est établie de manière qu'un piège à électrons se forme 20 devant celleci. L'action de l'agencement de champ magnétique selon l'invention, ayant pour effet de supprimer la pulvérisation de la contre-électrode & plus grande surface, repose sur le fait qu'un piège à électrons est formé par des lignes de champ magnétique sortant de la contre25 électrode et y rentrant en formant des arceaux au-dessus d'elle (un piège analogue est formé au-dessus de la cathode dans les agencements antérieurs de pulvérisation sous tension continue). On obtient ainsi un accroissement substantiel de la densité des porteurs de charge devant l'électrode ne devant pas être pulvérisée et, de manière surprenante, 30 cela ne conduit pas à une pulvérisation accrue de cette électrode (ainsi qu'il y aurait eu lieu de s'y attendre sur la base de l'action connue, accroissant fortement le taux de pulvérisation, d'un piège magnétique à électrons devant la cathode, dans le cas des agencements à magnétron planar>. Au contraire, cela conduit à une suppression 35 poussée de la pulvérisation, ce qui est confirmé par l'expérience au moyen du dispositif ou agencemernt selon l'invention, Cela peut être éventuellement expliqué par le fait que la densité accrue des porteurs de charge devant la surface ne devant pas être pulvérisée a pour effet qu'il y a une chute de tension sensiblement plus faible que celle qu'il 5 y aurait sans la présence de ce champ magnétique. Ainsi, la pulvérisation de ce côté d'électrode peut être pratiquement tout à fait éliminée. Il n'y a plus de pulvérisation, même avec un rapport de la surface de la plus grande électrode à la surface de la plus petite électrode inférieur à 10:1. Ce n'est que si le rapport de la surface de 10 l'électrode ne devant pas être pulvérisée à la surface de l'électrode à pulvériser est inférieur à 1:1 que la pulvérisation sous haute fréquence de l'électrode la plus petite ne peut plus être évitée par un champ magnétique. Cette dernière situation existe dans les agencements a magnétron planar o la surface à pulvériser est sensiblement plus 15 petite que la paroi intérieure de la chambre de pulvérisation, servant de contre-électrode. Alors que, dans le cas de la pulvérisation cathodique sous tension continue, le piège à électrons devant la cathode sert à accroître le taux de pulvérisation, le piège à électrons selon l'invention empêche la pulvérisation du côté de la plus grande 20 électrode. Cette inhibition repose sur une modification de la distribution de potentiel dans l'espace de décharge. Avec un dimensionnement approprié (figure 1) de la distribution du champ magnétique et de la géométrie de l'espace de décharge, on peut obtenir, avec l'agencement d'aimant selon l'invention, les 25 avantages connus d'une décharge HF renforcée par champ magnétique, cela même avec des rapports de surfaces très défavorables. Cela concerne en premier lieu les débits assez élevés sur la surface à pulvériser, en présence de tensions de décharge et de pressions de gaz assez faibles. On peut aussi établir des profils d'enlèvement très 30 homogènes sur la surface à pulvériser, ce qui n'était possible jusqu'à présent qu'avec des champs magnétiques déplacés par rapport à cellesci. Xême avec des agencements connus (champ magnétique dans la région de la surface à pulvériser), l'invention permet d'éviter 35 sûrement la pulvérisation de l'électrode ayant la plus grande surface. Pour optimaliser la conduite du procéde selon l'invention, il est recommandé d'établir la densité de flux. magnétique dans la région de la contre-électrode, de manière que la densité du plasma dans le piège à électrons créé sous l'effet du champ magnétiqure soit d'au moins 1/3 5 plus grande que la densité du plasma qui existerait au môme endroit, dans des conditions identiques, toutefois sans l'action du champ magnétique. En mesurant la densité du plasma une première fois avec champ magnétique et une deuxième fais sans champ magnétique, toutes autres conditions étant par ailleurs égales, on peut donc déterminer si 10 le réglage d. champ magnétique est correct. Un autre paramètre très utile pour le réglage est la tension continue existant en tant que différence de 3. otentiel entre la contre-électrode et le plasma dans l'espace de décharge. Le dimensionnement du champ magnétique doit être tel que cette différence de potentiel de tension continue prenne une 15 valeur inférieure à 100 V. Dans l'agencement prévu par l'invention, comportant au moins deux électrodes dont au moins une porte la matière à pulvériser et une autre constitue la contre-électrode ne devant pas étre pulvérisée, et des aimants pour produire un champ magnétique dans la région de la 20 contre-électrode, lesquels sont agencés de manière qu'une partie substantielle des lignes de champ magnétique sorte de la surface de la contre-electrode et y rentre en formant des arceaux au-dessus de la surface de cette contre-électrode, le rapport F/F' de l'ensemble de la surface F de contre-électrode participant activement à la décharge à 25 l'ensemble F' des surfaces d'électrode portant la matière à pulvériser est au maximum de 10:1. Avantageusement, le rapport 11/q de la somme I| des valeurs absolues des flux magnétiques traversant la surface de contre électrode à la somme # des flux magnétiques traversant la surface de contre-électrode, ces derniers étant pris en compte avec 30 leur signe, est supérieur à 2:1. Parmi les différents modes possibles de réalisation de l'agencement, l'invention prévoit notamment que: - les électrodes enferment pratiquement tout l'espace de décharge, à l'exception des interstices servant à la mise sous vide et 35 à l'isolement électrique mutuel; - à l'électrode portant la matière à pulvériser est également associé un aimant dont les lignes de force, au moins pour une partie d'entre elles, sortent de cette électrode et y rentrent. On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation 5 particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée par les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une installation de décapage dans laquelle les surfaces à pulvériser sont au potentiel de la terre, et la contre-électrode exposée à des lignes de champ magnétique en forme d'arceaux ou de tunnel est reliée à la tension alternative à haute fréquence; - la figure 2 représente schématiquement un agencement dans lequel la haute fréquence est appliquée au côté à pulvériser, tandis que la contre-électrode ne devant pas être pulvérisée est constituée par la paroi de la chambre à vide mise à la terre; et - la figure 3 représente le schéma d'une installation dans 20 laquelle la surface active de l'électrode à pulvériser est de même taille que la surface de la contre-électrode. Sur la figure 1, la référence 1 désigne la chambre à vide qui est constituée d'une partie supérieure 2 et d'un fond 3 et qui peut être mise sous vide par la tubulure d'aspiration 4 à laquelle est 25 raccordée une pompe à vide. Du côté tourné vers l'espace sous vide, la plaque de fond 3 est réalisée en tant qu'électrode 5 portant le substrat 5' à pulvériser, c'est-à-dire ici à décaper, lequel est en visà-vis de l'électrode 6 en forme de hotte constituant une électrode conjuguée, dite "contreélectrode", non destinée à être pulvérisée. Lors 30 du fonctionnement, cette dernière est raccordée, par l'intermédiaire d'un condensateur 8, à une source haute fréquence externe par l'amenée de tension haute fréquence 7 traversant la paroi de la chambre de manière étanche au vide. On peut en outre voir sur la figure 1 que la chambre à vide est entourée par un électroaimant ou un aimant 35 permanent 9 dont les lignes de champ pénétrant dans la chambre g forment sur le coté intérieur de la partie cylindrique 11 de l'électrode 6, des arceaux formant tunnel au sens de l'invention, au moins une partie essentielle des lignes de forces 10 sortant de la surface 11 et y rentrant. Le dispositif de traversée pour amenée de tension haute fréquence 7 présente un conducteur 12 portant la tension, supporté par une plaque isolante 13 qui est elle-même raccordée par vissage, de manière étanche au vide, à une ouverture de la paroi 1 de la chambre, au moyen d'un anneau à bride 14, et en utilisant un anneau d'étanchéité 10 15. Le condu: -ur 12 traverse l'ouverture et pénètre dans la chambre o il est aménrgé en tant que support 17 de l'électrode 6. L'isolateur 18 et l'écrou métallique 19 servent à appuyer l'anneau d'étanchéité 23 contre le conducteur 12 et la plaque isolante 13. L'agencement décrit peut être utilisé pour ouvrer et traiter 15 séquentiellement des galettes ou plaquettes individuelles dans une installation de production de semi-conducteurs. Avec cet agencement, il s'agit d'enlever de la surface des plaquettes, par décapage, quelques dizaines de nm d'oxyde avant que le revêtement proprement dit ait lieu dans la même chambre à vide. Avec l'agencement selon la figure 1, 20 on a obtenu des taux de décapage excédant 30 nm/min pour le Si02 sur une plaquette de silicium. Un point décisif est que l'on atteint alors, sur une plaquette de 15,24 cm (6 pouces) une régularité meilleure que 5 %, et qu'avec une densité de puissance d'environ 1,2 W/cms il y a une tension d'autopolarisation de seulement 600 Vc (600 Volts de tension continue), dans une décharge à 13,56 XHz dans l'argon sous une pression de 0,5 Pa (!), Jusqu'& présent, on ne pouvait obtenir des taux de décapage à peu près identiques, de l'ordre de 30 nm/min, qu'avec des tensions extrêmement élevées, de l'ordre de 2 kV, et des pressions d'environ 30 1 Pa. L'emploi de telles hautes tensions/hautes pressions représentait dans l'art antérieur, lors de la fabrication de semi- conducteurs, un problème qui s'avère maintenant résolu par l'invention. Dans le cas de l'agencement décrit, on a mesuré, pour la contreélectrode, celle ne devant pas être pulvérisée, un rapport I1/0 de par 35 exemple 3, 5, 11 ayant une valeur de 7 x 10-4Vsec et 0 une valeur de 2 x 10-4Vsec. La détermination de ces flux magnétiques a été faite par des mesures ponctuelles sur l'ensemble de la surface de l'électrode, au moyen d'une sonde de Hall (par exemple Gauss-mètre Bell, modèle 620). Cela est présenté dans le tableau suivant qui montre aussi deux autres exemples. Exemple Ili il/ il 1 7 2 3,5 I' 2 7,5 1,5 5 NI 3 8,7 0,3 29 (Tous les flux magnétiques indiqués sont en 10-,Vsec, c'est-à-dire en -,Weber; 1 Wb = 1 Vs). La difference de potentiel entre le plasma dans l'espace de 15 décharge et l'électrode à pulvériser peut être mesurée pour fournir une mesure de l'effet obtenu grâce à l'agencement de champ magnétique selon l'invention. Dans les trois cas cités en exemple, cette différence de potentiel était inférieure à 100 Volts. Pour illustrer une autre configuration possible, la figure 1 20 montre qu'un aimant 20 peut aussi être agencé derrière (en dessous de) l'électrode 5 portant les substrats à pulvériser, afin d'obtenir en plus, de cette manière, un effet analogue accroissant les taux de pulvérisation, comme dans les dispositifs de pulvérisation cathodique à tension continue connus renforcés par champ magnétique. Dans ce cas, 25 des lignes de champ magnétique en forme de tunnel sont aussi produites au- dessus des surfaces d'o la pulvérisation doit partir, ces lignes de champ provoquant une concentration accrue des porteurs 'de charge et par conséquent, comme déjà indiqué, un taux de pulvérisation accru. Comme la surface 5 de l'électrode, ou encore la surface du 30 substrat à pulvériser, est plus petite que la surface de la contreélectrode, il y a alors dans tous les cas une pulvérisation qui ne peut pas être inhibée par le champ de l'aimant 20. Toutefois, dans cet agencement aussi, une éventuelle pulvérisation de la contre-électrode 6 est, grâce à l'invention, évitée par le champ magnétique 10. Sur les figures 2 et 3, les pièces ou parties assumant la même fonctior, du p__..t de vue de l'invention sont munies- des mêmes références: Z désigne l'électrode portant les surfaces à pulvériser, et 26 désigne l'électrode conjuguée dite contre-électrode, qui ne doit pas être pulverisée, à proximité de laquelle sont agencés des aimants 5 27 dont au moins une partie des lignes de champ 28 sortent de ladite électrode et rentrent de nouveau dans celle-ci, donc forment un tunnel au-dessus de la surface d'électrode. La paroi de la chambre est désignée par la référence 29, la tubulure de mise sous vide par la référence 30, l'amenée de haute fréquence par la référence 31, et le 10 générateur haute fréquence par la référence 32. Sur' la figure 2, la partie inférieure de la paroi de la chambre constitue la contreélectrode qui ne doit pas être pulvérisée. Par contre, sur la figure 3, la partie inférieure de la paroi de la chambre est l'électrode à pulvériser, ou le support de la matière à pulvériser. L'agencement 15 selon la figure 3 se distingue aussi de celui selon la figure 2 par le fait que la surface active d'électrode à pulvériser et la contreélectrode ont des dimensions de surface égales. Toutefois, grâce à l'agencement, selon l'invention, d'un aimant derrière la contreélectrode, toute pulvérisation de celle-ci est évitée (alors que, dans 20 l'état antérieur de la technique, les deux électrodes étaient soumises à une pulvérisation si elles avaient des surfaces égales, lors de l'utilisation de haute fréquence). Dans la présente description, les mots "électrode active" désignent des parties d'électrode parcourues par le courant de 25 décharge. Il est opportun que le côté arrière des électrodes, celui non tourné vers l'espace de pulvérisation, soit muni d'écrans, comme par exemple 33 sur la figure 2, ce qui supprime (de manière connue) la décharge du côté arrière. Pour de tels écrans dits "anti-effluve", on peut aussi utiliser des parties de la paroi de la chambre, comme 30 représenté sur les figures 1 et 3. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la 35 réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses l1 éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques dies moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. RBVENICAT IONú 1. Procedé de pulvérisation d'une matière par décharge à haute fréquence entre au moins deux électrodes (5,6,11; 25,26) dont au moine 5 une (5; 25) porte la matière à pulvériser et l'autre constitue la contre-électrode ne devant pas être pulvérisée, un champ magnétique étant produit dans la région de cette contre-électrode, les lignes de ce champ suivant, pour leur partie essentielle, des trajets sortant de la contre-électrode et y rentrant, en formant des arceaux au-dessus de 10 cette contre--e.ectrode, caractérisé par le fait que la densité de flux magnétique (10. 28) dans une région de la contre-électrode (6, 11, 26) est établie de manière qu'un piège à électrons se forme devant celleci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 15 la densité de flux magnétique dans la région de la contre-électrode (6,11;26) est établie de manière que la densité de plasma dans le piège à électrons résultant de l'action du champ magnétique soit dau moins un tiers plus grande que la densité de plasma qui, dans les mêmes conditions, toutefois sans l'action du champ magnétique, 20 existerait au même endroit. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le champ magnétique est établi de manière que la différence de tension continue entre la contre-électrode (6, 11., 26) et le plasma dans la chambre de décharge prenne une valeur inférieure à 100 V. 4. Agencement pour pulvériser une matière au moyen de haute fréquence, comportant au moins deux électrodes (5, 6,11; 25, 26) dont au moins une (5; 25) porte la matière à pulvériser et une autre (6,11; 26) constitue la contreélectrode ne devant pas être pulvérisée, et des aimants (9; 27) pour produire un champ magnétique dans la région de 30 la contre-électrode, lesquels sont agencés de manière qu'une partie substantielle des lignes de champ magnétique (10) sorte de la surface de la contre-électrode et y rentre en formant des arceaux au-dessus de la surface de cette contreélectrode, caractérisé par le fait que le rapport F/F' de l'ensemble de la surface F de contre-électrode (6,11. 35 participant activement à la décharge A l'ensemble F' des surfaces d'électrode (5; 25) portant la matière à pulvériser est au maximum de :1. 5. Agencement selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le rapport I#1/J de la somme I 1 des valeurs absolues des flux 5 magnétiques traversant la surface de contre-électrode (11; 26) à la somme # des flux magnétiques traversant la surface de contreélectrode, ces- derniers étant pris en compte avec leur signe, est supérieur à 2:1. 6. Agencement selon la revendication 4, caractérisé par le fait 10 que les électrodes (5, 6, 11, 25, 26) enferment pratiquement tout l'espace de décharge, a l'exception des interstices servant à la mise sous vide et à l'isolement électrique mutuel. 7. Agencement selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'à l'électrode (5) portant la matière à pulvériser (5') est également 15 associé un aimant (20) dont les lignes de force, au moins pour une partie d'entre elles, sortent de cette électrode (5) et y rentrent.