Brevet FR2617505A1 — publié le 19890106

CIBLE POUR LE DEPOT DE MATERIAIJ MAGNETIQUE PAR PULVERISATION CATHODIQUE MAGNETRON La présente invention concerne une cible pour le dépôt de matériau magnétique par pulvérisation cathodique magnétron. La pulvérisation cathodique s'est imposée ces dernières années comme un procédé très performant pour le dépôt de toutes sortes de matériaux, conducteurs ou isolants. Elle est utilisée - aussi bien en laboratoire que pour la production industrielle. La géneralisation de son utilisation est due aux nombreuses qualités inhérentes à ce procédé : bonne adhérence des couches par rapport aux couches évaporées, possibilité de déposer tout type de matériau sous forme solide qu'il soit simple (cuivre, chrome) ou complexe (alliages), faible température de substrat lors du dépôt (inférieure à 3000 C), contrôle aisé des paramètres du dépôt et bonne reproductibilité des couches déposées. La pulvérisation cathodique est un procédé de dépôt sous vide fonctionnant à froid, en plasma lumineseent, dans un gaz (géneralement de l'argon) maintenu à pression réduite. Le matériau à déposer (ou matériau cible) est introduit dans l'enceinte à vide sous forme d'une plaque sur une électrode refroidie (la cathode). Une deuxième électrode (l'anode) est disposée parallèlement à- la cible, À à une distance de quelques centimètres. L'application d'une haute tension (1 à 5 kV) entre les deux électrodes provoque l'ionisation du gaz contenu dans l'enceinte. Le gaz comprend alors des ions positifs qui sont attirés par la cathode, donc vers la cible. Le choc dés ions sur le matériau cible provoque l'éjection d'atomes de ce matériau vers le substrat à recouvrir qui est généralement disposé sur l'anode.Le substrat se couvre progressivement d'une couche du même matériau que celui constituant la cible qui est soumise à un phénomène de pulvérisation. Dans la forme classique, le procédé diode, les vitesses de dépôt sont relativement faibles, de l'ordre de 0,1 à 1 nm/s. Celles-ci peuvent être fortement augmentées pour des matériaux non magnétiques par le procédé de pulvérisation magnétron. Dans ce procédé, on superpose au champ électrique induit entre l'anode et la cathode, un champ magnétique Intense perpendiculaire au champ électrique, c'est-à-dire parallèle à la cathode et très près de celle-ci. Les trajectoires des électrons s'enroulent alors autour des lignes de champ magnétique, ce qui a pour effet d'augmenter considérablement les chances d'ioniser les molécules de gaz au voisinage de la cathode. La pulvérisation de la cible est donc plus importante et les vitesses de dépôt peuvent atteindre 0,5 à 5 nm/s. Le dépôt d'un matériau magnétique par le procédé de pulvérisation cathodique magnétron pose des problèmes de réalisation. Si le matériau magnétique à déposer se présente sous la forme d'une plaquette brute, déposée sur la cathode, comme c'est le cas pour les autres matériaux, le champ magnétique est alors court-circuité par la cible elle-même et l'effet magnétron ne peut prendre effet. Une solution à ce problème consiste à utiliser des cibles magnétiques très minces (d'épaisseur inférieure à 2 mm) qui sont alors saturées par le champ magnétique développé à proximité de la cathode et qui laissent fuir une partie suffisante de ce champ devant la cible. Cependant, la cible devant être très mince, sa durée de vie s'en trouve très limitée. Une autre solution a été proposée qui a fait l'objet d'un article de K. Nakamura, T. Yamada, Y. Ohta et A. Itoh intitulé "GT Target, a new high rate sputtering target of magnetîc matériels" et publié dans la revue IEEE Transactions on Magneties, vol. Mag-18, nO 6, novembre 1982, pages 1080-1082. On y propose d'utiliser une cible rectangulaire disposée sur une cathode de type magnétron plan. La cible est découpée suivant des directions parallèles à a largeur et à sa longueur de façon à former une multitude de petits pavés séparés par des entrefers par lesquels le champ magnétique fuit. - Le champ magnétique induit à proximité de la cathode . a une direction parallèle à l'un des côtés de la cible. Cette cible se trouve divisée en un grand nombre de petits pavés dont la section est de l'ordre de 5 mm X 5 mm pour une épaisseur d'environ 20 mm. La cible étant collée ou brasée sur la cathode cette structure pose de nombreux problèmes de réalisation pratique. Elle est également d'un faible rendement.La surface de contact entre la cible et la cathode est fortement diminuée du fait des nombreux entrefers ce qui a pour conséquence de nuire à l'évacuation thermique de la chaleur engendrée par les chocs des ions sur la cible. Ceci peut entraîner le décollement des pavés lorsque ceux-ci sont collés sur la cathode et la pulvérisation de la partie de la cathode sousjacente. Pour pallier ces inconvénlents, l'invention propose d'utiliser une cible circulaire formée d'anneaux concentriques qui déterminent des entrefers annulaires. Cette cible sera utilisée avec une cathode magnétron circulaire. L'invention a donc pour objet une cible pour le dépôt de matériau magnétique par pulvériation cathodique magnétron, la cible ayant la forme générale d'un disque et étant destinée à être déposée sur une cathode magnétron circulaire, caractérisée en ce que la cible possède au moins un entrefer délimitant une partie centrale et un anneau entourant cette partie centrale. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 représente une structure de cathode magnétron circulaire selon l'art connu, - la figure 2 représente une cible pour le dépôt de matériau magnétique par pulvérisation cathodique magnétron selon l'art antérieur, - les figures 3 et 4 représentent des vues d'une cible pour le dépôt de matériau magnétique par pulvérisation cathodique magnétron selon l'invention. La figure 1 représente une structure de cathode magnétron selon l'art connu. il s'agit d'un magnétron plan circulaire. La cathode est formée d'un corps 1 circulaire et creux et d'un couvercle 2 conducteur et amagnétique. Elle renferme un circuit d'aimantation permanent cpmposé d'un aimant central cylindrique 3 entouré par un aimant annulaire 4. Les aimants 3 et 4 sont agencés de façon à présenter des pôles alternés. Ils sont compris entre d'une part la plaque 5 et d'autre part la plaque 2. La plaque 5 est réalisée en un matériau magnétiqlle, ce qui permet de refermer le circuit magnétique de ce côté. La cathode est refroidie par circulation d'eau. Cette circulation d'eau est représentée symboliquement par des flèches sur la figure 1. Le matériau cible 6 est fixé sur la cathode.Si ce matériau n'est pas magnétique, les Ugnes de champ magnétique (représentées en pointillés sur la figure 1) ont tendance à prendre à proximité de la cathode une direction parallèle au couvercle 2, donc perpendiculaire à la direction du champ électrique qui sera établi entre la cathode et l'anode disposée en vis-à-vis. Si le matériau cible est magnétique, il faut disposer d'un flux magnétique élevé - pour pouvoir saturer le matériau cible. Cela peut être obtenu avec des aimants formés à partir d'alliages de terres rares tels que Co-Sm à condition que l'épaisseur de la cible soit faible. Ce type d'aimant a en plus le désavantage d'être très cher. La figure 2 représente une cible 12 à entrefers pour le dépôt d'un matériau magnétique, telle que la décrit l'article "GT Target, a new hlgh rate sputtering target of magnetic materlals" cité plus haut. Il s'agit d'une cible rectangulaire. Vue de dessus, elle présente des découpes 10 parallèles à sa longueur et des découpes 11 parallèles à sa largeur. Les decoupes sont effectuées dans toute l'épaisseur du parallélépipède constituant la cible. Elles sont effectuées suivant des plans inclinés par rapport aux faces principales du parallélépipède. La cible ainsi obtenue est brasée ou collée sur le porte-cible 13 qui est réalisé- à partir d'un matériau conducteur et amagnétique. Le porte-cible 13 constitue le couvercle de la cathode qui a donc une structure rectangulaire correspondant à la cible 12 et au porte-cible 13. Un circuit d'aimantation permanent est constitué sous le porte-cible 13 par un aimant permanent 14 de forme parallélépipèdique placé entre deux aimants 15 et 16 de même forme.Une plaque 17 en matériau magnétique placée sous les aimants assure la fermeture du champ magnétique de ce côté. Comme on le constate sur la figure 2, les découpes forment une multitude de petits pavés 18 séparés par des entrefers par lesquels fuit le champ magnétique assurant ainsi l'effet magnétron. La section de chaque pavé 18 est de l'ordre de 5 mm X 5 mm pour une épaisseur d'environ 20 mm. A la simple vue de la figure 2 il est aisé de se rendre compte de la complexité de réalisation d'une telle cible. Le champ magnétique induit par les aimants permanents a une direction parallèle à l'un des côtés de la cible. Les figures 3 et 4 sont des vues respectivement de dessus et de côté d'une cible selon l'invention. La figure 4 est une vue en coupe selon AA. La cible 20 se présente sous la forme d'un disque ou dtun cylindre plat composé d'une partie centrale 21 entourée d'anneaux concentriques de dimensions croissantes tels que 22, 23, 24, 25 et 26. Entre la partie centrale 21 et l'anneau adjacent 22 existe un entrefer 27. D'autres entrefers existent également : l'entrefer 28 entre les anneaux 22 et 23, ltentrefer 29 entre les anneaux 23 et 24, l'entrefer 30 entre les anneaux 24 et 25, l'entrefer 31 entre les anneaux 25 et 26. La forme de la cible selon l'invention est préférentiellement cylindrique (disque plat). La cible est donc constituée, à partir de sa partie centrale d'une succession d'anneaux de matériau magnétique. Elle peut être réalisée par usinage des entrefers dans un cylindre plein ou par réalisation séparée des anneaux et assemblage sur le porte-cible. Dans ce cas, la cible peut être réalisée à partir de matériaux magnétiques de natures différentes. Il est alors possible de déposer des alliages de matériaux magnétiques à partir de corps simples ou composes. Les différents éléments de la cible peuvent être fixés sur le porte-cible par brasure à l'étain par exemple ou par collage (par exemple, colle à base de résines éthoxylines chargée à l'argent). On peut encore réaliser la cible par usinage d'un disque de matériau magnétique mais sans mener l'usinage des entrefers jusqu'à la face opposée du disque de façon à garder un fond de faible épaisseur qui permet le maintien en place des anneaux. Ainsi le transfert du matériau cible sur le. porte-cible se trouve facilité. Dans ce cas il faut que l'épaisseur du fond subsistant soit suffisamment faible pour qu'il puisse être saturé par le champ magnétique et laisser fuir une partie de ce champ par les entrefers. L'épaisseur de la cible peut être de l'ordre de 1 mm à quelques centimètres et pratiquement environ 5 mm. Les dimensions des entrefers et des anneaux de matériau magnétique sont calculées de façon à optimiser le niveau du champ magnétique devant la cible et ses fluctuations le long d'un diamètre. Comme le montre bien la figure 4, il est avantageux que la section des anneaux ait une forme de parallélogramme aplati pour masquer le fond des entrefers vis-à-vis du plasma et éviter de pulvériser la cathode en même temps que la cible. L'angle existant entre la verticale à la cible et la direction d'inclinaison des entrefers peut être compris entre e et 450 de part ou d'autre de la verticale. Urie cible selon les figures 3 et 4, avec une partie centrale et cinq anneaux concentriques, a été expérimentée et les résultats obtenus ont été satisfaisants. L'épaisseur de la cible était de 5 mm, la largeur des anneaux 5 mm, la largeur des entrefers 1 mm, le diamètre de la cible 75 mm. Les entrefers étaient inclinés d'un angle de 250 dans le' sens indiqué par la figure 4. - Cette cible a été expérimentée avec une cathode à circuit d'aimantation permanent du type représenté à la figure 1. De cette façon, les lignes de champ magnétique sont telles qu'à une distance d'environ 3 mm de la cible la différence entre les inductions maximale et minimale (champs radiaux) est la plus faible possible. Il entre egalement dans le cadre de l'invention que la cible soit constituée d'anneaux de largeurs différentes. Il en va de même pour les entrefers. La cible selon l'invention permet le dépôt de n'importe quel matériau magnétique (fer, cobalt, alliage fer-nickel, etc.). Elle a l'avantage d'être de réalisation très simple. La fixation de ce type de cible est aisée par rapport à une cible parallélépipédique telle que celle représentée à la figure 2. La surface de contact cible-porte-cible est importante ce qui facilite d'autant plus l'évacuation thermique. La durée de vie d'une cible selon l'invention est comparable à celle des cibles en matériau non magnétique. Les figures 3 - et 4 illustrent une forme préférentielle de l'invention. Le nombre des anneaux peut être plus grand ou plus petit. Il peut même n'exister qu'un seul anneau entourant la partie centrale. La forme des entrefers est préférentiellement circulaire mais elle peut aussi avolr une autre configuration selon les applications. REVENDICATIONS 1. Cible pour le dépôt de matériau magnétique par pulvérisation cathodique magnétron, la cible ayant la forme générale d'un disque et étant destinée À être déposée sur une cathode magnétron circulaire, caractérisée en ce que la cible (20) possède au moins un entrefer (27) . délimitant une partie centrale (21) et un anneau (22) entourant cette partie centrale. 2. Cible selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs entrefers circulaires (27 à 31) entourant ladite partie centrale (21) de façon à constituer plusieurs anneaux concentriques (22 à 26) à cette partie centrale. 3. Cible selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le ou les entrefers (27 à 31) sont Inclinés d'un angle compris entre 0 et 450 par rapport à la verticale de la cible. 4. Cible selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, la cible étant réalisée à partir d'un disque unique, il subsiste au fond de l'entrefer ou des entrefers (27 à 31) une faible épaisseur du matériau constituant le disque. 5. Cible selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la partie centrale (21) et le ou les anneaux (22 à 26) sont réalisés à partir de matériaux différents.