Brevet FR2639567A1 — publié le 19900601

I MACHINE A MICROFAISCEAU LASER D'INTERVENTION SUR DES OBJETS A COUCHE MINCE, EN PARTICULIER POUR LA GRAVURE OU LE DEPOT DE MATIERE PAR VOIE CHIMIQUE EN PRESENCE D'UN GAZ REACTIF L'invention concerne une machine à microfais- ceau laser d'intervention sur des objets à couche mince, tels que des circuits électroniques, des écrans plats, des têtes de lecture magnétiques, notamment pour la gravure et le dépôt de matière sur les surfaces de ces objets, par voie chimique en présence d'un gaz réactif. On connaît déjà, par le brevet français 2 608 484 du demandeur, une machine à microfaisceau laser permet- tant de réaliser notamment des opérations de découpe très fines et très précises sur des couches minces de matériau, pour la correction de micro-défauts sur des circuits élec- troniques, leur réparation, leur reconfiguration, leur mi- cro-analyse, etc... Cette machine comprend essentiellement une source laser, telle qu'un laser continu à argon, un système optique de transmission du faisceau laser émis par la source jusqu'à un objectif de microscope orienté vers l'objet à traiter, et des moyens de support et de déplace- ment dans cet objet le long de trois axes perpendiculaires. Cette machine a en outre l'avantage de permettre une obser- vation continue, sur un écran vidéo, du travail du micro- faisceau laser sur l'objet à traiter. Une telle machine pourrait également être uti- lisée pour réaliser, par voie chimlque, une gravure et un dépôt de matière sur une couche mince de matériau par ap- plication du principe décrit dans le brevet US 4 340 617. Selon ce principe, on amène un faisceau laser sur une couche mince de matériau, placée dans un gaz réactif appro- prié, de préférence à basse pression. Le dégagement de cha- leur au point d'impact du faisceau laser et le flux de pho- tons provoquent respectivement, une réaction chimique entre le matériau de la couche mince et le gaz réactif, et une Z réaction chimique dans ce gaz, qui se traduisent par une gravure et un dépôt de matière localisés au point d'impact du faisceau laser. Comme l'objet à couche mince doit être dans un gaz réactif à basse pression, on peut pour cela le placer dans un réacteur ou boîte étanche de faible volume, dont une face est formée par un hublot transparent au rayonne- ment laser, puis fermer la boîte, y faire le vide et y in- trodulre le gaz réactif à la pression voulue. En pratique, le hublot de passage du faisceau laser doit avoir une sur- face relativement importante, permettant d'intervenir sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface d'un circuit électronique, et une épaisseur suffisantepour résister à des variations de pression de l'ordre d'une atmosphère (105 Pa). Cette épaisseur de matériau transparent, rela- tivement importante, a deux inconvénients majeurs: - elle fixe une dIszance minimale entre la sur- face de l'ob3et à traiter et l'extrémité de l'objectif de microscope utilisé pour la focalisation du faisceau laser, - elle dégrade fortement les qualités optiques d'un faisceau laser de très faible diamètre. On ne peut donc utlllser, pour travailler sur un tel réacteur, qu'un objectif de microscope ayant un pou- voir grossissant relativement faible, et l'on ne peut ré- dulre le diamètre du faisceau laser à des valeurs de l'ordre du micron, permettant un travail très fin et très précis. Pour éviter cet inconvénient, on a proposé une machine dans laquelle l'objet à couche mince n'est pas en- fermé dans une boîte étanche, mais simplement posé sur un support sous l'objectif de microscope et entouré de zones annulaires concentriques dont la première est reliée à une amenée de gaz réactif et dont les suivantes sont reliées à une ou à des sources de dépression. De cette façon, le faisceau laser passant par l'ob3ectif de microscope arrive directement, sans passer à travers un hublot, sur la couche mince de l'objet, qui est dans une ambiance localisée de gaz réactif, isolée dynamiquement de l'atmosphère exté- rieure par les zones annulaires concentriques de dépres- sion. Toutefois, cette technique connue ne permet pas de bien maîtriser la pression et la composition du gaz ré- actif sur la zone de travail, et ne permet pas non plus d'opérer à basse pression, ce qui est essentiel pour une :- bonne qualité de gravure ou de dépôt de matière sur la couche mince de l'objet. En outre, comme le gaz réactif est en général toxique ou explosif, il en résulte un problème de sécurité du personnel travaillant sur la machine. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple et efficace à ces divers problèmes. Elle a pour objet une machine qui permette la gravure et le dépôt de matière par voie chimique sur un ob- jet a couche mince, au moyen d'un microfaisceau laser très fin, ayant un diamètre par exemple inférieur au micron. Elle a également pour objet une machine de ce type, qui permette de contrôler très précisément la pres- sion et la composition de l'atmosphère réactive, et de tra- vailler à basse pression. t5 Elle a encore pour objet une machine de ce type, qui soit utilisable dans un environnement industriel. Elle propose, à cet effet, une machine compre- nant une source laser, un objectif de microscope orienté vers l'objet à traiter, et des moyens optiques de transmis- sion du faisceau laser de la source à l'objectif du micro- scope, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un réacteur, formé essentiellement d'une boIte étanche fermée par un couvercle transparent de faible épaisseur, destiné à recevoir l'objet à couche mince et un gaz réactif, - une enceinte étanche dans laquelle sont logés le réacteur et l'objectif du microscope, qui est porté par une paroi de ladite enceinte, - des moyens pour abaisser la pression simulta- nément dans le réacteur et dans l'enceinte, - et des moyens pour introduire un gaz réactif à basse pression dans le réacteur. La pression dans l'enceinte et dans le réacteur peuvent être sensiblement égales et varier de façon simul- tanee, de sorte que le couvercle transparent du réacteur n'a pas à résister à des variations Importantes de pression et peut donc avoir une épaisseur très faible. Il en résulte la possibilité d'utiliser un microfaisceau laser de très faible diamètre, inférieur à 1 mm. Avantageusement, lorsque l'objet à couche mince est constitué d'une plaque transparente dont une seule face comporte une couche mince, comme c'est le cas par exemple des écrans plats à cristaux liquides et des masques de pho- tolithographie, il peut servir lui-même de couvercle trans- parent du réacteur. Il est alors monté à la place du cou- vercle du réacteur, de manière à fermer ce dernier de façon étanche, et sa face portant la couche mince est tournée vers l'intérieur du réacteur, pour pouvoir être au contact de l'atmosphère réactive. Le faisceau laser traverse la plaque transparente de l'objet et vient agir sur la couche mince, pour une gravure, un dépôt, ou une découpe. Selon une autre caractéristique de l'invention, la machine comprend des moyens de régulation de la pression dans l'enceinte, à une valeur sensiblement égale ou légère- ment supérieure à celle de la pression du gaz réactif dans le réacteur, par introduction d'un gaz inerte tel que l'azote dans l'enceinte. Ces moyens permettent d'éviter l'établissement d'une trop grande différence de pression entre le réacteur et l'enceinte lorsqu'on introduit un gaz réactif dans le réacteur, et de maintenir une légère surpression à l'extérieur du réacteur pour éviter les fuites de gaz ré- actif, celui-ci pouvant être plus ou moins toxique, explo- sif ou corrosif vis à vis de certains matériaux. Selon une autre caractéristique de l'invention, la paroi de l'enceinte, à laquelle est fixé l'objectif de microscope, comporte un hublot transparent au rayonnement laser pour la transmission de ce rayonnement à l'objectif de microscope, ayant une épaisseur lui permettant de résis- ter à des variations de pression d'au moins une atmosphère. vI0 Ce hublot placé en amont de l'objectif de mi- croscope, est traversé par un faisceau laser ayant un dia- mètre relativement important, sensiblement égal à celui de l'entrée de l'objectif de microscope. Ce hublot peut donc avoir une épaisseur relativement importante, sans in- F, convénlents. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le réacteur est porté par des moyens moteurs de déplacement par rapport à trois axes perpendiculaires, et ces moyens moteurs sont également logés dans ladite en- 24 ceinte. Le fond de celle-ci comprend des passages tra- versants, dans lesquels sont montés à étanchéité des conduits reliés aux moyens d'abaissement et de régulation de pression et à une source de gaz réactif, et des câbles ou fils d'alimentation et de commande des moyens de dépla- cement du réacteur. Pour permettre l'accès au réacteur et la maintenance de la machine, l'enceinte comprend une paroi amovible, par exemple sa paroi horizontale supérieure, à 3D laquelle est fixé l'objectif de microscope ou une tourelle porte-objectifs. Des vérins pneumatiques sont associés à cette paroi mobile pour aider à son soulèvement, et à sa mise en position de service. Par ailleurs, la machine comprend, outre une voie de transmission du faisceau laser, une voie d'éclairage et une voie de visualisation aboutissant toutes à l'objectif de microscope, la voie de visualisation com- portant des filtres optiques, une caméra vidéo et un écran vidéo permettant l'observation en continu de l'action du microfaisceau laser sur l'objet à couche mince. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique, en coupe verticale, illustrant les caractéristiques essentielles d'une machine selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en pers- pective, avec arrachement partiel, d'un mode de réalisation préféré d'une partie d'une machine selon l'invention; - la figure 3 représente cette partie de la ma- chine en perspective, dans une position différente. On se réfère d'abord à la figure 1 qui repré- sente schématiquement les moyens constitutifs essentiels de la machine selon l'invention. Cette machine comprend une enceinte étanche 10, capable de résister à des variations de pression d'au moins une atmosphère, et réalisée par exemple en aluminium. Cette enceinte comprend un fond 12, une paroi verticale 14 qui est par exemple cylindrique à section cir- culalre, et un couvercle mobile 16 monté par exemple pivo- tant autour d'un axe horizontal transversal et déplaçable autour de cet axe au moyen de vérins pneumatiques 18. A l'intérieur de l'enceinte 10 se trouve un ré- acteur 20 constitué d'une boîte étanche de volume relative- ment faible, comprenant un couvercle mobile 22 formant hu- blot, monté à étanchéité, par exemple par vissage, sur le bord supérieur du réacteur 20. A l'intérieur de celui-ci se trouve une table horizontale 24 guidée en déplacement ver- tical sur des colonnes 26 et sollicitée vers le couvercle 22 par des ressorts 28. Une cale d'épaisseur 30 est inter- posée entre la table 24 et le couvercle 22 et permet de ré- gler la distance entre eux, et de positionner un objet 32 à couche mince, monté sur la table 2.4. Un objectif de microscope 34 ou, de préférence une tourelle porteobjectifs, est fixé au couvercle 16 et s'étend verticalement dans l'enceinte 10, en étant orienté perpendiculairement au plan de l'objet 32 à couche mince. L'objectif de microscope 34 reçoit un faisceau laser 36 par l'intermédiaire d'un hublot 38 monté à étanchéité dans un orifice traversant du couvercle 16. Le faisceau laser 36 est émis par une source laser 40 telle par exemple qu'un laser continu à argon, et Io transmis par un système optique 42 qui est généralement du même type que celui décrit dans le brevet français 2 608 484 précité. Une source lumineuse 44 associée à un système optique de transmission 46, et une caméra vidéo 48, par exemple du type à cellules C.C.D, associée à un système de filtres optiques 50 et à un écran vidéo 52, constituent respectivement une vole d'éclairage et une voie de visualisation qui sont réunies avec la voie de transmission du faisceau laser avant l'entrée dans l'objectif du micro- _o. scope, c'est-à-dire légèrement en amont du hublot 38. Le faisceau laser traversant le hublot 38 a un diamètre sensiblement égal à celui de l'object:f d'entrée du microscope, par exemple de 5 à 6 mm. Le hublot 38 est réalisé en une matière transparente au rayonnement laser et a une épaisseur suffisante, par exemple de l'ordre du cm, pour résister à des variations de pression de l'ordre d'une atmosphère. Compte tenu du diamètre du faisceau laser 36 et de la puissance rayonnée, la traversée du hublot 38 n'altère pas les qualités optiques du rayonnement transmis. c1 Le microfaisceau laser 54 sortant de l'objectif de microscope traverse le hublot 22 du réacteur 20. Ce hu- blot est formé d'une plaque mince 56 de matière transpa- rente au rayonnement laser, ayant une surface sensiblement égale à la surface utile de l'objet 32 à couche mince, tel par exemple qu'un circuit électronique, et a une épaisseur faible de l'ordre du millimètre pour permettre une bonne transmission du microfaisceau laser 54 dont le diamètre est compris par exemple entre 0,1 et 10 mm. La faible épaisseur de la plaque transparente 56, comprise par exemple entre 0,5 et 2 mm, permet de respecter la distance objet à couche mince-objectif de microscope, qui peut être comprise entre 3 et 20 mm, en fonction de la frontale de l'objectif 34. Le réacteur 20 est porté par des moyens 58, 60, 62, 64 permettant de le déplacer le long de trois axes per- pendiculaires, et de le faire tourner autour d'un axe ver- tical de façon à pouvoir orienter l'objet 32 angulairement par rapport à un axe horizontal de déplacement du réacteur 20. Ces moyens 58, 60, 62, 64 sont reliés à un circuit de commande 66 extérieur à l'enceinte 10 et assurant également l'alimentation électrique des moteurs de ces moyens de dé- placement. Le réacteur 20 est quant à lui relié par des conduits souples 68, 70 à des moyens 72 d'abaissement de pression et à des moyens 74 d'alimentation en atmosphère gazeuse réactive, tandis que l'enceinte 10 est reliée, par des conduits 76 et 78 à des moyens 80 d'abaissement de pression et des moyens 82 de régulation de pression par in- troduction d'un gaz neutre ou chimiquement inerte dans l'enceinte 10, par exemple de l'azote. Les différents câbles et conduits de liaison précltés sont montés à -étanchéité dans des trous traver- sants du fond 12 de l'enceinte. Cette machine fonctionne de la façon suivante: un objet 32 à couche mince est positionné sur la table 24 du réacteur 20, puis le couvercle 22 est fixé, par exemple au moyen de vis traversant une couronne métal- lique annulaire solidaire de la plaque transparente 56. La cale 30 permet de maintenir l'objet 32 en place sur la table 24, et de régler la distance entre cette table et la plaque transparente 56, de sorte que, en fonction de la frontale de l'objectif utilisé, la distance plaque transpa- rente 56-objet 32 soit la plus grande possible, pour éviter ou réduire l'échauffement de la plaque 56 et le risque de dépôt de matière sur cette plaque. L'enceinte 10 est refermée, par mise en place du couvercle 16 au moyen des vérins pneumatiques 18. Ces derniers permettent également de maintenir le couvercle 16 en place avec une certaine force de pression, pour assurer l'étanchéité de l'enceinte 10. Le vide est ensuite progressivement fait dans l'enceinte 10 et dans le réacteur 20, de façon simultanée, io par les moyens 72 et 80. Lorsqu'une pression suffisamment faible a été atteinte, par exemple de l'ordre de 0, 1 mb (lOPa), le gaz réactif voulu est introduit dans le réacteur , à la pression voulue, qui est comprise entre 1 et 100 mb et qui par exemple est de l'ordre de 10 mb. Ce gaz réactif peut être du silane lorsqu'on veut procéder à un dépôt de silicium sur une zone particu- lière de l'objet 32,,ou bien du chlore si l'on veut procé- der à une gravure sur une couche mince d'aluminium ou de silicium de l'objet 32. 2J> Simultanément, la pression est régulée dans l'enceinte 10, par introduction d'un gaz inerte tel que l'azote, pour être légèrement supérieure à la pression dans le réacteur 20. Ainsi, on évite tout risque de fuite de gaz réactif hors du réacteur 20. _ Pour cela, un capteur de dépression est prévu, de préférence dans l'enceinte 10, pour mesurer la diffé- *rence de pression entre le réacteur et l'enceinte, et com- mander en conséquence, par un circuit approprié, des vannes analogiques montées sur les conduits de vide et de gaz neutre de l'enceinte. On parvient ainsi à faire varier ra- pidement la pression dans le réacteur et dans l'enceinte, sans risquer un éclatement du couvercle transparent du ré- acteur. Les moyens 58 et 60 permettent de déplacer le Z5 réacteur le long de deux axes horizontaux perpendiculaires, les moyens 62 permettent de les déplacer en hauteur le long JkC; d'un axe vertical, et les moyens 64 permettent de définir son orientation angulaire par rapport à l'un des axes hori- zontaux de déplacement. Le circuit 66 de commande peut être actionné par un opérateur, ou bien être lui-même sous com- mande d'un système de traitement de l'information. Le faisceau laser émis par la source 40 et transmis par le système 42, traverse le hublot épais 38 du couvercle 16 et est focalisé par l'objectif 34 de façon à former un mlcrofaisceau laser 54 de diamètre faible, com- pris entre 0,1 et 10 pm par exemple, au point d'impact sur la surface à traiter. La voie d'éclairage 44, 46 et la voie de visua- lisation 50, 48, 52, permettent d'observer en continu, sur l'écran 52, l'action du microfaisceau laser sur la surface à traiter. L'opération de gravure et/ou de dépôt peut être commandée par un opérateur, ou par un système de traitement de l'information. En variante, le couvercle transparent 22 du ré- acteur est formé par l'objet 32 à couche mince, quand ce- lui-ci est constitué d'une plaque plane transparente au rayonnement laser et dont une seule face comporte une couche mince absorbant le rayonnement laser (cas par exemple des écrans plats à cristaux liquides et des masques de photolithographie). L'objet 32 est alors monté de façon étanche sur le réacteur 20, avec sa face à couche mince orientée vers l'intérieur du réacteur, de sorte que la couche mince puisse être au contact du gaz réactif. Le faisceau laser agit alors sur la couche mince, à travers la plaque transparente de l'objet, pour une gravure, un dépôt ou une découpe. On se réfère maintenant aux figures 2 ou 3 o l'on a représenté les parties essentielles du mode de réa- lisation préféré d'une machine selon l'invention. On reconnaît dans ces figures le couvercle 16 de l'enceinte 10, qui est solidarisé d'une jupe cylindrique 84 venant coiffer la paroi latérale cylindrique 14 de l'en- ceinte 10. Une tourelle porte-objectifs 34 est fixée sous le couvercle 16, en regard du hublot 38. La tourelle porte- objectifs est de préférence motorisée, et équipée d'objectifs ayant la même longueur, de sorte que l'on peut changer rapidement d'objectif saris modification du reste de la machine. Le réacteur 20 est de forme cylindrique. Les moyens de déplacement 58, 60, 62, 64 sont du type à micro- moteurs électriques. 0 La jonction entre la paroi cylindrique 14 de l'enceinte et la jupe 84 du couvercle 16 se trouve sensi- blement au niveau du couvercle du réacteur 20, ce qui per- met un accès facile à l'objet placé dans ce réacteur. La paroi cylindrique 14 est elle-même amovible, pour faciliter la maintenance de la machine. Les joints d'étanchéité pré- vus entre les diverses parties de la machine sont par exemple des joints toriques commercialisés sous la dénomi- nation "VITON", réalisés en une matière qui est à peu près inerte chimiquement. Comme on le voit en figure 3, le couvercle 16 peut être solidaire d'une platine 86 sur laquelle on peut prévoir une partie des systèmes optiques des voies de transmission du faisceau laser, d'éclairage et de visualisation. L'invention s'applique essentiellement à des circuits électroniques, des circuits hybrides, des écrans plats de visualisation, des têtes de lecture magnétiques, etc... REVENDICATIONS 1) Machine à microfaisceau laser d'intervention sur des objets & couche mince, en particulier pour la gra- vure ou le dépôt de matière par voie chimique en présence d'un gaz réactif, comprenant une source laser (40), un ob- jectif de microscope (34) orienté vers l'objet à couche mince (32), et des moyens optiques (42) de transmission du faisceau laser de la source à l'objectif de microscope, ca- ractérisée en ce qu'elle comprend: - un réacteur (20), formé essentiellement d'une boite étanche fermée par un couvercle transparent (22) de faible épaisseur, et destiné à recevoir l'objet à couche mince (32) et [e gaz réactif, --. - une enceinte étanche (10), dans laquelle sont logés le réacteur (20) et l'objectif de microscope (34), qui est porté par une paroi (16) de ladite enceinte, - des moyens (72, 80) pour abaisser la pression simultanément dans le réacteur et dans l'enceinte, et des moyens (74) pour introduire un gaz réactif à basse pression dans le réacteur (20). ) Machine selon la revendication 1, caractéri- see en ce que, lorsque l'objet à couche mince (32) est constitué d'une plaque transparente dont une seule face porte une couche mince, ll forme le couvercle transparent du réacteur (20), sa face à couche mince étant orientée vers l'intérieur du réacteur pour être en contact avec le gaz réactlf. 3) Machine selon la revendication 1 ou 2, 3 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (82) de ré- gulation de la pression dans l'enceinte à une valeur sensi- blement égale ou légèrement supérieure à celle de la pres- sion de gaz réactif dans le réacteur (20), par introduction d'un gaz inerte tel que l'azote dans l'enceinte (10). 4) Machlne selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la paroi (16) de l'enceinte, à la- 1_ quelle est fixé l'objectif de microscope (34), comporte un hublot (38) transparent au rayonnement laser pour la trans- mission de ce rayonnement à l'objectif du microscope (34), ayant une épaisseur lui permettant de résister à des varia- tions de pression d'au moins une atmosphère. ) Machine selon l'une des revendications i à 4, caractérisée en ce que le réacteur (20) est porté par des moyens moteurs (58, 60, 62, 64) de déplacement par rap- port à trois axes perpendiculaires, et ces moyens moteurs c sont également logés dans ladite enceinte (10). 6) Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que le réacteur (20) comprend une table (24) de support de l'objet à couche mince (32), des moyens sollicitant cette table vers le couvercle trans- parent (22), et des moyens (30) formant cale d'épaisseur, pour le réglage de la distance entre la table (24) et le couvercle transparent (22) et le maintien de l'objet (32) en position sur la table (24). 7) Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que le fond (12) de l'enceinte comprend des passages traversants dans lesquels sont montés à étanchéité des condults (68, 70, 76, 78) reliés aux moyens d'abaissement (72. 80) et de régulation (82) de la pression et à une source (74) de gaz réactif, et des câbles ou fils d'alimentation et de commande des moyens (58, 60, 62, 64) de déplacement du réacteur. 8) Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que l'enceinte (10) comprend une parol amovible (16), permettant l'accès au réacteur (20). 9) Machine selon la revendication 8, caractéri- sée en ce que la paroi amovible de l'enceinte est son cou- vercle (16), monté par exemple à pivotement autour d'un axe transversal et associé à des vérins de manoeuvre (18). ) Machine selon la revendication 8 ou 9, ca- ractérisee en ce que l'objectif de microscope (34), ou une tourelle porteobjectifs, est fixé sur la paroi amovible (16) de l'enceinte. 11) Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend, outre une voie de transmission du faisceau laser (36), une voie d'éclairage (44, 46) et une voie de visualisation (48, 50, 52) aboutissant toutes à l'objectif de microscope (34), la vole de visualisation comprenant des filtres optiques (50), une caméra vidéo (48) et un écran vidéo (52) permettant l'observation en continu de l'action du microfaisceau laser (54) sur l'objet à couche mince (32).