Brevet FR2674468A1 — publié le 19921002

Méthode de dépôt de films minces par ablation laser et dispositif de mise en oeuvre. L'invention concerne une méthode d'élaboration de films minces de composition homogène sur des substrats de grandes dimensions par la technique de pulvérisation par ablation laser. La méthode dite d'ablation laser consiste en la pulvérisation d'une cible massive sous l'effet d'un rayonnement laser. Cette méthode est de plus en plus utilisée pour l'élaboration des couches minces et est applicable à tout matériau susceptible d'être mis en forme de cette façon, comme par exemple les oxydes supraconducteurs à haute température critique, les métaux, les verres, les matières plastiques ou les oxydes. Cette méthode présente l'avantage de transférer, sur un substrat disposé en regard de la cible irradiée par un faisceau laser, un film dont la composition chimique est, sous certaines conditions, la reproduction exacte de la composition chimique du matériau-cible. Cependant, dans les machines de dépôt actuelles utilisant l'ablation laser, cette méthode est limitée par deux facteurs. D'abord, la forte directivité du transfert liée à la géométrie du plasma créé par l'impact du faisceau laser avec la cible fait que seulement une petite zone du substrat reçoit la composition exacte du matériau-cible. Le dépôt réalisé en dehors de cette petite zone est alors très hétérogène en épaisseur et en composition chimique. Ensuite, il se produit une rapide dégradation de la morphologie de surface de la cible sous l'effet de la répétition des impacts du faisceau laser. Ces deux phénomènes limitent pour l'instant l'ablation laser à la fabrication de films de petites dimensions (environ 1 cm2) et excluent l'utilisation de cette méthode pour la réalisation de composants électroniques de grandes dimensions par exemple. Afin de pallier ces inconvénients, on propose selon la présente invention de déplacer l'impact du faisceau laser sur le matériau-cible et de sélectionner la seule partie utile du plasma permettant d'assurer le transfert intégral de la composition de la cible vers le substrat. En ayant ainsi éliminé les deux limitations précitées, on peut réaliser le dépôt de films par ablation laser sur des substrats de grandes dimensions. L'invention a donc pour objet une méthode de dépôt de films minces sur un substrat par la technique de pulvérisation par ablation laser, la méthode consistant à pulvériser une cible au moyen d'un faisceau laser et à transférer vers le substrat le matériau de la cible sous forme d'un panache de plasma, la méthode étant caractérisée en ce qu'elle comprend les opérations suivantes - déplacement de la zone d'impact du faisceau laser sur la cible pour pulvériser des zones successives, - sélection de la partie du panache de manière à obtenir un dépôt homogène de matériau cible. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, le dispositif pouvant comprendre notamment - des moyens de modification du trajet du faisceau laser, - des moyens de sélection de ladite partie du panache synchronisés sur le trajet du faisceau laser. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 illustre un dispositif de dépôt de films minces utilisant la méthode de dépôt selon l'invention, - les figures 2 et 3 représentent un détail de mise en oeuvre de l'invention. Le déplacement de la zone d'impact du faisceau laser sur la cible peut être réalisé de différentes façons. On peut par exemple disposer d'un faisceau laser fixe et déplacer la cible. On préférera cependant garder la cible fixe et déplacer le faisceau laser. Le déplacement de la zone d'impact du faisceau laser permet d'éviter la rapide dégradation de la morphologie de surface de la cible et permet de garder la même composition pour la matière pulvérisée. Le déplacement du faisceau laser sur la cible peut être réalisé par un système de déplacement à deux dimensions de miroirs de renvoi extérieurs à l'enceinte de dépôt. La sélection de la partie intéressante du panache se fait par un système qui se déplace en synchronisation avec le faisceau laser. Ce système peut avantageusement être constitué par un diaphragme sélectionnant la seule partie utile du plasma, assurant ainsi le transfert intégral de la composition de la cible vers le substrat. Un exemple commode de réalisation est montré à la figure 1. L'enceinte à vide 1, installée sur un socle 2, contient une plaquette de matériau cible 3 et un substrat 4 à recouvrir d'un film en matériau cible. Le substrat 4 est placé en vis-à-vis de la cible et est maintenu par des éléments non représentés. Le diaphragme est constitué par deux fentes 5 et 6 disposées orthogonalement et pratiquées dans deux plaques indépendantes respectivement référencées 15 et 16. Les plaques 15 et 16 sont entraînées en translation au travers de passages étanches de l'enceinte de dépôt 1. Le faisceau laser 7 est dévié par plusieurs miroirs 8, 9 et 10 avant de pénétrer dans l'enceinte à vide grâce au hublot 11. Le faisceau 7 est d'abord dévié par le miroir mobile 8 vers le miroir fixe 10, puis vers le miroir mobile 9 qui le dévie vers la cible 3. Les miroirs mobiles 8 et 9 sont fixés sur des axes 18 et 19 qui peuvent se déplacer respectivement dans les fentes 28 et 29 des dispositifs d'entraînement 38 et 39. Les dispositifs d'entraînement et leurs équipements mobiles sont disposés de façon que le point d'impact du faisceau laser 7 sur le miroir 8 puisse se déplacer selon l'axe y'y et que le point d'impact du faisceau laser 7 sur le miroir 9 puisse se déplacer selon l'axe x'x. Par un système mécanique approprié, il est possible qu'un unique système de translation à deux axes soit utilisé pour accomplir le balayage de l'impact du faisceau laser sur la cible et le déplacement équivalent et simultané du diaphragme à l'aplomb de celui-ci. Ainsi le dispositif d'entraînement 38 comprend un moteur 30 entraînant, par une transformation mouvement rotatif-mouvement de translation, le déplacement de l'axe 18. Le moteur 30 entraîne également en rotation l'axe 31 équipé d'une poulie 32. Une courroie 33 relie la poulie 32 à la poulie 34 montée sur l'axe 35 d'un convertisseur de mouvement 36 du type vis sans fin. Un passage étanche mécanique permet à l'axe 35 de pénétrer dans l'enceinte à vide 1 et d'être libre en rotation. Le convertisseur de mouvement 36 comprend un élément 37 de commande en translation de la plaque 16 implanté dans la paroi de l'enceinte à vide et dont la partie mobile en translation est fixée à la plaque 16. Le moteur 30 peut ainsi déplacer simultanément et selon l'axe y'y, le miroir mobile 8 et la plaque 16 pourvue de la fente 6. De la même façon, on peut déplacer simultanément et selon l'axe x'x la plaque 15 pourvue de la fente 5 et le miroir 9 porté par l'axe 19 grâce au dispositif d'entraînement 39. On retrouve, pour réaliser ces fonctions, un moteur 40, un axe 41, deux poulies 42 et 44 reliées par une courroie 43, un convertisseur de mouvement 46 comprenant un élément 47 de commande en translation de la plaque 15 implanté dans la paroi de l'enceinte à vide et dont la partie mobile en translation est fixée à la plaque 15. La poulie 44 entraîne un axe 51 permettant de contourner l'enceinte 1 et porteur d'une poulie 52. Une courroie 53, reliant la poulie 52 à une poulie 54 portée par l'axe 45, transmet le mouvement de commande au convertisseur de mouvement 46. Dans cet exemple de réalisation, le miroir mobile 9 entraîné en translation pour déplacer l'impact selon l'axe xOx', permet également de conserver la distance séparant l'impact laser de la lentille de focalisation non représentée, assurant, au niveau de l'impact laser, une densité d'énergie constante. Ceci ne rend pas critique le mode de concentration du faisceau et autorise à travailler en lumière parallèle ou non. La lentille de focalisation est disposée entre les miroirs 8 et 10. Elle est solidaire du miroir 8 et entrainée en translation avec celui-ci. Les figures 2 et 3 illustrent le principe de la sélection d'une partie du panache 17 de plasma résultant de l'impact du faisceau laser 7 sur la cible 3, l'impact du faisceau se déplaçant dans le sens indiqué par la flèche horizontale. Le croisement des deux fentes 5 et 6 constituant le diaphragme permet de sélectionner la partie du panache que l'on estime utile, normalement le centre 27 du panache. La figure 2 représente le début du déplacement de l'impact et la figure 3 la fin de ce déplacement. Par déplacement simultané de l'impact du faisceau et de la plaque 15 on dépose sur le substrat 4 un film 14 de composition homogène. On peut de cette manière, en déplaçant successivement le faisceau laser dans les directions x'x et y'y en concordance avec les plaques 15 et 16, déposer un film de grandes dimensions et de composition homogène. L'impact du faisceau peut par exemple suivre un itinéraire en forme de grecque. A titre d'exemple, pour faire croître dans l'enceinte de dépôt un film supraconducteur de composition chimique YBa2Cu307 sur un substrat d'oxyde de magnésium monocristallin de direction cristallographique (100), on peut disposer le substrat à 60 mm d'une cible massive frittée de même composition et de 25 mm de diamètre. La température du substrat est maintenue constante au moyen d'un porte-substrat chauffant pendant le dépôt et égale à 7500 C. La pression d'oxygène est voisine de 13 Pa. Le laser excimère utilisé pour l'ablation peut fournir un faisceau de 308 nm de longueur d'onde produisant des impulsions de 30 ns deux fois par seconde. L'impact sur 2 la cible a une dimension de 1 X 1,5 mm et la densité d'énergie sur 2 la cible est de 2 J/cm .La vitesse de déplacement de chaque fente peut être par exemple de 3 mm/s et le déplacement de chacune d'entre elles coordonné de façon à obtenir un balayage en forme de grecque de toute la surface de la cible au terme des 6 000 impacts laser pendant lesquels dure le dép8t. Les fentes peuvent avoir 1 cm de largeur et 5 cm de longueur, dépendant de la dimension du substrat et donc de la cible utilisée. Le diaphragme qu'elles constituent est alors un carre de 1 cm de côte et est disposé tout contre le substrat, dans la zone utile du panache d'interaction faisceau laser-matière préalablement déterminée par analyse chimique. Cette zone utile correspond au cône défini par le point d'impact et le diaphragme. Le cône est donc l'angle solide du panache au sein duquel il y a transfert exact de la composition chimique de la cible vers le substrat.Le diaphragme doit être disposé approximativement à la verticale du point d'impact du faisceau laser. Le déplacement de chacune des fentes peut être obtenu par le mécanisme décrit à la figure 1, utilisant des passages mécaniques étanches en rotation. On peut obtenir ce déplacement par d'autres moyens comme par exemple des passages mécaniques étanches en translation, ce qui a l'avantage de réduire le nombre de composants mécaniques à l'intérieur de l'enceinte. On peut également utiliser des moteurs électriques extérieurs à l'enceinte ou intérieurs à l'enceinte à condition qu'ils soient prévus pour fonctionner sous vide secondaire et sous atmosphère oxydante. Dans certains cas, une seule fente de largeur 1 cm et de 2 cm de longueur permet de déposer sur le substrat un film uniforme tout au moins en composition chimique. Il est encore possible, en disposant de moteurs à l'intérieur de l'enceinte, de réaliser le diaphragme grâce à une seule plaque pourvue d'un trou et pouvant se déplacer dans les deux directions du plan. Revendications 1 - Méthode de dépôt de films minces sur un substrat par la technique de pulvérisation par ablation laser, la méthode consistant à pulvériser une cible (3) au moyen d'un faisceau laser (7) et à transférer vers le substrat (4) le matériau de la cible sous forme d'un panache de plasma, la méthode étant caractérisée en ce qu'elle comprend les opérations suivantes - déplacement de la zone d'impact du faisceau laser sur la cible pour pulvériser des zones successives, - sélection de la partie du panache (17) de manière à obtenir un dépôt homogène de matériau cible. 2 - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le déplacement de la zone d'impact du faisceau laser est obtenu par déplacement de ce faisceau. 3 - Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite sélection est obtenue en diaphragmant le panache. 4 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, le dispositif comprenant une enceinte de pulvérisation (1) recevant la cible à pulvériser (3) et dans laquelle le substrat (4) est déposé en vis-à-vis de la cible, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens de modification du trajet du faisceau laser (7), - des moyens de sélection de ladite partie du panache (17) synchronisés sur le trajet du faisceau laser. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de modification du trajet du faisceau laser (7) comprennent des miroirs mobiles en translation (8, 9). 6 - Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de sélection comprennent un diaphragme situé entre la cible (3) et le substrat (4). 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le diaphragme est constitué par deux fentes longitudinales (5, 6) croisées pratiquées dans deux plaques (15, 16) astreintes à se déplacer dans deux directions différentes, en synchronisme avec le déplacement du faisceau laser (7). 8 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le diaphragme est constitué d'une seule plaque pourvue, d'une fente ou d'un trou, la plaque pouvant être déplacée dans une direction du plan ou dans les deux.