Brevet FR2689143A1 — publié le 19931001

I DISPOSITIF DE PULVERISATION CATHODIQUE UTILISANT UN PLASMA ENGENDRE PAR DES MICRO-ONDES DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif de pulvérisation cathodique. Elle s'applique à la fabrication de couches minces destinées à des applications en micro- électronique et aussi à la fabrication de couches minces pour des dispositifs optiques. Dans le domaine de la pulvérisation cathodique, l'utilisation d'un plasma engendré par une source annexe a déjà lieu depuis longtemps dans les systèmes appelés "triodes". L'intérêt de tels systèmes est de découpler les paramètres relatifs à la génération du plasma des paramètres relatifs à la pulvérisation cathodique. Dans les conditions de la résonance cyclotronique électronique (RCE), une décharge micro- onde permet d'obtenir un plasma avec un taux d'ionisation plus élevé et à une pression plus basse que les décharges classiques. Une pulvérisation réalisée à l'aide d'une diode se fait sous une pression de l'ordre de 1 Pa et une pulvérisation réalisée à l'aide d'un magnétron se -1 fait sous une pression de l'ordre de 10 Pa, tandis qu'un plasma peut être engendré, par une décharge micro- onde, dans les conditions de résonance cyclotronique électronique, à une pression de l'ordre -2 de 10 Pa. L'intérêt de travailler à basse pression est de diminuer la contamination des couches formées et de diminuer la thermalisation des espèces pulvérisées. L'association d'une décharge micro-onde et de la pulvérisation cathodique a déjà été réalisée. Une telle association est par exemple divulguée dans le document suivant: Article de T ONO et a I, Japanese Journal of Applied Physics, vol 23, n O 8, Ao Gt 1984, p L 534 à L 536. Ce document décrit un système de dép 8 t par plasma, dans les conditions de résonance cyclotronique électronique. Dans ce système, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, le plasma est engendré dans une chambre spéciale 2 dans laquelle les microondes MO sont introduites par une fenêtre en quartz 4. Des aimants 6 qui, dans l'exemple représenté sur cette figure 1, sont en fait des bobines magnétiques, sont situés autour de cette chambre 2. Ces aimants permettent de créer un champ -4 magnétique de 875 x 10 T qui est nécessaire à l'obtention de la résonance cyclotronique électronique. Ce champ magnétique sert également à extraire un flux de plasma de la chambre de décharge 2. Apres son extraction, ce plasma passe à l'intérieur d'une cathode cylindrique 8 qui est polarisée négativement par des moyens appropriés 10 et qui est donc pulvérisée. Les particules résultant de cette pulvérisation diffusent dans toutes les directions et, en particulier, sur le ou les substrats 12, placés dans une enceinte de dépôt 14. Une partie de ces particules est ionisée dans le plasma et est attirée par ces substrats auto- polarisés négativement. On voit aussi sur la figure 1 des canalisations cl pour la circulation d'un fluide de refroidissement du système, des canalisations c 2 pour introduire dans le système des gaz nécessaires à la pulvérisation cathodique et une canalisation c 3 pour le pompage de ces gaz. Le système schématiquement représenté sur la figure 1 permet d'obtenir des dépôts denses ayant de bonnes propriété, sans chauffage des substrats. Cependant ce système connu présente divers inconvénients: Les micro-ondes étant introduites par une fenêtre de quartz, cette fenêtre se recouvre d'un dép 8 t et, suivant la nature du matériau pulvérisé, ce dépôt est susceptible de faire écran aux micro-ondes, ce qui entraîne une limitation dans l'utilisation, la décharge dans les conditions de résonance cyclotronique électronique se faisant dans une chambre particulière, c'est dans cette chambre particulière que le plasma est le plus dense, et non pas à son point d'utilisation qui est la cathode, d'o une perte d'efficacité, le champ magnétique nécessaire à la résonance est dirigé vers le ou les substrats et les particules ionisées énergétiques, dont les trajectoires s'enroulent autour des lignes de champ sont donc dirigées vers ces substrats et, suivant l'énergie de ces particules, il risque d'y avoir création de défauts dans Les couches déposées, L'uniformité de dépôt est donnée à + 5 sur un diamètre de 10 centimètres, ce qui est nettement insuffisant pour certaines applications, en particulier en Optique o l'on doit obtenir des uniformités de l'ordre de 1 % sur des diamètres supérieurs à 10 centimètres, et suivant la nature du matériau à pulvériser, La réalisation d'une cathode cylindrique n'est pas très aisée. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. El Le a pour objet un dispositif de pulvérisation cathodique, caractérisé en ce qu'i L comprend: un nombre pair, au moins égal à 4, de cibles planes, se faisant face deux à deux et délimitant une cavité po Lyédrique, La base de cette cavité étant libre, des aimants respectivement associés aux cib Les et prévus pour créer un champ magnétique dans la cavité, chaque aimant étant disposé en regard de la cible correspondante, à L'extérieur de la cavité, au moins une antenne micro-ondes située dans cette cavité et parallèle aux cibles, cette antenne étant prévue pour créer une décharge micro- ondes dans La cavité et engendrer dans celle-ci un plasma grâce à un gaz plasmagène introduit dans cette cavité, et un porte-substrat qui est disposé en regard de la base libre de la cavité et qui est destiné à porter un substrat que l'on veut revêtir du matériau dont sont constituées les cibles. De préférence, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des caches qui sont respectivement associés aux cibles, chaque cache délimitant La surface à pulvériser de la cib Le correspondante. Ceci permet d'optimiser la forme des cibles pour avoir une bonne uniformité d'épaisseur du dépôt sur le substrat. Le dispositif objet de L'invention peut comprendre en outre des moyens de rotation du porte- substrat autour de son axe. Le porte-substrat peut être électriquement conducteur et le dispositif peut comprendre aussi des moyens de polarisation de ce porte-substrat. De préférence, le dispositif comprend en outre des moyens prévus pour refermer les Lignes du champ magnétique engendré par les aimants, sur Les faces de ceux-ci qui sont à l'opposé des cibles. Ceci permet d'améliorer le confinement du champ magnétique entre les cib Les. Enfin, les aimants sont de préférence choisis de façon que le champ magnétique engendré par ceux-ci soit sensiblement égal à 875 x 10T au niveau de l'antenne micro-ondes. La présente invention sera mieux comprise à la Lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un système connu de pulvérisation cathodique et a déjà été décrite, la figure 2 est une vue de dessus schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif de pulvérisation cathodique objet de la présente invention, et la figure 3 est une vue en coupe Longitudinale schématique du dispositif représenté sur la figure 2 et intégré dans une enceinte de dépôt. Le dispositif de pulvérisation cathodique conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 2 en vue de dessus, comprend: quatre cibles planes 16, 17, 18 et 19 qui se font face deux à deux, un porte-substrat 20, une structure magnétique constituée par quatre aimants identiques 21, 22, 23, 24, et au moins une antenne micro-ondes 25. Les cibles planes 16 à 19 délimitent une cavité en forme de parallélépipède rectangle, les faces supérieure et inférieure de cette cavité étant libres c'est-à-dire ouvertes. Ces cibles 16 à 19 sont polarisées, soit séparément, soit ensemble, afin d'être pulvérisées. Les cibles 16, 17, 18 et 19 sont respectivement munies de caches 16 a, 17 a, 18 a et 19 a qui sont électriquement conducteurs et mis à la masse. Chaque cache est prévu pour délimiter la surface qui est à pulvériser sur la cible qui est associée à ce cache. On peut ainsi optimiser la forme de la cible pour avoir une bonne uniformité d'épaisseur du dépôt sur le ou les substrats 26 qui sont disposés sur le porte-substrat 20. Ce porte-substrat 20 est placé en-dessous de la face inférieure ouverte de la cavité délimitée par les cibles, de façon que le substrat 26 qu'il porte soit parallèle aux faces libres du parallélèpipède formé par cette cavité. Des moyens non représentés sont prévus pour régler la distance entre le substrat et les cibles. Des moyens symbolisés par une flèche F sur la figure 3 sont prévus pour faire tourner le porte- substrat 20 (et donc le substrat 26) autour de son axe X qui coïncide avec l'axe Y de la cavité délimitée par les cibles. Le porte-substrat 20 peut être électriquement conducteur et porté, par des moyens appropriés 28, à un potentiel fixé. Les quatre aimants identiques 21, 22, 23 et 24 sont respectivement placés à l'arrière des cibles correspondantes. Plus précisément, chaque aimant se trouve en regard d'une face de la cible correspondante dont l'autre face constitue l'une des faces de la cavité. Comme on le voit sur la figure 2, les pôles nord N et sud S des aimants sont disposés de telle façon que lorsqu'on considère les pôles faisant face à l'intérieur de la cavité, les p 8 Les les plus proches soit opposés. De cette façon, le champ magnétique engendré par les aimants se referme d'un aimant sur les aimants voisins les plus proches. Le champ magnétique se trouve ainsi confiné entre Les cibles 16 à 19 et on minimise les fuites de champ magnétique en direction du substrat 26. Le confinement du champ magnétique peut être amélioré en refermant le flux magnétique à l'arrière des aimants. Pour ce faire, comme on le voit sur la figure 2, on utilise un boîtier 30 qui est fait d'un matériau magnétique et dont les faces inférieure et supérieure sont ouvertes. Ce boîtier 30 est en contact avec les faces des aimants qui sont tournées vers l'extérieur de la cavité délimitée par les cibles. Dans l'exemple représenté, comme on le voit sur la figure 3, chaque cible repose par sa périphérie, sur un porte-cible 32 électriquement conducteur qui est relié à des moyens de polarisations 34 prévus pour porter la cible correspondante à une tension appropriée, permettant la pulvérisation de cette cible; l'aimant correspondant à cette cible est logé dans l'espace délimité par ce porte-cible et la cible correspondante; dans cet exemple, chaque cache est également prévu pour empêcher une pulvérisation parasite du porte-cible correspondant. Des moyens de refroidissement par circulation 16 b, 17 b, 18 b et 19 b sont respectivement associés aux cibles 16, 17, 18 et 19 et prévus pour refroidir celles-ci comme on le voit sur la figure 2 (ces moyens de refroidissement n'étant pas représentés sur La figure 3). La figure 3 illustre schématiquement L'intégration du dispositif représenté sur la figure 2 dans une enceinte de dépôt 36. Cette enceinte 36 est étanche et reliée, par une canalisation 38, à des moyens de pompage non représentés, permettant d'établir dans l'enceinte 36 une pression appropriée à la pulvérisation cathodique. On voit aussi sur la figure 3 un conduit 40 permettant d'envoyer dans l'enceinte 36 un gaz plasmagène. Dans l'invention, on utilise, comme on l'a vu, au moins une antenne micro-ondes qui porte la référence 25 sur la figure 2 et qui est disposée dans la cavité délimitée par les cibles, cette antenne étant parallèle aux cibles. On peut cependant utiliser plusieurs antennes micro-ondes, ce qui est le cas du dispositif représenté sur les figures 2 et 3 dans lequel on utilise quatre antennes micro-ondes, à savoir l'antenne 25 et trois autres antennes micro-ondes portant respectivement les références 42, 44 et 46. Ces antennes 25, 42, 44 et 46 sont disposées dans la cavité délimitée par les cibles, sont parallèLes à ces cibles et proches de celle-ci. Les antennes micro-ondes créent une décharge micro-ondes et engendrent ainsi un plasma dans la cavité grâce au gaz introduit dans celle-ci. Ce plasma étant confiné par le champ magnétique, on dispose d'un plasma dense au niveau des cibles et donc à l'endroit o ce plasma est utilisé. Comme on le voit sur la figure 3, les antennes 25, 42, 44 et 46 sont alimentées en énergie électromagnétique par un magnétron 48, par l'intermédiaire d'un guide d'onde 50 et de câbles coaxiaux 52. Le boîtier 30 est espacé des parois de l'enceinte 36 et repose sur celles-ci par des supports électriquement isolants 54. En effet, i I faut empêcher des courts- circuits entre les cibles et l'enceinte 36 généralement faite d'un matériau électriquement conducteur (et mise à la masse). Bien entendu, dans ce cas, des passages électriquement isolants sont prévus pour les liaisons entre les moyens de polarisation 34 (généralement extérieur à l'enceinte 36) et les supports de cible 32 (situés dans l'enceinte 36); de même, les antennes micro-ondes sont, dans l'exemple de la figure 3, fixées à la partie supérieure de l'enceinte 36 et sont électriquement isolées de celle-ci par des moyens appropriés non représentés. Pour augmenter l'efficacité d'ionisation, il est préférable que les aimants situés à l'arrière des cibles soient choisis de façon telle que le champ magnétique obtenu au niveau des antennes soit égal à - 4 875 x 10 T, champ qui est nécessaire à la résonance cyclotronique électronique pour une fréquence des micro-ondes de 2,45 G Hz (fréquence autorisée industriellement) En effet, on rappelle que cette fréquence exprimée en Hz est égale à l'intensité du champ magnétique exrimée en T, multipliée par un coefficient égal à 2,8 x 10, de sorte que lorsque cette fréquence est égale à 2,45 G Hz on obtient effectivement un champ -4 magnétique égal à 875 x 10 T. On pourrait utiliser plus de 4 cibles, à savoir un nombre pair de cibles (pour que les lignes de champ magnétique puissent se refermer), ces cibles se faisant face deux à deux et délimitant une cavité de forme polyédrique. 1 1 REVENDICATIONS 1 Dispositif de pulvérisation cathodique, caractérisé en ce qu'il comprend: un nombre pair, au moins égal à 4, de cibles ( 16, 17, 18, 19) planes, se faisant face deux à deux et délimitant une cavité polyédrique, la base de cette cavité étant libre, des aimants ( 21, 22, 23, 24) respectivement associés aux cibles et prévus pour créer un champ magnétique dans la cavité, chaque aimant étant disposé en regard de la cible correspondante, à l'extérieur de la cavité, au moins une antenne micro-ondes ( 25, 42, 44, 46) située dans cette cavité et parallèle aux cibles, cette antenne étant prévue pour créer une décharge micro-ondes dans la cavité et engendrer dans celle-ci un plasma grâce à un gaz plasmagène introduit dans cette cavité, et un porte-substrat ( 20) qui est disposé en regard de la base libre de la cavité et qui est destiné à porter un substrat ( 26) que l'on veut revêtir du matériau dont sont constituées les cibles. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des caches ( 16 a, 17 a, 18 a, 19 a) qui sont respectivement associés aux cibles ( 16, 17, 18, 19), chaque cache délimitant la surface à pulvériser de la cible correspondante. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (F) de rotation du porte-substrat ( 20) autour de son axe (X). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le porte-substrat ( 20) est électriquement conducteur et en ce que le dispositif comprend en outre des moyens ( 28) de polarisation de ce porte-substrat. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 30) prévus pour refermer les lignes du champ magnétique engendré par les aimants ( 21, 22, 23, 24), sur les faces de ceux-ci qui sont à l'opposé des cibles. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les aimants ( 21, 22, 23, 24) sont choisis de façon que le champ magnétique engendré par ceux-ci soit sensiblement égal -4 à 875 x 10 T au niveau de l'antenne micro-ondes ( 25, 42, 44, 46).