Brevet FR2698483A1 — publié le 19940527

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DEPOT DE MULTICOUCHES PAR ABLATION LASER DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé et un dispositif de dépôt de multicouches par ablation laser. Elle s'applique notamment à l'élaboration de dispositifs supraconducteurs. La technique de dépbt de couches minces par "ablation laser" s'est considérablement développée ces dernières années, à l'occasion des études de couches minces de matériaux supraconducteurs à haute température critique. Selon cette technique, une cible du matériau à déposer est soumise à des impulsions lumineuses de grande énergie, de façon à en arracher les atomes constitutifs qui vont alors se déposer sur un substrat placé en face de la cible. L'élaboration d'empilements de couches minces comportant des couches supraconductrices à haute température critique est une étape essentielle de la mise au point de dispositifs électroniques élémentaires mettant en jeu les propriétés des matériaux supraconducteurs. A titre d'exemple, une "jonction Josephson", qui est susceptible de présenter des propriétés de commutation rapide, est constituée par un ensemble de deux couches minces supraconductrices qui encadrent une couche électriquement isolante ou semi-conductrice ou métallique. Pour l'élaboration de dispositifs supraconducteurs comme pour l'élaboration de dispositifs fondés sur d'autres matériaux que les supraconducteurs, il est essentiel de déposer les couches successives "in situ", c'est-à-dire sans interrompre les conditions de vide qui sont maintenues au cours du dépôt de chaque couche, afin que les interfaces des couches déposées aient des caractéristiques correctes (notamment bonne planéité, préservation de la composition chimique et préservation de la structure). De plus, dans la technique de l'ablation laser, le dépôt d'un empilement de couches de compositions différentes nécessite la mise au point d'une technique d'ablations successives de cibles de compositions différentes. Un système connu de dépôt par ablation laser "in situ" comprend: une enceinte dans laquelle on peut faire le -3 vide (pour obtenir une pression inférieure à 10 Pa environ, dans cette enceinte) et qui est munie d'un hublot permettant l'entrée d'un faisceau lumineux dans l'enceinte, un laser qui fournit des impulsions lumineuses de puissance et de longueur d'onde appropriées et qui est muni de moyens de focalisation de la lumière fournie par ce laser, un porte-cible qui est placé en face du hublot et destiné à recevoir la cible du matériau que l'on désire déposer, et un porte-substrat chauffant, destiné à recevoir le substrat sur lequel se fait le dépôt à une température suffisamment élevée pour que la couche formée soit cristalline. Ce système connu comprend aussi une entrée de gaz (par exemple une entrée d'oxygène pour la formation de couches supraconductrices). On utilise généralement une cible dont le diamètre est de l'ordre de 3 à 5 cm, qui est orientée à du faisceau laser et qui est placée à une distance de l'ordre de 4 à 6 cm du substrat (qui est lui-même parallèle à la cible). De plus, on utilise généralement un laser dont la longueur d'onde est comprise dans la gamme allant de 0,2 à 0,6 micromètre, qui permet de focaliser sur la cible une densité d'énergie de l'ordre de 1 à 5 J/cm, le diamètre de la tache focale étant de l'ordre de quelques millimètres. Pour ne pas produire une usure locale trop rapide de la cible, on utilise la plus grande fraction possible de cette cible. Pour ce faire, il est connu de faire tourner la cible autour de son axe ou d'utiliser une déflexion optique du faisceau laser. Ceci est schématiquement illustré par la figure 1 o l'on voit une enceinte 2 dans laquelle se trouve une cible 4 et un substrat 6 destiné à recevoir les atomes arrachés à la cible 4. Un laser 8 émet un faisceau lumineux 10 qui est focalisé par une lentille appropriée 12 et qui traverse un hublot 14 pour atteindre la cible 4. Cette dernière est mise en rotation autour de son axe X grace à des moyens appropriés 16. Des techniques connues de dép 8 t d'empilements de couches "in situ" par ablation laser sont divulguées par les documents suivants: Article de M Kanai et al, publié dans Appl. Phys Lett 58 ( 7), 18 février 1991, p 771, "Atomic Layer and unit cell layer growth of (Ca,Sr)Cu O thin film by laser molecular beam 3 epitaxy epi taxy" Article de D H Lowndes et a l, publié dans Laser Ablation of Electronics Materials, Basic mechanisms and applications, E. Fogarassy and S Lazare (Editors), Elsevier Science Publishers B V, p 265 à 280. On connait deux techniques pour réaliser l'ablation successive d'au moins deux cibles de compositions différentes. Une première technique connue utilise la commutation mécanique des différents porte-cibles par une rotation qui est commandée de l'extérieur de l'enceinte de dépôt. Ceci est schématiquement et partiellement illustré par la figure 2 sur laquelle on voit les différents porte-cibles 18, qui sont rigidement solidaires les uns des autres, ainsi qu'un axe 20 qui permet de faire tourner l'ensemble de ces porte-cibles pour les amener successivement en face du substrat (non représenté) sur lequel s'effectue le dépôt. Une deuxième technique connue consiste à utiliser une déflexion du faisceau laser pour atteindre les différentes cibles disposées à l'intérieur de l'enceinte. La première technique connue est mécaniquement compliquée surtout si elle est combinée avec une mise en rotation de chaque cible. De plus, avec cette première technique connue, l'ensemble des cibles et de leurs supports respectifs occupe un volume important dans l'enceinte. La deuxième technique connue présente, quant à elle, l'inconvénient de nécessiter la modification de la position relative des cibles et du substrat (ainsi que du flux gazeux éventuellement utilisé) pour les dépôts successifs (de compositions différentes). De plus, la déflexion du faisceau laser devient encore plus compliquée si elle doit également assurer l'usure d'une grande surface des cibles (dans le cas o ces dernières ne sont pas mises en rotation). La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients que présentent les techniques connues mentionnées précédemment. La présente invention a tout d'abord pour objet un procédé de dépôt d'une pluralité de couches minces sur un substrat par ablation laser, procédé selon lequel les couches minces sont successivement formées sur le substrat par irradiation d'une pluralité de cibles par un faisceau laser, cibles dont les compositions respectives sont choisies pour former les couches minces et qui sont successivement exposées au faisceau du laser, ce procédé étant caractérisé en ce que les cibles sont placées sur un même support et en ce que ce support est déplacé en translation pour exposer successivement les cibles au faisceau laser. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, les cibles sont juxtaposées de façon jointive sur le support et les faces d'extrémité des cibles, qui sont destinées à venir au contact l'une de l'autre, sont préalablement biseautées suivant des angles permettant d'obtenir leur juxtaposition jointive. On empêche ainsi le faisceau laser de tomber sur ledit support et l'on évite donc la pollution du dépôt en cours de formation sur le substrat par le matériau constitutif de ce support. La présente invention a également pour objet un dispositif de dépôt d'une pluralité de couches minces sur un substrat par ablation laser, ce dispositif comprenant: un porte-substrat destiné à recevoir le substrat sur lequel sont successivement formées les couches minces, un laser destiné à irradier une pluralité de cibles, dont les compositions respectives sont choisies pour former les couches minces, des moyens d'exposition prévus pour exposer successivement les cibles au faisceau du laser, ce dispositif étant caractérisé en ce que les moyens d'exposition comprennent: un support sur lequel sont placées les cibles, et des moyens de translation du support, pour exposer successivement les cibles au faisceau du laser. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, lorsque le support des cibles est disposé de manière que ces cibles fassent un angle avec une direction horizontale, ce dispositif comprend en outre des moyens de maintien des cibles sur le support. De préférence, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des moyens d'orientation du support. Ceci permet d'ajuster la direction de l'émission des atomes provenant des cibles en direction du substrat. 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 faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1, déjà décrite, illustre schématiquement une technique connue d'ablation laser, la figure 2, déjà décrite, illustre schématiquement et partiellement une technique connue d'ablations successives de plusieurs cibles, la figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, et La figure 4 est une vue schématique de moyens de translation faisant partie du dispositif représenté sur La figure 3. Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 3, est destiné 1 O à déposer une pluralité de couches minces sur un substrat par ablation laser. Le dépôt a lieu dans une enceinte 22 dans laquelle on fait le vide grâce à des moyens de pompage appropriés 24. L'enceinte est également munie d'une entrée de gaz 26 (par exemple une entrée d'oxygène, gaz que l'on utilise lors du dépbt de couches minces supraconductrices). Le dispositif schématiquement représenté sur la figure 3 comprend un porte-substrat 28 qui est placé dans l'enceinte 22 et qui est destiné à recevoir le substrat 30 sur lequel sont successivement formées les couches minces. Le dispositif représenté sur la figure 3 comprend également un laser 32 destiné à irradier une pluralité de cibles 34 qui sont placées dans l'enceinte 22 parallèlement au substrat 30 et dont les compositions respectives sont choisies pour former les couches minces. Lorsque le faisceau issu du laser 32 tombe sur l'une des cibles, il arrache des atomes de celle-ci et ces atomes partent en direction du substrat, perpendiculairement à la cible. Le dispositif représenté sur la figure 3 comprend également un support 36 sur lequel sont placées les cibles 34 et des moyens 38 de translation du support permettant d'exposer successivement les cibles au faisceau du laser 32. On précise que le faisceau 40 issu du laser 32 est focalisé par des moyens optiques appropriés 42 et que ce faisceau laser est envoyé successivement sur les cibles à travers un hublot 44 dont est munie l'enceinte 22 et qui est transparent au faisceau laser 40. Dans l'exemple représenté, le support 36 est en acier inoxydable et comprend une plaque rectangulaire délimitée par quatre rebords. Les cibles 34 sont placées, dans l'ordre désiré, contre la plaque, entre les quatre rebords. Ces cibles sont juxtaposées de façon jointive et, pour ce faire, les faces d'extrémité 46 des cibles, qui sont placées l'une à côté de l'autre, sont b iseautées. Dans l'exemple représenté, les cibles sont découpées en biseau suivant un angle de 45 . Ainsi, la zone de transition entre deux cibles adjacentes ne mesure que quelques dixièmes de millimètres, ce qui est très inférieur à la taille du faisceau laser, qui vaut environ 2 à 3 mm. 2 5 Les moyens de translation 38 comprennent un chariot 48 (figure 4) auquel le support 36 est fixé, par l'intermédiaire d'une bride 50. Ce chariot 48 est guidé, grâce à ses roulettes 53, par deux rails horizontaux 52 et maintenu entre ceux-ci. Les moyens de translation 38 comprennent aussi une tige 54 parallèle aux rails et déplaçable parallèlement à son axe. Cette tige 54 est fixée d'un côté au chariot 48 et, de l'autre côté, à un plateau 55 qui obture un soufflet 56. Ce soufflet 56 est monté à l'extérieur de l'enceinte 22 (et communique de façon étanche avec l'intérieur de celle-ci). Les moyens de translation 38 comprennent également un moteur 58 qui entraîne en rotation une vis sans fin 60. Un écrou allongé 62 est fixé, d'un côté, au plateau 55 qui ferme le soufflet et cet écrou 62 est vissé sur la vis sans fin 60 de sorte que, lorsque cette dernière tourne, l'écrou 62 se déplace en translation et i l en est de même pour la tige 54 et donc pour le support 36 des cibles 34. En tant que moyens de translation 38, on peut utiliser ceux qui sont commercialisés par la Société MECCA 2000 sous la référence 301049 ("Raccord à translation millimétrique à commande latérale"). Ainsi, la translation des cibles est commandée de l'extérieur de l'enceinte 22. L'amplitude de la course du support 36 (par exemple égale à 100 mm) et les éventuels changements de sens du déplacement de ce support 36 sont fixés par le biais du réglage des moyens électroniques de commande (non représentés sur la figure 4) du moteur 58. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, le faisceau laser 40 est horizontal, ce qui conduit à incliner les cibles 34 et donc le support 36. De ce fait, ces cibles 34, à bords biseautés, doivent être maintenues contre ce support 36 et ceci est obtenu, comme on le voit sur la figure 4, grâce à deux lames 64 qui sont vissées sur des rebords opposés du support 36. Ce support 36 est orientable, ce qui permet de régle r la direction de l'émission d'atomes des cibles vers le substrat 30 (le plasma atomique est dirigé perpendiculairement au plan des cibles 34). Des vis de serrage 66, qui maintiennent le support 36, dans une orientation donnée, sur la bride , permettent ce réglage. Le dispositif décrit en faisant référence aux figures 3 et 4 assure les deux fonctions suivantes: la présentation successive des différentes cibles au faisceau laser, sans modification de la position relative du point d'impact du faisceau laser et du substrat, le balayage d'une plage de chaque cible au cours du déplacement de celle-ci. Les moyens mécaniques de translation utilisés sont beaucoup plus simples et moins volumineux que le système de commutation de différents porte-cibles mentionné plus haut. Divers modes d'utilisation du dispositif sont envisageables. Dans le cas le plus simple, o l'on désire par exemple déposer des ensembles comportant trois couches minces différentes Cl, C 2 et C 3, on place sur le support 36 trois cibles ayant les compositions appropriées et l'on fait subir un déplacement uniforme au support 36, avec une vitesse qui dépend des épaisseurs souhaitées pour les couches minces. En général, le taux de dépôt est de 10 nanomètres par impulsion laser. Si l'on veut former des couches très minces, on peut utiliser des cibles dont la longueur, comptée parallètement à la direction de translation des cibles, est faible, de l'ordre de 1 à 3 cm par exemple, sans qu'il soit nécessaire d'user localement les cibles de façon excessive. S'il faut un nombre important d'impacts du faisceau laser sur chaque cible (pour former des couches plus épaisses exigeant par exemple plusieurs milliers d'impacts du faisceau laser), on peut soit augmenter la longueur des cibles (en pratique, il est difficile de dépasser une longueur de l'ordre de 4 à 5 cm), soit prévoir des moyens (non représentés) permettant d'imprimer aux moyens de focalisation 42 du faisceau laser une petite oscillation dans une direction perpendiculaire à la direction de translation du support 36. Dans ce dernier cas, les impacts du faisceau laser se répartissent sur une surface de cible plus importante, sans modification significative de la configuration du dépôt sur le substrat 30. A titre d'exemple, une oscillation du spot laser de + 0,5 cm permet l'utilisation de 4 à 5 cm de chaque cible, surface qui est comparable à la surface qui est utilisée dans un système à une seule cible de 5 cm de diamètre avec mise en rotation de cette cible. Le dispositif est particulièrement commode pour élaborer des empilements périodiques du genre Cl- C 2-C 1-C 2- (alternance de deux couches Cl et C 2) ou du genre C 1-C 2-C 3-C 2-Cl-C 2-C 3-C 2- (utilisation de trois couches Cl, C 2 et C 3). Pour ce faire, il suffit d'imprimer au support 36 un mouvement oscillant permettant à deux ou trois cibles de se trouver en position d'ablation successivement et de façon répétée. Ceci est facilement réalisable par inversion périodique du sens du moteur de commande 58. On peut également envisager l'utilisation d'un ordinateur 68 pour commander le déplacement du support 36 et le tir des impulsions du laser 32. Dans ce cas, il est possible de réaliser des empilements complexes de couches, dans lesquels l'épaisseur de chaque couche est déterminée à l'avance. De plus, dans le cas de l'utilisation d'un tel ordinateur, il est possible à ce dernier de commander l'arrêt du Laser 32 dans les zones inter- cibles et il n'est plus nécessaire, dans ce cas, de biseauter les cibles. Un dispositif conforme à l'invention permet également la formation in situ d'une électrode de prise de contact électrique sur un empilement fabriqué. Pour ce faire, il suffit que la dernière couche déposée soit réalisée au moyen d'une cible métallique (en or ou en argent par exemple). Avec un dispositif du genre de celui qui est représenté sur les figures 3 et 4, il est possible de réaliser divers types d'empilements. On peut par exemple réaliser, sur un substrat d'oxyde de magnésium monocristallin, un empilement dans lequel deux couches supraconductrices alternent avec une couche isolante intermédiaire ou un empilement périodique à plusieurs couches, dans lequel se succèdent une dizaine de périodes dont l'épaisseur est d'environ 20 nm, chaque période comprenant une couche supraconductrice et une couche isolante. Un dispositif conforme à l'invention présente de nombreux avantages par rapport aux dispositifs de dépôt par ablation laser connus: il est très simple à réaliser du point de vue mécanique, la commande de ce dispositif, depuis l'extérieur de l'enceinte de dépôt sous vide, est très simple à réaliser, il est possible de réaliser un support de cibles de très faible volume et il existe un grand nombre de manières d'utiliser ce dispositif. REVENDICATIONS 1 Procédé de dépôt d'une pluralité de couches minces sur un substrat ( 30) par ablation laser, procédé selon leque l les couches minces sont successivement formées sur le substrat par irradiation d'une pluralité de cibles ( 34) par un faisceau laser ( 40), cibles dont les compositions respectives sont choisies pour former les couches minces et qui sont 1 O successivement exposées au faisceau du laser ( 32), ce procédé étant caractérisé en ce que les cibles ( 34) sont placées sur un même support ( 36) et en ce que ce support est déplacé en translation pour exposer successivement les cibles ( 34) au faisceau laser. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cibles ( 34) sont juxtaposées de façon jointive sur le support ( 36) et en ce que les faces d'extrémité ( 46) des cibles, qui sont destinées à venir au contact l'une de l'autre, sont préalablement biseautées suivant des angles permettant d'obtenir leur juxtaposition jointive. 3 Dispositif de dépbt d'une pluralité de couches minces sur un substrat ( 30) par ablation laser, ce dispositif comprenant: un porte- substrat ( 28) destiné à recevoir le substrat ( 30) sur lequel sont successivement formées les couches minces, un laser ( 32) destiné à i rradier une pluralité de cibles ( 34), dont les compositions respectives sont choisies pour former les couches minces, des moyens d'exposition prévus pour exposer successivement les cibles au faisceau ( 40) du laser, ce dispositif étant caractérisé en ce que les moyens d'exposition comprennent: 1 4 2698483 un support ( 36) sur lequel sont p lacées les cibles ( 34), et des moyens ( 38) de translation du support ( 36), pour exposer successivement les cibles ( 34) au faisceau du laser. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 64) de maintien des cibles ( 34) sur le support ( 36). Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 66) d'orientation du support ( 36).