Brevet FR2721946A1 — publié le 19960105

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de production d'une pellicule mince de matériau qui trouve son importance dans un domaine de nouveaux matériaux fonctionnels, tels que des semiconducteurs, des supraconducteurs et concerne également un appareil pour la mise en oeuvre du procédé. Description de l'art antérieur Une technique de formation de pellicule mince sur un substrat ou de o revêtement d'une surface de matériau sous la forme d'une pellicule est aujourd'hui essentielle au développement de nouveaux matériaux fonctionnels tels que des matériaux semi-conducteurs, des matériaux métalliques, des matériaux organiques, des matériaux composites etc... Ainsi, divers procédés de production, comme le dépôt en phase gazeuse par voie physique, tels que le dépôt sous vide, la pulvérisation cathodique, etc..., comme des dépôts par voie chimique tels que le dépôt en phase gazeuse par voie chimique, etc...., le revêtement au chalumeau, l'application etc..., ont été développés ainsi que des appareils pour la mise en oeuvre de ces procédés. Dans ces procédés de production, il existe divers problèmes non résolus, tels que l'affinité entre les matériaux qui doivent être transformés en pellicule mince et le substrat, I'instabilité chimique et physique de la pellicule mince, le réglage de l'épaisseur de la pellicule et la qualité de la pellicule etc... Il devient de plus en plus important de résoudre ces problèmes en raison de l'augmentation de la nature des matériaux et de l'augmentation des performances que l'on souhaite qu'ils aient. 2 2721946 Résumé de l'invention Un des buts de la présente invention est de résoudre les problèmes qui ont été décrits ci-dessus et de procurer un procédé de production d'une pellicule mince dont la bonne qualité peut être bien contrôlée et qui donne une grande vitesse de dépôt. Un autre but de la présente invention est de procurer un appareil qui est utilisable efficacement dans les procédés mentionnés ci-dessus. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de production de pellicule mince comprenant l'étape qui consiste à: former un pellicule mince sur un substrat sous l'effet d'un champ à haute gravité. Le champ à haute gravité peut être établi par des forces centrifuges. La valeur de la gravité peut être supérieure à 1G, G étant la constante de gravitation de la terre. De préférence, I'ampleur de la gravité pourra être 3G ou plus. Le substrat peut être chauffé et un matériau destiné à être déposé peut être vaporisé par chauffage et déposé sur le substrat. Le substrat peut être chauffé et un gaz de matériau d'un matériau destiné à être déposé peut être fourni sur le substrat chauffé afin de former une pellicule mince par réaction chimique sur une surface de substrat. Selon un second aspect de la présente invention, il est proposé un appareil destiné à produire une pellicule mince comprenant: au moins une chambre de production de pellicule mince enfermant un substrat; et des moyens destinés à produire un champ à haute gravité dans la chambre de production de pellicule mince. Un appareil destiné à produire une pellicule mince peut en outre comprendre des moyens de chauffage et d'évaporation de la source du matériau à déposer sur le substrat. Les moyens de production de champ à haute gravité peuvent comprendre un rotor qui tourne à grande vitesse et un bras qui relie le rotor et la chambre de production de pellicule mince. Une pluralité de chambre de production de pellicule mince et de bras peuvent être prévus et agencés symétriquement par rapport au rotor. Conformément à la présente invention, par exemple, dans le cas d'un procédé de dépôt par voie chimique, sous l'effet de la haute gravité, une production de noyaux atomiques destinés à la précipitation est favorisée pour faire avancer plus rapidement la réaction chimique que dans le cas o aucune gravité n'est appliquée. En outre, comme la convection est accélérée par la haute gravité, la pellicule peut être formée en un temps très court. En outre, comme la convection naturelle et la diffusion sont toutes deux présentes dans le champ de gravité normal, cela va probablement avoir pour effet de créer des fluctuations de l'épaisseur de la pellicule et de la qualité de la pellicule. De plus, dans le champ à io haute gravité, la convection naturelle est très supérieure à la diffusion, ce qui a pour effet que la répartition d'épaisseur devient uniforme même lorsqu'une pellicule épaisse est formée, et une qualité uniforme de la pellicule peut également être obtenue. Comme la taille des grains de cristaux qui forme la pellicule augmente significativement, conformément à l'augmentation de la gravité, une i5 pellicule ayant des grains de cristaux géants peut être formée sous un champ à haute gravité. Ainsi, de nouvelles fonctionnalités différentes des pellicules minces existantes ayant des grains de cristaux fins peuvent être envisagées. En réglant la gravité, ou en plaçant le substrat en oblique par rapport à la direction de la gravité, on peut faciliter la formation d'un gradient de concentration en les espèces chimiques constituant le cristal, d'un gradient de taille de grain de cristal et d'un gradient d'épaisseur de pellicule. Description succinte des dessins La présente invention sera mieux comprise à partir de la description détaillée donnée ci-dessous et à partir des dessins annexés du mode de réalisation préféré de l'invention qui, cependant ne doit être pris qu'à titre d'exemple non limitatif de la présente invention dans un seul but d'explication et de compréhension. Dans les dessins: la figure 1 est une vue de côté schématique représentant la construction générale d'un exemple d'un appareil de production de pellicule mince suivant la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe d'une chambre de production de pellicule mince; et la figure 3 est une vue de côté représentant un exemple de mécanisme de rotation d'un rotor tournant à grande vitesse. 4 2721946 Description détaillée du mode de réalisation préféré Le mode de réalisation préféré de la présente invention va être décrit ci-après en détail en se reportant aux dessins annexés. Dans la description qui suit, de nombreux détails spécifiques sont invoqués afin de fournir une explication approfondie de la présente invention. Il va de soi cependant pour les hommes de l'art que la présente invention peut être mise en oeuvre sans ces détails spécifiques. Dans d'autres cas, des structures bien connues ne sont pas représentées en détail afin de ne pas rendre inutilement compliquée la description de la présente invention. i0 La figure 1 est un schéma représentant de manière générale l'agencement d'un mode de réalisation d'un appareil de production de pellicule mince suivant la présente invention. L'appareil représenté utilise une force centrifuge et comprend un rotor 1 tournant à grande vitesse sur une base 1A, un bras 2 et une chambre 3 de production de pellicule mince. Le bras 2 est monté pivotant sur le rotor 1 de rotation à grande vitesse par un axe 4. La chambre 3 de production de pellicule mince est suspendue de manière pivotante à l'extrémité du bras 2 par l'intermédiaire d'un axe 5. La figure 2 est une vue en coupe schématique de la chambre 3 de production de pellicule mince pour un procédé de dépôt sous vide. Un substrat 7 est porté sur un support 6 placé à l'intérieur de la chambre 3 de production de pellicule mince. Des électrodes 9A et 9B sont également fixées à l'intérieur de la chambre 3 de production de pellicule mince par des pièces isolantes 8. Les électrodes 9A et 9B sont connectées à une source extérieure d'énergie par des fils 12A et 12B électriques isolés, disposés le long ou à l'intérieur du bras 2 du rotor 1 de rotation à grande vitesse. On chauffe et on fait évaporer, à l'aide d'un filament en tungstène connecté aux électrodes 9A et 9B, un matériau 11 à déposer, qui est inséré dans le filament. Si cela s'avère nécessaire, on peut également chauffer le substrat 7. La chambre 3 de production de pellicule mince est conçue pour permettre la ventilation et l'alimentation en gaz, même pendant la rotation, par un tube 14 qui traverse un couvercle 13. Un joint torique 13A est prévu pour établir une étanchéité au gaz de la chambre de production de pellicule mince. La figure 3 représente un exemple du mécanisme de rotation du rotor 1 de rotation à grande vitesse. 2721946 Le rotor 1 de rotation à grande vitesse est porté sur la base la par l'intermédiaire de paliers 1 B. Le rotor 1 de rotation à grande vitesse est entraîné en rotation au moyen d'un moteur 17 par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission qui comprend une poulie 15 et une courroie 16 etc.... Sur la périphérie extérieure du rotor 1 à rotation à grande vitesse, des conducteurs 18A et 18B annulaires sont fixés par l'intermédiaire d'une pièce isolante qui n'est pas représentée. Les conducteurs 18A et 18B annulaires sont connectés aux fils 12A et 12B électriques isolés. De l'énergie en provenance de la source 19 extérieure est fournie au filament 10 en tungstène par l'intermédiaire de fils 20A, 20B, de 1o contacts 21A et 21B à ressorts, des conducteurs 18A et 18B annulaires et des fils 12A et 12B électriques. La vitesse de rotation du rotor 1 à rotation à grande vitesse peut être commandée en réglant une vitesse de rotation du moteur 17 ou en prévoyant un mécanisme de changement de vitesse qui est connu en soi dans le mécanisme de transmission. La source 19 extérieure d'énergie peut être, soit une source de courant électrique continu, ou soit une source de courant alternatif, et en outre peut être à haute fréquence ou à radiofréquence. La tension fournie ou le courant fourni au filament 10 de tungstène peuvent être commandés par des moyens de commande connus. Dans le mode de réalisation décrit plus bas, une source de courant alternatif disponible sur le marché est utilisée en tant que source extérieure. Le rotor 1 de rotation à grande vitesse et le bras 2 sont formés de conduits creux ménageant un tuyau 22 pour la ventilation et pour l'alimentation en gaz par l'intermédiaire de sa zone intérieure creuse. Une extrémité du tuyau 22 est reliée au tube 14. L'autre extrémité du tuyau 22 est reliée à une pompe 23 à vide, par exemple. On donne ci-après un exemple de formation d'une pellicule mince en or sur un substrat de verre de silice. 10 g d'or correspondant au matériau 11 à déposer est placé à l'intérieur d'une partie 1 OA en forme d'entonnoir du filament 10 de tungstène. Tout en faisant tourner à grande vitesse, on réduit la pression dans la chambre 3 de production de pellicule mince par ventilation à 104 Torr. Ensuite, tout en faisant tourner le rotor 1 à rotation à grande vitesse, on fournit de l'énergie au filament de tungstène pour chauffer l'or à 11 00 C pour le déposer sur le substrat en verre de silice. L'accélération à exercer sur la chambre 3 de production de pellicule mince est déterminée uniquement par la vitesse de rotation et par la longueur du bras 2. Lorsque la longueur du bras 2 est de 1 mètre et la vitesse de rotation du rotor 1 de rotation à grande vitesse est de 94,5 tours/minute, l'accélération devient égale à 10 fois l'accélération correspondant à la gravité normale (10G). A cet instant, la quantité déposée par unité de temps devient approximativement de lpm/minute. La taille du grain de cristal de la pellicule obtenue est approximativement de 0,2 pm. Par rapport à un procédé de dépôt dans des conditions d'accélération gravitationnelle normale, cette vitesse de dépôt est environ trois fois supérieure. En outre, la taille du grain de cristal est supérieure à celle obtenue dans des conditions d'accélération de gravitation normale dans un rapport d'environ trois. La qualité de la pellicule est bonne. En o répétant le dépôt par voie physique plusieurs fois pour des accélérations différentes les unes des autres, on obtient une pluralité de pellicules ayant des tailles de grains de cristaux différentes. En outre, en réalisant le dépôt sur le substrat placé obliquement par rapport à la direction de l'accélération de gravitation, on peut faire varier la taille de grain de cristal et l'épaisseur de la pellicule déposée sur le substrat de manière graduelle. En revanche, lorsque le substrat et la source de matériau sont agencés dans une direction opposée à celle représentée à la figure 2, par rapport à l'accélération de gravitation, ou lorsque le substrat est agencé sur le sommet de la chambre 3 de production de pellicule mince et la source de matériau est agencée sur le fond de la chambre 3, la taille du grain de cristal de la pellicule déposée devient très fine. Cependant, dans ce cas, la vitesse de dépôt devient petite. Un exemple d'application de dépôt par voie physique vient d'être décrit, mais l'invention est également applicable pour des dépôts par voie chimique. Dans ce cas, le filament 10 de tungstène est retiré de la chambre 3 de production de pellicule mince. Ensuite, on fournit de l'énergie à un dispositif chauffant (non représenté) prévu dans le support 6 pour chauffer le substrat 7. Ensuite, la pression dans la chambre de production de pellicule mince est réduite. A cet instant, sous haute accélération, du silane gazeux est fourni par le conduit 22. Ainsi, on peut obtenir une pellicule mince de silicium polycristallin. En prévoyant une pluralité de conduits d'alimentation en gaz, on peut également alimenter le substrat de silicium en CH4 gazeux, en H2 gazeux et en Ar gazeux. On peut ainsi former une pellicule mince en diamant sur le substat en silicium. Les caractéristiques de la pellicule mince obtenues par dépôt par voie chimique sont 7 2721946 aussi bonnes que celles de la pellicule mince obtenues par dépôt par voie physique. Dans le cas de l'appareil utilisant la force centrifuge, il est bon de prévoir deux ou plusieurs bras et chambres de production de pellicule mince et de les agencer en position symétrique par rapport au rotor 1 à grande vitesse afin de stabiliser l'appareil. En outre, alors que les modes de réalisation précédents créent un champ à haute gravité par force centrifuge, il est également possible d'utiliser une force par impact. Il est également possible d'utiliser un environnement à haute gravité, par exemple lors du départ d'un satellite, d'une navette spatiale et etc.... La valeur de l'accélération doit dépasser l'accélération de gravitation (1G) et l'appareil est particulièrement efficace à 3G ou plus. Cependant, des considérations de résistance de l'appareil font que la valeur de l'accélération peut être limitée à environ 104G. Comme décrit précédement et conformément à la présente invention, la pellicule mince peut être produite à une vitesse qui n'a pas pu être réalisée dans la technique antérieure. En outre, il devient possible de faire précipiter des cristaux ayant une grande taille de grain, ce qui n'avait pas pu être obtenu par les procédés classiques. Ces cristaux peuvent être choisis à volonté en prenant la valeur de I'accélération de gravitation comme paramètre. En outre, en principe, il est possible de répartir différents matériaux avec des taux de répartition variant de manière séquentielle. Il s'ensuit que la présente invention est unique et efficace pour la conception de matériaux, en particulier pour la conception de matériaux en pellicule mince. Bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à un mode de réalisation donné en exemple, il va de soi pour le spécialiste que divers autres changements, omissions ou ajouts peuvent être fait à la description qui précède sans sortir de l'esprit et du champ de la présente invention. C'est pourquoi la présente invention ne doit pas être comprise comme étant limitée au mode de réalisation spécifique décrit ci-dessus, mais doit être comprise comme incluant tous les modes de réalisation possibles qui peuvent être mis en oeuvre dans le champ défini par les caractéristiques décrites et dans le champ des équivalents de celles-ci. 8 2721946 REVENDICATIONS 1. Procédé de production de pellicule mince comprenant l'étape caractérisé en ce qu'il consiste à former une pellicule mince sur un substrat sous un champ à haute gravité. 2. Procédé de production de pellicule mince suivant la revendication 1. caractérisé en ce que le champ à haute gravité est établi par une force centrifuge. 3. Procédé de production de pellicule mince suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de la gravité dépasse 1 G, G étant la constante de gravitation de la terre. 4. Procédé de production de pellicule mince suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur de la gravité est 3G ou plus. 5. Procédé de production de pellicule mince suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est chauffé et un matériau à déposer est vaporisé par chauffage et est déposé sur le substrat. 6. Procédé de production de pellicule mince suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est chauffé et un gaz d'un matériau à déposer est envoyé sur le substrat chauffé afin de former une pellicule mince par réaction chimique sur une surface de substrat. 7. Appareil de production d'une pellicule mince comprenant: au moins une chambre de production de pellicule mince enfermant un substrat; caractérisé en ce qu'il comprend des moyens destinés à produire un champ à haute gravité dans la chambre de production de pellicule mince. 8. Appareil de production de pellicule mince suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens destinés à chauffer et à faire évaporer le matériau source correspondant au matériau à déposer sur le substrat. s 9. Appareil de production de pellicule mince suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de génération de champ à haute gravité comprennent un rotor tournant à grande vitesse et un bras reliant le rotor et la chambre de production de pellicule mince. 10. Appareil de production de pellicule mince suivant la revendication o0 9, caractérisé en ce qu'une pluralité de chambre de production de pellicule mince et de bras sont prévus et agencés symétriquement par rapport au rotor.