Brevet FR2755386A1 — publié le 19980507

PROUE DE RECUIT ET DE NETTOYAGE DE LIGNES METALLIQUES ET DIELECTRIQAES, NOTAMMENT SUR CIRCUITS IMPRIMÉS OU ÉCRANS PLATS L'invention est relative au dépôt et à la rectification de lignes métalliques et diélectriques et, plus particulièrement, au recuit et au nettoyage de telles lignes par l'utilisation de faisceaux laser de longueur d'onde dans le domaine des ultraviolets. Les lignes métalliques sont utilisées de façon courante pour des circuits de connexion dans des cartes de circuits imprimes, ainsi que dans des modules à pluralité de circuits intégrés pour des ordinateurs personnels. Elles sont aussi utilisées pour former des électrodes sur des écrans plats. Les lignes diélectriques (ou isolantes) sont utilisées pour séparer les conducteurs dans de telles applications. Les techniques connues de formation de motifs et de dépôt de lignes métalliques comprennent le dépôt chimique en phase vapeur (à l'aide d'un laser), le dépôt laser à partir de précurseurs métalliques, l'inscription par laser, l'inscription par faisceau d'électrons, l'inscription par faisceau d'ions, et l'inscription par rayons X. Toutes ces techniques peuvent aussi être utilisées pour rectifier des lignes métalliques. Une autre technique de dépôt et de rectification des lignes métalliques consiste en une ablation au moyen d'un laser et d'une projection pour obtenir le dépôt de métal. L'ablation par laser de pellicules métalliques est, en général, une technique largement connue. Selon cette technique, un faisceau laser est focalisé sur une pellicule de métal. La chaleur et l'onde de choc produites par le faisceau laser retirent, ou refoulent, des particules de la pellicule. Des fines couches de métaux tels que le cuivre, l'or et l'argent peuvent être facilement retirées ou éliminées, en utilisant des lasers à lumière verte, tels que des lasers à modulation du facteur de qualité et à double rayonnement Nd: YAG, Nd: YLF, ou des lasers à vapeur de cuivre. Les particules éliminées se déposent sur un substrat cible pour former la pellicule métallique déposée. Les lignes métalliques formées par ablation au laser et projection d'un dépôt métallique (et par d'autres procédés) sont souvent non-homogènes. "Non-homogène" signifie ici "contenant des vides". Les vides dans des lignes métalliques peuvent accroître la résistance électrique et diminuer la fiabilité de ces lignes. De plus, le procédé de dépôt ou formation du motif peut entraîner la présence de fines particules de métal au voisinage des lignes métalliques formées par ablation au laser et projection d'un dépôt métallique (et par d'autres procédés). Ces débris fins peuvent constituer un obstacle, par exemple pour la rectification d'électrodes d'écrans plats. Dans ce cas, les débris peuvent se déplacer et contaminer les cellules voisines de formation d'images, ou apparaître comme un défaut dans l'image affichée. Actuellement, les lignes métalliques sont rendues homogènes (c'est-à-dire sans vides) en recuisant pendant une période de plusieurs heures, dans un four, avec un environnement d'hydrogène/azote, la plaque de circuit imprimé ou tout autre substrat sur lequel la ligne métallique est déposée. Outre l'inconvénient de requérir un environnement d'hydrogène/azote, cette technique est également lente et ne peut être appliquée localement à des rectifications spécifiques. Les procédés connus pour éliminer les fines particules de débris métalliques qui se trouvent à proximité des lignes métalliques impliquent l'utilisation de procédés humides. Ces procédés sont des techniques envahissantes qui sont, de toute façon, indésirables pour des applications telles que la rectification d'électrode d'écran plat. Le but de l'invention est de perfectionner la technique pour recuire des lignes métalliques afin d'éliminer les vides et pour retirer des débris métalliques de la ligne dans un environnement atmosphérique et à un emplacement spécifique. La présente invention fournit un procédé pour simultanément recuire une ligne métallique ou diélectrique et enlever les débris déposés au voisinage de la ligne. A cet effet, on produit un faisceau laser ultraviolet, on focalise le faisceau laser ultraviolet sur une partie de la ligne, et on expose cette partie de la ligne au faisceau laser ultraviolet pendant une période de temps suffisante pour faire fondre et remettre en forme la ligne et pour faire évaporer les petites particules de débris. Le foyer du faisceau laser ultraviolet est alors déplacé vers une autre partie de la ligne et le procédé est répété jusqu'à ce qu'on ait recuit la ligne entière. Ce procédé peut aussi être utilisé pour rectifier des lignes métalliques et/ou diélectriques. L'ablation par laser peut être utilisée en combinaison avec le procédé de recuit par laser ultraviolet afin d'effectuer le dépôt ou la rectification. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ciannexés sur lesquels la figure 1 est une vue en plan, de côté, d'un appareil de dépôt métallique par laser, la figure 2 est une vue en plan, de côté, d'un exemple de cellule pour le dépôt de métal et l'adhésion selon la présente invention, la figure 3 est une vue en plan, de côté, d'un appareil de recuit par laser selon un exemple de réalisation de la présente invention, les figures 4, 5 et 6 sont des images en microscopie électronique de lignes métalliques déposées, et les figures 7 et 8 sont des images en microscopie optique de lignes métalliques déposées. Selon la présente invention, des lignes de métal et de diélectrique déposées sont recuites en utilisant un faisceau laser W qui fait fondre et remet en forme les lignes afin de les rendre homogènes et d'éliminer les débris se trouvant au voisinage des lignes. La figure 1 illustre un appareil de dépôt de métal par laser. Le laser 1 est un laser à double harmonique du type à état solide et à modulation du facteur de qualité Q de type Nd: YLF ou Nd: YAG. Un laser pouvant convenir est, par exemple, un laser Nd: YLF pompé par diode de la série 7300 de Spectra-Physics. Le faisceau laser 13 du laser 1 est agrandi par le télescope 2 en un faisceau 14 agrandi. Le faisceau 14 atteint le miroir dichroïque 3 qui dirige ce faisceau 14 vers la lentille objectif 4. La lentille objectif 4 focalise le faisceau sur l'échantillon 5 en une tache de diffraction limitée. Sur la figure 1, le dispositif d'illumination 11 fournit de la lumière qui est déviée par le miroir 9 sur le miroir dichroïque 3. Le dispositif d'illumination 11 est utilisé comme source de lumière blanche pour illuminer l'échantillon 5 de sorte qu'on puisse contrôler le procédé et l'emplacement du point focalisé. Un dispositif d'illumination pouvant convenir est fourni, par exemple, par la société américaine "Edmund Scientific Company" à Barrington dans le New Jersey, États-Unis. Une caméra CCD 10 est utilisée pour former une image de l'emplacement du procédé et pour contrôler cet emplacement. L'image produite par la caméra CCD 10 est fournie à l'ordinateur 8 qui calcule les emplacements suivants du procédé en se basant sur un trajet programmé. N'importe quelle caméra vidéo connue convient pour obtenir ce résultat. L'échantillon 5 est supporté par un étage 6. L'étage 6 est équipé de commandes 15 de mouvements X-Y qui sont commandés par l'ordinateur 8. Des commandes de mouvement et un ordinateur pouvant convenir peuvent être fournis par la société américaine "New England Affiliated Technologies" à Lawrence dans le Massachusetts, États-Unis, et ils comprennent, par exemple, un étage de précision de type XY-8080, un dispositif de commande PCX2, et un dispositif d'entraînement à micro-pas du type 202M, le dispositif de commande étant interfacé avec un P.C. IBM 486 ou un ordinateur compatible. L'ordinateur 8 oeurnande aussi la puissance du laser 1. En réglant la position de l'étage 6 et la puissance du laser 1, l'ordinateur 8 permet le dépôt de motifs spécifiques sur l'échantillon 5. Le dépôt de lignes métalliques sur le substrat est illustré sur la figure 2. Un premier substrat 21, qui est en verre dans le mode de réalisation donné à titre d'exemple, est disposé dans le trajet du faisceau laser focalisé 17. Le substrat en verre 21 présente un revêtement métallique 22 disposé sur le côté de ce substrat en verre 21 qui est le plus éloigné de la lentille objectif 4. Le revêtement 22 peut être déposé par une technique connue de pulvérisation ou de placage de métal. Le faisceau 17 traverse le substrat en verre 21 et atteint le revêtement métallique 22 par son côté arrière, c'est-à-dire à l'in- terface de la surface du revêtement métallique 22 et du substrat en verre 21. Le contact du laser 17 avec le revêtement métallique 22 entraîne une ablation du revêtement métallique 22. Au cours de l'ablation, les ions métalliques 25 s'éloignent du revêtement métallique 22 et sont accélérés. Le second substrat 23, qui est aussi du verre dans le mode de réalisation donné en exemple, est disposé de façon adjacente au côté du premier substrat en verre 21 qui présente le revêtement métallique 22. Courue les ions métalliques 25 sont accélérés à partir du substrat en verre 21 par l'ablation provoquée par le faisceau laser focalisé 17, les ions métalliques 25 entrent en contact avec le second substrat en verre 23. Dans le mode de réalisation représenté, un champ électrique est appliqué aux premier et second substrats en verre 21 et 23 grâce à l'utilisation d'une alimentation 12. L'alimentation 12 est utilisée pour engendrer le champ électrique dans cette réalisation. L'alimentation 12 présente une électrode positive 30 fixée au revêtement métallique 22 et une électrode négative 31 connectée au second substrat en verre 23. Dans le mode de réalisation donné à titre d'exemple, les tensions appliquées sur les électrodes sont d'au moins 300 volts. Dans le mode de réalisation représenté à titre d'exemple, le champ électrique entraîne les ions métalliques 25 chargés positivement vers le second substrat en verre 23. Le transfert d'ions métalliques 25 de la pellicule métallique 22 vers la surface 26 est provoqué par la force électrostatique et par les ondes de choc acoustiques engendrées par l'ablation au laser. Le champ électrique appliqué au premier substrat en verre 21 et au second substrat en verre 23 aide aussi à l'application ou à la liaison des ions métalliques 25 sur le second substrat en verre 23. En raison du contact de l'électrode négative avec le second substrat en verre 23, les ions positifs tels que les ions de sodium dans le substrat en verre 23 s'éloignent de la surface 26 vers l'électrode négative. Il reste donc des ions négatifs, tels que de l'oxygène, dans le substrat en verre 23. Ces ions négatifs s'assemblent électrostatiquement avec des ions métalliques positifs qui entrent en contact avec la surface 26. Un scellement chimique permanent provoqué par une couche mince d'oxyde métallique est formé après la disparition du champ électrique. Les lignes métalliques conductrices peuvent ainsi être formées sur la surface 26 du second substrat 23 à partir des ions métalliques 25. Une plaque chaude 20 peut être utilisée pour augmenter le déplacement, ou migration, des ions positifs vers l'électrode négative dans le second substrat en verre 23, et, ainsi, augmenter la liaison des ions métalliques 25 à la surface 26 du second substrat en verre 23. La chaleur augmente la diffusion et permet une plus grande mobilité des ions dans le verre. En réglant les commandes 15 de l'étage et la puissance du laser 1, l'ordinateur 8 permet le mouvement de l'étage 6 et ainsi, de l'échantillon 5 sous le faisceau 17. On peut ainsi inscrire les motifs de lignes métalliques sur l'échantillon 5. En variante, le faisceau peut être déplacé avec un scanner, ou dispositif de balayage, et une lentille de balayage, l'échantillon étant maintenu fixé sous le faisceau. L'espacement 18 entre le premier substrat 21 en verre et le second substrat 23 en verre peut être réglé pour faire varier la taille caractéristique (largeur) des lignes métalliques résultantes sur le second substrat 23. Quand les substrats 21 et 23 sont éloignés l'un de l'autre pour augmenter l'espacement 18, la taille caractéristique des lignes augmente. L'épaisseur du revêtement métallique 22 peut être modifié afin de faire varier l'épaisseur des lignes métalliques sur le second substrat 23. Si on dispose d'un revêtement métallique 22 plus épais sur le substrat 21, on peut procéder à l'ablation d'un plus grand nombre d'ions métalliques 25. I1 en résulte une ligne métallique plus épaisse. Les lignes métalliques déposées, en particulier celles formées par ablation au laser et projection de dépôt métallique sont souvent non-homogènes et elles comportent des débris métalliques à leur voisinage, même quand on fait appel à un champ électrique pour minimiser les débris comme décrit ci-dessus. Ces défauts peuvent créer des lignes à haute résistivité, ce qui n'est pas souhaitable. Après le dépôt d'une ligne métallique, la présente invention fournit un procédé pour recuire la lignes métallique pour la rendre homogène de façon à améliorer la conductivité, et pour enlever tout débris métallique fin autour de la ligne déposée. La figure 3 illustre un système utilisé pour recuire les lignes métalliques. Sur la figure 3, un laser 30 engendre un faisceau laser 31 qui est réfléchi par le miroir dichroïque 40 vers la lentille objectif 32. La lentille 32 foca lise le faisceau 31 en un faisceau focalisé 41 sur une partie de la ligne métallique 33 qui a été déposée sur le second substrat 23. Le foyer du faisceau 31 est maintenu sur la partie de la ligne métallique 33 pendant une période de temps suffisante pour faire fondre et remettre en forme la ligne. La position du second substrat est alors déplacée, si nécessaire, de façon telle que le faisceau 31 soit focalisé sur une autre partie de la ligne métallique 33. Ce procédé est répété jusqu'à ce que la ligne entière ait été recuite. L'étage XY 34 est utilisé pour commander le positionnement du second substrat 23 sous la lentille 32. Les boutons de commande 35 peuvent être utilisés dans ce but en liaison avec l'ordinateur 36. L'ordinateur reçoit des signaux de la caméra CCD 38 afin de déterminer le positionnement de l'étage XY 34. Le dispositif d'illumination 37 est utilisé pour fournir l'illumination nécessaire pour le fonctionnement de la caméra CCD 38. La lumière provenant du dispositif 37 est réfléchie par le miroir 39 pour être dirigé vers la ligne métallique 33. Le laser 30 utilisé pour recuire la ligne métallique 33 est, dans la réalisation illustrée, un laser à état solide de type continu connu sous la dénomination "Surelite II" et qui est distribué par la Société "Continuum Inc." à Santa-Clara, Cali fornie, États-Unis. Les autres appareils, tels que la caméra CCD 38, le dispositif d'illumination 37, l'étage XY 34 et les commandes, ainsi que ltordinateur 36 peuvent être tous de même type que ceux décrits ci-dessus en relation avec le dépôt de lignes métalliques. Exemple 1 Un laser à état solide continu du type Surelite II fonctionnant à pleine puissance de 250 mW, à taux de répétition de 10 Hz et une longueur d'onde UV de 266 nm a été focalisé à un diamètre de 2 itin. La tache lumineuse focalisée a été exposée jusqu'à 5 secondes sur des lignes métalliques de cuivre qui avaient été déposées par ablation laser et projection de dépôt métallique comme décrit ci-dessus. La figure 4 est une image prise au microscope électronique d'une paire de lignes métalliques déposées par ablation au laser et projection de dépôt métallique, immédiatement après dépôt, avant l'exposition au laser UV de recuit. Les débris métalliques fins et la non-homogénéité de la ligne métallique peuvent être observés sur cette figure. La figure 5 est une image prise au microscope électronique de la même paire de lignes après recuit au laser UV. Après exposition au faisceau laser W, les lignes métalliques apparaissent homogènes, brillantes et ont une conductivité améliorée. Les débris métalliques que l'on voit autour des lignes sur la figure 4 ont disparu après le procédé de recuit, comme montré sur la figure 5. La résistivité d'une ligne métallique a été mesurée avant et après le recuit W selon la présente invention. La ligne après recuit est montrée sur l'image prise au microscope électronique de la figure 6. La résistivité avant recuit était de 8 micro-ohms par cm. Après recuit selon la présente invention, la résistivité a été améliorée pour atteindre 3 micro-ohms par cm. La figure 7 est une image prise au microscope optique d'une ligne métallique déposée avant le recuit au laser selon la présente invention. La figure 8 est une représentation, également obtenue à l'aide d'un microscope optique, après le recuit au laser. La quantité de particules de débris que l'on voit autour de la ligne dans la figure 7 se trouve grandement diminuée sur la figure 8. Les particules migrent vers la ligne métallique ou sont évaporées par le recuit. Les figures 7 et 8 illustrent l'amélioration très sensible dans la formation d'une ligne qui peut être réalisée avec le procédé de recuit de la présente invention. L'exposition des lignes métalliques au recuit par laser W après dépôt provoque la fonte, la remise en forme et le recuit des lignes. La fonte et la remise en forme contribuent à enlever les vides dans la ligne déposée. En outre, les débris métalliques autour de la ligne disparaissent car les particules de métal lourd proches des lignes sont attirées par tension de surface au cours du recuit. Les particules métalliques denses, relativement légères et petites qui se trouvent au voisinage de la ligne sont évaporées au cours du procédé de recuit. Le recuit au laser UV corrane décrit ci-dessus présente 1' avantage important de permettre simultanément le recuit du métal et ltévaporation de débris métalliques. L'énergie du laser UV est de préférence telle que la ligne métallique fonde et soit remise en forme, et cependant telle que seules les petites particules (c'est-à-dire submicroniques) s'évaporent. On utilise des faisceaux lasers UV car la longueur d'onde W est absorbée fortement par la ligne métallique et absorbée modérément par le verre. I1 en résulte que le métal et le substrat en verre s'échauffent tous les deux de sorte qu'il n'existe pas de tension entre le substrat et le métal quand on refroidit. En conséquence, la ligne métallique présentera une fiabilité améliorée ainsi qu'une meilleure adhérence au substrat. La longueur d'onde W peut aussi servir à minimiser l'oxydation en détruisant la liaison métaloxygène formée sur la surface du métal avec l'oxygène de l'air. Selon la présente invention, le recuit au laser UV produit des lignes métalliques recuites avec une conductivité améliorée tout en évacuant simultanément les débris métalliques fins qui se trouvent autour des lignes métalliques. Bien que la présente invention ait été décrite en référence à un mode de réalisation particulier, elle n'est pas limitée à ce dernier. En particulier, bien que montré et décrit séparément en conjonction avec la figure 3, le laser utilisé pour recuire peut être incorporé dans le système d'ensemble pour déposer les lignes métalliques comme dans l'exemple du mode de réalisation montré sur la figure 1, de sorte qu'un équipement séparé n'est pas nécessaire. On mentionnera aussi que le système de la figure 3 est le même que celui de la figure 1, sauf que des lasers de longueurs d'onde différentes sont utilisés et que, dans le cas de la figure 3, on ne fait pas appel à une lentille télescopique avec le laser UV 30. Quand le dépôt et le recuit sont tous deux effectués par le même laser, le laser peut être un laser à triple lon gueur d'onde tel que celui distribué par la société "Big Sky Inc." à Bozeman, Montana, États-Unis. Enfin, bien que décrit en relation avec une ablation au laser et une projection de dépôt métallique, le procédé de recuit au laser W de la présente invention convient également pour traiter à la fois des lignes métalliques et des lignes diélectriques qui sont formées par d'autres procédés. REVENDICATIONS 1. Procédé pour simultanément recuire une ligne métallique ou diélectrique déposée et supprimer les débris métalliques déposés au voisinage de la ligne, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à (a) engendrer un faisceau (31) laser ultraviolet, (b) focaliser ce faisceau laser ultraviolet sur la ligne (33), et (c) exposer la ligne au faisceau laser ultraviolet pendant une période de temps suffisante pour faire fondre et remettre en forme la ligne et évaporer les petites particules de débris. 2. Procédé pour rectifier une ligne métallique ou diélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant a: (a) engendrer un faisceau ultraviolet, (b) focaliser ce faisceau laser ultraviolet sur la ligne, et (c) exposer la ligne au faisceau laser ultraviolet pendant une période de temps suffisante pour faire fondre et remettre en forme la ligne et évaporer les petites particules de débris. 3. Procédé pour rectifier une ligne métallique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à (a) déposer un métal additionnel sur la ligne métallique par ablation au laser et projection de dépôt métallique, (b) engendrer un faisceau ultraviolet, (c) focaliser ce faisceau laser ultraviolet sur la ligne métallique, et (d) exposer la ligne au faisceau laser ultraviolet pendant une période de temps suffisante pour faire fondre et remettre en forme la ligne et évaporer les petites particules de débris métalliques.