Brevet FR2771810A1 — publié le 19990604

AMÉLIORATION DE LA MESURE D'EPAISSEUR EN TEMPS REGEL D'UN MATERIAU DEPOSE DANS UNE INSTALLATION DE DÉPÔT PAR EVAPORATION La présente invention concerne le domaine du dépôt de matériaux sur des substrats dans une installation d'évaporation. L'invention concerne plus particulièrement la mesure en temps réel de l'épaisseur du dépôt réalisé sur les substrats. Elle sera décrite dans une application à des dépôts de composés métalliques sur des circuits intégrés en cours de fabrication sur des tranches de silicium, mais il sera clair qu'elle s'applique à tout type de substrat. La figure 1 représente, très schématiquement, une installation d'évaporation classique du type à laquelle s'applique la présente invention. Une telle installation est constituée d'une enceinte sous vide 1 à l'intérieur de laquelle sont généralement agencés trois supports 2 de substrat. Chaque support, en forme de cloche, est formé d'une surface concave à périphérie circulaire dans laquelle sont ménagées des ouvertures de réception de tranches de silicium (non représentées), les surfaces à traiter des tranches étant dirigées sensiblement vers le milieu de l'enceinte. chaque support 2 est monté à rotation sur un arbre 3 orthogonal à sa surface au niveau de son sommet. Les arbres 3 sont portés par un bâti de suspension commun 4, lui-même monté à rotation sur un arbre principal vertical 5, porté par une paroi supérieure 6 de l'enceinte 1. Le bâti 4 comporte, pour chaque support 2, une potence 7 à l'extrémité libre de laquelle est lié un arbre 3. Le mouvement de rotation du bâti 4 imprime, généralement par des engrenages coniques, un mouvement de rotation à des arbres de transmission contenus dans les potences 7 qui transmettent le mouvement rotatif, par des moyens similaires, aux arbres 3. Les supports 2 sont généralement appelés des "planétaires" en raison de leurs mouvements excentriques respectifs. Les surfaces internes des supports 2 sont tournées vers une source d'évaporation 8 contenue dans l'enceinte 1. Un cycle d'évaporation consiste à charger l'enceinte 1 avec des planétaires 2 portant des tranches à traiter, à effectuer un pompage sous vide de l'intérieur de l'enceinte 1, à chauffer l'espace interne de l'enceinte, à exciter la source d'évaporation 8 pour provoquer un dépôt, puis à refroidir et à ventiler l'enceinte, et à extraire les supports 2. Les mouvements de rotation, imprimés au bâti 4 et au support 2, assurent un dépôt uniforme sur les surfaces à traiter. Le fonctionnement d'une telle installation est connu. On cherche généralement à mesurer l'épaisseur réelle du dépôt réalisé sur les tranches de silicium. Pour ce faire, on utilise le plus souvent un quartz 11 (figure 2) monté dans une tête 12 placée au centre du bâti 4. L'arbre vertical 5 est généralement creux et lié, par l'intermédiaire de paliers 13, 14 à la paroi supérieure 6 de l'enceinte 1 qui comprend une ouverture cylindrique de passage de l'arbre 5. En son centre, la paroi 6 comprend généralement un logement destiné à la tête 12 qui est, le plus souvent, constituée d'un barillet contenant plusieurs quartz destinés à être utilisés les uns à la suite des autres. Le quartz 11 en cours d'utilisation est destiné à être en visibilité directe de la source d'évaporation 8. Du métal se dépose alors sur le métal du quartz 11 en même temps que sur les tranches de silicium. Le dépôt de métal sur le quartz modifie sa fréquence d'oscillation et cette variation de fréquence est proportionnelle à l'épaisseur du dépôt réalisé. A titre d'exemple particulier, on utilise généralement des quartz qui ont une fréquence d'oscillation de 5 mégahertz, lorsqu'ils sont neufs, c'est-à-dire avant d'avoir reçu le moindre dépôt et qui ont une fréquence de l'ordre de 4,5 mégahertz lorsqu'ils sont usés, c'est-à-dire lorsqu'ils ont été revêtus d'une épaisseur maximale de métal. La fréquence d'oscillation du quartz est mesurée au moyen d'un circuit 15 qui sert également à commander l'installation d'évaporation pour arrêter l'évaporation lorsque l'on considère que le dépôt présente une épaisseur suffisante et/ou pour réguler la vitesse de dépôt en réglant la puissance du canon à électrons généralement utilisé pour bombarder la source d'évaporation 8. L'épaisseur du dépôt réalisé est une fonction prenant en compte la fréquence d'oscillation du quartz et les caractéristiques du métal à évaporer (en particulier, sa densité et son impédance acoustique). Ainsi, la fréquence d'oscillation du quartz 11 permet de déterminer l'épaisseur du dépôt en temps réel, et l'évolution de cette fréquence permet de déterminer la vitesse de dépôt. Ces systèmes de mesure en temps réel de l'épaisseur d'un dépôt au moyen d'un quartz sont connus dans la technique et donnent des résultats de mesures tout à fait satisfaisants. Toutefois, un problème qui se pose lors de l'utilisation d'un tel système de mesure dans la fabrication des produits semiconducteurs est la consommation en quartz. Les systèmes de mesure d'épaisseur par variation de fréquence d'un quartz ont, à l'origine, été conçus pour des dépôts en couche très mince sur du verre. Par exemple, des dépôts anti-rayures qui présentent une épaisseur de l'ordre de 10 à 100 À et, au maximum, des dépôts de couches antireflet présentent une épaisseur de 0,2 ym. Dans la fabrication des produits semiconducteurs, les épaisseurs de métaux évaporés sont généralement de plusieurs ym. A titre d'exemple, un dépôt d'aluminium sur une épaisseur de l'ordre de 10 Um conduit à une variation de fréquence d'environ 300 kHz pour le quartz. Or, la plage de variation en fréquence utilisable pour les mesures est généralement de l'ordre de 500 kilohertz. Par conséquent, la quasi-totalité de la plage de variation en fréquence du quartz est utilisée par un seul cycle d'évaporation. Dans les usines de fabrication, il est fréquent d'utiliser une installation d'évaporation à une fréquence de 10 cycles par jour. Un autre inconvénient, qui découle de l'usure accélérée des quartz, est que cela accroît la fréquence d'intervention sur la tête de quartz 12 pour la recharger en quartz neufs. Généralement, la tête de quartz 12 contient un barillet de six quartz. I1 est donc nécessaire d'intervenir tous les six cycles d'évaporation. Une telle intervention est particulièrement lourde et nécessite des démontages et remontages de la tête tenue par cliquets. On accroît ainsi la vitesse d'usure des systèmes d'accrochage du barillet et, par conséquent, la fréquence du besoin de remplacement de ce barillet. La présente invention vise à pallier aux inconvénients des systèmes classiques de mesure en temps réel d'épaisseurs de dépôts, en particulier, destinés à être utilisés dans des installations d'évaporation dans le domaine de la fabrication des circuits semiconducteurs. La présente invention vise, en particulier, à proposer une nouvelle solution qui permette d'accroître la durée de vie d'un quartz en termes de mesures d'épaisseur de dépôt. La présente invention vise également à proposer une solution qui n'entraîne que peu de modifications à l'installation d'évaporation et, en particulier, qui puisse facilement être mise en oeuvre dans une installation d'évaporation existante. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de mesure en temps réel de l'épaisseur d'un dépôt dans une installation d'évaporation, utilisant un quartz dont la fréquence d'oscillation est modifiée par l'épaisseur de dépôt sur le quartz, consistant à échantillonner le dépôt du matériau évaporé sur le quartz. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce procedé consiste à écranter périodiquement le quartz au cours d'un cycle d'évaporation ; et à déterminer l'épaisseur du dépôt réel sur les substrats à traiter en appliquant, au résultat des mesures effectuées à l'aide du quartz, un coefficient de proportionnalité correspondant au rapport entre les périodes où le quartz n'est pas accessible par le matériau évaporé et les périodes où il est accessible par ce matériau. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le rapport cyclique de dépôt du matériau sur le quartz est de l'ordre de 1/10. La présente invention prévoit aussi un dispositif de mesure de l'épaisseur d'un dépôt d'un matériau évaporé du type comprenant un quartz dont la fréquence d'oscillation est modifiée, en temps réel, avec le dépôt effectué, comportant un moyen pour empêcher périodiquement le dépôt de matériau sur le quartz. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit moyen est constitué d'une plaque pourvue d'au moins une fente, entraînée en rotation devant le quartz. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque comporte trois fentes à 1200 les unes des autres. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le rapport de surface ouverte de la plaque par rapport à sa surface d'obturation du quartz est de l'ordre de 1/10. La présente invention prévoit aussi une installation d'évaporation du type comprenant un bâti d'entraînement de supports de substrats à traiter dans un mouvement de planétaires autour d'une source d'évaporation d'un matériau à déposer sur les substrats ; et un dispositif de mesure en temps réel de l'épais- seur de matériau déposé sur les substrats en utilisant un quartz dont la fréquence est modifiée par l'épaisseur du dépôt en temps réel. Le dispositif de mesure est conforme à ce qui précède, le disque étant fixé au bâti de sorte à être entraîné en rotation en même temps que celui-ci. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque est de forme générale carrée dont le centre est confondu avec l'axe d'un arbre vertical et cylindrique d'entraînement du bâti, les fentes étant réparties en rayons autour du centre, le quartz étant décalé de l'axe de l'arbre vertical du bâti. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1 et 2 qui ont été décrites précédemment sont destinées à exposer l'état de la technique et le problème posé la figure 3 représente, de façon très schématique et partiellement, une installation d'évaporation pourvue d'un système de mesure en temps réel selon la présente invention ; et la figure 4 représente un mode de réalisation d'un obturateur d'un système de mesure d'épaisseur selon la présente invention. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments de l'installation d'évaporation et du système de mesure d'épaisseur qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. Selon la présente invention, on échantillonne l'accès au quartz par le matériau à déposer. On utilise, de préférence, un obturateur mécanique, de préférence une plaque comprenant au moins une fente entraînée en rotation, entre la source d'évaporation et le quartz. La figure 3 représente, de façon très schématique et partiellement, une installation d'évaporation équipée d'un mode de réalisation préféré d'un moyen d'échantillonnage selon la présente invention. La figure 4 est une vue de face du moyen d'échantillonnage représenté à la figure 3. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le moyen d'échantillonnage est constitué d'une plaque 20 destinée à être fixée au bâti 4 de suspension des planétaires (non représentés) et, plus particulièrement, à l'extrémité de l'arbre vertical cylindrique 5, côté chambre d'évaporation. Par conséquent, selon le mode de réalisation préféré de la présente invention, la plaque 20 d'échantillonnage de l'accès au quartz 11 est entraînée en rotation en même temps que le bâti 4, c'est-à-dire au moyen du moteur (non représenté) classiquement associé à l'installation d'évaporation. Dans 1' exemple représenté à la figure 4, la plaque 20 est pourvue de trois fentes 21 allongées dans des directions concourantes au centre de la plaque 20, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l'axe A d'entraînement en rotation du bâti 4. La plaque 20 est fixée, par exemple par vissage 22 dans l'extrémité de l'arbre 5, côté chambre d'évaporation. Lorsque la plaque 20 tourne, elle libère l'accès au quartz 11 périodiquement, à chaque fois qu'une fente 21 passe devant le quartz. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention tel que représenté aux figures 3 et 4, on tire profit du fait que le quartz 11 en cours d'utilisation est décalé par rapport à l'axe A de rotation du bâti 4. Ce décalage est lié à l'utilisation d'un barillet de plusieurs quartz, monté dans la tête de quartz 12, elle-même centrée sur l'axe A. En échantillonnant l'accès au quartz selon la présente invention, on réduit le dépôt de matériau sur le quartz 11 d'un facteur correspondant au rapport entre la surface ouverte (fente 21) et la surface obturante de la plaque 20 à l'aplomb du quartz 11. Comme dans un système classique, le quartz 11 est associé à un circuit d'analyse 15 chargé de mesurer l'épaisseur de matériau déposé sur le quartz à partir de la variation de fréquence d'oscillation de celui-ci. Par la mise en oeuvre de la présente invention, le dépôt de matériau sur le quartz, donc la variation de sa fréquence, n'est plus continu comme dans un système classique, mais est périodique et se produit à chaque fois qu'une fente 21 de la plaque passe devant le quartz 11. On peut considérer que la mise en oeuvre de l'invention conduit à passer d'un système d'interprétation de mesure analogique à un système d'interprétation de mesure numérique, le signal de mesure étant désormais constitué d'un train d'impulsions d'une fréquence correspondant à la vitesse de rotation du bâti 4 divisé par le nombre de fentes 21 du support 20, la largeur des impulsions étant fixée par la largeur des fentes 21. Le choix du nombre de fentes est fonction de divers paramètres de régulation de l'installation. En particulier, le canon à électrons provoquant l'évaporation de la source de matériau est commandé par l'intermédiaire d'un régulateur PID qui conditionne le déroulement du procédé de dépôt. Plus le nombre de fentes est important, plus la fréquence d'échantillonnage est élevée et, par voie de conséquence, plus il est facile de linéariser la mesure obtenue pour son exploitation par le régulateur PID. On veillera à dimensionner les fentes 21 pour qu'elles soient suffisamment larges de sorte que la modification de leur largeur liée au dépôt du métal soit négligeable entre deux cycles de nettoyage de l'installation (généralement 200 cycles d'évaporation). En effet, plus une fente 21 est étroite, plus le dépôt qui intervient à sa périphérie conduit à une réduction de sa surface ouverte non négligeable en valeur relative. Ce compromis sur la largeur des fentes est à rapprocher du choix du nombre de fentes dans la plaque 20. En effet, plus le nombre de fentes est important, plus celles-ci doivent être étroites pour respecter un rapport donné de surface totale ouverte sur surface d'obturation. Par conséquent, on cherchera à ne pas prévoir un trop grand nombre de fentes. Un nombre de trois fentes constitue, au sens de la présente invention, un compromis acceptable. De préférence, on échantillonne le dépôt du matériau sur le quartz à une valeur de l'ordre de 1/10. Une telle valeur permet de réaliser une économie d'un facteur 10 en nombre de quartz par rapport au système classique, c'est-à-dire permet d'utiliser un même quartz pendant 10 cycles d'évaporation, là où 10 quartz étaient nécessaires dans les installations classiques. La a vitesse classique de rotation des bâtis (générale- ment comprise entre 5 et 15 tours par minute) est parfaitement compatible avec l'échantillonnage réalisé au moyen d'un disque selon la présente invention. La vitesse est classiquement choisie en fonction de l'épaisseur de dépôt souhaitée. Plus on souhaite une épaisseur fine, plus on choisit une vitesse de rotation élevée, de manière à garantir une uniformité du dépôt même avec un temps très court. En mettant en oeuvre l'invention, en particulier selon son mode de réalisation préféré décrit ci-dessus, on notera qu'une modification de la vitesse de rotation du bâti conduit, pour un disque 20 donné, à une modification de la fréquence des échantillons de dépôt du matériau sur le quartz de mesure. Par conséquent, il conviendra d'adapter le système d'analyse des mesures en fonction de la vitesse de rotation (qui est par ailleurs connue du système car fixée au moyen d'un circuit de commande), ou de changer le disque 20 pour en choisir un adapté à la vitesse de rotation souhaitée. Un avantage de la présente invention est qu'elle permet une économie considérable du nombre de quartz et de barillets consommés par les installations d'évaporation dans la fabrication de composants semiconducteurs. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle ne requiert, dans son mode de réalisation préféré, aucun moyen énergétique supplémentaire par rapport aux installations d'évaporation classiques. On notera toutefois que, à titre de variante de réalisation de l'invention (non représentée), le disque d'échantillonnage des accès aux quartz 11 pourra être porté par un axe distinct de l'arbre d'entraînement des planétaires. Dans ce cas, il conviendra toutefois de prévoir un mécanisme d'entraînement séparé et, le cas échéant, des moyens étanches permettant à l'arbre d'entraînement de ce disque de traverser la paroi de l'enceinte 1. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle peut être mise en oeuvre sur des installations d'évaporation existantes. En effet, la mise en oeuvre de l'invention ne modifie en rien la structure et le fonctionnement de l'installation d'évaporation elle-même, ni de son système de mesure à quartz. En particulier, la mise en oeuvre de la présente invention est compatible avec l'utilisation des têtes de quartz classiques pourvues d'un barillet comprenant, par exemple, six quartz. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment, pour ce qui concerne l'adaptation du nombre et de la largeur des fentes du disque d'échantillonnage en fonction de l'installation d'évaporation concernée. De plus, bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec une installation d'évaporation utilisant un système à planétaires, on notera que l'invention s'applique également à tout autre type d'installation d'évaporation utilisant une mesure à quartz de l'épaisseur de dépôt et de la vitesse de dépôt d'un matériau évaporé dans une enceinte. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure en temps réel de l'épaisseur d'un dépôt dans une installation d'évaporation, utilisant un quartz (11) dont la fréquence d'oscillation est modifiée par l'épaisseur de dépôt sur le quartz, caractérisé en ce qu'il consiste à échantillonner le dépôt du matériau évaporé sur le quartz. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à écranter périodiquement le quartz (11) au cours d'un cycle d'évaporation ; et à déterminer l'épaisseur du dépôt réel sur les substrats à traiter en appliquant, au résultat des mesures effectuées à l'aide du quartz, un coefficient de proportionnalité correspondant au rapport entre les périodes où le quartz n'est pas accessible par le matériau évaporé et les périodes où il est accessible par ce matériau. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport cyclique de dépôt du matériau sur le quartz est de l'ordre de 1/10. 4. Dispositif de mesure de l'épaisseur d'un dépôt d'un matériau évaporé du type comprenant un quartz (11) dont la fréquence d'oscillation est modifiée, en temps réel, avec le dépôt effectué, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (20) pour empêcher périodiquement le dépôt de matériau sur le quartz. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moyen est constitué d'une plaque (20) pourvue d'au moins une fente (21), entraînée en rotation devant le quartz (11). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaque (20) comporte trois fentes à 1200 les unes des autres. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le rapport de surface ouverte de la plaque (20) par rapport à sa surface d'obturation du quartz (11) est de l'ordre de 1/10. 8. Installation d'évaporation du type comprenant un bâti (4) d'entraînement de supports (2) de substrats à traiter dans un mouvement de planétaires autour d'une source (8) d'évaporation d'un matériau à déposer sur les substrats ; et un dispositif de mesure en temps réel de l'épaisseur de matériau déposé sur les substrats en utilisant un quartz (11) dont la fréquence est modifiée par l'épaisseur du dépôt en temps réel, caractérisée en ce que le dispositif de mesure est conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 7, le disque (20) étant fixé au bâti de sorte à être entraîné en rotation en même temps que celui-ci. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la plaque (20) est de forme générale carrée dont le centre est confondu avec l'axe (A) d'un arbre vertical (5) et cylindrique d'entraînement du bâti (4), les fentes (21) étant réparties en rayons autour du centre (A), le quartz (11) étant décalé de l'axe (A) de l'arbre vertical (5) du bâti (4).