Brevet FR2772546A1 — publié le 19990618

SYSTÈME DE DÉVIATION D'UN PLASMA IONIQUE La présente invention concerne le domaine des dépôts par plasma d'un matériau sur un support. L'invention s'applique plus particulièrement au dépôt d'un matériau à partir d'un plasma produit par l'évaporation du matériau d'une cible sous l'effet d'un faisceau laser ou au moyen d'un arc électrique généré entre une pointe et la cible. Une application particulière de la présente invention concerne le dépôt de couches d'un matériau sur un substrat à partir d'un tel plasma. À la différence des plasmas obtenus par excitation radiofréquence d'un gaz, les plasmas obtenus par évaporation d'une cible solide du matériau à évaporer présentent l'avantage de permettre d'effectuer un dépôt dans une atmosphère quelconque. De plus, cette technique de formation de plasma par évaporation d'une cible permet d'obtenir des plasmas à très haute température, ce qui peut améliorer la qualité de couches déposées par épitaxie sur le substrat. La figure 1 représente, de façon très schématique, un exemple d'installation de dépôt d'un matériau sur un substrat par évaporation du matériau d'une cible au moyen d'un laser. Un tel dépôt s'effectue généralement dans une enceinte (non représentée). Une cible 1 en un matériau à évaporer est placée à distance d'un laser 2 dont le faisceau I est dirigé vers la cible 1. La brusque augmentation de température de la zone bombardée de la cible vaporise le matériau. La matière évaporée est plus ou moins fortement ionisée et forme un plasma 3 qui a sensiblement la même composition que la cible. Dans une telle technique, le plasma obtenu n'est pas réparti dans tout l'espace de l'enceinte mais est projeté sensiblement selon un cône ("plume") dont la base coïncide avec le point d'incidence du faisceau I sur la cible 1 et dont l'axe d est approximativement perpendiculaire à la cible 1 au point d'incidence. Un substrat 4 sur lequel on souhaite déposer le matériau de la cible est généralement placé, à distance de la cible 1, perpendiculairement à la direction d de la plume de plasma 3. Souvent, le substrat 4 est entraîné en rotation en même temps que le laser balaye la cible ou que la cible elle-même tourne, de manière à limiter les défauts de régularité de surface de la couche déposée. Un problème particulier qui se pose dans les techniques d'évaporation d'une cible par bombardement, que ce soit au moyen d'un laser ou d'un arc électrique, est que des gouttelettes en phase liquide de taille importante (typiquement 0,1 à 10 um) et/ou des fragments de cible sont projetés avec les gaz du plasma. Ces gouttelettes et/ou fragments polluent les couches minces déposées sur le substrat 4. La proportion de gouttelettes (et/ou fragments de cible) dans le nuage de plasma dépend de ses conditions d'obtention (nature et qualité de la cible, qualité du vide et, dans le cas d'un laser pulsé, type de laser). Un autre problème est que les ions du plasma sont très énergétiques (entre environ 1 eV et 300 eV) et sont donc susceptibles d'endommager la surface du substrat 4 sur laquelle ils doivent être déposés pour former une couche du matériau. Différentes techniques ont déjà été proposées dans l'art antérieur pour essayer de limiter les inconvénients liés à la présence de gouttelettes (et/ou de fragments de cible) dans le plasma. L'article "Pulsed laser deposition, Part IA, review of process caracteristics and capabilities" de K.L. Saenger, paru dans Processing of Advanced Materials en 1993, N" 2, pages 1 à 24, expose ces différentes techniques. Une première technique consiste à utiliser deux cibles distinctes, de sorte à former deux nuages ou plumes de plasma différentes. Une telle solution utilise deux lasers qui sont agencés de sorte que les directions respectives des plumes de plasma se croisent. Le substrat est alors placé approximativement de sorte que sa normale coupe le point d'intersection entre les deux directions axiales des nuages de plasma. Comme les gouttelettes sont majoritairement émises selon les directions axiales des nuages, on réduit la proportion de gouttelettes sur le substrat. Toutefois, une telle solution ne procure pas des résultats suffisants, car la répartition spatiale des gouttelettes selon les directions axiales des nuages n'est que majoritaire et non intégrale. Il subsiste donc des gouttelettes qui polluent le dépôt. De plus, une telle solution requiert deux lasers. Une deuxième solution consiste à détruire les gouttelettes par un laser selon une direction perpendiculaire à la direction axiale du nuage de plasma. Une telle solution présente encore l'inconvénient de nécessiter deux lasers. Une troisième solution consiste à utiliser la légère différence de vitesse frontale entre les gouttelettes et le gaz. En général, la vitesse frontale du plasma est de l'ordre de 104 mus alors que la vitesse des gouttelettes est de l'ordre de 103 m/s. On utilise alors un écran entraîné en rotation selon la direction axiale du nuage de sorte à masquer périodiquement le substrat. Le rôle de l'écran est de recueillir les gouttelettes et de ne laisser passer que les gaz qui possèdent une vitesse frontale supérieure. Une telle technique est décrite en détail dans 1 'article "Laser ablation deposition and magnetic characterization of metallic thin films based on rare earth and transition metal" de N. Cherief et al., paru dans Journal of Magnetism and Magnetic Materials en 1993, N" 121, pages 94 à 101. Un inconvénient de cette solution est qu'elle est particulièrement difficile à mettre en oeuvre dans une installation sous vide poussé (ultravide). Une quatrième solution connue consiste à utiliser un champ électrique pour dévier les ions du plasma vers le substrat qui n'est alors plus disposé perpendiculairement à la direction axiale du nuage. Une variante de cette solution consiste à utiliser une surface de renvoi chaude qui repousse le plasma. Un inconvénient de ces solutions est qu'elles sont complexes et réduisent considérablement la vitesse de dépôt du matériau en couches. L' article "Guiding and confinement of a laser produced plasma by a curved magnetic field" de Y.Y. Tsui et al., paru dans Appl. Phys. Lett. le 14 avril 1997 (N" 70, pages 1953 à 1955) prévoit d'utiliser un champ magnétique, coaxial à la direction globale du nuage de plasma, pour concentrer le nuage de plasma et permettre ainsi un éloignement du substrat par rapport à la cible. Le confinement du plasma par un champ magnétique axial améliore la distribution angulaire des ions dans le plasma et permet ainsi, sans perdre une quantité trop importante de matériau, d'écarter le substrat afin d'améliorer l'uniformité du dépôt. Une première bobine est placée devant la cible en étant coaxiale avec la direction d'origine du nuage de plasma et une deuxième bobine, légèrement inclinée par rapport à l'axe de la première, sert à dévier légèrement (30 ) le nuage de plasma vers le substrat. Plusieurs exemples de montages expérimentaux utilisant un solénoïde formant un quart de tore ont également déj à été décrits, par exemple dans i 'article "Vacuum arc plasma jet propagation in a toroidal ducs? de B. Alterkop et al., paru dans J. Appl. Phys. le ler mai 1996 (N" 79, pages 6791 à 6802). De tels montages permettent de dévier le plasma de la cible afin d'obtenir des dépôts exempts de gouttelettes et/ou fragments. Toutefois, comme il ressort de l'article "Plasma distributions of cathodic arc deposition systems" de S. Anders et al., également paru dans J. Appl. Phys. en 1996 (N" 79, pages 6785 et suivantes), l'efficacité de ces systèmes ne dépasse pas 25%, c'està-dire que plus des trois quarts du plasma sont perdus. Un objet de la présente invention est de proposer une nouvelle solution pour améliorer la qualité de dépôts réalisés par plasma obtenu par évaporation d'une cible au moyen d'un laser ou d'un arc électrique. La présente invention vise, en particulier, à proposer une solution qui s'applique au dépôt de tout matériau dont la matière évaporée est partiellement ou totalement ionisée. La présente invention vise également à proposer une solution qui permette d'éviter complètement la présence de gouttelettes et/ou de fragments de cible sur le substrat. La présente invention vise également à proposer une solution qui soit peu coûteuse en énergie. L'invention vise en outre à ce que cette solution soit transposable à différents matériaux à déposer, sans nécessiter de modification notable du système. Une caractéristique de la présente invention est de prévoir une déviation des ions du plasma qui doivent être déposés, au moyen d'un champ magnétique perpendiculaire à la direction globale du nuage de plasma lors de la vaporisation de la cible, et de placer la surface du substrat devant recevoir le dépôt, sensiblement perpendiculairement à cette direction du champ magnétique. De par leur masse relativement importante, les gouttelettes ne sont pas déviées par le champ magnétique et seuls les ions du matériau à déposer sont déviés perpendiculairement à la direction initiale du plasma évaporé. Une telle configuration permet de placer un obstacle, ou écran, sur le chemin en visibilité directe entre la cible et les portions du substrat devant être revêtues, de manière à collecter toutes les gouttelettes et/ou fragments qui seraient susceptibles, du fait de leur direction de projection, d'atteindre le substrat. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un système de déviation d'un plasma ionique obtenu par évaporation d'une cible, comportant au moins un premier moyen de déviation magnétique des ions du plasma dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction globale dans laquelle ces ions sont émis depuis la cible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins un substrat, sur lequel doit être déposé le matériau évaporé de la cible, est placé dans le champ magnétique transversal, à distance de la direction globale d'émission du plasma. Selon un mode de réalisation de la présente invention, deux substrats, sur lesquels doit être déposé le matériau évaporé de la cible, sont placés dans le champ magnétique transversal, à distance de la direction globale d'émission du plasma, les deux substrats étant placés symétriquement par rapport à la normale à la cible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système de déviation comporte en outre un deuxième moyen de création d'un champ magnétique sensiblement coaxial à la direction globale dans laquelle est évaporé le plasma. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le ou les substrats sont décalés transversalement de la direction globale d'émission du plasma, de sorte que la surface sur laquelle doit être déposé le matériau ne soit pas en visibilité directe de la cible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système de déviation comprend en outre au moins un écran empêchant que le substrat auquel il est associé se trouve en visibilité directe de la cible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le ou les moyens de création de champ magnétique sont constitués d'aimants permanents. La présente invention prévoit en outre un système de dépôt en couche mince d'un matériau sur au moins un substrat comportant un système de déviation magnétique. 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 La figure 1 décrite précédemment est destinée à exposer l'état de la technique et le problème posé les figures 2A et 2B représentent très schématiquement, respectivement vu de dessus et de face, un système de déviation selon un premier mode de réalisation de la présente invention et les figures 3A et 3B représentent très schématiquement, respectivement vu de dessus et de face, un système de déviation selon un deuxième mode de réalisation préféré de la présente invention. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments du système de déviation et d'une installation d'évaporation qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. Les figures 2A et 2B représentent un premier mode de réalisation d'un système de déviation magnétique selon la présente invention. De façon classique, une cible 1 constituée du ou des matériaux à évaporer est bombardée par un faisceau I d'un laser 2. Selon un autre mode de réalisation non représenté, l'évaporation du matériau de la cible 1 est obtenue par création d'un arc électrique entre la cible 1 et une électrode placée à distance. Le nuage 3' de plasma obtenu présente, à son départ de la cible 1, la même forme qu'un plasma classique, c'est-à-dire qu'il est de forme conique arrondie avec une direction principale approximativement normale N à la cible 1. Selon la présente invention, on crée un champ magnétique H à l'aide d'au moins un aimant 5 dont l'aimantation M est sensiblement perpendiculaire à la normale N à la cible 1. La matière ionisée se trouve dirigée vers un substrat 4 placé contre l'aimant 5 perpendiculairement à son aimantation M. De préférence, un deuxième aimant 5' est placé face à l'aimant 5, symétriquement par rapport à l'axe N de la cible 1. Cet aimant 5' a une aimantation M' parallèle à l'aimantation M de l'aimant 5. Le cas échéant, un deuxième substrat 4' est placé à la surface de l'aimant 5', symétriquement au substrat 4. Selon une variante de réalisation non représentée, le champ magnétique transversal H est crée par un ensemble d'aimants ou par un circuit magnétique contenant des aimants et un matériau magnétique plus doux. L'interaction du plasma (électrons et ions) avec le champ magnétique H transversal à la direction globale initiale du plasma a plusieurs conséquences. Une première conséquence est que les ions, émis dans une direction approximativement perpendiculaire à la cible, sont déviés vers les substrats 4 et 4', Le plasma étant globalement neutre, la déviation s'effectue en effet dans les deux sens. De plus, l'expansion libre du plasma est considérable- ment réduite et la matière peut donc être déposée sur une zone restreinte du substrat. Cette zone correspond à l'intersection du plan du substrat avec le plan parallèle à l'aimantation M (ou au champ H dans la zone concernée) et contenant la normale N à la cible 1. En outre, la composante de vitesse des ions est réduite perpendiculairement au substrat et est augmentée dans le plan perpendiculaire à celui-ci. On améliore ainsi la mobilité des ions dans la surface, ce qui tend à améliorer la qualité du dépôt effectué. Selon la présente invention, les substrats 4 et 4' ne sont pas en visibilité directe de la cible, de sorte que les gouttelettes g émises par la cible 1 et qui ne sont pas déviées par le champ magnétique H ne risquent pas d'atteindre la surface des substrats 4 et 4'. Pour ce faire, dans le mode de réalisation illustré par les figures 2A et 2B, on prévoit un écran 6, res pectivement 6', dont un bord, situé dans la zone du plasma, est approximativement aligné avec le point d'impact du faisceau I sur la cible et l'extrémité du substrat 4, respectivement 4', la plus éloignée de la cible 1. On notera que la déviation magnétique transversale peut également être obtenue au moyen d'une bobine couplée éventuellement à un matériau magnétique doux, produisant un champ magnétique ayant une orientation identique à celle du champ produit par les aimants 5 et 5', c'est-à-dire dont les spires sont dans un plan sensiblement parallèle au plan des substrats 4 et 4'. Toutefois, le recours à des aimants constitue un mode de réalisation préféré de la présente invention, dans la mesure où cela permet d'obtenir des champs magnétiques d'intensité suffisante (typiquement compris entre environ 100 mT et 800 mT) sans fourniture d'énergie externe. Un avantage de la présente invention est qu'elle permet d'augmenter la vitesse de dépôt dans une zone restreinte et bien définie du substrat. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle améliore considérablement la qualité des dépôts en couche mince obtenus sur le substrat 4 (ou les substrats 4 et 4'). En effet, en réduisant la composante de vitesse des ions perpendiculairement au substrat, on réduit en particulier les effets de mélange à la surface du substrat. Cet avantage a un effet particulièrement bénéfique dans le cas d'un dépôt successif de plusieurs couches de natures différentes. De plus, en augmentant la vitesse parallèlement au substrat, on diminue souvent la rugosité des couches. Les figures 3A et 3B illustrent un deuxième mode de réalisation préféré de la présente invention. Comme dans le premier mode de réalisation, on crée un champ magnétique H perpendiculaire à la direction globale initiale dans laquelle sont évaporés les ions du plasma. Toutefois, selon ce mode de réalisation, on commence par focaliser les ions du plasma au moyen d'un deuxième champ magnétique H' sensiblement coaxial à la direction globale d'évaporation des ions. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré par les figures 3A et 3B, on utilise un aimant 7 comprenant un trou traversant 8 dans la direction de l'aimantation M" de l'aimant 7. La cible 1 est placée à l'intérieur ou à proximité du trou 8. L'aimant 5 de déviation transversale est disposé à l'extrémité de l'aimant de focalisation 7, et les substrats 4 et 4' sont placés, comme dans le premier mode de réalisation, perpendiculairement à la direction du champ magnétique H des aimants 5 et 5'. Outre les mêmes avantages que ceux exposés en relation avec le premier mode de réalisation, l'aimant 7 joue le rôle d'écran et protège les substrats 4 et 4' des gouttelettes et/ou fragments de cible. De plus, l'aimant 7 évite l'expansion du plasma et fait que 1 'essentiel de la matière évaporée arrive dans la région où le plasma peut être dévié par le champ transversal. On notera que, pour augmenter la surface de dépôt, on pourra, comme dans les installations classiques, modifier la position du substrat, par exemple en le faisant tourner dans son plan. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec un substrat plan, l'invention s'applique également à la réalisation de dépôts à l'intérieur de volumes creux et sur des surfaces de géométrie complexes. Dans de telles applications, la présente invention apporte un avantage supplémentaire qui est que le dépôt peut être majoritairement obtenu dans une zone déterminée et restreinte. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'intensité et la distribution spatiale du champ magnétique seront adaptées en fonction de l'importance de la focalisation et/ou de la déviation transversale souhaitée. REVENDICATIONS 1. Système de déviation d'un plasma ionique (3') obtenu par évaporation d'une cible (1), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier moyen (5, 5') de déviation magnétique (H) des ions du plasma dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction globale (N) dans laquelle ces ions sont émis depuis la cible. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un substrat (4), sur lequel doit être déposé le matériau évaporé de la cible (1), est placé dans le champ magnétique transversal (H), à distance de la direction globale (N) d'émission du plasma (3'). 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que deux substrats (4, 4'), sur lesquels doit être déposé le matériau évaporé de la cible (1), sont placés dans le champ magnétique transversal (H), à distance de la direction globale (N) d'émission du plasma (3'), les deux substrats étant placés symétriquement par rapport à la normale (N) à la cible (1). 4. Système de déviation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un deuxième moyen (7) de création d'un champ magnétique (H') sensiblement coaxial à la direction globale (N) dans laquelle est évaporé le plasma (3'). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou les substrats (4, 4') sont décalés transversalement de la direction globale (N) d'émission du plasma (3'), de sorte que la surface sur laquelle doit être déposé le matériau ne soit pas en visibilité directe de la cible (1). 6. Système de déviation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un écran (6, empechant que le substrat (4, 4') auquel il est associé se trouve en visibilité directe de la cible (1). 7. Système de déviation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ou les moyens de création de champ magnétique (H, H') sont constitués d'aimants permanents. 8. Système de dépôt en couche mince d'un matériau sur au moins un substrat (4, 4'), caractérisé en ce qu'il comporte un système de déviation magne tique selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 7.