Brevet FR2792774A1 — publié le 20001027

Procédé et dispositif de traitement d'un matériau par rayonnement électromagnétique et sous atmosphère contrôlée. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un procédé de traitement d'un matériau par rayonnement électromagnétique et sous atmosphère contrôlée ou sous vide à l'intérieur d'une chambre de réaction, I'ensemble étant soumis à un chauffage rapide jusqu'à une température prédéterminée, de manière à modifier les propriétés physico- chimiques du matériau agencé sur un substrat, ou à réaliser un dépôt du matériau sur ledit substrat. Etat de la technique Le matériau est généralement déposé sur un support formé par un substrat avec éventuellement des sous-couches intermédiaires. Le substrat est généralement constitué par du silicium dans le domaine de la microélectronique, mais il peut être également réalisé dans une autre matière, notamment en polymère, en verre ou en céramique. Les sous- couches peuvent être de natures très diverses et déposées au préalable sur le substrat par une technique appropriée. Un exemple de sous-couche peut être formé par un circuit imprimé, ou un revêtement isolant. Pour modifier les propriétés physico-chimiques d'un matériau, il faut lui faire 1 0 subir un recuit sous haute température, généralement supérieure à 1000 0C avec les techniques de chauffage connues. Néanmoins si le substrat ou les sous-couches sont fragiles, il n'est pas possible d'utiliser une température élevée au risque de détruire le substrat ou les sous-couches. Dans le domaine de la microélectronique, les applications de traitements thermiques rapides comme le recuit RTP et le dépôt en phase vapeur RTCVD sont mises en oeuvre dans des fours spéciaux sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Dans le cas du RTP, un chauffage rapide du matériau à une température prédéterminée est obtenu afin de modifier par la suite les propriétés physico-chimiques du matériau soit pendant le maintien de la température, soit durant l'abaissement de la température. Dans le cas du RTCVD, un chauffage rapide d'une surface en contact avec des espèces gazeuses réactives permet de déposer une couche mince d'un matériau sur cette surface par réaction entre les espèces gazeuses et la surface chauffée. Les traitements thermiques rapides doivent être stables et reproductibles, et interviennent généralement dans des fours à lampes à rayonnement infrarouge IR et à parois froides. Au cours du déroulement des traitements thermiques, la température maximum atteinte pendant le chauffage rapide est très élevée, et peut être comprise entre 1000 0C et 20000C en fonction du type d'applications. La gamme des matériaux susceptibles d'être traités est ainsi limitée, car de plus en plus de substrats ne sont pas conçus pour résister à de fortes températures, notamment ceux réalisés à base de polymères, des matériaux à faible point de fusion, supports des composants CMOS, etc... On connaît d'autre part l'action du rayonnement ultraviolet UV, pour modifier certains composés chimiques sous l'effet du rayonnement photonique UV. 1 0 Parmi les sources de photons UV, on distingue les lampes UV classiques au xénon, mercure, deutérium ayant une large bande spectrale comprise entre -800 nm, et une puissance relativement faible. Il existe d'autre part des lasers du type CO2, Nd: YAG, Ar, excimer, constituant des émetteurs coûteux ayant une bande centrale étroite, et une résolution spatiale réduite de l'ordre de quelques cm2. Le document US-A-4837484 décrit une lampe UV à décharge, bénéficiant d'une résolution spectrale étroite, d'une forte puissance, et d'une large résolution spatiale de plusieurs dizaines de cm2. Ces lampes UV contiennent des gaz ou mélanges de gaz excimers, constitués par: Ar2*, Kr2*, Xe2*, F2*, Cl2*, Br2*, 12* ArF*, ArCI*, KrCI*, XeCI*, HgNe*, HgAr*, HgKr*, HgXe*. Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à élaborer un procédé de traitement de surface consistant à abaisser la température de traitement du matériau pour ne pas altérer la tenue du substrat ou des sous-couches, indépendamment de leurs natures ou compositions. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on utilise à l'intérieur de ladite chambre de réaction un premier rayonnement à infrarouge provoquant ledit chauffage rapide, et un deuxième rayonnement à ultraviolet du type excimer ayant une résolution spectrale inférieure à 40 nm indépendamment de la longueur d'onde du rayonnement UV, de manière à engendrer un flux photonique adapté soit pour la modification des propriétés physico- chimiques du matériau, soit pour la formation dudit dépôt.. L'action combinée du premier rayonnement à infrarouge et du deuxième rayonnement à ultraviolet excimer permet d'abaisser la température de traitement en fonction du type de matériau. On pourra ainsi utiliser pour le substrat et les sous-couches, des matières ayant des tenues thermiques inférieures à celle du silicium. Selon une caractéristique du procédé, la température de traitement est 1 5 comprise entre 700C et 8000C en fonction de la nature du matériau. Préférentiellement, la durée d'exposition du deuxième rayonnement UV est inférieure à celle du premier rayonnement IR. La résolution spectrale du deuxième rayonnement UV à ultraviolet est de l'ordre de 10nm. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau à traiter renferme un composé qui est photo-chimiquement sensible à la longueur d'onde du flux photonique du deuxième rayonnement UV excimer. L'invention concerne également un dispositif de traitement, dans lequel le substrat est disposé dans la partie centrale de la chambre de réaction en étant soumis aux deux rayonnements opposés des émetteurs à infrarouge et des lampes à ultraviolets du type excimer. Préférentiellement, la chambre de réaction en acier inoxydable à double paroi refroidie, comporte un système de pompage extérieur raccordé à un premier orifice pour travailler sous vide ou sous pression atmosphérique, et des moyens d'injection pour introduire un flux de gaz neutre ou réactif dans ladite chambre à travers un deuxième orifice. Outre les applications de traitements thermiques du matériau, il existe deux autres applications possibles avec abaissement de la température au moyen d'un rayonnement UV excimer: - la technique CVD de dépôt sous vapeur chimique qui fait réagir des espèces gazeuses avec une surface. Pour opérer la réaction, la surface est portée à une certaine température par le rayonnement IR, avec formation d'une couche de matériau issue de la réaction des espèces gazeuses sur la surface du substrat; - la technique de dépôt par décomposition d'un organométallique d'un matériau sur un support, consistant à étaler une couche d'un organométallique sensible au rayonnement UV. Sous l'effet du rayonnement UV, I'organométallique se décompose en des espèces volatiles et une couche métallique qui reste accrochée au substrat. Le rayonnement UV peut être complété par un chauffage infrarouge du substrat. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté au dessin annexé. Description d'un mode de réalisation préférentiel Le procédé mis en oeuvre dans le dispositif 10 représenté au dessin, permet d'abaisser la température de traitement grâce à l'intervention simultanée de deux sources de rayonnement à l'intérieur de la chambre de réaction 12 du four. Le matériau M est généralement déposé sur un support formé par un substrat 14 avec éventuellement des sous- couches S intermédiaires. Le traitement combiné du matériau M sur le substrat 14 résulte d'un premier rayonnement IR issu d'émetteurs infrarouge 16, et d'un deuxième rayonnement UV engendré par des lampes à ultraviolet du type excimer 18. Le substrat 14 est avantageusement disposé dans la zone médiane de la chambre de réaction 12 en étant encadré par les émetteurs IR 16 et les lampes UV 18, éventuellement à travers des hublots translucides (non représentés). Le flux énergétique produit par les émetteurs à infrarouge 16 peut atteindre plusieurs dizaine de kW, permettant de chauffer rapidement par rayonnement le substrat 14, et de le maintenir à une température prédéterminée pendant un temps donné. Le flux photonique du deuxième rayonnement UV émis par les lampes à ultraviolet du type excimer 18 en vis à vis du premier rayonnement IR, agit sur la surface exposée en provoquant une modification des propriétés du matériau M (activation, densification, décomposition, etc.. .) La durée de l'exposition du deuxième rayonnement UV dépend des propriétés du matériau M à traiter, et des caractéristiques finales requises. La résolution spectrale des lampes à rayonnement ultraviolet du type excimer est choisie inférieure à 40 nm, indépendamment de la longueur d'onde du rayonnement UV émis par les lampes 18. L'action des deux rayonnements IR et UV sur le matériau M permet d'obtenir une bonne homogénéité de chauffage et de rayonnement ultraviolet sur toute la surface du substrat 14. Il en résulte un traitement thermique à basse température, étant donné que le recuit est assisté par le deuxième rayonnement UV. Une large gamme de matériaux peut ainsi être traitée dans une telle chambre de réaction 12. La température de traitement est située dans une fourchette de 70 C à 800 C. La chambre de réaction 12 est en acier inoxydable à double paroi 20 refroidie, et à atmosphère contrôlée. Un système de pompage 22 extérieur est raccordé à un premier orifice 24 de la chambre de réaction 12 pour travailler sous la pression atmosphérique ou abaisser la pression interne jusqu'à des vides secondaires. Un flux de gaz 26 (neutre, réactif ou un mélange de gaz) peut être introduit par des moyens d'injection dans la chambre de réaction 12 à travers un deuxième orifice 28 pour réaliser des traitements sous atmosphère inerte ou réactive. Sous atmosphère réactive, la surface exposée du support, constitué du substrat 14 éventuellement revêtu des sous couches S, est en contact avec des espèces gazeuses avec lesquelles elle peut réagir, soit pour former une couche mince, soit pour modifier les propriétés physico-chimiques de la surface. Le deuxième rayonnement UV favorise cette réaction. Lorsque le matériau est un composé photo-chimiquement sensible à la longueur d'onde des photons UV excimers, il peut être décomposé (cas des organométalliques) pour former une couche mince métallique, ou densifié (cas des ferroélectriques, ou des oxydes de silicium) pour modifier ses propriétés. Revendications 1. Procédé de traitement d'un matériau (M) par rayonnement électromagnétique et sous atmosphère contrôlée ou sous vide à l'intérieur d'une chambre de réaction (12), I'ensemble étant soumis à un chauffage rapide jusqu'à une température prédéterminée, de manière à modifier les propriétés physico-chimiques du matériau (M) agencé sur un substrat (14), ou à réaliser un dépôt du matériau (M) sur ledit substrat, caractérisé en ce qu'on utilise à l'intérieur de ladite chambre de réaction (12) un premier rayonnement IR à infrarouge provoquant ledit chauffage rapide, et un deuxième rayonnement UV à ultraviolet du type excimer ayant une résolution spectrale inférieure à 40 nm indépendamment de la longueur d'onde du rayonnement UV, de manière à engendrer un flux photonique adapté soit pour la modification des propriétés physico-chimiques du matériau (M), soit pour la formation dudit dépôt.. 2. Procédé de traitement d'un matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée d'exposition du deuxième rayonnement UV est inférieure à celle du premier rayonnement IR. 3. Procédé de traitement d'un matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résolution spectrale du deuxième rayonnement UV à ultraviolet est de l'ordre de 1Onm. 4. Procédé de traitement d'un matériau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température de traitement est comprise entre 70 C et 800 C en fonction de la nature du matériau. 5. Procédé de traitement d'un matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau renferme un composé ayant une sensibilité photochimique à la longueur d'onde du flux photonique du deuxième rayonnement UV excimer. 6. Procédé de traitement d'un matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formation du dépôt par le deuxième rayonnement UV excimer s'effectue au moyen d'un gaz réactif qui réagit avec la surface du substrat pour réaliser une couche mince. 7. Dispositif de traitement destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Dispositif de traitement selon la revendication 7, caractérisé en ce que le substrat (14) est disposé dans la partie centrale de la chambre de réaction (12) en étant soumis aux deux rayonnements opposés des émetteurs à infrarouge (16) et des lampes (18) à ultraviolets du type excimer. 9. Dispositif de traitement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la chambre de réaction (12) est en acier inoxydable à double paroi (20) refroidie, et comporte un système de pompage (22) extérieur raccordé à un premier orifice (24) pour travailler sous vide ou sous pression atmosphérique, et des moyens d'injection pour introduire un flux de gaz (26) neutre ou réactif dans ladite chambre à travers un deuxième orifice (28).