Brevet FR2855651A1 — publié le 20041203

- 1 La présente invention concerne un procédé de réalisation de cadran d'afficheur, par dépôt de matière sous forme de couche mince sur un substrat en silicium. Elle concerne plus particulièrement le dépôt par réaction chimique en phase 15 vapeur assisté par plasma d'une couche de diélectrique sur un substrat silicium, lequel substrat de silicium comporte des motifs d'affichage, réalisés par procédé lithographique d'une couche métallique; ladite couche diélectrique déposée constitue une couche passivante. On sait que le matériau de base de la microélectronique actuelle est le silicium, un matériau dont la conductivité est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Les techniques de croissance cristalline du silicium, de polissage, d'oxydation, 25 de gravure et de métallisation permettent d'obtenir des substrats de grande dimension (diamètre supérieur à 300 mm) comportant des motifs de structure complexe et de dimensions extrêmement réduites (inférieures à 0,1 micromètre). Par ailleurs, les procédés de dépôt à température modérée (au-dessous de 800 C) permettent d'obtenir des couches de passivation sur des motifs métalliques préalablement déposés sur le substrat, réalisés en matériau à point de fusion relativement bas. En effet, les dépôts en phase vapeur assistés par plasma ou PECVD ("Plasma 5 Enhaced Chemical Vapor Deposition") sont obtenus à partir de gaz réactifs à pression réduite, en présence d'un plasma augmentant la dissociation des gaz sources afin de faciliter le dépôt du composé sur le substrat porté à une température voisine de 300 C. Ce procédé permet ainsi de déposer des couches diélectriques (nitrure de silicium, oxyde de silicium), des couches semi-conductrices (silicium polycristallin, silicium épitaxial), des couches métalliques (aluminium,.. .). Le nitrure de silicium (Si3N4) est utilisé dans la technologie de la 15 microélectronique comme masque d'oxydation et comme couche passivante; les gaz sources sont constitués d'un mélange de silane et d'ammoniaque (SiH4 + NH3) ou de silane et d'azote (SiH4 + N2) dilué dans de l'azote, de l'hélium ou de l'argon; la pression est de 26 Pascal environ; la vitesse de dépôt atteint 100 /min. L'invention a plus particulièrement pour objet, en bénéficiant des technologies associées à la microélectronique sur substrat silicium, de réaliser des cadrans d'afficheur constitués: - d'un substrat en silicium présentant au moins une surface plane et 25 comportant des motifs d'affichage, réalisés par procédé lithographique d'une couche métallique, - d'une couche de diélectrique déposée par réaction chimique en phase vapeur assistée par plasma sur ledit substrat constituant une couche passivante, la couleur dudit cadran d'afficheur étant définie par l'association entre la couleur du substrat silicium, la composition et l'épaisseur de ladite couche diélectrique déposée. Avantageusement, les motifs d'affichage seront réalisés à partir de couche métallique déposée en couche mince, par évaporation thermique ou tout autre procédé de pulvérisation cathodique; les matériaux utilisés seront des métaux nobles ou réfractaires, tels que l'or, le titane, le chrome, ou tout autre alliage. Le transfert des motifs sur le substrat silicium sera effectué par photolithographie puis par gravure sèche (plasma) ou par gravure humide (attaque chimique). Grâce au fait que le cadran d'afficheur est réalisé à partir des technologies de 15 la microélectronique, il présente une définition des motifs d'une précision nettement supérieure à celle obtenue à partir des techniques connues de sérigraphie ou de tampographie; par ailleurs, la nature des matériaux utilisés et les techniques associées présentent des caractéristiques de résistance à la corrosion des agents atmosphériques et chimiques conventionnels nettement 20 supérieures à celles obtenues à partir des encres de sérigraphie; enfin, la technologie de la microélectronique présente un attrait indéniable associé à la "hightech", la qualité du polissage du substrat, la brillance de la couche de diélectrique, la nature des teintes, en sont des critères représentatifs. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement un dispositif de dépôt de couche de nitrure de silicium; La figure 2 représente schématiquement un dispositif de dépôt de couche métallique; La figure 3 représente les différentes étapes de photogravure; La figure 4 représente un exemple de cadran afficheur destiné à l'horlogerie selon une vue de face et selon une coupe transversale. Le dépôt de la couche de nitrure de silicium (Si3N4) sur un substrat de silicium 10 est effectué en phase vapeur assisté par plasma; la source de silicium est fournie par le silane (SiH4); un plasma d'azote réagit avec le silane pour former la couche de nitrure de silicium sur le substrat de silicium. La réaction chimique se produit près de la surface du substrat de silicium en 15 phase hétérogène, c'est-à-dire entre le solide du substrat et le gaz réactif; une adsorption des radicaux (SiHx), créés par la dissociation partielle des molécules de silane sous l'effet de collision avec les ions d'un plasma d'azote, et une réaction chimique à la surface du silicium, entre lesdits radicaux (SiHx) et les ions azote, génèrent des atomes libres de nitrure de silicium, leur 20 mobilité de surface permettant de trouver des sites de croissance. Le dispositif, comme indiqué sur la figure 1, permettant d'effectuer le dépôt de nitrure de silicium, est constitué d'une chambre 1 associée à un dispositif de pompage, non représenté, par l'intermédiaire d'un orifice 4 et un dispositif 25 d'introduction de gaz, non représenté, par l'intermédiaire d'un orifice 5; préalablement, le vide est réalisé au travers de l'orifice 4, puis un mélange de silane, d'azote et d'ammoniaque est ensuite introduit à basse pression dans la chambre 1 au travers de l'orifice 5; un champ électromagnétique est créé dans la chambre 1 entre une électrode constituant la cathode 2 et un porte substrat 30 3, constituant l'anode et supportant un substrat en silicium SU. Deux filtres 6 et 7 constituent des moyens d'homogénéisation du flux de mélange de silane, d'azote et d'ammoniaque. Le champ électromagnétique généré par une source radiofréquence G, le transformateur T et le système d'accord A, crée un plasma d'azote P. Le porte substrat 3, polarisé négativement par rapport au potentiel du plasma, durant les alternances négatives du champ créé entre ladite cathode 2 et ledit porte substrat 3, accélère les ions positifs vers le substrat de silicium, créant un 10 plasma suite aux collisions entre les ions azote et le gaz constitué d'un mélange de silane et d'ammoniac, lesdites collisions créant à leur tour la décomposition du silane en radicaux (SiHx), à savoir: SiH, SiH2, SiH3. Afin d'éviter la création d'une charge d'espace au niveau du substrat en 15 présence de la couche diélectrique CD de nitrure de silicium, la polarisation du porte substrat 3 est effectuée au rythme du champ électromagnétique radiofréquence; la puissance et la fréquence du signal radiofréquence appliqué au niveau de la polarisation du porte substrat sont définies pour maintenir le plasma au niveau du substrat de silicium. 20 La fréquence du signal radiofréquence est de 13,56 MHz (fréquence réservée aux équipements industriels); la température du substrat de silicium est de 300 C; la pression partielle d'azote est de 50 Pascal; la vitesse de dépôt est de 90 à 100 A, pour une puissance radiofréquence appliquée de 15 W. 25 Ainsi, l'épaisseur de nitrure de silicium obtenue est de 3000 À environ; une attaque par voie chimique (acide fluorhydrique dilué à 1%) est ensuite effectuée, permettant de calibrer l'épaisseur de la couche diélectrique en réponse à la couleur souhaitée. A titre d'exemple, les couleurs obtenues en fonction de l'épaisseur de la couche de nitrure de silicium sont les suivantes - pourpre: 2075 A, - j aunevert: 1680 , - bleu: 700 A. Bien entendu, les couleurs intermédiaires sont obtenues pour des épaisseurs de la couche de nitrure de silicium de valeur intermédiaire à celles définies ci10 dessus. Par ailleurs, la couche de nitrure de silicium pourra présenter des signes typographiques réalisés selon des procédés connus par l'homme de l'art. On doit noter que cette coloration apparente du substrat silicium comportant la couche diélectrique de nitrure de silicium est due à la diffraction de la lumière 15 blanche ambiante provoquant à son tour la réflexion d'une lumière dont la teinte est déterminée par l'épaisseur de la couche diélectrique et l'indice de réfraction du matériau déposé; en effet, plus l'épaisseur de la couche diélectrique est faible, plus la longueur d'onde de la lumière réfléchie est faible (longueur d'onde du rouge: 7400 A; longueur d'onde du violet: 20 4250 A). Le dépôt de la couche métallique permettant de réaliser les motifs d'affichage est effectué sous vide par un mécanisme physique tel que l'évaporation, la sublimation ou le bombardement ionique. 25 Ces techniques regroupées sous les termes PVD ("Physical Vapor Deposition"), sont exploitées pour effectuer des dépôts de matériaux métalliques, magnétiques, piézoélectriques, etc. - 7 Dans le cas présent, le dépôt de matériaux métalliques, tels que l'or, le titane ou le chrome, est effectué par pulvérisation cathodique consistant à arracher des atomes d'une cible par bombardement d'ions positifs. Le dispositif, comme indiqué sur la figure 2, permettant d'effectuer le dépôt de couche métallique CM, est constitué d'une chambre 1 associée à un dispositif de pompage, non représenté, par l'intermédiaire d'un orifice 4 et un dispositif d'introduction de gaz, non représenté, par l'intermédiaire d'un orifice 5; préalablement, le vide est réalisé au travers de l'orifice 4, puis l'argon est 10 ensuite introduit à basse pression dans la chambre 1 au travers de l'orifice 5: un champ électromagnétique est créé dans la chambre 1 entre une électrode constituant la cible 2, et un porte substrat 3 supportant un substrat en silicium SU. Le champ électromagnétique généré par une source radiofréquence G, le transformateur T et le système d'accord A, crée un plasma d'argon P dont les ions positifs bombardent la cible durant les alternances négatives du champ créé entre ladite cible et le porte substrat. La cible 2 est constituée du matériau métallique (or, chrome) devant être déposé sous la forme de la couche CM sur le substrat SU, lequel est solidaire du porte substrat 3. Le transfert de l'énergie cinétique des ions argon aux atomes de la cible 25 permet à ces derniers d'atteindre le substrat SU. Un champ magnétique, créé par un enroulement E, permet de confiner les ions argon et d'augmenter ainsi la vitesse de dépôt du métal de la cible 2 sur le substrat SU, en créant un mouvement suffisant pour déloger les atomes de la cible. La fréquence du signal radiofréquence est de 13,56 MHz: la pression partielle d'argon est de 130 à 1300 Pascal; la vitesse de dépôt est de 600 à 1800 À par minute pour une puissance radiofréquence de 100 W. Ainsi, l'épaisseur de la couche métallique d'or est de 2500 A. On notera que pour améliorer l'adhérence de la couche métallique d'or sur le substrat ainsi que pour limiter la diffusion de celui-ci dans le matériau du substrat, une couche de chrome de quelques centaines d'Angstrôm est déposée 10 préalablement sur le substrat. La réalisation des motifs d'affichage à partir des couches d'or et de chrome préalablement déposées par pulvérisation cathodique, est effectuée par photolithographie. Comme indiqué sur la figure 3, l'étape A constitue la réalisation d'une couche métallique CM déposée, selon le procédé décrit précédemment, sur un substrat SU. L'étape B constitue la réalisation d'une couche de laque photosensible CP, constituée d'un polymère liquide photosensible déposé uniformément sur la couche métallique CM par centrifugation. Durant l'étape C, une insolation sous lumière spécifique (I (ultra violet à 25 3600 A) ou sous rayons X de ladite couche photosensible CP est réalisée à travers un masque M définissant à l'échelle unitaire, voire à grande échelle associée à un banc optique non représenté, le motif MO à transférer. Après traitement physicochimique (révélation), étape D, de la couche 30 photosensible CP, préalablement insolée, le motif MO à transférer est réalisé sur la couche métallique CM, protégeant celle-ci aux endroits constituant le motif MO et ne protégeant pas celle-ci aux endroits nécessitant la gravure de ladite couche métallique. La couche métallique CM est ensuite gravée par attaque chimique, étape E, 5 d'une manière conventionnelle, par exemple dans un bain "d'eau régale" concernant la couche d'or, le résultat constituant le motif MO. Une dernière opération, étape F, consiste à dissoudre la couche résiduelle photosensible CP, pour ne laisser apparaître que le substrat SU et la couche 10 métallique CM, gravée selon le motif MO du masque M. On notera que les polymères photosensibles, couramment utilisés sont, soit dissociés sous l'action de la lumière (polymère dit positif), soit réticulés sous l'action de la lumière (polymère dit négatif); dans le premier cas, la partie 15 soluble est celle ayant subie l'exposition; dans le second cas, la partie soluble est celle n'ayant pas subie l'exposition. Un exemple de réalisation d'un cadran d'afficheur destiné à l'horlogerie comprendra, comme indiqué sur la figure 4, un substrat carré (30mm x 30mm) 20 de silicium SU, d'épaisseur 0,5 mm, sur lequel a été réalisée par dépôt PECVD une couche diélectrique CD de nitrure de silicium d'épaisseur 1000 A, puis un motif MO réalisé à partir d'une couche de chrome CM1 de 500 A d'épaisseur, puis une couche CM2 d'or, ou de tungstène ou d'aluminium, de 2500 d'épaisseur, toutes deux déposées par pulvérisation 25 cathodique; lesdites couches de chrome et d'or ou de tungstène ou d'aluminium ont été photogravées afin d'obtenir les motifs souhaités, à savoir les douze chiffres des heures et l'origine du cadran d'afficheur. On notera que le dépôt desdites couches de chrome et d'or ou de tungstène ou 30 d'aluminium peut être effectué avant dépôt de la couche de nitrure de silicium ou après dépôt de ladite couche de nitrure de silicium. - La première option permet une protection totale des motifs du cadran d'affichage. La seconde option présente l'avantage d'être plus aisée à réaliser. - 11 Revendications 1. Procédé de réalisation d'un cadran d'afficheur comportant un fond au moins partiellement coloré et des motifs d'affichage, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation d'un substrat en silicium (SU) présentant au moins une face plane et le dépôt sur cette face plane d'une couche diélectrique (CD) d'une épaisseur prédéterminée, au moins dans les zones colorées dudit fond, ladite couleur étant déterminée par l'association entre la couleur du substrat (SU), la composition et l'épaisseur de ladite 10 couche diélectrique (CD). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs d'affichage sont réalisés par le dépôt d'une couche métallique (CM 1, CM2) selon un procédé lithographique. 15 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de diélectrique (CD) est constituée de nitrure de silicium ou d'oxyde de silicium. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche métallique (CM1, CM2) est réalisée par pulvérisation cathodique. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de diélectrique (CD) est réalisée par dépôt en phase vapeur assisté par plasma. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs d'affichage (MO) sont réalisés par 30 photolithographie de la couche métallique (CM1, CM2). - 12 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de diélectrique (CD) est déposée avant ou après la couche métallique (CM1, CM2). 8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche métallique (CM1, CM2) comprend une couche de chrome (CM1) d'épaisseur supérieure à 100 A et une couche métallique (CM2) d'épaisseur supérieure à 1000 A. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche métallique (CM2) est constituée d'or, ou de tungstène, ou d'aluminium. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de diélectrique est supérieure à 500 A. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de diélectrique (CD) présente des signes typographiques.