Brevet FR3084275A1 — publié le 20200131

TETE ET SYSTEME COMPACTS DE DEPOT EN PHASE VAPEUR L'invention porte sur une tête de dépôt de couches minces en phase vapeur, et plus particulièrement d'une tête de dépôt adaptée à la mise en oeuvre de la technique SALD - dépôt de couches atomiques spatial (de l'anglais « Spatial Atomic Layer Deposition »). L'invention porte également sur un système de dépôt de couches minces comprenant une telle tête. Le dépôt de couches atomiques (ALD, de l'anglais « Atomic Layer Deposition ») est une technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD, de l'anglais « Chemical Vapor Deposition ») mise au point dans les années 1960-70 qui offre la possibilité unique de dépôt de couches minces de haute qualité à basse température, avec contrôle d'épaisseur précise, une uniformité exceptionnelle et une excellente couverture même en présence de marches ayant un rapport d'aspect important. Cela est dû à la nature spontanément auto-limitée de la croissance par ALD, qui s'effectue directement et de façon sélective sur la surface de l'échantillon lors de l'exposition séquentielle de différents précurseurs transportés par des flux de gaz inerte (typiquement N2 ou Ar). Ainsi, tandis que dans les techniques traditionnelles de dépôt chimique en phase vapeur les précurseurs sont injectés en même temps réagissent sur le substrat par activation thermique ou plasma, dans le cas de l'ALD les précurseurs sont injectés par des impulsions consécutives, séparées dans le temps, permettant ainsi la surface nature sélective et spontanément résolutive de la technique. Depuis les années 1990, l'ALD est devenue la technique de choix dans les industries des semi-conducteurs et des écrans de grandes 25 dimensions. Plus tard, l'avènement des nanosciences et des nanotechnologies a élargi l'utilisation de l'ALD aux laboratoires de recherche. Malgré ses atouts uniques, l'ALD présente deux inconvénients majeurs qui ont limité son application industrielle: la lenteur du dépôt et la nécessité d'opérer sous vide. En conséquence, l'ALD est aujourd'hui 30 uniquement utilisé dans les industries où aucune autre technique n'est disponible. L'ALD spatial (SALD) apporte une solution au problème de la lenteur de l'ALD « conventionnel ». Cette technique, initialement proposée par T. S. Suntola et al. dans le brevet US 4,389,973, consiste à séparer les précurseurs dans l'espace plutôt que dans le temps. Ainsi, dans le SALD, les 5 précurseurs sont délivrés en permanence en correspondance de portions différentes de la surface du substrat, séparées par une zone de gaz inerte, tandis que l'échantillon se déplace de l'emplacement d'un précurseur à l'autre en passant par la zone de gaz inerte. Cela permet d'augmenter le taux de dépôt jusqu'à deux ordres de grandeur. Par ailleurs il a été démontré qu'en 10 agençant la tête de dépôt SALD à proximité immédiate (100 pm ou moins) de la surface de dépôt et en l'équipant de d'ouvertures d'aspiration des gaz, il est possible d'opérer à pression ambiante, et donc en dehors d'une enceinte à vide. On parle alors de SALD à pression ambiante (AP-SALD). Voir par exemple US 2009/0217878. 15 La figure 1 est une illustration schématique du principe du AP- SALD. La tête de dépôt TD est parcourue par des conduits Cl qui transportent un gaz inerte I, tel de l'azote N2 ou de l'argon Ar ; des conduits CP1 transportant un gaz chargé en un premier précurseur, par exemple un oxydant O tel de la vapeur d'eau (H2O) ; des conduits (en fait, un seul sur la figure 1) 20 CP2 transportant un gaz chargé un deuxième précurseur, par exemple un composé organométallique M tel que Al(CH3)3, ainsi que des conduits d'évacuation CE reliés à une pompe. Les différents conduits débouchent dans des fentes respectives (FP1 pour le premier précurseur, FP2 pour le deuxième précurseur, PI pour le gaz inerte, FE pour l'évacuation) ménagées dans une face de la tâte de dépôt. Les fentes sont aménagées de telle sorte que : - une fente reliée au conduit Cl est interposée entre deux fentes reliées à des conduits CP1, CP2 transportant des précurseurs différents, et entre ces fentes et chaque bord latéral de la tête ; une fente reliée à un conduit d'évacuation est interposée entre deux fentes reliées à d'autres conduits. 3 Les écoulements des gaz sont représentés par des flèches. On peut constater que le gaz inerte forme des « barrières » qui séparent les écoulements de gaz contenant des précurseurs entre eux et de l'air ambiant. Un substrat SUB, porté par un support ou plateau PS, est agencé en face et à 5 une faible distance ( REVENDICATIONS1. Tête de dépôt (TD) chimique en phase vapeur comprenant un corps solide (CS) comportant : au moins une première ouverture (OH) pour recevoir un premier flux gazeux en entrée transportant un premier précurseur, une deuxième ouverture (0P2) pour recevoir un deuxième flux gazeux en entrée transportant un deuxième précurseur, une troisième ouverture (01) pour recevoir un troisième flux gazeux inerte en entrée et une quatrième ouverture d'évacuation d'un quatrième flux gazeux ; - une face de sortie portant une pluralité (F) d'orifices (FPI , FP2, FI, FE1, FE2) ; et - un réseau de conduits de distribution (CP1, CP2, Cl CE1, CE2), ménagé à l'intérieur du corps solide, reliant chaque ouverture à 15 au moins un desdits orifices ; dans laquelle chaque orifice relié à la première ouverture est séparé du ou de chaque plus proche orifice relié à la deuxième ouverture par au moins un orifice relié à la troisième ouverture et par deux orifice reliés à la quatrième ouverture, agencés de part et d'autre de l'orifice relié à la troisième 20 ouverture ; caractérisée en ce que le corps solide est réalisé en une seule pièce par fabrication additive, le réseau de conduits de distribution étant formé par des cavités ménagées dans ladite pièce. 25 2. Tête de dépôt selon la revendication 1 dans laquelle les orifices sont des fentes rectilignes et parallèles entre elles. 3. Tête de dépôt selon la revendication 2 dans laquelle au moins une fente reliée à la première et au moins une fente reliée à la 30 deuxième ouverture présentent une longueur moindre que les fentes reliées à la troisième et à la quatrième ouverture et sont décalées l'une par rapport à l'autre dans le sens de la longueur. 16 4. Tête de dépôt selon la revendication 1 dans laquelle les orifices forment des courbes fermées concentriques, et préférentiellement des cercles concentriques. 5 5. Tête de dépôt selon l'une des revendications précédentes comprenant également au moins un premier et un deuxième réservoir (B1, B2 ; 311, 312, 313), reliés respectivement à la première et à la deuxième ouverture par des conduits de sortie respectifs, chaque dit réservoir 10 comprenant un volume creux susceptible de contenir un précurseur à l'état liquide ou solide (PU , PL2) et un conduit d'entrée agencé de telle sorte qu'un flux gazeux injecté dans le conduit d'entrée entre en contact avec le précurseur avant de parvenir au conduit de sortie respectif, le premier et le deuxième réservoirs, ainsi que les conduits d'entrée et de sortie, étant réalisés d'une seule pièce avec le corps solide par fabrication additive. 6. Tête de dépôt selon la revendication 5 dans lequel au moins un dit réservoir est un bulleur (BI1) dont le volume creux est destiné à contenir un précurseur à l'état liquide, le conduit d'entrée et le conduit de sortie étant agencés de telle sorte que le flux gazeux injecté dans le conduit d'entrée barbote à travers le liquide avant de parvenir au conduit de sortie. 7. Tête de dépôt selon la revendication 6 dans lequel le volume creux de chaque bulleur contient une structure (SAT) configurée pour 25 allonger le trajet parcouru par des bulles de gaz entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie. 8. Système de dépôt en phase vapeur comprenant une tête (TD) selon l'une des revendications 5 à 7 et un chariot (CM) portant ladite tête 30 et permettant de la déplacer au-dessus d'un substrat. 17 9. Système de dépôt en phase vapeur comprenant une tête (TD) selon l'une des revendications 1 à 4, un chariot (CM) portant ladite tête et permettant de la déplacer au-dessus d'un substrat et au moins un premier et un deuxième réservoir (B1, B2), reliés respectivement à la première et à la 5 deuxième ouverture par des conduits de sortie respectifs, chaque dit réservoir comprenant un volume creux susceptible de contenir un précurseur (PL1, PL2) à l'état liquide ou solide et un conduit d'entrée agencé de telle sorte qu'un flux gazeux injecté dans le conduit d'entrée entre en contact avec le précurseur avant de parvenir au conduit de sortie respectif, le premier et le 10 deuxième réservoir étant également portés par ledit chariot. 10. Système selon la revendication 9 dans lequel les réservoirs sont réalisés par fabrication additive, montés de manière amovible et interchangeable et remplis chacun d'un dit précurseur à l'état liquide ou 15 solide. 11. Procédé de dépôt d'au moins une couche mince (CD), ou d'un dispositif à couches minces, sur un substrat comprenant : la conception d'un processus de dépôt en phase 20 vapeur adapté à la réalisation de ladite couche ou dudit dispositif ; la conception d'une tête de dépôt (TD) selon l'une des revendications 1 à 7, spécialement adaptée à la mise en oeuvre d'un tel processus ; la réalisation de ladite tête de dépôt par fabrication additive ; et l'utilisation de ladite tête pour la mise en oeuvre dudit processus.30