Brevet FR3140097A1 — publié le 20240329

Dépôt d’une matière telle que l’indium sous forme de couches minces nitrurées, par évaporation et double activation à l’aide d’un plasma d’azote (41) et d’un faisceau d’électrons (42). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Dépôt de couches de matière par évaporation et double activation L’invention se rapporte au domaine du dépôt de matière sous forme de couches minces. L’invention a notamment des applications dans les secteurs de l’optoélectronique et de l’électronique. État de la technique antérieure Une technique conventionnelle consiste à réaliser un dépôt de matière en phase vapeur sous vide. La matière est évaporée à partir d’un creuset en direction d’un substrat en traversant un milieu qui peut être passif ou actif. Il est notamment connu d’utiliser comme milieu actif un plasma, permettant typiquement d’améliorer l’adhérence de la matière sur le substrat et d’obtenir des couches uniformes et non poreuses. Entre autres inconvénients, les procédés plasma connus ne permettent pas l’obtention de couches à faible énergie thermique de dissociation, notamment de nitrure d’indium dont la température de dissociation est d’environ 500°C. Des techniques alternatives ont été proposées pour élaborer des couches de nitrure d’indium, en particulier l’épitaxie, la pulvérisation réactive, ainsi que le dépôt par laser pulsé. Ces techniques ne donnent cependant pas satisfaction car elles nécessitent de hautes températures et des puissances plasma radiofréquences élevées qui dégradent la qualité des couches déposées. L’invention vise à remédier aux inconvénients des techniques de dépôt connues dans l'art antérieur et, notamment, à procurer une solution permettant de déposer des couches à faible énergie de dissociation, en particulier des couches de nitrure d’indium. L’invention n’est toutefois pas limitée à ce type de matériau et a aussi pour objectif de procurer une technique de dépôt permettant d’obtenir des couches de matériaux différents, présentant des propriétés physico-chimiques, électriques, optiques et/ou mécaniques satisfaisantes. A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de dépôt de matière comprenant : – une surface de réception d’un échantillon de matière, – un substrat destiné au dépôt de la matière, – une enceinte définissant entre la surface de réception et le substrat une première région apte à recevoir du plasma et une deuxième région apte à recevoir des électrons, – un organe de génération de plasma d’un gaz tel que l’azote configuré pour générer le plasma dans la première région de l’enceinte, – un organe d’émission d’électrons configuré pour émettre des électrons dans la deuxième région de l’enceinte, – un organe d’évaporation configuré pour évaporer la matière de l’échantillon de manière à déplacer la matière ainsi évaporée successivement dans la première région et dans la deuxième région de l’enceinte en direction du substrat. L’invention permet ainsi de réaliser une double activation de la matière évaporée, d’une part avec le plasma et d’autre part avec les électrons générés dans l’enceinte, permettant de déposer sur le substrat des couches nitrurées par évaporation. De manière générale, l’invention permet l’obtention de couches minces nitrurées à grand échelle, à moindre coût, à vitesse de dépôt élevée et de bonne qualité. L’invention permet notamment de réaliser un dépôt à basse température, notamment à une température inférieure à 300°C, avec un plasma généré à faible puissance, notamment une puissance inférieure à 100 W. Ainsi, contrairement aux techniques d’épitaxie, de pulvérisation ou de laser pulsé, la faible puissance du plasma permet, entre autres, le dépôt de couches de nitrure d’indium pour former un matériau présentant les propriétés physico-chimiques et structurelles requises. Plus généralement, l’échantillon de matière utilisé peut comprendre un élément inorganique du tableau périodique, tel que l’aluminium, l’indium ou encore le titane, qui sont susceptibles d’acquérir des propriétés électriques et optiques suite à leur nitruration. De nombreuses applications peuvent être envisagées, incluant la fabrication de composants optoélectroniques ou d’électronique de puissance, notamment sous forme de couches de nitrure d’indium ou d’aluminium, la fabrication de matériaux à conductivité thermique forte ou faible, notamment sous forme de couches de nitrure d’aluminium, ou encore la fabrication de revêtements de surface, notamment sous forme de couches de nitrure de titane. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un organe de génération d’un champ magnétique. Cet organe est de préférence configuré pour générer un champ magnétique dans ladite deuxième région de l’enceinte afin de modifier la trajectoire des électrons émis dans cette deuxième région. Cet organe peut être un aimant ou un électroaimant. La présence d’un tel champ magnétique permet d’allonger la trajectoire des électrons émis dans l’enceinte, entraînant une augmentation du taux d’ionisation de l’azote et, par suite, du taux de nitruration de la matière évaporée. Il en résulte une augmentation du taux de nitruration des couches déposées. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un organe de pompage configuré pour abaisser la pression de l’enceinte. L’organe de pompage permet de mettre l’enceinte sous vide. Cet organe de pompage peut comprendre une pompe à vide du type cryogénique ou turbomoléculaire. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un organe configuré pour générer une différence de pression entre une première chambre de l’enceinte formant la première région et la deuxième région et une deuxième chambre recevant l’échantillon. Cet organe peut être un diaphragme du type cloison dotée d’une ouverture dimensionnée pour produire une telle différence de pression. Autrement dit, un pompage différentiel peut être mis en œuvre dans l’enceinte, afin par exemple de favoriser l’évaporation de la matière. Dans un mode de réalisation, l’organe d’émission d’électrons comprend un filament et un moyen pour chauffer le filament. Dans un mode de réalisation, l’organe de génération de plasma comprend un moyen d’injection dudit gaz dans l’enceinte et un mécanisme configuré pour créer une différence de potentiel électrique de manière à générer le plasma dans ladite première région de l’enceinte. L’invention a aussi pour objet un procédé de dépôt de matière sur un substrat à l’aide d’un dispositif tel que décrit ci-dessus. Plus généralement, un procédé de l’invention comprend : – une génération de plasma d’un gaz tel que l’azote dans une première région d’une enceinte, – une émission d’électrons dans une deuxième région de l’enceinte, – une évaporation de matière de manière à déplacer la matière ainsi évaporée en direction du substrat, successivement dans la première région dans laquelle est générée le plasma et dans la deuxième région dans laquelle sont émis les électrons. Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comprend une génération d’un champ magnétique, à l’aide d’un aimant ou électroaimant, dans ladite deuxième région de l’enceinte de manière à modifier la trajectoire des électrons émis dans cette deuxième région. Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comprend un abaissement de la pression de l’enceinte à l’aide d’un organe de pompage. Il est préféré que la matière comprenne un élément inorganique du tableau périodique, tel que l’aluminium ou l’indium, ou un alliage comportant un tel élément inorganique. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, non limitative, qui suit. Brève description de la figure La description détaillée qui suit fait référence à : montrant schématiquement un dispositif conforme à l’invention. Description détaillée de modes de réalisation Il est représenté à la un dispositif 1 prévu pour évaporer un échantillon 2 de matière, pour activer la matière évaporée puis la déposer sur un substrat 3 sous forme de couches minces, c’est-à-dire de couches ayant typiquement une épaisseur pouvant aller de quelques nanomètres à quelques microns. Le dispositif 1 comprend un bâti 4 formant une enceinte 5 et comportant une structure 6 de support du substrat 3 ainsi qu’une cloison 7 prévue pour séparer l’enceinte 5 en deux chambres 5A et 5B. Le dispositif 1 comprend par ailleurs un creuset 11, un organe 12 d’évaporation, un organe 13 de génération de plasma, un organe 14 d’émission d’électrons, un organe 15 de pompage ainsi qu’un aimant 16. La indique un référentiel définissant des directions D1, D2 et D3 orthogonales entre elles. Le substrat 3 et le creuset 11 sont éloignés l’un de l’autre le long de la direction D2, appelée « direction longitudinale ». Plus précisément, le creuset 11 comprend une surface 21 de réception de l’échantillon 2 disposée en regard d’une surface 22 du substrat 3 destinée au dépôt de la matière, ces surfaces 21 et 22 étant éloignées l’une de l’autre selon D2 d’une distance X1. A titre indicatif, la distance X1 est dans cet exemple égale à 400 mm. L’enceinte 5 présente, longitudinalement entre la surface 21 du creuset 11 et la surface 22 du substrat 3, un espace prévu pour autoriser un déplacement de la matière de l’échantillon 2 évaporée depuis le creuset 11 jusqu’au substrat 3 selon une trajectoire ayant au moins une composante longitudinale, c’est-à-dire orientée le long de la direction D2 dans un sens allant du bas vers le haut de la . L’organe 12 est dans cet exemple un organe d’évaporation thermique, configuré pour chauffer l’échantillon 2 disposé sur la surface 21 du creuset 11 par effet Joule. Bien entendu, le creuset 12 est réalisé dans un matériau ayant une température de fusion supérieure à la température d’évaporation de l’échantillon 2. Dans cet exemple, le creuset 12 est en tungstène. Concernant la génération de plasma, l’organe 13 de la comprend d’une part un moyen 31 permettant d’injecter un gaz dans l’enceinte 5, en particulier dans la chambre 5A. Dans cet exemple, le gaz injecté par le moyen d’injection 31 comprend de l’azote. L’organe 13 comprend d’autre part un mécanisme 32 configuré pour créer une différence de potentiel électrique afin de produire le plasma avec l’azote injecté dans l’enceinte 5 sous l’action de cette différence de potentiel. A la , la référence 32 désigne une tige de polarisation de ce mécanisme, les autres éléments de ce mécanisme n’étant pas représentés. De manière connue en soi, le mécanisme 32 peut comprendre un générateur de tension ou de radiofréquences permettant de créer ladite différence de potentiel entre une cathode, qui peut être formée par une partie de la tige de polarisation 32, et une anode. A titre indicatif, la différence de potentiel peut être de l’ordre de 500 V et la puissance du plasma inférieure à 100 W. Concernant l’émission d’électrons, l’organe 14 comprend dans cet exemple un filament (non représenté) configuré pour être traversé par un courant électrique de sorte à chauffer le filament et émettre ainsi des électrons. Dans l’exemple de la , le dispositif 1 est configuré de sorte que l’organe 13 puisse générer le plasma dans une première région 41 de l’enceinte 5 et de sorte que l’organe 14 puisse générer concomitamment un faisceau d’électrons dans une deuxième région 42 de l’enceinte 5, adjacente à la première région 41. Dans cet exemple, les régions 41 et 42 sont toutes deux constituées par des parties de l’espace formé par la chambre 5A et s’étendent longitudinalement entre le creuset 11 et le substrat 3. Concernant par ailleurs l’organe de pompage 15, celui-ci comprend dans le présent mode de réalisation une pompe à vide. Dans d’autres modes de réalisation, l’organe 15 peut comprendre un autre type de pompe, par exemple une pompe turbomoléculaire. L’organe de pompage 15 est configuré pour abaisser la pression de la chambre 5B. Compte tenu de la géométrie de la cloison 7, l’organe de pompage 15 permet aussi d’abaisser la pression de la chambre 5A lors du dépôt (voir plus loin ci-dessous). Autrement dit, l’organe de pompage 15 est dans cet exemple non limitatif prévu pour abaisser la pression de l’ensemble du volume de l’enceinte 5. Par ailleurs, la structure 6 supportant le substrat 3 est dans cet exemple montée mobile par rapport au bâti 4, en l’occurrence en rotation autour d’un axe parallèle à la direction D2. Le dispositif 1 comprend des moyens (non représentés) permettant de déplacer la structure 6 en rotation autour de cet axe, de manière à pouvoir déplacer le substrat 3 par rapport au bâti 4 lors du dépôt (voir plus loin ci-dessous). La cloison 7 comprend une ouverture 51 autorisant un déplacement de matière évaporée de la chambre 5B vers la chambre 5A à travers cette ouverture 51. Dans cet exemple, l’ouverture 51 est dimensionnée de sorte que la pression soit sensiblement identique dans la chambre 5A et dans la chambre 5B. Dans cet exemple, l’aimant 16 est un aimant permanent monté sur le bâti 4, à proximité de ladite deuxième région 42. En particulier, le dispositif 1 est agencé de sorte que le substrat 3 soit disposé longitudinalement entre l’aimant 16 et la deuxième région 42 de l’enceinte 5. L’aimant 16 est plus spécifiquement configuré pour générer un champ magnétique dans la deuxième région 42 de l’enceinte 5. Il va maintenant être décrit un exemple non limitatif de mise en œuvre de ce dispositif 1. Dans l’exemple ici décrit, l’échantillon 2 comprend de l’indium. La pression de l’enceinte 5, initialement à pression atmosphérique, est abaissée à l’aide de l’organe de pompage 15. Le plasma d’azote est généré dans la première région 41 de l’enceinte 5 à l’aide de l’organe 13. Un faisceau d’électrons est émis dans la deuxième région 42 de l’enceinte 5 à l’aide de l’organe 14. La matière de l’échantillon 2 est chauffée à l’aide de l’organe 12 de manière à faire passer cette matière à l’état de vapeur. La matière évaporée 60 est ainsi déplacée en direction du substrat 3, selon une trajectoire comportant au moins une composante parallèle à la direction D2. Ce faisant, la matière évaporée 60 passe de la chambre 5B recevant le creuset 11 à la chambre 5A via l’ouverture 51 de la cloison 7, puis traverse successivement la première région 41 et la deuxième région 42. Des particules de la matière évaporée de l’échantillon 2 sont ainsi éjectées en direction du substrat 3, en étant soumis à une double activation par le plasma d’azote d’une part et le faisceau d’électrons d’autre part. Cette double activation entraîne une augmentation du taux de nitruration de la matière avant dépôt sur le substrat 3. Le champ magnétique généré dans la deuxième région 42 augmente la longueur de la trajectoire des électrons, ce qui augmente le taux d’ionisation de l’azote et par suite le taux de nitruration de la matière déposée. En arrivant au niveau du substrat 3, les particules de matière ainsi activées se condensent de manière à former des couches minces adhérant au substrat 3. Lors du dépôt, la structure 6 supportant le substrat 3 est entraînée en rotation afin d’améliorer l’homogénéité des couches déposées. L’invention permet ainsi de former des couches minces riches en azote, avec une vitesse de dépôt élevée, typiquement de l’ordre de quelques nm/s, une faible température de dépôt, une faible puissance de génération de plasma et un coût de production réduit. Bien entendu, de nombreuses variantes peuvent être apportées au dispositif 1 et au procédé de dépôt qui viennent d’être décrits, notamment en modifiant les moyens permettant de remplir les fonctions décrites ci-dessus et/ou l’agencement de ces différents moyens, pourvu qu’ils permettent de réaliser une double activation de matière évaporée avant dépôt sur un substrat. Ainsi, dans un mode de réalisation alternatif, l’organe d’évaporation 12 comprend un moyen différent d’un moyen de chauffage par effet Joule, par exemple un moyen de chauffage par induction, ou un moyen configuré pour réaliser l’évaporation de matière à l’aide d’une autre technique, par exemple par bombardement électronique. Pour autre exemple, le dispositif 1 peut être dépourvu de l’aimant permanent 16 illustré sur la . Le dispositif peut ne pas comprendre d’aimant ou peut comprendre un autre type d’aimant, par exemple un électroaimant ou un autre moyen de génération de champ magnétique dans la deuxième région 42 et/ou dans d’autres régions de l’enceinte 5. Dans un mode de réalisation, non représenté, le dispositif 1 se distingue de celui de la en ce qu’il est dépourvu de la cloison 7. Dans un autre mode de réalisation, l’ouverture 51 de la cloison 7 est dimensionnée de sorte à générer un différentiel de pression entre les chambres 5A et 5B sous l’action du pompage, afin de favoriser l’évaporation d’un élément tel que l’aluminium, par exemple. L’invention peut aussi mettre en œuvre des moyens supplémentaires, non décrits ci-dessus. Par exemple, le dispositif 1 peut comprendre une balance à quartz disposée à proximité du substrat 3 afin de contrôler l’épaisseur des couches déposées. Par ailleurs, l’invention peut être mise en œuvre pour réaliser des couches à partir d’une matière comprenant des éléments autres que l’indium. En particulier, l’échantillon 2 peut comprendre un élément inorganique du tableau périodique, par exemple un élément métallique tel que l’aluminium ou le titane, ou encore un alliage comportant un tel élément inorganique. Dispositif (1) de dépôt de matière comprenant : – une surface (21) de réception d’un échantillon (2) de matière, – un substrat (3) destiné au dépôt de la matière, – une enceinte (5) définissant entre la surface de réception (21) et le substrat (3) une première région (41) apte à recevoir du plasma et une deuxième région (42) apte à recevoir des électrons, – un organe (13) de génération de plasma d’un gaz tel que l’azote configuré pour générer le plasma dans la première région (41) de l’enceinte (5), – un organe (14) d’émission d’électrons configuré pour émettre des électrons dans la deuxième région (42) de l’enceinte (5), – un organe (12) d’évaporation configuré pour évaporer la matière de l’échantillon (2) de manière à déplacer la matière ainsi évaporée successivement dans la première région (41) et dans la deuxième région (42) de l’enceinte (5) en direction du substrat (3). Dispositif (1) selon la revendication 1, comprenant un aimant (16) ou électroaimant configuré pour générer un champ magnétique dans ladite deuxième région (42) de l’enceinte (5) afin de modifier la trajectoire des électrons émis dans cette deuxième région (42). Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant un organe (15) de pompage configuré pour abaisser la pression de l’enceinte (5), l’organe de pompage (15) comprenant par exemple une pompe à vide du type cryogénique ou turbomoléculaire. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un organe (7) configuré pour générer une différence de pression entre une première chambre (5A) de l’enceinte (5) formant la première région (41) et la deuxième région (42) et une deuxième chambre (5B) recevant l’échantillon (2). Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’organe (14) d’émission d’électrons comprend un filament et un moyen pour chauffer le filament. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’organe (13) de génération de plasma comprend un moyen (31) d’injection dudit gaz dans l’enceinte (5) et un mécanisme (32) configuré pour créer une différence de potentiel électrique de manière à générer le plasma dans ladite première région (41) de l’enceinte (5). Procédé de dépôt de matière sur un substrat (3) comprenant : – une génération de plasma d’un gaz tel que l’azote dans une première région (41) d’une enceinte (5), – une émission d’électrons dans une deuxième région (42) de l’enceinte (5), – une évaporation de matière de manière à déplacer la matière ainsi évaporée en direction du substrat (3), successivement dans la première région (41) dans laquelle est générée le plasma et dans la deuxième région (42) dans laquelle sont émis les électrons. Procédé selon la revendication 7, comprenant une génération d’un champ magnétique, à l’aide d’un aimant (16) ou électroaimant, dans ladite deuxième région (42) de l’enceinte (5) de manière à modifier la trajectoire des électrons émis dans cette deuxième région (42). Procédé selon la revendication 7 ou 8, comprenant un abaissement de la pression de l’enceinte (5) à l’aide d’un organe de pompage (15). Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la matière comprend un élément inorganique du tableau périodique, tel que l’aluminium ou l’indium, ou un alliage comportant un tel élément inorganique.