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Center of MicroNanoTechnology CMi

EPFL - CMi

BAS450
Dpt par pulvrisation

 

Table des matires

Introduction

Principe Physique

Capacit de lquipement

Restriction d'accs et prcautions

Caractristiques techniques

Informations


Introduction

L'quipement BAS450 permet de dposer des couches mtalliques ou isolantes sur des plaques de diamtre 100mm par une technique appele pulvrisation.

La pulvrisation est le terme dcrivant le mcanisme par lequel des atomes sont arrachs de la surface dun matriau suite une collision avec des particules haute nergie. Le choix du matriau de dpt se fait simplement par le remplacement d'une plaque rectangulaire, appele cible, en ledit matriau pouvant tre un mtal pur (Al, Ti, Ta, Pt, ...), un alliage (Al+1%Si, W+10%Ti,...) ou un matriau dilectrique (SiO2, TiO2, Si,...).

L'quipement BAS450 permet de dposer jusqu' 2 matriaux mtalliques et 1 matriau dilectrique sans changement de cibles.

Le dpt de couches d'oxyde peut tre ralis avec une cible mtallique en prsence d'oxygne. Ces dpts sont dits ractifs (reactive sputtering).

Les porte-substrats peuvent tre chauffs. La temprature maximale est de 300C la surface des plaques.

Un nettoyage prliminaire de la surface des plaques peut tre fait sous vide par bombardement ionique juste avant le dpt. Cette opration est importante dans certains cas pour garantir le retrait total d'un oxyde natif ou pour garantir un tat de surface amliorant l'adhrence de la couche.

Un nettoyage de la cible sous vide juste avant le dpt est indispensable pour garantir une bonne qualit de couche. Cette opration est ralise en fermant un obturateur pour protger les plaques pendant les premires minutes de pulvrisation. L'ouverture de l'obturateur marque le dbut du dpt.

Les avantages du dpt par pulvrisation par rapport au dpt par vaporation sont :

-          Bonne uniformit dpaisseur du matriau dpos sur les plaques en utilisant des cibles de surface importante.

-          Composition des alliages mieux contrle que par vaporation.

-          La surface des substrats peut tre nettoye sous vide avant dpt.

Les inconvnients lis ce type de dpts sont principalement :

-          Vitesse de dpt faible pour certains matriaux comme le SiO2 ou le Si.

-          Certains matriaux comme les matriaux organiques ne supportent pas le bombardement ionique.

-          Le niveau de vide est moindre dans les quipements de dpt par pulvrisation que ceux de dpt par vaporation. La possibilit dinsertion dimpurets dans les couches dposes est donc plus important avec la mthode de pulvrisation.


Principe Physique

Les procds de dpt par pulvrisation se font en quatre tapes :

1)       des ions sont gnrs et dirigs vers la cible.

2)       les ions pulvrisent les atomes de la cible.

3)       les atomes jects diffusent vers le substrat.

4)       une partie des atomes pulvriss se condensent la surface du substrat pour former une couche mince.

Gnration du plasma : Les particules nergtiques utilises pour pulvriser les cibles sont produites par un plasma. Un plasma est dfini comme un gaz partiellement ionis contenant un nombre gal de charges positives et ngatives.

Critre de slection du gaz : Lors dune pulvrisation purement physique (par opposition la pulvrisation ractive), les ions et les atomes du gaz ne doivent pas ragir avec le film en croissance. Ceci limite donc les gaz potentiels aux gaz rares. Largon est trs souvent utilis car moins cher que le xnon et le krypton, il offre un rendement de pulvrisation suprieur celui du non.

Critre de slection de la pression : la gamme de pression du procd est fixe par les exigences de la dcharge luminescente. La limite basse est de 0,3 Pa (2-3 mTorr) pour la pulvrisation avec magntron ; la limite haute est dfinie par la diffraction des atomes pulvriss par le gaz. Elle est acceptable jusque: 13 Pa (100 mTorr).

Critre de slection des conditions lectriques : obtenir le rendement de pulvrisation maximum par unit dnergie. Une nergie trop importante fait chuter le rendement, le phnomne dimplantation en tant la cause.

Dpt de couches mtalliques par pulvrisation (Direct Current sputtering):

Le principe de fonctionnement est celui d'un systme de type diode DC. Ce systme est constitu d'une chambre dans laquelle le vide est effectu et qui est ensuite remplie d'argon basse pression. A lintrieur de la chambre, il y a deux lectrodes (lanode charge positivement et la cathode charge ngativement) entre lesquelles une diffrence de potentiel continu (DC) est applique. Lorsque la tension est applique, un lectron libre rsultant de lionisation dun atome dargon par un photon cosmique est acclr par le champ lectrique. Une partie des collisions lectron atome sont inlastiques, se traduisant par un transfert partiel dnergie de l'lectron latome.

Si lnergie transfre est infrieure lnergie dionisation ( 11.5eV < E < 15.7eV), un lectron orbital sera excit sur un niveau dnergie plus lev pour 10-8 sec et retournera son tat dorigine en mettant un photon en lumire visible. Cette excitation est lorigine du phnomne de luminescence.

Si lnergie transfre est suprieure lnergie dionisation (E > 15.7eV pour largon), un second lectron libre est cr avec un ion positif. Par la suite, les deux lectrons libres vont tre acclrs. Les conditions permettant une raction en cascade sont dites conditions de claquage du gaz. La reprsentation de la tension de claquage U en fonction du produit pression par distance entre les lectrodes (p x d) montre un minimum Umin (Loi de Paschens). Autrement dit, pour une distance donne d entre les lectrodes, la tension d'amorage du plasma est minimale Umin une pression p donne par la courbe de Paschens pour le gaz considr.

La source dlectrons maintenant la dcharge est la cathode qui met des lectrons secondaires suite aux chocs par des ions. Les lectrons mis sont acclrs vers lanode.

Lorsquune surface solide est bombarde par des atomes, des ions ou des molcules, de nombreux phnomnes peuvent avoir lieu.

-          Pour des nergies faibles (nergie cintique des particules < 10eV) la plupart des interactions sont essentiellement de la rflexion, adsorption des espces bombardes, migrations de surface ou endommagements.

-          Pour des nergies trs importantes (E>10keV), les particules incidentes sont plutt implantes dans la cible. (Cest le mcanisme dimplantation ionique.)

-          Pour des nergies entre 10eV et 10keV, une partie de lnergie des ions incidents est transfre la cible sous forme de chaleur et dendommagement de la structure cristalline. Lautre partie de lnergie provoque le dlogement datomes et leur jection en phase gazeuse.

Pour que la majorit des atomes se dposent sur le substrat, il faut que le substrat soit plac aussi prs que possible de la cible, typiquement 5 10 cm. Les atomes pulvriss arrivent et se condensent la surface du substrat. La chaleur de condensation nest pas la cause principale de lchauffement du substrat.

Dpt de couches dilectriques par pulvrisation (Radio Frequency sputtering):

Lun des inconvnients du systme  Diode DC  est quil ne peut tre utilis pour pulvriser des matriaux isolants. La dcharge ne peut pas tre maintenue avec une tension continue si la cathode est recouverte dun isolant. En effet, un lectron est extrait de la cathode chaque fois quun ion incident positif est neutralis. Les lectrons consomms ne sont pas remplacs et la surface de la cathode se charge alors progressivement positivement jusqu' teindre la dcharge en 1 10 ms.

La technique consiste alors appliquer une tension alternative entre les lectrodes. Les procds bass sur cette technique sont appels  pulvrisation RF . Mais pour quun tel procd fonctionne, il faut que :

-          les lectrons perdus par la surface isolante soient priodiquement rgnrs. Cette condition est ralise en rgime tabli, lorsque la charge positive accumule la surface de la cible lors de lalternance ngative est remplace par des lectrons incidents lors de lalternance positive.

-          la dcharge soit continment maintenue durant toute une priode de la forme donde AC. Cette condition est vrifie si la frquence est suprieure 1 MHz. Dans ce cas, une priode est plus courte que le temps ncessaire pour charger lisolant et teindre la dcharge (temps de 1 10 ms). La plupart des plasma sont gnrs 13.56MHz (frquence rserve aux quipements industriels).

-          une configuration de champ lectrique soit cre dans la chambre permettant aux ions dnergie suffisante de bombarder et pulvriser lisolant de la cible. Pour vrifier cette condition un champ lectrique doit exister en face de la cible pour acclrer les ions avec une nergie suffisante pour pulvriser le matriau de la cible. Un tel champ lectrique est produit dans les systmes RF par un phnomne appel  auto polarisant  ou  self-bias .

-          la pulvrisation dans la chambre soit limite sur toutes les surfaces excepte la cible. Cette condition est remplie si la surface de la cible monte sur une lectrode est petite devant la surface de l'autre lectrode constitue de la chambre et du porte-substrats ayant un point commun avec la masse du gnrateur RF.

-          la puissance RF soit accorde la dcharge pour optimiser la vitesse de dpt.

Magntron:

Dans les deux cas de pulvrisation DC et RF, une grande partie des lectrons secondaires mis par la cible ne causent pas d'ionisation d'atome d'argon. Ils finissent par tre collects par l'anode, les substrats, etc... en provoquant un chauffement non dsir. La limite basse de la pression du gaz de pulvrisation est impose par cette ncessit pour le faisceau d'lectrons jects de la cathode de provoquer suffisamment de collisions avec les atomes du gaz pour maintenir le plasma avant d'atteindre l'anode. Cette limite est typiquement de 3Pa.

La technique dite de pulvrisation par magntron consiste confiner les lectrons dans un champ magntique prs de la surface de la cible. Cette technique permet de multiplier les densits de courant, typiquement de 1mA/cm2, par un facteur suprieur 10.

Le confinement des lectrons est obtenu par la combinaison du champ lectrique et d'un champ magntique parallle la surface de la cible. La trajectoire des lectrons est cyclodale. Les lectrons s'loignent et se rapprochent de la cible jusqu' percuter un atome d'argon. Toutes les collisions ne vont pas gnrer une ionisation, mais la densit d'ions est fortement augmente avec un magntron. La trajectoire des ions Ar+ est quasi rectiligne, tant donn que leur masse est grande devant celle d'un lectron.

La limite basse de la pression est repousse 0.1Pa pour le systme utilisant un magntron. A cette pression, les particules pulvrises conservent la plupart de leur nergie cintique jusqu'au substrat. La qualit de la structure du film dpos et la vitesse de dpt s'en trouvent alors amliores. Finalement, la plus grande efficacit des lectrons produire des ions permet de diminuer la tension 500V tout en maintenant le plasma une densit donne.

Capacit de lquipement

         9 plaques de diamtre 100mm.

Restriction d'accs et prcautions

         Les substrats autoriss sont les plaques de silicium, quartz, verre (float glass, pyrex, ...). Pour les autres substrats, prire de contacter l'un des responsables de l'quipement.

         Les plaques doivent tre propres (nettoyage prliminaire dfinir suivant le type de substrat et des couches dj dposes.

Caractristiques techniques

Porte-substrats :

          Vitesse de rotation de 4 24 tours/mn.

          Temprature de dpt maximum de 300C.

Pompage :

          Une pompe primaire palettes Alcatel SD 2063 (63m3/h) ;

          Une pompe turbo molculaire Pfeiffer TMH 1600 (1600m3/h).

          Une trappe Meissner (pige azote liquide) pour piger les molcules d'eau.

          Vide limite dans la chambre : 6.10-6 mbar, jauge IMG 060B.

Gaz :

          Argon (Ar) : Dbit maximum = 100 sccm.

          Oxygne (O2) : Dbit maximum = 100 sccm.

Pression :

          Jauges Pirani (10-3 mbar) : contrle du vide primaire.

          Jauge cathode chaude type Bayard-Alpert (IMG 060 B) (10-1 10-6 mbar) : contrle du vide limite.

          Jauge membrane par effet capacitif (Terranova) (10-1 10-4 mbar) : contrle de la pression lors du dpt.

          Jauge cathode froide type Penning (IKG 011) (5.10-3 10-10 mbar) : contrle du vide limite.

          La pression d'argon peut varier de 5.10-4 2.10-2 mbar.

Sources et Magntron :

          La puissance DC maximum est de 5 kW.

          La puissance nominale RF (50 Ohms) est de 2 kW, la frquence de 13.56 Mhz.

          Un magntron plan de dimension 5"x10" (127x254 mm) refroidi l'eau ; une uniformit verticale de 3% est obtenue sur des plaques de 100mm.

1. Chambre.

2. Shutter.

3. Porte substrats (tournant).

4. Partie centrale de la chambre.

5.Substrats(plaques de 100 mm).

6.Lampes de chauffage (2x 2 lampes).

7.Passage tournant du porte-substrats.

8.Moteur pour la rotation du porte-substrats.

9.Source RF pour le nettoyage des plaques (RF Etching).

10. Cible RF.

11. Magntron.

12. Source RF pour la pulvrisation (RF Sputtering).

13. Cible DC.

14. Magntron.

15. Source DC.

16.

17. Vanne 3 positions (Throttle valve).

18. Pompe turbomolculaire.

19. Vanne disolation de la turbo.

20. Vanne pour le pompage primaire dans la chambre (by-pass).

21. Pompe primaire palettes.

22. Evacuation.

23. Jauge TPR2.

24. Jauge TPR1.

25. Jauge cathode froide (IKG).

26. Jauge TPR3.

27. Jauge ionisation

28. Vanne disolation de la jauge membrane.

29. Jauge membrane.

30. Vanne disolation du dbitmtre dargon.

31. Dbitmtre dargon.

32. Arrive dargon.

33. Vanne disolation du dbitmtre doxygne.

34. Dbitmtre doxygne.

35. Arrive doxygne.

36. Pige azote liquide (Meissner Trap).

37. Arrive dazote liquide.

38. Sortie dazote liquide.

1.Coffret dalimentation A.

2. Cible n1.

3. Coffret dalimentation B.

4. Cible RF.

5. Coffret dalimentation C.

6. Electrode pour RF Etching.

7. Coffret dalimentation D.

8. Cible DC n3.

9. Volet dobturation (shutter), partie ferme.

10. Volet dobturation (shutter), partie ouverte.

11. Plaques et porte-substrats.

12. Lampes de chauffage (IR).

13. Positions du volet dobturation.

Positions du volet entre les plaques et la cible ou lectrode RF (Shutter).

Coffrets

A

B

C

D

 

Cible n1 DC

Cible RF

Electrode RF (nettoyage plaques)

Cible n3 DC

AI

       

A

       

BI

       

B

       

CI

       

C

       

DI

       

D

       

Ouvert

90% ferm

Ferm


Dtermination du  Range  du  Rate-Time-Adder 

La quantit d'nergie sur la cible, dfinie comme tant l'intgrale de la puissance sur la dure du dpt, est utilise pour dterminer l'paisseur du film.

Le produit Puissance x Temps est dtermin par

     un convertisseur Puissance Tension,

     un convertisseur Tension Frquence suivi d'un diviseur de frquence (Range),

     un compteur de pulses.

Le convertisseur Puissance Tension fournit une tension UE (en Volt ) partir de la puissance P de la source exprime en Watt,selon la formule suivante (MPS 105, 713 W/V):

Le coefficient de conversion Tension Frquence est de 25 Hz / Volt. La frquence est ensuite divise par le facteur 2range (1 ≤ range ≤ 4). La frquence F du signal (en Hz ou encore en pulses / seconde) s'exprime donc par la formule :

;

Pour obtenir la plus grande rsolution possible dans l'paisseur du film, la frquence de comptage doit tre aussi haute que possible (range aussi faible que possible). Toutefois, la frquence maximum du comptage du  Rate-Time-Adder  ne doit pas excder la valeur de 20 impulsions par seconde :

Fmax = 20 Hz.

Le signal en sortie du diviseur de frquence commande le dcomptage de pulses. Lorsque le nombre de pulses est zro, la puissance DC est coupe et le dpt est termin.

Il faut choisir la bonne valeur du  range  correspondant la puissance de travail et au nombre total de pulses ncessaires J ( maximum : 99999 , soit environ 1h23 pour F = 20 Hz)

Range

Pulses/Volt sec

[f1]

Tension d'entre UE

maximale pour Fmax

Puissance P

Maximale pour Fmax

1

12.5

1.6 V

1140 W

2

6.25

3.2 V

2280 W

3

3.125

7 V

5000 W

4

1.5625

10 V

5000 W

5

0.078125

10 V

5000 W

Le range 5 est normalement prvu pour estimer la dure de vie des cibles. Il n'est pas utilis car, au CMI, une ou deux cibles sont installes quasiment avant chaque dpt.

Le nombre dimpulsions est calcul l'aide de la formule suivante:

avec

J: affichage du Rate-Time-Adder

UE: tension d'entre [V]

T: dure du dpt [sec]

f1: frquence de comptage [Pulses/V sec]

Informations

Bibliographie :

          "Silicon Processing for the VLSI era" , Volume 1 - Process Technology, S. Wolf and R.N. Tauber, Lattice Press, 1986.

          "VLSI Technology", S. M. Sze, Mc Graw-Hill International Editions, 1988.

          "Thin film Deposition - Principles & Practice", D. L. Smith, Mc Graw-Hill International Editions, 1995.