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Center of MicroNanoTechnology CMi

EPFL - CMi

BAS450
Dépôt par pulvérisation

 

Table des matières

Introduction

Principe Physique

Capacité de l’équipement

Restriction d'accès et précautions

Caractéristiques techniques

Informations


Introduction

L'équipement BAS450 permet de déposer des couches métalliques ou isolantes sur des plaques de diamètre 100mm par une technique appelée pulvérisation.

La pulvérisation est le terme décrivant le mécanisme par lequel des atomes sont arrachés de la surface d’un matériau suite à une collision avec des particules à haute énergie. Le choix du matériau de dépôt se fait simplement par le remplacement d'une plaque rectangulaire, appelée cible,  en ledit matériau pouvant être un métal pur (Al, Ti, Ta, Pt, ...), un alliage (Al+1%Si, W+10%Ti,...) ou un matériau diélectrique (SiO2, TiO2, Si,...).

L'équipement BAS450 permet de déposer jusqu'à 2 matériaux métalliques et 1 matériau diélectrique sans changement de cibles.

Le dépôt de couches d'oxyde peut être réalisé avec une cible métallique en présence d'oxygène. Ces dépôts sont dits réactifs (reactive sputtering).

Les porte-substrats peuvent être chauffés. La température maximale est de 300°C à la surface des plaques.

Un nettoyage préliminaire de la surface des plaques peut être fait sous vide par bombardement ionique juste avant le dépôt. Cette opération est importante dans certains cas pour garantir le retrait total d'un oxyde natif ou pour garantir un état de surface améliorant l'adhérence de la couche.

Un nettoyage de la cible sous vide juste avant le dépôt est indispensable pour garantir une bonne qualité de couche. Cette opération est réalisée en fermant un obturateur pour protéger les plaques pendant les premières minutes de pulvérisation. L'ouverture de l'obturateur marque le début du dépôt.

Les avantages du dépôt par pulvérisation par rapport au dépôt par évaporation sont :

-          Bonne uniformité d’épaisseur du matériau déposé sur les plaques en utilisant des cibles de surface importante.

-          Composition des alliages mieux contrôlée que par évaporation.

-          La surface des substrats peut être nettoyée sous vide avant dépôt.

Les inconvénients liés à ce type de dépôts sont principalement :

-          Vitesse de dépôt faible pour certains matériaux comme le SiO2 ou le Si.

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

-          Le niveau de vide est moindre dans les équipements de dépôt par pulvérisation que ceux de dépôt par évaporation. La possibilité d’insertion d’impuretés dans les couches déposées est donc plus important avec la méthode de pulvérisation.


Principe Physique

Les procédés de dépôt par pulvérisation se font en quatre étapes :

1)       des ions sont générés et dirigés vers la cible.

2)       les ions pulvérisent les atomes de la cible.

3)       les atomes éjectés diffusent vers le substrat.

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

Génération du plasma : Les particules énergétiques utilisées pour pulvériser les cibles sont produites par un plasma. Un plasma est défini comme un gaz partiellement ionisé contenant un nombre égal de charges positives et négatives.

Critère de sélection du gaz : Lors d’une pulvérisation purement physique (par opposition à la pulvérisation réactive), les ions et les atomes du gaz ne doivent pas réagir avec le film en croissance. Ceci limite donc les gaz potentiels aux gaz rares. L’argon est très souvent utilisé car moins cher que le xénon et le krypton, il offre un rendement de pulvérisation supérieur à celui du néon.

Critère de sélection de la pression :  la gamme de pression du procédé est fixée par les exigences de la décharge luminescente.  La limite basse est de 0,3 Pa (2-3 mTorr) pour la pulvérisation avec magnétron ; la limite haute est définie par la diffraction des atomes pulvérisés par le gaz. Elle est acceptable jusque: 13 Pa (100 mTorr).

Critère de sélection des conditions électriques :  obtenir le rendement de pulvérisation maximum par unité d’énergie. Une énergie trop importante fait chuter le rendement, le phénomène d’implantation en étant la cause.

Dépôt de couches métalliques par pulvérisation (Direct Current  sputtering):

Le principe de fonctionnement est celui d'un système de type diode DC. Ce système est constitué d'une chambre dans laquelle le vide est effectué et qui est ensuite remplie d'argon à basse pression. A l’intérieur de la chambre, il y a deux électrodes (l’anode chargée positivement et la cathode chargée négativement) entre lesquelles une différence de potentiel continu (DC) est appliquée. Lorsque la tension est appliquée, un électron libre résultant de l’ionisation d’un atome d’argon par un photon cosmique est accéléré par le champ électrique. Une partie des collisions électron – atome sont inélastiques, se traduisant par un transfert partiel  d’énergie de l'électron à l’atome.

Si l’énergie transférée est inférieure à l’énergie d’ionisation ( 11.5eV < E < 15.7eV), un électron orbital sera excité sur un niveau d’énergie plus élevé pour 10-8 sec et retournera  à son état d’origine en émettant un photon en lumière visible. Cette excitation est à l’origine du phénomène de luminescence.

Si l’énergie transférée est supérieure à l’énergie d’ionisation (E > 15.7eV pour l’argon), un second électron libre est créé avec un ion positif. Par la suite, les deux électrons libres vont être accélérés. Les conditions permettant une réaction en cascade sont dites conditions de claquage du gaz. La représentation de la tension de claquage U en fonction du produit pression par distance entre les électrodes (p x d) montre un minimum Umin (Loi de Paschens). Autrement dit, pour une distance donnée d entre les électrodes, la tension d'amorçage du plasma est minimale Umin à une pression p donnée par la courbe de Paschens pour le gaz considéré.

La source d’électrons maintenant la décharge est la cathode qui  émet des électrons secondaires suite aux chocs par des ions.  Les électrons émis sont accélérés vers l’anode.

Lorsqu’une surface solide est bombardée par des atomes, des ions ou des molécules, de nombreux phénomènes peuvent avoir lieu.

-          Pour des énergies faibles (énergie cinétique des particules < 10eV) la plupart des interactions sont essentiellement de la réflexion, adsorption  des espèces bombardées, migrations de surface ou endommagements.

-          Pour des énergies très importantes (E>10keV), les particules incidentes sont plutôt implantées dans la cible. (C’est le mécanisme d’implantation ionique.)

-          Pour des énergies entre 10eV et 10keV, une partie de l’énergie des ions incidents est transférée à la cible sous forme de chaleur et d’endommagement de la structure cristalline. L’autre partie de l’énergie provoque le délogement d’atomes et leur éjection en phase gazeuse.

Pour que la majorité des atomes se déposent sur le substrat, il faut que le substrat soit placé aussi près que possible de la cible, typiquement 5 à 10 cm. Les atomes pulvérisés arrivent et se condensent à la surface du substrat. La chaleur de condensation n’est pas la cause principale de l’échauffement du substrat.

Dépôt de couches diélectriques par pulvérisation  (Radio Frequency sputtering):

L’un des inconvénients du système « Diode DC » est qu’il ne peut être utilisé pour pulvériser des matériaux isolants. La décharge ne peut pas être maintenue avec une tension continue si la cathode est recouverte d’un isolant. En effet, un électron est extrait de la cathode chaque fois qu’un ion incident positif est neutralisé. Les électrons consommés ne sont pas remplacés et la surface de la cathode se charge alors progressivement positivement jusqu'à éteindre la décharge en 1 à 10 ms.

La technique consiste alors à appliquer une tension alternative entre les électrodes. Les procédés basés sur cette technique sont appelés « pulvérisation RF ». Mais pour qu’un tel procédé fonctionne, il faut que :

-          les électrons perdus par la surface isolante soient périodiquement régénérés. Cette condition est réalisée en régime établi, lorsque la charge positive accumulée à la surface de la cible lors de l’alternance négative est remplacée par des électrons incidents lors de l’alternance positive.

-          la décharge soit continûment maintenue durant toute une période de la forme d’onde AC. Cette condition est vérifiée si la fréquence est supérieure à 1 MHz. Dans ce cas, une période est plus courte que le temps nécessaire pour charger l’isolant et éteindre la décharge (temps de 1 à 10 ms). La plupart des plasma sont générés à 13.56MHz (fréquence réservée aux équipements industriels).

-          une configuration de champ électrique soit créée dans la chambre permettant aux ions d’énergie suffisante de bombarder et pulvériser l’isolant de la cible. Pour vérifier cette condition  un champ électrique doit exister en face de la cible pour accélérer les ions avec une énergie suffisante pour pulvériser le matériau de la cible. Un tel champ électrique est produit dans les systèmes RF par un phénomène appelé « auto polarisant » ou « self-bias ».

-          la pulvérisation dans la chambre soit limitée sur toutes les surfaces exceptée la cible. Cette condition est remplie si la surface de la cible montée sur une électrode est petite devant la surface de l'autre électrode constituée de la chambre et du porte-substrats ayant un point commun avec la masse du générateur RF.

-          la puissance RF soit accordée à la décharge pour optimiser la vitesse de dépôt.

Magnétron:

Dans les deux cas de pulvérisation DC et RF, une grande partie des électrons secondaires émis par la cible ne causent pas d'ionisation d'atome d'argon. Ils finissent par être collectés par l'anode, les substrats, etc... en provoquant un échauffement non désiré. La limite basse de la pression du gaz de pulvérisation est imposée par cette nécessité pour le faisceau d'électrons éjectés 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 pulvérisation par magnétron consiste à confiner les électrons dans un champ magnétique près de la surface de la cible. Cette technique permet de multiplier les densités de courant, typiquement de 1mA/cm2, par un facteur supérieur à 10.

Le confinement des électrons est obtenu par la combinaison du champ électrique et d'un champ magnétique parallèle à la surface de la cible. La trajectoire des électrons est cycloïdale. Les électrons s'éloignent et se rapprochent de la cible jusqu'à percuter un atome d'argon. Toutes les collisions ne vont pas générer une ionisation, mais la densité d'ions est fortement augmentée avec un magnétron. La trajectoire des ions Ar+ est quasi rectiligne, étant donné que leur masse est grande devant celle d'un électron.

 La limite basse de la pression est repoussée à 0.1Pa pour le système utilisant un magnétron. A cette pression, les particules pulvérisées conservent la plupart de leur énergie cinétique jusqu'au substrat. La qualité de la structure du film déposé et la vitesse de dépôt s'en trouvent alors améliorées. Finalement, la plus grande efficacité des électrons à produire des ions permet de diminuer la tension à 500V tout en maintenant le plasma à une densité donnée.

Capacité de l’équipement

·         9 plaques de diamètre 100mm.

Restriction d'accès et précautions

·         Les substrats autorisés sont les plaques de silicium, quartz, verre (float glass, pyrex, ...). Pour les autres substrats, prière de contacter l'un des responsables de l'équipement.

·         Les plaques doivent être propres (nettoyage préliminaire à définir suivant le type de substrat et des couches déjà déposées.

Caractéristiques techniques

Porte-substrats :

·          Vitesse de rotation de 4 à 24 tours/mn.

·          Température de dépôt maximum de 300°C.

Pompage :

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

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

·          Une trappe Meissner (piège à azote liquide) pour piéger les molécules d'eau.

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

Gaz :

·          Argon (Ar) : Débit maximum = 100 sccm.

·          Oxygène (O2) : Débit maximum = 100 sccm.

Pression :

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

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

·          Jauge à membrane par effet capacitif (Terranova) (10-1  à 10-4 mbar) : contrôle de la pression lors du dépôt.

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

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

Sources et Magnétron :

·          La puissance DC maximum est de 5 kW.

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

·          Un magnétron plan de dimension 5"x10" (127x254 mm) refroidi à l'eau ; une uniformité 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.       Magnétron.

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

13.       Cible DC.

14.       Magnétron.

15.       Source DC.

16.      

17.       Vanne à 3 positions (Throttle valve).

18.       Pompe turbomoléculaire.

19.       Vanne d’isolation de la turbo.

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

21.       Pompe primaire à palettes.

22.       Evacuation.

23.       Jauge TPR2.

24.       Jauge TPR1.

25.       Jauge cathode froide (IKG).

26.       Jauge TPR3.

27.       Jauge ionisation

28.       Vanne d’isolation de la jauge à membrane.

29.       Jauge à membrane.

30.       Vanne d’isolation du débitmètre d’argon.

31.       Débitmètre d’argon.

32.       Arrivée d’argon.

33.       Vanne d’isolation du débitmètre d’oxygène.

34.       Débitmètre d’oxygène.

35.       Arrivée d’oxygène.

36.       Piège à azote liquide (Meissner Trap).

37.       Arrivée d’azote liquide.

38.       Sortie d’azote liquide.

1.        Coffret d’alimentation A.

2.        Cible n°1.

3.        Coffret d’alimentation B.

4.        Cible RF.

5.        Coffret d’alimentation C.

6.        Electrode pour RF Etching.

7.        Coffret d’alimentation D.

8.        Cible DC n°3.

9.        Volet d’obturation (shutter), partie fermée.

10.       Volet d’obturation (shutter), partie ouverte.

11.       Plaques et porte-substrats.

12.       Lampes de chauffage (IR).

13.       Positions du volet d’obturation.         

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

Coffrets

A

B

C

D

 

Cible n°1 DC

Cible RF

Electrode RF (nettoyage plaques)

Cible n°3 DC

AI

       

A

       

BI

       

B

       

CI

       

C

       

DI

       

D

       

Ouvert

90% fermé

Fermé


Détermination du « Range » du « Rate-Time-Adder »

La quantité d'énergie sur la cible,  définie comme étant  l'intégrale de la puissance sur la durée du dépôt,  est utilisée pour déterminer l'épaisseur du film.

Le produit Puissance x Temps est déterminé par

·     un convertisseur Puissance – Tension,

·     un convertisseur Tension – Fréquence suivi d'un diviseur de fréquence (Range),

·     un compteur de pulses.

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

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

   ;  

Pour obtenir la plus grande résolution possible dans l'épaisseur du film, la fréquence de comptage doit être aussi haute que possible (range aussi faible que possible). Toutefois, la fréquence maximum du comptage du « Rate-Time-Adder » ne doit pas excéder la valeur de 20 impulsions par seconde :

Fmax  =  20 Hz.

Le signal en sortie du diviseur de fréquence commande le décomptage de pulses. Lorsque le nombre de pulses est à zéro, la puissance DC est coupée et le dépôt est terminé.

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

Range

Pulses/Volt sec

[f1]

Tension d'entrée 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 prévu pour estimer la durée de vie des cibles. Il n'est pas utilisé car, au CMI, une ou deux cibles sont installées quasiment avant chaque dépôt.

Le nombre d’impulsions est calculé à l'aide de la formule suivante:

avec

J:             affichage du Rate-Time-Adder

UE:          tension d'entrée [V]

T:            durée du dépôt [sec]

f1:            fréquence 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.