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Center of MicroNanoTechnology CMi

Leybold – Optics LAB 600 H
Dépôt par évaporation

Table des matières

  1. Introduction
  2. Principe Physique
  3. Capacité de l’équipement
  4. Caractéristiques techniques
  5. Informations

I. Introduction Haut CMI

L'équipement LAB 600 H permet de déposer des couches métalliques ou isolantes sur des plaques de diamètre 100mm ou 150mm par une technique appelée évaporation.

Cette technique consiste à évaporer un matériau placé dans un creuset porté à haute température, soit par un courant traversant une nacelle résistive (effet Joule), soit par le bombardement d'un faisceau d'électrons.

L'équipement LAB 600 H est spécialement conçu

Lab 600 H
Vue avant de la LAB 600 H

L'avantage de la technique de dépôt par évaporation sur la technique de dépôt par pulvérisation est une contamination limitée étant donné le niveau de vide obtenu dans cet équipement grâce au pompage cryogénique. (~1.5 10-6 mbar dans les conditions usuelles d'utilisation ; 1.0 10-7 mbar avec une chambre propre et après 8 heures de pompage).

L'épaisseur est mesurée durant le dépôt par la déviation de la fréquence d'un oscillateur à quartz.
L'équipement permet en outre un nettoyage des plaques par bombardement ionique avant dépôt (uniquement en position basse du porte-substrat).
Le dépôt par évaporation d'alliages est complexe et la composition de la couche déposée est difficile à maîtriser.

Lab 600 H écran
Écran de contrôle principal

 

II. Principe Physique Haut CMI

Il existe deux techniques différentes d'évaporation.

Évaporation par effet Joule.

La technique de dépôt par évaporation par effet Joule est la plus simple. Cette technique consiste à déposer dans un premier temps des grains, de la grenaille ou des petits bouts de fil du matériau à évaporer dans une nacelle en tungstène, tantale, molybdène ou carbone. La nacelle est ensuite portée à haute température par effet Joule. Les grains fondent puis le métal s'évapore.

Les inconvénients liés à cette technique sont:

- la contamination potentielle par la nacelle elle-même,

- l'impossibilité d'évaporer des métaux à haute température de fusion,

- la limite sur l'épaisseur de la couche déposée étant donnée la faible quantité de métal pouvant être déposée dans la nacelle.

Nacelle d'évaporation par effet Joule
Nacelle d'évaporation par effet Joule

Évaporation par faisceau d'électrons – Ferrotec EV-M8.

La technique de dépôt par évaporation par faisceau d'électrons consiste à déposer dans un premier temps une pastille, des grains, de la grenaille ou des petits bouts de fil dans un creuset. Un faisceau d'électrons à haute énergie est dirigé sur le matériau. La source d'électrons est un filament en tungstène chauffé à blanc par un courant. Les électrons sont émis de la surface du tungstène à faible vitesse. Une tension négative de -4kV à ­10kV est appliquée au filament, ce qui provoque l'accélération des électrons le long des lignes du champ électrostatique, en direction du bord inférieur de la plaque constituant l'anode. Toutefois, la géométrie de la cathode placée devant le filament permet d'éviter l'impact des électrons sur le bord inférieur de l'anode. Le faisceau est dévié de 270° par un champ magnétique. L'énergie cinétique des électrons est convertie en chaleur au point d'impact. Le flux d'énergie est alors de l'ordre de 104 W.cm-2. Le faisceau d'électrons peut fondre et évaporer tout type de matériau dans la mesure ou l'apport calorifique est supérieur aux pertes. Le faisceau est concentré à la surface du matériau si bien que le matériau en fusion peut être contenu dans un récipient refroidi. En fait, seule la surface du matériau est en fusion. Le matériau en contact avec les parois du creuset est solide. Ceci élimine les problèmes de contamination par le creuset et permet de déposer des couches de très grande pureté.

L'avantage de cette technique est la pureté des couches déposées.

Les deux inconvénients principaux liés à cette technique sont :

- l'émission de rayons X pouvant endommager les surfaces des substrats,

- l'éjection de gouttelettes hors du creuset pouvant se déposer sur les substrats dans le cas où une trop forte puissance est utilisée.

 

Canon à électrons

Évaporation pour procédé Lift-off.

La technologie "Lift-off" permet d'obtenir un film structuré en déposant le matériau  sur une résine photosensible présentant des flancs négatifs ou une forme en "T" après développement. Cette géométrie particulière permet d'obtenir une discontinuité du film déposé entre les parties basses, sur le substrat, et les parties hautes sur la résine. L'étape finale dite "Lift-off", dont la technologie tire le nom, consiste à effectuer le retrait de la résine par dissolution et à ne conserver le film que sur les parties en contact direct avec le substrat.

La distance source – substrat dans l'équipement LAB 600 H est d'environ 1010mm,  ce qui permet de minimiser l'angle entre la normale au bord  d'un substrat de 150mm de diamètre et le flux incident. Cet angle, appelé angle lift-off maximum, est inférieur à 6°.

Masques de correction d'uniformité d'épaisseur.

Pour améliorer l'uniformité du dépôt en épaisseur, un masque de correction est placé devant les substrats. Le porte substrat, constitué de 4 segments est mis en rotation. La géométrie d'un masque est optimisée pour un matériau donné et pour  des conditions d'évaporation données.

Densification des films diélectriques.

La source ionique utilisée pour densifier les films diélectriques évaporés est de type Kaufmann & Robinson, Inc. KRI ™ EH1000 (End-Hall Ion Source) et est équipée d'une source d'électrons à cathode creuse de type KRI SHC-1000 (Hollow Cathode). Le bombardement ionique en cours de dépôt influence augmente les propriétés du film en termes de densité, dureté, indice de réfraction, meilleure résistance à l'environnement, contrôle du niveau de contraintes internes.

La source ionique est aussi utilisée pour nettoyer les substrats avant dépôt. La contamination la plus fréquente des substrats est due à l'adsorption de la vapeur d'eau et des hydrocarbures provenant de l'environnement de la salle blanche. Une telle contamination réduit l'adhésion de tout film déposé mais possède l'avantage d'être facilement nettoyée. Une dose ionique d'environ 1 mA.s.cm-2 est suffisante pour le nettoyage. Le nettoyage de l'oxyde natif nécessite une dose plus importante.

L'efficacité du faisceau d'ions dépend à la fois du flux incident d'ions et de l'énergie moyenne de ces ions. Elle est corrélée à l'énergie moyenne des ions par couche monoatomique déposée qui, selon le type d'application, s'étend de quelques eV/atome à plus de 100 eV/atome

La source d'électrons KRI SHC-1000 sert à neutraliser les charges positives apparaissant sur les substrats lors du bombardement ionique.

L'argon est dans un premier temps introduit dans la cathode creuse. La décharge plasma est obtenue en appliquant une haute tension entre l'extrémité de la cathode creuse et le keeper. L'allumage du plasma provoque la diminution de la tension VK et l'augmentation du courant IK puis une élévation forte de la température de la cathode creuse jusque stabilisation. La tension plus basse VK maintient le plasma, la cathode creuse est alors en fonction.

Une fois la cathode creuse opérationnelle, l'émission d'électrons pour la neutralisation est établie en appliquant une tension de polarisation par le générateur "Bias Controller – Neutralizer".

Le courant maximum IB pouvant être atteint dans la décharge à cathode creuse est de 10 A. Le flux d'argon typiquement utilisé et recommandé est de 10 sccm.

Une tension est appliquée à l'anode de la source ionique. Des électrons émis par la cathode creuse sont déviés vers l'anode, sans l'atteindre grâce au champ magnétique généré par les aimants de la source ionique. Les électrons bombardent les atomes ou molécules du gaz de travail (Ar , O2), produisant ainsi les ions. La plupart des ions sont produits à l'intérieur de l'anode. Les ions sont alors accélérés par le champ électrique entre l'anode et les  substrats.

Le courant de décharge (Discharge Controller) peut atteindre 8A et la tension  maximale de décharge est de 300V. La puissance maximale est de 850 W pour ne pas endommager les aimants. Le tableau ci-dessous donne la tension de décharge maximale VD max en fonction de la valeur de courant ID fixée.

ID

VD max

1.8 A

300 V

2.8 A

300 V

3.4 A

250 V

4.3 A

200 V

5.7 A

150 V

7.1 A

120 V

7.5 A

113 V

La vitesse de pompage de l'équipement dépend d'une part de la capacité de la pompe cryogénique et d'autre part de la configuration de la chambre déterminant le chemin d'accès des débitmètres à la pompe. Une vitesse de pompage trop faible ne permet pas d'atteindre la tension VD max escomptée pour un courant ID donné.

La vitesse de pompage peut être estimée grossièrement par la formule :

v = 9,225.10-3 . Ø / p ;  avec v la vitesse de pompage en l/s , Ø le débit de gaz en sccm et p la pression de la chambre en mbar.

Pour les vitesses de pompage faible (v = 600 - 800 l/s), la tension de décharge VD, est limitée respectivement  à 80 – 125 V (pour ID = 1 A) . Pour des vitesses de pompage plus élevée (v ≥ 1100 l/s), VD atteint le maximum soit  300 V pour ID = 1 A.

La vitesse de pompage de la LAB 600 H est estimée entre 1200 l/s (ØAr = 10sccm) et 1340 l/s (ØAr = 100sccm). Ce qui est suffisant pour bénéficier pleinement des performances de la source ionique.

Nettoyage des substrats avant dépôt.

Les conditions de propreté de la chambre sont déterminantes pour la qualité du nettoyage.

Capacité de l’équipement

·         Capacité: 4 segments contenant chacun 2 plaques 100mm ou 1 plaque 150mm.

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.

·         Pour obtenir une reproductibilité d'indice de réfraction pour les films transparents, il est nécessaire, d'une part d'utiliser le chauffage des substrats et la source ionique et d'autre part que les parois de la chambre soient  propres avant dépôt. Le bombardement ionique utilisé pour densifier les films provoque l'échauffement et la pulvérisation des couches sur les surfaces à proximité de la source. Les matériaux pulvérisés contaminent le film en cours d'évaporation sur les substrats.

Caractéristiques techniques

1.   Chambre

2.   Canon à électron

3.   Source à effet joule

4.   Source ionique

5.   Keeper et Cathode creuse

6.   Porte-substrats

7.   Quartz de mesure d’épaisseur

8.   Quartz de mesure d’épaisseur

9.   Moteur de la rotation du porte-substrats

10. Pompe cryogénique

11. Dépresseur Roots

12. Pompe sèche

13. Gaz de travail

14. Remise à pression atmosphérique

15. Jauge Bayard-Alpert

16. Jauge Pirani

17. Jauge Pirani

Pompage :

·          Une pompe primaire sèche à piston Ecodry L (Leybold) - vitesse de pompage = 40 m3h-1 ;

·          Une pompe roots Ruvac WSU 501 (Leybold) – vitesse de pompage max. =  500 m3h-1.

·          Une pompe cryogénique Helix Cryopump CTI OnBoard 400

·          Capacité de pompage N2 = 6 000 l/s.

·          Capacité de pompage H2O = 17 500 l/s.

Pression :

·          2 Jauge Pirani PSG 100-SP: contrôle du vide primaire (10+3 à 10-3 mbar).

·          1 Jauge Bayard-Alpert BAG 100-SP (10-1 à 2.10-10 mbar) : contrôle du vide limite.

·          Vide limite dans la chambre propre, sans creusets, sans plaques:

·          1.10-6mbar après 0h26 de pompage,

·          5.10-7mbar après 0h46 de pompage,

·          3.10-7mbar après 1h30 de pompage,

·          5.10-8mbar après plus de 10h de pompage.

·          Vide typique dans la chambre après plusieurs dépôts, avec plaques et liners.

·          3.10-2mbar après ~ 0h08 de pompage primaire, début du pompage cryogénique,

·          1.10-4mbar après ~ 0h09 de pompage,

·          1.10-5mbar après ~ 0h14 de pompage,

·          5.10-6mbar après ~ 0h20 de pompage,

·          2.10-6mbar après ~ 0h34 de pompage,

·          1.10-6mbar après ~ 0h53 de pompage,

·          5.10-7mbar après ~ 1h27 de pompage,

·          2.10-7mbar après ~ 3h11 de pompage,

·          Vide dans la chambre après plusieurs dépôts, avec plaques et liners, temps d'ouverture de la chambre prolongé (plus de 30mn), humidité accumulée sur les parois, pompe cryogénique juste avant la régénération,

·          3.10-2mbar après ~ 0h08 de pompage primaire, début du pompage cryogénique,

·          1.10-4mbar après ~ 0h10 de pompage,

·          1.10-5mbar après ~ 0h20 de pompage,

·          5.10-6mbar après ~ 0h30 de pompage,

·          2.10-6mbar après ~ 1h05 de pompage,

·          1.10-6mbar après ~ 1h45 de pompage,

·          5.10-7mbar après ~ 3h10 de pompage,

·          Taux de fuite de la chambre < 2.10-6 mbar.l/s (volume chambre ≈ 640 litres).

Creusets :

·          Évaporation par canon à électrons : FerroTec EV M-8 ; 10kW ; 6 creusets avec liner.

·          Évaporation par effet Joule (courant maximum: 400A) : 1 nacelle.

Chauffage :

·          2 radians céramique de 1,8kW chacun.

·          Température de dépôt maximale : 190°C.

Balance à quartz :

·          Contrôleur de dépôt : Inficon IC/5.

·          Une tête de 6 quartz QSK 621 au centre du porte-substrats.

·          Une tête de 1 quartz placé sur le côté.

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.

·          "FerroTec – EV M-8 Operation Manual"

·          "EH1000 Ion Source Manual HCES version", Kaufmann & Robinson Inc.