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Center of MicroNanoTechnology CMi

Leybold – Optics LAB 600 H
Dépôt par évaporation

Table des matires

  1. Introduction
  2. Principe Physique
  3. Capacit de lquipement
  4. Caractristiques 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 dpt par vaporation sur la technique de dpt par pulvrisation est une contamination limite tant donn le niveau de vide obtenu dans cet quipement grce au pompage cryognique. (~1.5 10-6 mbar dans les conditions usuelles d'utilisation ; 1.0 10-7 mbar avec une chambre propre et aprs 8 heures de pompage).

L'paisseur est mesure durant le dpt par la dviation de la frquence d'un oscillateur quartz.
L'quipement permet en outre un nettoyage des plaques par bombardement ionique avant dpt (uniquement en position basse du porte-substrat).
Le dpt par vaporation d'alliages est complexe et la composition de la couche dpose est difficile matriser.

Lab 600 H cran
cran de contrle 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'vaporation par effet Joule
Nacelle d'vaporation 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  lectrons

vaporation pour procd Lift-off.

La technologie "Lift-off" permet d'obtenir un film structur en dposant le matriau sur une rsine photosensible prsentant des flancs ngatifs ou une forme en "T" aprs dveloppement. Cette gomtrie particulire permet d'obtenir une discontinuit du film dpos entre les parties basses, sur le substrat, et les parties hautes sur la rsine. L'tape finale dite "Lift-off", dont la technologie tire le nom, consiste effectuer le retrait de la rsine par dissolution et ne conserver le film que sur les parties en contact direct avec le substrat.

La distance source substrat dans l'quipement 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 diamtre et le flux incident. Cet angle, appel angle lift-off maximum, est infrieur 6.

Masques de correction d'uniformit d'paisseur.

Pour amliorer l'uniformit du dpt en paisseur, un masque de correction est plac devant les substrats. Le porte substrat, constitu de 4 segments est mis en rotation. La gomtrie d'un masque est optimise pour un matriau donn et pour des conditions d'vaporation donnes.

Densification des films dilectriques.

La source ionique utilise pour densifier les films dilectriques vapors est de type Kaufmann & Robinson, Inc. KRI EH1000 (End-Hall Ion Source) et est quipe d'une source d'lectrons cathode creuse de type KRI SHC-1000 (Hollow Cathode). Le bombardement ionique en cours de dpt influence augmente les proprits du film en termes de densit, duret, indice de rfraction, meilleure rsistance l'environnement, contrle du niveau de contraintes internes.

La source ionique est aussi utilise pour nettoyer les substrats avant dpt. La contamination la plus frquente des substrats est due l'adsorption de la vapeur d'eau et des hydrocarbures provenant de l'environnement de la salle blanche. Une telle contamination rduit l'adhsion de tout film dpos mais possde l'avantage d'tre facilement nettoye. Une dose ionique d'environ 1 mA.s.cm-2 est suffisante pour le nettoyage. Le nettoyage de l'oxyde natif ncessite une dose plus importante.

L'efficacit du faisceau d'ions dpend la fois du flux incident d'ions et de l'nergie moyenne de ces ions. Elle est corrle l'nergie moyenne des ions par couche monoatomique dpose qui, selon le type d'application, s'tend de quelques eV/atome plus de 100 eV/atome

La source d'lectrons KRI SHC-1000 sert 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 dcharge plasma est obtenue en appliquant une haute tension entre l'extrmit 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 lvation forte de la temprature 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 oprationnelle, l'mission d'lectrons pour la neutralisation est tablie en appliquant une tension de polarisation par le gnrateur "Bias Controller Neutralizer".

Le courant maximum IB pouvant tre atteint dans la dcharge cathode creuse est de 10 A. Le flux d'argon typiquement utilis et recommand est de 10 sccm.

Une tension est applique l'anode de la source ionique. Des lectrons mis par la cathode creuse sont dvis vers l'anode, sans l'atteindre grce au champ magntique gnr par les aimants de la source ionique. Les lectrons bombardent les atomes ou molcules du gaz de travail (Ar , O2), produisant ainsi les ions. La plupart des ions sont produits l'intrieur de l'anode. Les ions sont alors acclrs par le champ lectrique entre l'anode et les substrats.

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

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'quipement dpend d'une part de la capacit de la pompe cryognique et d'autre part de la configuration de la chambre dterminant le chemin d'accs des dbitmtres la pompe. Une vitesse de pompage trop faible ne permet pas d'atteindre la tension VD max escompte pour un courant ID donn.

La vitesse de pompage peut tre estime grossirement par la formule :

v = 9,225.10-3 . / p ; avec v la vitesse de pompage en l/s , le dbit 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 dcharge VD, est limite respectivement 80 125 V (pour ID = 1 A) . Pour des vitesses de pompage plus leve (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 estime entre 1200 l/s (Ar = 10sccm) et 1340 l/s (Ar = 100sccm). Ce qui est suffisant pour bnficier pleinement des performances de la source ionique.

Nettoyage des substrats avant dpt.

Les conditions de propret de la chambre sont dterminantes pour la qualit du nettoyage.

Capacit de lquipement

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

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.

         Pour obtenir une reproductibilit d'indice de rfraction pour les films transparents, il est ncessaire, 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 dpt. Le bombardement ionique utilis pour densifier les films provoque l'chauffement et la pulvrisation des couches sur les surfaces proximit de la source. Les matriaux pulvriss contaminent le film en cours d'vaporation sur les substrats.

Caractristiques techniques

1. Chambre

2. Canon lectron

3. Source effet joule

4. Source ionique

5. Keeper et Cathode creuse

6. Porte-substrats

7. Quartz de mesure dpaisseur

8. Quartz de mesure dpaisseur

9. Moteur de la rotation du porte-substrats

10. Pompe cryognique

11. Dpresseur Roots

12. Pompe sche

13. Gaz de travail

14. Remise pression atmosphrique

15. Jauge Bayard-Alpert

16. Jauge Pirani

17. Jauge Pirani

Pompage :

          Une pompe primaire sche 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 cryognique Helix Cryopump CTI OnBoard 400

          Capacit de pompage N2 = 6 000 l/s.

          Capacit de pompage H2O = 17 500 l/s.

Pression :

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

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

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

          1.10-6mbar aprs 0h26 de pompage,

          5.10-7mbar aprs 0h46 de pompage,

          3.10-7mbar aprs 1h30 de pompage,

          5.10-8mbar aprs plus de 10h de pompage.

          Vide typique dans la chambre aprs plusieurs dpts, avec plaques et liners.

          3.10-2mbar aprs ~ 0h08 de pompage primaire, dbut du pompage cryognique,

          1.10-4mbar aprs ~ 0h09 de pompage,

          1.10-5mbar aprs ~ 0h14 de pompage,

          5.10-6mbar aprs ~ 0h20 de pompage,

          2.10-6mbar aprs ~ 0h34 de pompage,

          1.10-6mbar aprs ~ 0h53 de pompage,

          5.10-7mbar aprs ~ 1h27 de pompage,

          2.10-7mbar aprs ~ 3h11 de pompage,

          Vide dans la chambre aprs plusieurs dpts, avec plaques et liners, temps d'ouverture de la chambre prolong (plus de 30mn), humidit accumule sur les parois, pompe cryognique juste avant la rgnration,

          3.10-2mbar aprs ~ 0h08 de pompage primaire, dbut du pompage cryognique,

          1.10-4mbar aprs ~ 0h10 de pompage,

          1.10-5mbar aprs ~ 0h20 de pompage,

          5.10-6mbar aprs ~ 0h30 de pompage,

          2.10-6mbar aprs ~ 1h05 de pompage,

          1.10-6mbar aprs ~ 1h45 de pompage,

          5.10-7mbar aprs ~ 3h10 de pompage,

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

Creusets :

          vaporation par canon lectrons : FerroTec EV M-8 ; 10kW ; 6 creusets avec liner.

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

Chauffage :

          2 radians cramique de 1,8kW chacun.

          Temprature de dpt maximale : 190C.

Balance quartz :

          Contrleur de dpt : Inficon IC/5.

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

          Une tte de 1 quartz plac sur le ct.

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.