Reservation  -     

Center of MicroNanoTechnology CMi

SPIDER 600
Dpt par pulvrisation

Table des matires

  1. Introduction
  2. Principe Physique
  3. Capacit de lquipement
  4. Caractristiques techniques
  5. Informations

spider-cran
Ecran principal SPIDER

I. Introduction Haut CMI

L'quipement SPIDER 600 permet de dposer des couches mtalliques ou isolantes sur des plaques de diamtre 100mm ou 150mm 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, Pt, ...), un alliage (Al + 1% Si,...) ou un matriau dilectrique (SiO2, Si,...).

L'quipement SPIDER 600 est constitu de 4 chambres de procd indpendantes et d'un sas de chargement, connects une chambre centrale quipe d'un robot assurant le transfert des plaques du sas aux chambres ou de chambre chambre. Il permet ainsi de dposer jusqu' 3 matriaux mtalliques et 1 matriau dilectrique sans changement de cibles.

Le dpt de couches d'oxyde ou de nitrure 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 350°C 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. Le premier dpt sert de nettoyage de la cible. Il suffit simplement d'ajouter une plaque dite "de charge" au dbut du lot.

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

Les inconvnients lis ce type de dpts sont principalement :

spider-arrire
Vue zone grise

II. Principe Physique Haut CMI

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 une collision avec un autre atome 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 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 s.

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 :

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.

spider-dessus
SPIDER - Vue de dessus

III. Capacit de lquipement Haut CMI

spider-avant
SPIDER - Vue avant

spider-sas
SPIDER - Sas de chargement

IV. Caractristiques techniques Haut CMI

Porte-substrats : Pompage : Gaz : Pression : Sources et Magntron :

spider-synoptique
SPIDER - Synoptique

V. Informations Haut CMI

Bibliographie :

spider-recette
SPIDER - Exemple de recette