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Center of MicroNanoTechnology CMi

SPIDER 600
Dépôt par pulvérisation

Table des matières

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

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Ecran principal SPIDER

I. Introduction Haut CMI

L'équipement SPIDER 600 permet de déposer des couches métalliques ou isolantes sur des plaques de diamètre 100mm ou 150mm 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, Pt, ...), un alliage (Al + 1% Si,...) ou un matériau diélectrique (SiO2, Si,...).

L'équipement SPIDER 600 est constitué de 4 chambres de procédé indépendantes et d'un sas de chargement, connectés à une chambre centrale équipée d'un robot assurant le transfert des plaques du sas aux chambres ou de chambre à chambre. Il permet ainsi de déposer jusqu'à 3 matériaux métalliques et 1 matériau diélectrique sans changement de cibles.

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

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

Les inconvénients liés à ce type de dépôts sont principalement :

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Vue zone grise

II. Principe Physique Haut CMI

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 une collision avec un autre atome 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 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 µs.

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 :

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.

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SPIDER - Vue de dessus

III. Capacité de l’équipement Haut CMI

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SPIDER - Vue avant

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SPIDER - Sas de chargement

IV. Caractéristiques techniques Haut CMI

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

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SPIDER - Synoptique

V. Informations Haut CMI

Bibliographie :

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SPIDER - Exemple de recette