FR2569000A1 - Procede et appareils pour le controle in situ de l'epaisseur de couches ultraminces deposees par pulverisation ionique - Google Patents

Abstract

PROCEDE POUR LE CONTROLE IN SITU DE L'EPAISSEUR DE COUCHES ULTRAMINCES DEPOSEES PAR PULVERISATION IONIQUE DU TYPE SELON LEQUEL UNE CIBLE D'UN MATERIAU DETERMINE EST BOMBARDEE PAR UN FLUX D'IONS POSITIFS, LES ATOMES EJECTES DE LADITE CIBLE ETANT PROJETES SUR LE SUBSTRAT A REVETIR, CARACTERISE EN CE QU'IL CONSISTE ESSENTIELLEMENT A MESURER ET A INTEGRER EN TEMPS REEL UN PARAMETRE PHYSIQUE REPRESENTATIF DU FLUX D'ATOMES PULVERISES SUR LE SUBSTRAT, ET A UTILISER LE RESULTAT DE CETTE INTEGRATION POUR LE CONTROLE DE L'EPAISSEUR DU DEPOT ET POUR UNE COMMANDE AUTOMATIQUE DE LA FIN DU PROCESSUS OU DU CHANGEMENT DE CIBLE, DANS LE CAS D'ELABORATION DE MULTICOUCHES. L'INVENTION COUVRE EGALEMENT DES APPAREILS COMPORTANT ESSENTIELLEMENT DES MOYENS DE MESURE ET D'INTEGRATION DU COURANT IONIQUE.

Description

Procédé et appareils pour le contrôle in situ de l'épaisseur de couches ultraminces déposées Par pulvérisation ionique.

La présente invention concerne tout d'abord un procédé pour le contrôle in situ de l'épaisseur de couches ultraminces déposées par pulvérisation ionique du type selon lequel une cible d'un matériau déterminé est bombardée par un flux d'ions positifs, les atomes éjectés de ladite cible étant projetés sur le substrat a revêtir.

Habituellement, on contrôle in situ l'épaisseur de telles couches ultraminces à l'aide de microbalances à quartz, mais la précision obtenue, de l'ordre de l'Angström, est la cause d'une limitation notable des performances et du champ d'application de telles couches ultraminces.

Le but de la présente invention est d'obtenir une précision de mesure beaucoup plus grande, et ceci par un procédé permettant facilement un contrôle quasicontinu de l'épaisseur du matériau déposé sur le substrat, et, dans le cas de l'élaboration de multicouches, un changement ou permutation automatique de la cible.

A cet effet, un procédé conforme à l'invention, sous son aspect le plus général, est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à mesurer et à intégrer en temps réel un paramètre physique représentatif du flux d'atomes pulvérisés sur le substrat, et à utiliser le résultat de cette intégration pour le contrôle de l'épaisseur du dépôt et pour une commande automatique de la fin du processus ou du changement de cible, dans le cas d'élaboration de multicouches.

La présente invention est applicable à différents types de pulvérisation, et en premier lieu à la pulvérisation cathodique à triode en courant continu, et à la pulvérisation par faisceau d'ions.

Comme on le sait, la pulvérisation cathodique est un phénomène d'éjection de matière à partir de la surface d'un matériau bombardé par un flux d'ions positifs accélérés à partir d'un plasma, phénomène qui peut être mis en oeuvre dans un système à configuration triode.

Ces ions, accélérés par une tension de l'ordre de 1000 V, transfèrent leur énergie sous forme de collisions complexes assimilables à des chocs entre sphères dures. Le nombre d'atomes éjectés par ion incident est une caractéristique de la cible et de l'énergie de l'ion incident.

Ainsi, un ion Ar , de 1000 V, bombardant une cible de cuivre, provoque l'éjection de trois atomes de
Cu. La plus grande partie des atomes éjectés sont neutres. Ces atomes viennent se condenser sur un substrat placé en regard de la cible.

Par conséquent, si tous les paramètres de la pulvérisation sont constants (pression du gaz de décharge, distance cible-substrat, tension d'accélération des ions sur la cible, etc.), lé nombre d'atomes déposés sur le substrat est proportionnel au nombre d'ions incidents bombardant la cible. La mesure et l'intégration du courant ionique qui traverse la cible sont directement liées à la vitesse de dépôt et à l'épaisseur déposée.

D'une façon générale, la technique d'intégration du courant ionique peut s'appliquer à tout système de pulvérisation dans lequel le courant d'ions bombardant la cible peut être mesuré avec précision, comme c'est le cas, par exemple, de la technique mentionnée plus haut et appelée "pulvérisation par faisceaux d'ions". Dans cette technique, le faisceau d'ions est issu d'une source d'ions séparée (duoplasmatron, etc.). Ce faisceau pénètre dans l'enceinte de pulvérisation par une ouverture. Ceci permet de maintenir, au niveau de la cible, une pression de l'ordre de 10 5 à 10 6 torr.

La mesure et l'intégration du courant ionique bombardant la cible sont là encore aisées, et, comme dans le cas du système à triode, sont directement liées à la vitesse de dépôt et à l'épaisseur totale déposée.

Par suite, selon un premier mode de mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention, ce procédé pourra encore être caractérisé en ce que, en particulier dans le cas d'une pulvérisation s'effectuant dans une enceinte soumise à un champ électrique à haute tension, notamment du type cathodique à triode en courant continu ou du type à faisceau d'ions, ledit paramètre physique est le courant ionique traversant la cible.

Il est des cas, cependant, où le courant ionique représentatif du flux d'atomes pulvérisés sur le substrat est difficile à définir et à mesurer.

C'est le cas, notamment, des systèmes de pulvérisation à diode radiofréquence.

Dans ces systèmes, utilisables pour la pulvérisation des matériaux isolants ou diélectriques, la pression minimale de gaz nécessaire à l'entretien du plasma est de l'ordre de 1 à 5 millitor. La décharge est autoentretenue par les électrons oscillant dans le champ HF avec une énergie suffisante pour ioniser les atomes de gaz. La différence de mobilité des ions et des électrons provoque l'apparition, à la surface de la cible, d'une polarisation continue négative, dont la valeur est de l'ordre de grandeur de celle de la tension radiofréquence alternative appliquée.

C'est cette polarisation négative qui attire les ions positifs du plasma sur la cible et assure la pulvérisation. Mais, contrairement au système triode, la mesure du courant de cible n'est pas utilisable pour le pilotage des épaisseurs déposées, car ce courant est trop complexe (courant de décharge, courant ionique, courant électronique, etc.).

Par contre, la mesure, l'échantillonnage et l'intégration, en temps réel, de la tension continue négative de polarisation de la cible, sont possibles et permettent de contrôler les vitesses de dépôt et les épaisseurs déposées. Les autres paramètres de la pulvérisation (courant et tension RF, pression) doivent être stabilisées.

En conséquence, selon un second mode de mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention, ce procédé pourra encore être caractérisé en ce que, en particulier dans le cas d'une pulvérisation cathodique par diode radiofréquence, ledit paramètre physique est la tension continue négative de polarisation de la cible.

La présente invention concerne également les appareils propres à exploiter le procédé ci-dessus défini, dans ses différentes variantes.

Des exemples de réalisation de ces appareils, ainsi que de mise en oeuvre des procédés correspondants, vont maintenant être décrits à titre nullement limitatif, avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel
- la figure 1 représente schématiquement un système de pulvérisation cathodique à triode ainsi que les circuits électroniques qui y sont associés, dans le cas d'un contrôle in situ de l'épaisseur de couches ultraminces alternées, élaborées à partir de deux matériaux différents
- la figure 2 représente schématiquement un système de pulvérisation par faisceau d'ions sans les circuits électroniques associés, ceux-ci pouvant être essentiellement les mêmes que dans le système à triode et
- les figures 3a et 3b représentent le schéma de fonctionnement d'un système de pulvérisation du type à diode radiofréquence, respectivement pendant une alternance négative et une alternance positive de la haute fréquence,les circuits électroniques de traitement de l'information ayant là encore été volontairement omis, pouvant être du même genre que ceux de la figure 1.

Dans un système de pulvérisation cathodique à triode tel que celui qui a été représenté schématiquement à la figure 1, la phase de formation du plasma et la phase de pulvérisation sont séparées. En effet, le plasma est excité sous une pression d'argon de 10 3 torr dans une enceinte 1, grâce à un flux intense 2 d'électrons émis par un filament de tungstène chauffé 3 et attirés par une anode 4 portée à un potentiel positif de l'ordre de 50 volts, la tension étant fournie par une alimentation d'anode 5. Ce plasma stable est constitué principalement d'ions Ar + et d'électrons. Pour pulvériser un matériau, il suffit de disposer dans ce plasma une cible constituée de ce matériau et d'attirer sur elle les ions positifs du plasma, en la polarisant au moyen d'une tension négative de 200 à 1 000 volts.

Dans le cas de l'exemple, s'agissant d'élaborer des multicouches alternées de deux matériaux différents, par exemple un matériau à haute absorption (W, Re,
Hf...) et un matériau à basse absorption (Si, B, C...), on utilise deux sources 6a et 6b montées sur un arbre rotatif 7 pouvant être entraîné par un moteur 8. La cible 6a peut être alimentée en tension négative par fermeture d'un relais 9a la connectant à une source de haute tension 10a.

Lorsque l'épaisseur voulue du premier matériau est atteinte sur le substrat 11, le moteur 8 commande la rotation des cibles sur 180., et c'est alors la cible 6b qui est alimentée, pour l'élaboration de la couche suivante. Cette alimentation s'effectue de la même manière, à partir d'une source de haute tension 10b et d'un relais 9b.

Ceci étant, le nombre d'atomes pulvérisés par chaque ion incident ne dépendra que de la tension de la cible. Si cette tension est stabilisée, la vitesse de dépôt sera proportionnelle au nombre d'ions bombardant la cible, c'est-à-dire au courant ionique mesuré sur la cible.

Il est à noter également que, dans le système à triode fonctionnant sous une-pression de 10 3 torr, les atomes pulvérisés ont un libre parcours moyen de l'ordre de 6 cm, ce qui réduit les risques de rétrodiffusion et assure un rendement de condensation voisin de 100 % lorsque la distance cible-substrat est inférieure à ce libre parcours moyen. Dans ces conditions, l'épaisseur déposée peut être contrôlée ou programmée avec précision en effectuant la mesure, l'échantillonnage et l'intégration en temps réel du courant de cible, ce qui revient à compter le nombre d'ions bombardant la cible et par là même le nombre d'atomes déposés sur le substrat 11.

En principe, n'importe quel intégrateur peut permettre de déterminer l'épaisseur du dépôt après étalonnage. Un système de pilotage de l'épaisseur de dépôt comprend donc un intégrateur couplé avec des dispositifs permettant des déclenchements, pour des valeurs présélectionnées d'épaisseurs ou de durées.

Pour des raisons de commodité, il peut être préférable d'effectuer l'intégration du courant cible par voie numérique, ce travail étant effectué par un microordinateur 12 qui assure également la gestion de l'expérience, c'est-à-dire le contrôle des paramètres de pulvérisation (régulation de la pression, des ten suions...), l'arrêt des dépôts, ainsi que le stockage et le traitement des résultats.

Ainsi, on voit -sur la figure 1 que l'ordinateur 12 contrôle l'alimentation 13 du filament 3, le moteur 8 ainsi que les relais 9a et 9b pour la permutation des cibles, l'alimentation 5 de l'anode 4, et la pression de l'argon dans l'enceinte 1, par l'intermédiaire d'un régulateur de pression de gaz 14 et d'une électrovalve Balzers 17.

Cependant, il est à noter que tout le système fonctionnant sur le principe d'une intégration en temps réel du courant ionique traversant la cible, ce qui fournit, pratiquement en continu, la mesure de l'épaisseur du matériau déposé sur le substrat, de légères modifications des paramètres physiques n'influençant que la vitesse de dépôt sont sans importance, dès lors que le rapport entre le courant ionique intégré et le nombre d'atomes déposés sur le substrat est constant.

Pour effectuer cette intégration numérique du courant cible, on le fait passer à travers une résistance étalon Ra ou Rb de 30 (selon la cible 6a ou 6b concernée), ce courant étant ainsi converti en une tension électrique. Cette tension est ensuite échantillonnée toutes les 40 ms par un échantillonneur 15, et convertie en signaux logiques par un convertisseur analogique-digital 16. La fréquence d'échantillonnage précitée est suffisamment rapide pour pouvoir prendre en compte les fluctuations du courant cible. L'échantillonnage prend en compte une valeur moyennée sur 15 ms, ce qui permet aussi de suivre les fluctuations de la vitesse de dépôt. Cette fréquence d'échantillonnage permet la correction des dérives rapides aussi bien que des dérives lentes.La valeur numérisée de la tension mesurée est stockée par l'ordinateur 12, qui fait en outre la sommation des valeurs lues successivement par le convertisseur 16.La valeur de cette somme correspond à 1 paisseur de la couche déposée et son affichage donne 1 valeur de cette épaisseur en temps réel. Le pilotage du dépôt se fait en préaffichant des valeurs d'épaisseur.

Il est à noter que l'on pourrait utiliser tout autre type d'intégration, par exemple un intégrateur analogique, un intégrateur par conversion tensionfréquence, etc.

En tout état de cause, un étalonnage des épaisseurs déposées est nécessaire pour calibrer le système d'intégration. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour cette calibration : talystep, interféromètre de
Tolansky, franges de Kiessig en diffraction de rayons X sous incidence rasante, diffraction de rayons X sur des multicouches fonctionnant comme des réflecteurs de
Bragg, etc.).

A partir de cet étalonnage, des multicouches C,
W ont été réalisées et la période de ces empilements et leur régularité ont été contrôlées par diffraction de rayons X. La précision obtenue à partir de ces mesures sur multicouches est de l'ordre de 0,1 A, et leur reproductibilité est de l'ordre de 0,1 %. Cette précision est pratiquement dix fois supérieure à celle que permettent d'obtenir les microbalances à quartz, ce qui augmente considérablement le champ d'application des multicouches ultraminces.

Le système de pulvérisation par faisceau d'ions peut- également être mis en oeuvre dans un autre type de procédé conforme à la présente invention. Il est schématisé à la figure 2, dans laquelle 18 représente un canon à ions, 19 la cible et 20 le substrat, la cible pouvant là encore être permutée. La référence 21 désigne une source de haute tension pour assurer la polarisation convenable entre une électrode accélératrice 22 et la cible 19. Le courant ionique bombardant la cible et représentatif du flux d'atomes éjectés vers le substrat peut la encore être mesuré avec précision et intégré en temps réel.

Pour bien délimiter la surface de la cible qui attire les ions, empêcher des projections parasites dans des directions n'intéressant pas le substrat 20, et donc faire en sorte que le courant ionique mesuré soit bien représentatif du flux projeté sur le substrat, les côtés et la face arrière de la cible 19 sont protégés par un écran suppresseur E.

Un écran analogue (non représenté) est prévu également dans le cas de la pulvérisation cathodique à triode.

Le circuit électronique d'échantillonnnage, de conversion, de calcul, de stockage des informations, de contrôle des différents paramètres de fonctionnement et de la durée de chaque dépôt pourra être du même type que celui de la figure 1 et n'a donc pas besoin d'être représenté.

Il en est de même dans les figures 3a et 3b, qui représentent le schéma de fonctionnement du système de pulvérisation cathodique par diode radiofréquence dont le principe général a été expliqué plus haut et qui est utilisé notamment pour la pulvérisation de matériaux isolants ou diélectriques.

Or, cette pulvérisation est impossible avec une alimentation continue, du fait que l'accumulation des charges à la surface de la cible ne peut être neutralisée.

Par contre, et c'est la raison d'être de ce système, si l'on applique une tension radiofréquence, les charges accumulées a la surface d'un isolant vont être neutralisées au cours de chaque cycle. Lorsque la cathode ou cible 23 est négative (figure 3a), elle attire les ions qui pulvérisent l'isolant, mais très rapidement les ions (+) vont créer des charges positives à la surface et le phénomène s'arrêtera. Dans la demialternance positive suivante (figure 3b), la cathode 23, devenant momentanément positive, attire les électrons présents dans le plasma. Ces électrons vont décharger la cible 23 et lui permettre d'attirer de nouveau les ions au cours de la demi-alternance négative suivante, et ainsi de suite.

De plus, la différence de mobilité entre les ions et les électrons permet de développer sur le substrat 24 ou anode une tension continue, laquelle permet à son tour la pulvérisation.

La fréquence de fonctionnement est de 13,5 MHz et est fournie par un générateur HF 25. L'accord avec le système cible-substrat est assuré par un boîtier d'accord 26 à condensateurs et bobine d'induction.

La mesure de la tension continue négative de polarisation de la cathode 23 est faite au moyen du circuit de voltmètre continu de la figure 3b, qui comprend une bobine d'arrêt 27, un circuit de filtrage RC et de redressement à diodes, et enfin un appareil de mesure 28.

C'est à partir de la mesure de tension continue ainsi obtenue, représentative de la vitesse de projection des atomes sur le substrat 24, que l'on pourra échantillonner, convertir en mesure numérique, stocker et intégrer les valeurs numérisées, et enfin piloter l'épaisseur de matériau déposé sur le substrat, ainsi que l'ensemble des différentes séquences de fonctionnement et de contrôle des paramètres physiques, grâce à l'ordinateur, le tout de façon semblable à ce qui a été décrit précédemment.

L'écran suppresseur E représenté sur les figures 3a et 3b a le même rôle que celui indiqué ci-dessus relativement à la figure 2.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.

La mesure et l'intégration du courant ionique s'appliquent à tous les systèmes à diode et triode en courant continu, à cathode plane ou à cathode cylindorique, ainsi qu'aux systèmes du type magnétron, dans lesquels le plasma est enrichi par un champ magnétique.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour le contrôle in situ de l'épais- seur de couches ultraminces déposées par pulvérisation ionique du type selon lequel une cible d'un matériau déterminé est bombardée par un flux d'ions positifs, les atomes éjectés de ladite cible étant projetés sur le substrat à revêtir, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à mesurer et à intégrer en temps réel un paramètre physique représentatif du flux d'atomes pulvérisés sur le substrat, et à utiliser le résultat de cette intégration pour le contrôle de l'épaisseur du dépôt et pour une commande automatique de la fin du processus ou du changement de cible, dans le cas d'élaboration de multicouches.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en particulier dans le cas d'une pulvérisation s'effectuant dans une enceinte soumise à un champ électrique à haute tension, notamment du type cathodique à triode en courant continu ou du type à faisceau d'ions, ledit paramètre physique est le courant ionique traversant la cible.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en particulier dans le cas d'une pulvérisation cathodique par diode radiofréquence, ledit paramètre physique est la tension continue négative de polarisation de la cible.

4. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, notamment du type cathodique à triode en courant continu ou du type à faisceau d'ions, ou de tout procédé analogue dans lequel le courant ionique traversant la cible est représentatif du flux d'atomes projetés sur le substrat, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement des moyens de mesure et d'intégration dudit courant ionique, celui-ci étant converti en tension, le résultat de cette intégration fournissant une valeur représentative de l'épaisseur atteinte par le revêtement sur le substrat.

5. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, du type à diode radiofréquence, dans lequel la tension continue négative de polarisation de la cible est représentative du flux d'atomes projetés sur le substrat, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement des moyens de mesure et d'intégration de ladite tension, le résultat de cette intégration fournissant une valeur représentative de l'épaisseur atteinte par le revêtement sur le substrat.

6. Appareil selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte un échantillonneur de la tension obtenue, suivi d'un convertisseur analogiquenumérique, le traitement des informations ainsi obtenues étant assuré par un calculateur.

7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit calculateur est utilisé pour le contrôle des différents paramètres de fonctionnement, tels que les tensions sur les électrodes, les pressions de gaz et autres paramètres physiques, ainsi que pour contrôler la durée du revêtement, en fonction de l'épaisseur préaffichée,et pour la permutation automatique des cibles et de leurs alimentations en haute tension, en cas d'élaboration de multicouches.