FR2795552A1 - Procede de realisation de films et structures dielectriques orientes a la demande - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de dépôt de couches de matériau diélectrique sur un substrat (32), par pulvérisation cathodique radiofréquence, caractérisé par le fait qu'il comprend, pendant le dépôt, l'application sur le porte-substrat (30) d'une tension électrique d'amplitude contrôlée propre à imposer l'orientation cristalline des couches déposées.
Description
La présente invention concerne le domaine de la réalisation de` films et structures diélectriques.
Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la réalisation, de structures comprenant une couche mince de matériau polarisable et éventuellement ferroélectrique.
De nombreux groupes industriels et laboratoires de recherche sont; impliqués dans les couches minces polarisables et ferroélectriques. Celles- ci visent un très large éventail d'applications, et en particulier - les mémoires ferroélectriques utilisant des couches minces d'épaisseur de l'ordre de 1 micron de PZT (PbTi03-PbZr03), - les capteurs piézo-électriques et actionneurs utilisant des couches plus épaisses (>5 microns) de PZT, - les déphaseurs radar utilisant des céramiques massives ou des couches minces de BST (BaTi03-SrTi03), - les guides et modulateurs électro-optiques intégrés utilisant des couches minces (0,5 à 10 microns) de LiNb03.
Les mémoires, capteurs piézo-électriques et actionneurs sont généralement réalisés par pulvérisation cathodique, MOCVD, sol-gel et ablation laser, les déphaseurs sont généralement réalisés par filtrage, tandis que les guides et modulateurs sont généralement réalisés par diffusion, implantation ionique et ablation laser.
On trouvera un exposé sur les techniques de dépôt de couches minces ferroélectriques et leurs applications dans l'article : JF Scott : "The physics of ferroelectric ceramics thin films for memory applications", Ferroelectric review 1,1 (1998).
Malgré les très nombreuses recherches conduites dans le domaine, les techniques de dépôt de couches minces ferroélectriques rencontrent actuellement un certain nombre de difficultés.
Ces techniques mettent généralement en ceuvre des procédés nécessitant des températures élevées (>600 C) pendant ou après le dépôt afin d'assurer une bonne cristallisation. Avec les techniques connues, il est également difficile de procéder à une intégration sur silicium. Cette difficulté est liée en général à la nécessité précitée de mettre en oeuvre des températures élevées.
Enfin, les techniques connues imposent de déposer les couches sur des substrats monocristallins isolants à paramètre de maille compatible. Certains des verrous technologiques évoqués ci-dessus peuvent être contournés grâce à la pulvérisation cathodique radiofréquence, technique largement répandue dans le monde industriel et dans les laboratoires de recherche et de développement. Cette technique de pulvérisation cathodique radiofréquence a déjà été appliquée aux couches polarisables et ferroélectriques.
Cependant jusqu'ici la mise en oeuvre de cette technique n'a pas permis d'obtenir des résultats pleinement satisfaisants dans le dépôt de couches minces ferroélectriques.
La présente invention a pour but d'améliorer la situation.
La présente invention a en particulier pour but de proposer de nouveaux moyens permettant de contrôler l'orientation des couches déposées.
Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention, grâce à un procédé de dépôt de couches de matériau diélectrique sur un substrat, par pulvérisation cathodique radiofréquence, caractérisé par le fait qu'il comprend, pendant le dépôt, l'application sur le porte-substrat d'une tension électrique d'amplitude contrôlée propre à imposer l'orientation cristalline des couches déposées.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, et sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement une installation de dépôt par pulvérisation cathodique radiofréquence apte à permettre la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention, - la figure 2 représente une photographie prise au microscope électronique à balayage d'une couche de BaTi03 déposée sur un substrat silicium par pulvérisation cathodique radiofréquence sans tension électrique sur le porte substrat, - la figure 3 représente une photographie similaire d'une structure bi-couche de BaTi03 déposée sans tension électrique pour la première couche et avec tension électrique pour la seconde, - la figure 4 représente les raies de diffraction de rayons X pour un composé massif de BaTi03, - les figures 5 et 6 représentent les raies de diffraction obtenues respectivement sur des couches de BaTi03 déposées sans tension électrique et avec tension électrique, et, - les figures 7 et 8 représentent les raies de diffraction obtenues sur des structures bi-couches de BaTi03 déposées chacune successivement sans tension électrique et avec tension électrique, mais avec modification du rapport de temps de dépôt entre les phases sans tension et les phases avec tension électrique.
On va tout d'abord décrire l'installation de dépôt par pulvérisation cathodique radiofréquence illustrée sur la figure 1 annexée, utilisée pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention.
Cette installation comprend une enceinte 10 qui loge un porte cible 20 et porte substrat 30, des moyens 40 adaptés pour appliquer une radiofréquence (typiquement 13,56 MHz) au porte-cible 20, ainsi que, comme on l'a indiqué précédemment, des moyens 60 adaptés pour appliquer au porte-substrat 30 une tension électrique d'amplitude contrôlée propre à imposer l'orientation cristalline des couches déposées.
L'enceinte 10 possède une sortie 12 reliée à un groupe de pompage classique non représenté sur la figure 1.
Elle possède aussi une entrée 14 reliée à des sources 16 de gaz à ioniser par l'intermédiaire de débitmètres massiques 18.
Généralement le porte-cible 20 est refroidi.
Sur la figure 1, on a référencé 20 un porte-cible et 22 la cible dont la surface est dirigée vers le porte-substrat 30 et on a référencé 32 des substrats portés par le porte-substrat 30. Le générateur radiofréquence 40 est couplé par un transformateur à air réglable 42 dont le secondaire a une extrémité reliée par la ligne 43 au porte cible 20 par un passage électrique 41 étanche au vide et aux gaz de pulvérisation. L'autre extrémité 44 est reliée à la masse par une cellule 45 comprenant.deux condensateurs l'un 46 qui est fixe et l'autre 47 ajustable.
Le générateur 60 qui fournit la tension électrique appliquée sur le porte-substrat 30, c'est-à-dire sur une ligne 71, peut faire l'objet de différents modes de réalisation. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1, il comprend, entre la ligne 71 et la ligne 43 une cellule 62 comportant un condensateur 64 ajustable. Celui-ci relie la ligne 43 et une extrémité d'une self-induction 68. Un autre condensateur fixe 63 relie la ligne 43 et la masse.
L'autre extrémité de la self 68 est connectée à la ligne 71. Cette ligne. est connectée à la masse par un appareil de mesure de tension électrique 69 et par une cellule 65 qui comprend deux condensateurs fixes 66 et 67 en parallèle. Un commutateur 70 à trois positions relie sur sa position 2, comme indiqué sur la figure 1 la ligne 71 au porte-substrat 30 par un passage électrique 61 étanche au vide et aux gaz de pulvérisation. Cette position correspond au mode de dépôt avec tension électrique appliquée tel que cité précédemment et ultérieurement. Dans la position 1 du commutateur 70, le porte-substrat 30 est relié à la masse ; ceci correspond au mode de dépôt sans tension électrique. Une troisième position du commutateur 70 peut permettre de relier le porte-substrat 30 à un générateur 80 externe fournissant une tension alternative ou continue.
Les inventeurs ont déterminé que l'application d'une tension électrique sur le porte-substrat 30, pendant le processus de dépôt de couches de matériau diélectrique, notamment le dépôt de matériau ferroélectrique polarisable, permet de contrôler et de modifier l'orientation cristalline moyenne des couches minces sans dépasser la température de 400 C. Plus précisément, la modification de la tension appliquée sur le porte-substrat 30 pendant la croissance permet de structurer la couche déposée dans la direction perpendiculaire au substrat 32 II est en outre possible de moduler l'orientation cristalline dans un plan parallèle au substrat 32. Pour ce faire, on réalise sur une ou plusieurs faces du substrat 32 des électrodes qui reproduisent le motif recherché et la tension électrique est appliquée sur ces électrodes. On peut également graver un motif d'électrodes directement sur le porte-substrat qui sera rendu isolant par rapport au motif.
Les inventeurs ont en particulier déterminé que la pulvérisation cathodique radiofréquence permet de faire croître des couches à orientation cristalline préférentielle, y compris sur substrat amorphe (silice, verres. Par ailleurs, les conditions de dépôt ne nécessitent pas une température de substrat supérieure à 400 C et aucun traitement thermique ou électrique n'est nécessaire après le dépôt.
Plus précisément encore après de nombreux essais et recherches, les inventeurs ont constaté que de préférence l'amplitude de la tension continue appliquée sur le porte-substrat 30, est de l'ordre de 10% de l'amplitude de la tension alternative radiofréquence assurant la pulvérisation, soit une tension de l'ordre de 0 à 150 V ou 300 V, pour une tension radiofréquence de quelques kv.
Le procédé de dépôt avec contrôle de polarisation sur le porte- substrat 30, conforme à la présente invention permet ainsi notamment - le dépôt de couches polycristallines orientées en moyenne sur substrat amorphe ou cristallin, - la fabrication de multicouches à modulation de structure cristalline avec un pas variable en épaisseur (de 100nm à quelques microns), - la fabrication de structures guidantes sans diffusion ionique et sans traitement thermique ou électrique après le dépôt, - la modulation à l'échelle micrométrique des paramètres pertinents des matériaux polarisables : constante diélectrique, indice optique, susceptibilité diélectrique non-linéaire, module piézo-électrique, coefficient électro-optique.
Pour obtenir de telles modulations, il est suffisant de faire varier le potentiel électrique du substrat en fonction du temps pendant le dépôt ou en fonction de la position. Tous les autres paramètres de dépôt restent constants.
Les inventeurs ont procédé notamment au dépôt des couches de BaTi03.
On a illustré sur la figure 2 une photographie prise en microscopie électronique à balayage d'une couche 32a de BaTi03 d'une épaisseur de 1,5 microns déposée par pulvérisation cathodique radiofréquence sur un substrat de silicium 30, sans tension électrique sur le porte-substrat.
On a illustré sur la figure 3 une photographie similaire d'un dépôt bi- couche de BaTi03 sur substrat de silicium avec modification de la polarisation pendant le processus de dépôt. Plus précisément pour ce dépôt, dans un premier temps on a fait croître sur un substrat 32 de silicium une couche 32a de 1,5 microns de BaTi03 d'orientation (100), puis on a appliqué une tension sur le porte-substrat 30, à l'aide de l'interrupteur inverseur 70, pour faire croire une couche 32 b de 1,5 microns d'orientation (110).
Les inventeurs ont affiné la mise en évidence de l'orientation cristalline obtenue sur les couches minces de BaTi03 déposées par pulvérisation cathodique radiofréquence, et notamment l'influence du champ électrique appliqué pendant le dépôt, par analyse des raies de diffraction de rayons X, résultantes.
Sur les figures annexées, on observe des raies de diffraction de rayons X de BaTi03 en géométrie 0-2 0.
Sur la figure 4, le diagramme de poudres fait apparaître l'ensemble des positions de diffraction d'un composé massif de BaTi03.
Sur la figure 5, une couche 32a déposée par pulvérisation cathodique simple sur substrat amorphe telle qu'illustrée sur la figure 2 ne diffracte que pour les positions angulaires 20=21 degrés et 44 degrés. Les plans cristallins correspondants de type (h00) sont donc parallèles au substrat.
La figure 6 correspond au cas d'une couche 32b déposée dans les mêmes conditions que ci-dessus mais en appliquant une tension électrique sur le porte-substrat : les plans cristallins parallèles au substrat sont maintenant de type (hh0) (positions angulaires 20=31 degrés et 65 degrés).
On a illustré sur les figures 7 et 8 les raies de diffraction obtenues sur la structure bi-couche de BaTi03 représentée sur la figure 3. On rappelle que pour réaliser cette structure bi-couche au cours du même dépôt sur substrat Silicium, on commence par faire croître une couche de BaTi03 sans tension électrique et après un temps déterminé, on applique une tension sur le substrat pour faire croire une seconde couche de BaTi03.
Sur les figures 7 et 8, on observe les raies de diffraction de rayon X en géométrie 0-20 sur la bi-couche ainsi obtenue. Ce diagramme est la superposition des diagrammes de chacune des couches de BaTi03 (figure 5 + figure 6). La bi-couche est donc bien constituée de cristallites (h00) recouverts de cristallites (hh0). Si on change les temps de dépôt sans et avec tension de substrat, on constate par comparaison entre les figures 7 et 8 que l'amplitude des raies de diffraction évolue très rapidement La présente invention permet de très nombreuses applications, et notamment la réalisation de - guides d'ondes optiques à orientation cristalline préférentielle sur silice et verre standard, - couches orientées et multicouches à orientation modulée sur Silicium cristallin, silice, verre, corindon, - modulateurs électro-optiques intégrés, - dispositifs pour la conversion de fréquence (quasi-accord de phase en mode guidé) et filtres optiques (miroirs de Bragg en géométrie verticale), - alternative à la réalisation de réseaux de Bragg sur fibre par rapport aux réseaux photoinscrits réalisés par insolation (on notera que dans ce cas la fibre peut être quelconque), - capteurs de déplacement et actionneurs avec modulation spatiale du module piézo-électrique (on notera une extension possible aux bio- puces), - déphaseurs intégrés pour les ondes radar.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation ni aux applications précédemment décrites, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit.
Claims (11)
1. Procédé de dépôt de couches de matériau diélectrique (32a, 32b) sur un substrat (32), par pulvérisation cathodique radiofréquence, caractérisé par le fait qu'il comprend, pendant le dépôt, l'application sur le porte-substrat (30) d'une tension électrique d'amplitude contrôlée propre à imposer l'orientation cristalline des couches déposées (32a, 32b).
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comprend une évolution de la tension électrique appliquée au porte-susbrat (30), pendant le dépôt.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'étape d'application de tension électrique d'amplitude contrôlée sur le porte-substrat (30) ou des électrodes aménagées sur le substrat (32) ou le pbrte-substrat (30) consiste à appliquer alternativement une tension d'amplitude non nulle et une tension d'amplitude nulle.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que la tension électrique d'amplitude non nulle appliquée au porte- substrat (30) est de l'ordre de 10% de l'amplitude de la tension radiofréquence.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la tension électrique d'amplitude non nulle appliquée au porte- substrat (30) est de l'ordre de 150 à 300 V.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que le matériau déposé est un matériau polarisable.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que le matériau déposé est un matériau ferroélectrique.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le matériau déposé est du BaTï03.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la tension électrique est appliquée sur des électrodes du substrat (32) ou du porte-substrat (30), conformées pour moduler l'orientation cristalline dans un plan parallèle au substrat (32).
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il est mis en oeuvre sur un substrat amorphe ou cristallin.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il est mis en oeuvre à une température inférieure à 400 C.
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