Pulvérisation cathodique (sputtering)

La pulvérisation cathodique est une méthode de dépôt de couche mince.

Principe

La pulvérisation cathodique (ou sputtering) est une technique qui autorise la synthèse de plusieurs matériaux à partir de la condensation d’une vapeur métallique issue d’une source solide (cible) sur un substrat.

L’application d’une différence de potentiel entre la cible et les parois du réacteur au sein d’une atmosphère raréfiée permet la création d’un plasma froid, composé d’électrons, d’ions, de photons et de neutre dans un état fondamental ou excité. Sous l’effet du champ électrique, les espèces positives du plasma se trouvent attirées par la cathode (cible) et entrent en collision avec cette dernière. Elles communiquent alors leur quantité de mouvement, provoquant ainsi la pulvérisation des atomes sous forme de particules neutres qui se condensent sur le substrat. La formation du film s’effectue selon plusieurs mécanismes qui dépendent des forces d'interactions entre le substrat et le film.

La décharge est auto-entretenue par les électrons secondaires émis de la cible. En effet, ceux-ci, lors de collisions inélastiques, transfèrent une partie de leur énergie cinétique en énergie potentielle aux atomes d’argon qui peuvent s’ioniser.

Pulvérisation cathodique magnétron

Afin d’augmenter la densité ionique au voisinage de la cible, celle-ci est équipée d’un dispositif magnétron, qui est constitué de deux aimants permanents de polarité inverse situés sous la cible. Ils créent un champ magnétique B parallèle à la surface de la cible et orthogonal au champ électrique E. La combinaison de ces deux champs donne naissance à des lignes de champ qui piègent les électrons secondaires. La force de Lorentz induite provoque un mouvement hélicoïdal des électrons augmentant ainsi leur trajectoire et, de ce fait, leur efficacité d’ionisation. L’effet magnétron permet donc d’entretenir la décharge pour de plus faibles pressions de travail, améliorant par conséquent la qualité des revêtements.

Synthèse de films céramiques

Afin de réaliser des films céramiques (oxydes, nitrures, etc.), une espèce réactive, l’oxygène pour les oxydes, l’azote pour les nitrures, est ajoutée au gaz porteur, généralement de l’argon. La stœchiométrie des couches est en relation directe avec la pression partielle de gaz réactif introduit. La synthèse d’un revêtement stœchiométrique nécessite, souvent, la formation du composé à la surface de la cible. Le gaz réactif réagit avec les différentes surfaces présentes dans l’enceinte (cible, substrat, parois) et participe à la pulvérisation en modifiant les caractéristiques électriques de la décharge. Ceci peut se traduire par des phénomènes d’instabilité électrique et du régime de pulvérisation.

Instabilité électrique

Le gaz réactif recouvre partiellement la surface de la cible pour former une couche isolante. Les ions argons qui viennent la frapper ne peuvent plus s’évacuer, engendrant une accumulation de charges positives dans les zones où le processus de pulvérisation est le plus faible. Ces charges s’éliminent par claquage du diélectrique provoquant l’éjection de micro-gouttelettes qui endommagent la qualité du revêtement.

Instabilité de régime de pulvérisation

La présence d’une instabilité du régime de pulvérisation est représentée par une hystérésis sur la courbe de suivi de la pression de gaz réactif en fonction de la quantité de gaz réactif introduit. Pour les faibles débits de gaz réactif, l’évolution de la pression partielle d’oxygène reste faible et la cible est essentiellement métallique. Le système se trouve en régime de pulvérisation élémentaire (RPE). La vitesse de dépôt est importante mais ne conduit pas à la formation de composés stœchiométriques. Lorsque le débit de gaz réactif atteint D2, les sites d’adsorptions des parois sont saturés, ce qui se traduit par une brusque augmentation de la pression partielle, entraînant une contamination plus importante de la cible. Le système bascule en régime de pulvérisation de composé (RPC) où la vitesse de dépôt est plus faible mais permet la réalisation de composés stœchiométriques. La différence entre les courbes avec et sans décharge représente la quantité de gaz consommée par les parois. L’inverse de la pente de la droite sans décharge correspond à la vitesse de pompage.

Comparaison avec d’autres méthodes de dépôt

Un important avantage de la pulvérisation comme technique de dépôt est que les films déposés ont la même composition que le matériau source. L’identité stœchiométrique entre le film et la cible pourrait surprendre du fait que le rendement de pulvérisation dépend de la masse atomique des atomes dans la cible. On pourrait donc s'attendre à ce qu'un composant d'un alliage ou d'un mélange pulvérise plus rapidement que les autres composants, menant à un enrichissement de ce composant dans le dépôt. Cependant, comme seuls les atomes à la surface de la cible peuvent être pulvérisés, l’éjection plus rapide d’un élément laisse la surface enrichie avec les autres, ce qui compense efficacement la différence dans les vitesses de pulvérisation. Ceci contraste avec les techniques thermiques d’évaporation, où un composant de la source peut avoir une pression vapeur plus élevée, il en résulte un film déposé avec une composition différente de la source.

Une cible de pulvérisation avec une géométrie typique en anneau, ici de l’or, montrant la cathode constituée du matériau à déposer, l’anode contre-électrode et un anneau extérieur pour éviter la pulvérisation du foyer qui maintient la cible.

Le dépôt par pulvérisation présente aussi un avantage sur l’épitaxie par jet moléculaire [molecular beam epitaxy (MBE)] à cause de sa vitesse. La vitesse plus élevée a pour conséquence l'incorporation inférieure d'impuretés parce que moins d’impuretés peuvent atteindre la surface du substrat dans une même quantité de temps. Les méthodes de pulvérisation peuvent en conséquence utiliser des gaz de processus avec des concentrations en d’impuretés bien plus élevées que la pression de vide pouvant être tolérée par les méthodes de MBE. Durant le dépôt par pulvérisation le substrat peut être bombardé par des ions à grande énergie et des atomes neutres. Les ions peuvent être déviés avec une polarisation du substrat et le bombardement peut être minimisé en pulvérisant loin de l’axe mais aux dépens de la vitesse de dépôt. Les substrats en plastique ne peuvent pas tolérer le bombardement et sont généralement traités par évaporation.

Types de dépôt par pulvérisation

Les sources de pulvérisation sont habituellement des magnétrons qui utilisent des champs forts électriques et magnétiques pour emprisonner des électrons près de la surface du magnétron, qui est connu comme la cible. Les électrons suivent des trajectoires hélicoïdales autour des lignes de champ magnétique subissant plus de collisions ionisantes avec les éléments neutres gazeux près de la surface de cible, que cela ne se produirait autrement. Le gaz de pulvérisation est inerte, typiquement l’argon. Le supplément d’ions argon créés par suite de ces collisions conduit à une vitesse de dépôt plus élevée. Il signifie aussi que le plasma peut être maintenu à une plus basse pression. Les atomes pulvérisés sont électriquement neutres et donc insensibles au piège magnétique. L’accumulation de charges sur des cibles isolantes peut être évitée par l’utilisation de la pulvérisation RF (RF Sputtering) dans laquelle le signe de la polarisation anode-cathode est changé à haute vitesse. La pulvérisation RF fonctionne bien pour produire des films d’un oxyde très isolant mais seulement avec la dépense supplémentaire des alimentations pour la pulvérisation RF et des réseaux s’adaptant à l’impédance.

Des champs magnétiques parasites fuyant des cibles ferromagnétiques perturbent aussi le processus de pulvérisation. Des canons de pulvérisation spécialement conçus avec de très puissants aimants permanents doivent souvent être utilisés en compensation.

Un canon magnétron à pulvérisation montrant le montage de la surface d’une cible, le passage de l’alimentation en vide, l’alimentation de puissance et le système de refroidissement à eau. Ce système utilise une cible en forme de disque par opposition à la géométrie en anneau illustrée ci-dessus.

La pulvérisation par faisceau d’ions [Ion-beam Sputtering (IBS)]

Une méthode dans laquelle la cible est extérieure à la source ionique. Une source peut fonctionner sans aucun champ magnétique comme dans le cas d’une mesure chaude d’ionisation de filament (cathode chaude). Dans une source Kaufman des ions sont générés par la collision avec des électrons qui sont confinés dans un champ magnétique comme dans un magnétron. Ils sont alors accélérés par le champ électrique émanant d’une grille, vers une cible. Lorsque les ions quittent la source ils sont neutralisés par les électrons provenant d’un second filament. IBS présente un avantage car l’énergie et le flux d’ions peuvent êtres contrôlés indépendamment. Comme le flux qui frappe la cible se compose d’atomes neutres, des cibles conductrices ou isolantes peuvent être pulvérisées. IBS a trouvé une application dans la fabrication des têtes en couche mince pour des unités de disques. Le principal inconvénient de IBS est l’importance de la maintenance nécessaire pour garder la source d’ions en état de fonctionnement.

Pulvérisation réactive

Fait référence à une pulvérisation où le film déposé est formé par réaction chimique entre le matériau de la cible et un gaz introduit dans la chambre à vide. Des films d’oxyde et de nitrure sont souvent fabriqués en utilisant la pulvérisation réactive. La composition du film peut être contrôlée en faisant varier les pressions relatives des gaz inertes et réactifs. La stœchiométrie du film est un paramètre important pour des propriétés fonctionnelles telles que la contrainte dans SiNx et l’indice de réfraction de SiOx. Le conducteur transparent d’oxyde d’indium et d’étain est utilisé en optoélectronique et dans les piles solaires réalisé par pulvérisation réactive.

Dépôt assisté par canon à ion [ion-assisted deposition (IAD)]

Dans cette technique le substrat est exposé à un faisceau d’ions secondaires opérant à une pression inférieure à celle du canon à pulvérisation. Habituellement une source de Kaufman comme celle utilisée en IBS fourni le faisceau secondaire. La technique IAD peut être utilisée pour déposer du carbone sous sa forme diamant sur un substrat. Tous les atomes de carbone qui atterrissent sur le substrat sans se lier correctement à la structure cristalline du diamant seront chassés par le faisceau secondaire. La NASA a utilisé pour faire une expérience en déposant des films de diamant sur des pales de turbines dans les années 1980. L’IAD est utilisée dans d’autres importantes applications industrielles telles que le traitement de surface avec du carbone amorphe tétraédrique sur les plateaux des disques durs et les transitions dures de revêtement nitrure métal sur les implants médicaux.

HiTUS (High Target Utilisation Sputtering/Haute utilisation des cibles de pulvérisation)

Cette technologie est une évolution majeure de la traditionnelle technologie magnétron de déposition de couches minces largement utilisée dans les domaines de l’industrie et de la recherche. Un processus basé sur la génération à distance d’un plasma à haute densité. Le plasma est généré dans une chambre latérale ouvrant sur la chambre principale contenant la cible et le substrat à revêtir. Pour augmenter l’adhérence et préparer le substrat, des contaminants volatils sur la surface du substrat sont enlevés, en dirigeant le jet faisceau de plasma sur le substrat. Avant le dépôt, la cible est nettoyée par pulvérisation dans un plasma pur d'argon pour éliminer des oxydes/contamination. Comme le plasma est généré à distance, et non à partir de la cible elle-même (comme dans la pulvérisation conventionnelle utilisant le magnétron), le courant d’ions à la cible est indépendant de la tension appliquée à la cible.

Le processus offre une multitude d’avantages comparés aux techniques traditionnelles de pulvérisation tels que :

• utilisation de la cible à 95 % de façon homogène sur toute sa surface (pas de sillon creusé dans la cible (racetrack)) ;
• augmentation de la vitesse de dépôt en particulier pour des diélectriques déposés par pulvérisation réactive ;
• processus de pulvérisation réactive contrôlé très simplement - absence de système de régénération (le courant ionique de la cible est indépendant de la tension appliquée sur le cible) ;
• meilleure précision des dépôts ;
• meilleur contrôle des caractéristiques du film avec des propriétés proches de celles du matériau déposé dans la masse ;
• meilleur contrôle de l’état de surface : lissage ;
• niveaux élevés de reproductibilité cet de répétabilité ;
• plus haute vitesse de production ;
• possibilité de production en ligne ou roll-to-roll avec la possibilité de multicouches ;
• contrainte dans le dépôt aisément contrôlable, de la compression à la tension, ou nulle entre ces deux possibilités ;
• processus à basse température autorisant un dépôt sur des substrats organiques ;
• le processus peut aisément être intégré dans beaucoup d’installations existantes de pulvérisation.

Dépôt très précis de la couche mince sur des substrats de grande dimension

Un des problèmes majeurs rencontré lors du dépôt de la couche mince est son aptitude à recouvrir des substrats de grande dimension tout en obtenant les résultats très précis des dépôts mono- ou multicouches. La technologie plasma pulvérisation cathodique/(sputtering) HiTUS (High Target Utilisation Sputtering/Haute utilisation des cibles de Sputtering) associée à celle de la cible linéaire a démontré une amélioration majeure dans les résultats escomptés tels que la précision, l’uniformité, le contrôle de la contrainte tant en compression qu’en tension en passant par la contrainte nulle, et la rugosité sur des substrats mesurant jusqu’à et même au-delà de 50 à 60 cm. La cible linéaire permet le développement d’un processus linéaire sur une large surface avec les mêmes avantages que la technologie HiTUS pour les processus roll-to-roll ou en ligne.

Autres utilisations

SI la technique de pulvérisation cathodique est utilisée pour déposer des matériaux sur un substrat, elle peut être utilisée pour d'autres motifs.

Gravure

Le plasma généré peut servir à graver un substrat. Il s'agit d'une technique de gravure dite « sèche » ou « physique », qui présente l'avantage d'une forte anisotropie, contrairement aux gravure humides.

Analyse

La spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) fonctionne sur le même principe que la pulvérisation cathodique.

Liens externes

• Techniques de l'ingénieur, « traitement des métaux », M1654
• (en) HiTUS - High Target Utilisation Sputtering
• (en) Linear Target Technology

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