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Pulvérisation cathodique vs évaporation sous vide : mécanisme, couverture de marche, composition des alliages

Ce sont deux méthodes de dépôt physique en phase vapeur (PVD) qui transforment un matériau solide en atomes et les déposent sur la plaquette. La pulvérisation cathodique bombarde une cible avec des ions argon issus d’un plasma et dépose les atomes qui en sont arrachés. L’évaporation chauffe le matériau sous vide poussé, avec un élément résistif ou un faisceau d’électrons, jusqu’à ce qu’il s’évapore. La pulvérisation conserve la composition des alliages et offre une bonne adhérence : elle domine donc pour les interconnexions des puces et les métaux barrières. L’évaporation envoie les atomes en ligne droite, ce qui est utile pour former des électrodes par lift-off.

CritèrePulvérisation cathodiqueÉvaporation sous vide (thermique / par faisceau d’électrons)
Libération des atomesDes ions Ar issus d’un plasma frappent la cible et en arrachent des atomes par transfert de quantité de mouvementLe matériau est chauffé par un élément résistif ou un faisceau d’électrons jusqu’à son évaporation
Pression et énergie des atomesGaz à environ 0,1 à 1 Pa ; les atomes arrivent typiquement avec quelques eV à quelques dizaines d’eVVide poussé (environ 10⁻⁴ Pa ou moins à titre indicatif) ; les atomes arrivent avec seulement environ 0,1 eV
Couverture de marcheLimitée, mais meilleure que l’évaporation ; la pulvérisation ionisée ou les collimateurs améliorent le dépôt au fond des trousTrès mauvaise : les atomes se déplacent en ligne droite et n’atteignent pas les zones ombragées
Adhérence et qualité de la coucheBonnes ; les couches tendent à être densesEn général plus faible qu’en pulvérisation ; améliorée par le chauffage du substrat et des méthodes similaires
Composition des alliages et des composésLes couches conservent presque la composition de la cible ; la pulvérisation réactive permet aussi de déposer des nitrures et d’autres composésLa composition tend à dériver car les constituants ont des pressions de vapeur différentes (la co-évaporation à partir de plusieurs sources permet de l’ajuster)
Vitesse de dépôtVitesses pratiques avec des magnétrons ; variable selon le matériauEn général facile à rendre élevée
Effets sur le substratL’exposition au plasma et aux particules énergétiques peut provoquer un échauffement ou des dommagesÉchauffement du substrat relativement faible ; les rayons X de l’évaporation par faisceau d’électrons peuvent causer des dommages
Usages typiquesInterconnexions des puces (Al, Cu), métaux barrières (Ta, TaN, TiN), couches d’amorçage Cu, métaux pour siliciuresÉlectrodes formées par lift-off (par exemple sur semi-conducteurs composés), recherche et développement, couches émissives des OLED

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Pulvérisation cathodique
Lorsqu’il faut des couches uniformes et bien adhérentes sur de grandes plaquettes, ou des couches d’alliages et de nitrures. La plupart des couches métalliques des interconnexions de puces sont déposées par pulvérisation.
Évaporation
Pour le lift-off, où la couche doit arriver uniquement à la verticale, pour les couches de haute pureté et pour les matériaux qui ne doivent pas être exposés au plasma. Avec un faisceau d’électrons, même les métaux à point de fusion élevé peuvent être évaporés.

Questions fréquentes

Pourquoi utilise-t-on surtout la pulvérisation pour les interconnexions des puces ?

Elle dépose des alliages et des composés de composition presque identique à celle de la cible, donne des couches denses et bien adhérentes et recouvre uniformément les grandes plaquettes. La pulvérisation réactive sous azote permet en outre de déposer les métaux barrières TiN et TaN.

Pourquoi l’évaporation convient-elle au lift-off ?

Les atomes évaporés se déplacent presque en ligne droite : il ne se dépose presque rien sur les flancs de la résine. Quand on dissout la résine, la couche qui la recouvre part proprement et la couche dans le motif reste. La pulvérisation recouvre aussi les flancs, si bien que la couche ne se rompt pas proprement.

Quelle est la différence entre évaporation thermique et évaporation par faisceau d’électrons ?

L’évaporation thermique chauffe une nacelle métallique ou un support similaire en y faisant passer un courant. C’est simple, mais les matériaux à point de fusion élevé sont difficiles à évaporer et la nacelle peut contaminer la couche. L’évaporation par faisceau d’électrons focalise un faisceau d’électrons sur le matériau : elle peut évaporer les métaux réfractaires et les oxydes avec moins de contamination.

Comment déposer une couche au fond d’un trou ?

En pulvérisation, ioniser les atomes pulvérisés et les attirer verticalement par une polarisation, ou utiliser un collimateur, améliore la couverture du fond. Si cela ne suffit pas, on utilise la CVD ou l’ALD, qui déposent par réactions de surface.

Vérifier vos connaissances

Dans quelle catégorie le dépôt par pulvérisation cathodique se classe-t-il ?

  1. APVD (dépôt physique en phase vapeur)
  2. BCVD (dépôt chimique en phase vapeur)
  3. COxydation thermique
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Réponse : A. PVD (dépôt physique en phase vapeur)

La pulvérisation cathodique accélère sous quelques centaines de V les ions d'un plasma, par exemple d'argon, vers une cible ; les atomes éjectés par transfert de quantité de mouvement se déposent sur la plaquette. Phénomène physique sans réaction chimique, elle relève du PVD (dépôt physique en phase vapeur). Elle sert au dépôt des interconnexions métalliques, des barrières (Ta, TiN, etc.), des couches d'amorçage Cu et des électrodes. Le CVD repose sur la réaction chimique de gaz précurseurs, et l'oxydation thermique sur l'oxydation du silicium lui-même.

Quelle description de l'évaporation sous vide est correcte ?

  1. ALe film est déposé par réaction chimique de gaz précurseurs
  2. BLe métal est déposé dans une solution électrolytique
  3. CLe matériau est chauffé sous vide pour s'évaporer et se déposer sur le substrat
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Réponse : C. Le matériau est chauffé sous vide pour s'évaporer et se déposer sur le substrat

L'évaporation sous vide est un PVD dans lequel le matériau, chauffé par effet Joule ou par faisceau d'électrons, s'évapore et ses atomes traversent un vide d'environ 10⁻⁴ Pa ou moins pour se déposer sur le substrat. L'équipement est relativement simple et le film très pur, mais les atomes se déplaçant en ligne droite, la couverture de marche est faible et la composition des alliages dérive facilement ; les interconnexions des LSI utilisent donc surtout la pulvérisation. Elle sert au lift-off pour la formation d'électrodes de semi-conducteurs composés et au dépôt des couches émettrices des OLED.

Quel est l'avantage de l'évaporation sous vide avec chauffage du matériau par faisceau d'électrons ?

  1. AElle permet d'évaporer des matériaux à haut point de fusion
  2. BSa couverture de marche est très élevée
  3. CElle forme le film par réaction chimique de gaz précurseurs
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Réponse : A. Elle permet d'évaporer des matériaux à haut point de fusion

L'évaporation par faisceau d'électrons chauffe le matériau en y concentrant un faisceau d'électrons accéléré sous quelques kV ; elle évapore ainsi le tungstène, le molybdène ou des oxydes, difficiles à fondre par effet Joule, avec peu de contamination par le creuset. Les atomes évaporés se déplaçant en ligne droite, la couverture de marche est faible ; cette propriété est exploitée dans le procédé lift-off, où l'on dépose sur la résine puis élimine les parties inutiles avec elle pour former des électrodes.

  1. En PVD (pulvérisation, évaporation), quelle est la principale raison de la difficulté à déposer sur les flancs et au fond des tranchées profondes ?
  2. Quel est l'avantage de la pulvérisation par rapport à l'évaporation sous vide ?
  3. Quelle description de la couverture de marche (step coverage) en dépôt est correcte ?

Questions d'entraînement sur Dépôt (CVD et PVD)

Termes clés expliqués

Pulvérisation cathodique (sputtering)
Type de PVD dans lequel des ions d'un plasma bombardent une cible ; les atomes éjectés se déposent sur la plaquette.
Évaporation sous vide
Méthode de dépôt où le matériau est chauffé et évaporé sous vide pour se condenser sur le substrat. Le chauffage par faisceau d'électrons permet les matériaux réfractaires, mais la couverture de marche est faible.
Pulvérisation magnétron
Pulvérisation dans laquelle des aimants placés derrière la cible confinent les électrons près de celle-ci pour augmenter la densité du plasma. La vitesse de dépôt augmente ; c'est la technologie dominante des équipements de pulvérisation actuels.
Pulvérisation réactive
Méthode de pulvérisation d'une cible métallique dans une atmosphère contenant un gaz réactif comme l'azote ou l'oxygène, pour déposer des films de nitrure ou d'oxyde. Utilisée notamment pour le nitrure de titane (TiN).
Couverture de marche (step coverage)
Indicateur de l'uniformité d'épaisseur du film déposé sur les flancs et le fond de marches ou de trous, par rapport aux surfaces planes. Excellente avec l'ALD.
Barrière métallique
Film métallique mince entourant les interconnexions en cuivre pour empêcher la diffusion du cuivre dans l'isolant ou le silicium. Par exemple Ta ou TaN.
Couche d'amorçage (seed layer)
Fine couche de Cu déposée par pulvérisation, etc., avant le remplissage du Cu par électrodéposition. Elle sert de couche conductrice pour le courant de dépôt.

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