Évaporation sous vide

Evaporation machine used for metallization at LAAS technological facility in Toulouse, France.

L'Evaporation sous vide est une méthode courante de déposition de couche mince (généralement métallique) utilisé notamment dans les procédés de fabrication microélectronique. Le matériel a déposer est évaporé sous vide (dans une enceinte hermétique). Le vide permet aux particules d'atteindre la cible du dépot directement, où elles se recondensent à l'état solide.

Principe physique

Le bloc bleu crée une ombre sur son coté gauche qui n'est pas atteint par la matière évaporée

L'évaporation sous vide implique deux procédés basiques : l'évaporation d'une source chauffée de matériel à déposer et la condensation à l’état solide de cette matière sur le substrat. Cela ressemble quelque peu au procédé qui voit l'eau liquide apparaitre sur le couvercle d'une casserole d'eau bouillante (l'eau à l'état liquide est évaporée et se recondense sur le couvercle qui est ici la cible du dépôt).

L'évaporation à lieu sous vide, c'est à dire dans un environnement gazeux, vapeur de déposition exclue, contenant extrêmement peu de particules. Dans cet environnement les particules de matière à déposer peuvent se propager jusqu'à la cible sans collision avec d'autres particules. par exemple dans un vide de 10^-4 Pa, une particule de 0.4-nm de diamètre à un libre parcours moyen de 60 m, c'est à dire qu'elle peut parcourir en moyenne soixante mètres avant de rentrer en collision avec une autre particule. Les objets chauffés, i.e. le filament (qui chauffe la source), produisent des vapeurs parasites qui limitent la qualité du vide dans la chambre de déposition. La collision de différents atomes durant l'évaporation peut provoquer des réactions susceptibles de modifier la nature du dépôt souhaité. Par exemple en présence d'oxygène, l'aluminium formera de l'oxyde d'aluminium. Ce phénomène peut aussi diminuer la quantité de vapeur atteignant la cible.

Le matériel évaporé ne se dépose pas de manière uniforme sur une surface irrégulière, comme l'est généralement celle d'un circuit intégré. Aussi, lors d'un dépôt sur une surface microstructuré complexe, il peut arriver des effets d'ombrage plorsque une surface du substrat est cachée du rayonnement provenant uni directionnellement de la source.

Equipement

Un système à quatre sources d'évaporation

Tous les systèmes d'évaporation sont équipés d'une chambre dans laquelle sont placées la source et la cible du dépôt, d'une pompe pour faire le vide dans cette chambre et d'une source d'énergie pour chauffer la source jusqu'à évaporation. Ils existent différentes sources d’énergies :

• dans la méthode thermique, le matériel à déposer est placer dans un creuset qui est chauffé radialement par un filament électrique ; Il est possible aussi que le filament lui même soit la source ;
• dans la méthode par faisceau d'électron, la source est chauffée par un faisceau d'électrons avec une énergie allant jusqu'à 15 keV.
• par évaporation flash, la matière à déposer est sous la forme d'un fil qui est continuellement dévidé et évaporé par contact avec une barre de céramique très chaude.

Dans certains systèmes, le substrat est monté sur un plateau tournant mis en rotation pendant le dépôt afin d'améliorer la régularité du dépôt et de limiter l'effet d'ombrage.

Références

• (en) Richard C. Jaeger, Introduction to Microelectronic Fabrication, Upper Saddle River, Prentice Hall, 2002, « Film Deposition »
• Semiconductor Devices: Physics and Technology, by S.M. Sze, ISBN 0-471-33372-7, has an especially detailed discussion of film deposition by evaporation.