La pulvérisation cathodique, aussi appelée “sputtering”, est largement utilisée dans la fabrication des semi-conducteurs pour déposer des couches uniformes, minces et bien adhérentes sur des substrats. Elle peut également servir à l’enlèvement de matière dans des applications telles que la gravure ionique. Dans cet article de blog, nous présentons un exemple illustrant comment la modélisation et la simulation peuvent être utilisées pour comprendre certains des phénomènes impliqués dans la pulvérisation cathodique et contribuer à orienter le développement des procédés.
Qu’est-ce que la pulvérisation cathodique ?
La pulvérisation cathodique est un processus physique dans lequel des particules ionisées issues d’un plasma ou d’un gaz sont projetées sur une surface solide, ou cible, afin de déloger les atomes de cette dernière, qui peuvent ensuite se déposer sur une autre surface, ou substrat. La pulvérisation cathodique se produit naturellement dans l’espace et peut constituer une source indésirable d’usure pour les composants de précision. Elle s’avère toutefois utile pour le dépôt de couches minces et pour l’enlèvement de surfaces dans la fabrication de semi-conducteurs, en optique et dans les applications MEMS. Un schéma d’un dispositif de pulvérisation cathodique est présenté dans la figure ci-dessous.
Un dispositif typique de dépôt par pulvérisation cathodique. Image dans le domaine public, via Wikimedia Commons.
Divers types de mécanismes de pulvérisation cathodique, à savoir la pulvérisation cathodique magnétron, la pulvérisation réactive et la pulvérisation par faisceau d’ions, sont utilisés dans l’industrie des semi-conducteurs pour déposer des couches minces, qui sont essentielles à la création de la structure multicouche complexe requise dans les circuits intégrés actuels. Ces films peuvent former des couches barrières, des couches d’adhésion ou des couches conductrices au sein des puces. La pulvérisation cathodique offre plusieurs avantages à cet égard. Par exemple, elle permet un excellent contrôle de l’épaisseur du film déposé tout en étant applicable à différents matériaux, tels que les métaux, les alliages et les composés. De plus, la pulvérisation cathodique est le choix idéal pour les substrats qui ne supportent pas des températures élevées.
Outre le dépôt de couches minces, la pulvérisation cathodique est également utilisée pour l’enlèvement sélectif de matière d’un wafer lors de la gravure sèche, grâce à l’utilisation de particules de gaz ionisées guidées par un masque de protection. Les gaz inertes tels que le xénon et l’argon sont généralement privilégiés comme gaz de pulvérisation en raison de leur faible réactivité et de leur capacité à provoquer un déplacement plus important de la matière cible grâce à leur poids moléculaire élevé.
Un dispositif de pulvérisation cathodique avec un plasma dans un tube en verre sous vide.
Comprendre les complexités grâce à la simulation
Si la pulvérisation cathodique est couramment utilisée dans la fabrication de puces électroniques et le traitement des couches minces, sa complexité tient principalement à la la présence simultanée de divers phénomènes, tels que la génération de plasma et le bombardement ionique. Il est donc essentiel de maintenir un équilibre et un contrôle rigoureux des différents paramètres électriques, chimiques et physiques, tels que la pression du gaz, le potentiel d’ionisation et la tension de polarisation du substrat, pour obtenir les résultats escomptés.
La simulation numérique permet d’analyser des facteurs tels que la pression, la géométrie et les propriétés des matériaux, ce qui en fait un outil précieux pour l’optimisation de la croissance des couches minces, de l’érosion des substrats et de la fabrication de dispositifs. De plus, l’analyse et l’optimisation numériques peuvent aider les équipes à réduire le coût des expérimentations physiques.
Prenons un exemple de modélisation de la pulvérisation ionique d’argon sur une surface de silicium dans le logiciel COMSOL Multiphysics®.
Comment la pulvérisation d’argon est-elle modélisée dans COMSOL Multiphysics® ?
Le module Particle Tracing, un module complémentaire de COMSOL Multiphysics®, fournit des interfaces physiques pouvant être utilisées dans des modèles en rapport avec la pulvérisation cathodique. Dans cet exemple, l’interface Suivi de particules chargées est utilisée pour simuler les trajectoires d’ions d’argon à proximité d’une surface en silicium. Elle permet de calculer les trajectoires des ions et des électrons dans des champs électriques et magnétiques. L’interface Géométrie déformée est utilisée pour suivre l’évolution de la surface résultant de la pulvérisation et capturer la progression morphologique qui en résulte.
Représentation de la configuration du modèle.
Comme le montre l’image ci-dessus, le processus de pulvérisation cathodique implique deux faisceaux d’ions incidents, respectivement à 45° et −45°. Lorsque les ions d’argon frappent la surface du silicium, des atomes de silicium sont pulvérisés. On suppose que chaque particule représente 1012 ions d’argon dans la réalité. La hauteur du masque est fixée à 0.2 μm et la largeur de la fenêtre de gravure à 0.5 μm. La pulvérisation avec le masque n’est pas prise en compte dans cet exemple simplifié.
Ce que montrent les résultats
La figure ci-dessous illustre le rendement de pulvérisation en fonction de l’angle d’incidence du faisceau. Le rendement de pulvérisation désigne le nombre d’atomes de la cible pulvérisés pour chaque ion incident. Comme on peut le constater, le nombre de particules secondaires varie en fonction de l’angle d’incidence. Dans ce modèle simplifié, on suppose que la direction d’émission des particules secondaires suit une distribution cosinus, et on utilise des hypothèses basées sur des collisions élastiques pour estimer la vitesse des particules émises. Comme le montre le graphique, le rendement de pulvérisation augmente de manière quasi-linéaire en fonction de l’angle d’incidence entre 30° et 70°. Par conséquent, le rendement de pulvérisation peut être calibré en contrôlant l’angle d’incidence du faisceau. Par exemple, un angle d’incidence faible peut être utilisé pour un enlèvement de matière moindre, tandis qu’un angle d’incidence plus élevé du faisceau entraînera un enlèvement plus important de la matière cible dans cette plage.
Nombre de particules secondaires issues de la pulvérisation en fonction de l’angle d’incidence.
Trajectoires des particules et évolution de la pulvérisation avec des faisceaux incidents à 45° et −45°.
La figure ci-dessus illustre les trajectoires des particules avec des faisceaux incidents à 45° et −45°, ainsi que la progression de la pulvérisation qui en résulte. On observe qu’une plus grande quantité de matière est pulvérisée au niveau des angles ce qui entraîne une réduction plus rapide de la hauteur.
Comment pourrait-on améliorer ces résultats ?
Ce modèle peut être étendu pour intégrer d’autres facteurs influant sur la pulvérisation. Par exemple, outre l’angle d’incidence, le rendement de pulvérisation dépend également de l’énergie de l’ion incident ainsi que de la masse absolue et relative de cet ion par rapport aux atomes de la cible. De plus, le processus de bombardement est nettement plus complexe dans la réalité, certains ions pénétrant dans le substrat pour générer des collisions en cascade et les atomes n’étant éjectés qu’après de multiples événements de diffusion. Ces effets ne sont pas pris en compte dans ce modèle simplifié et nécessitent généralement des descriptions plus spécialisées de la pulvérisation ou des collisions en cascade.
À vous de jouer
Vous souhaitez essayer par vous-même la modélisation du procédé de pulvérisation cathodique ? Téléchargez le fichier MPH correspondant dans la Bibliothèque d’Applications:
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