IB PVD IB PVD C. MICHEL

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1 Les dépôts d IB PVD 1

2 SOMMAIRE I. La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): 1. Généralités: 2. La pulvérisation par faisceau d ions assistée (DIBS): 3. Les matériaux déposés et les applications: II. La réalisation des optiques de VIRGO: 1) Le cahier des charges: 2) Le grand coater VIRGO: 3) L amélioration de l uniformité: 4) Le traitement correctif: III. Conclusion: 2

3 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Premiers tests: années 60 Développé par la NASA: déplacement satellites dans l espace Transposé aux dépôts par Kaufman Principe de base: parfait contrôle de la «source de pulvérisation» Contrôle de l énergie et du nombre d ions envoyés sur la cible. Contrôle de la forme du faisceau d ions (grilles) Maitrise de la zone de pulvérisation 3

4 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Le cœur du système: la source d ions 1. Production des ions 2. Accélération et extractions des ions 3. La neutralisation 4

5 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Le cœur du système: la source d ions 1. Production des ions: 1. Introduction d un gaz dans la chambre de décharge Ar, Xe, O 2,. 2. Création d une décharge à partir d une source d électrons: Filament Hollow cathode RFN pour source RF (13.5 MHz) 3. Ionisation du gaz: création d ions Ar+ 4. Entretien du plasma: 5

6 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Le cœur du système: la source d ions 1. Production des ions: 6

7 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Le cœur du système: la source d ions 1. Production des ions: 2. Accélération et extractions des ions: 1. Les grilles: Maintenir une pression partielle dans la source pour entretenir la production ions Ar+ 2. Polarisation de la grille accélératrice Énergie des ions= Va + Vb (1 à 1.8 KeV pour la pulvérisation) Ib=nombre d ions qui sont extrait Ia: nombre d ions qui percutent les grilles 3. Maîtrise de la zone de la cible pulvérisée: Focale des grilles Va: divergence si Va 7

8 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Système à 4 grilles- VEECO Enhancement of collimated low-energy broad-beam ion source with four-grid accelerator system Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 23, 8 December 2003 E. K. Wa hlin,a) M. Watanabe, J. Shimonek, D. Burtn er, and D. Siegfried Veeco Instruments, 2330 E. Prospect Road, Fort Collins, Colorado

9 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités 9

10 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Le cœur du système: la source d ions 1. Production des ions: 2. Accélération et extraction des ions: 3. La neutralisation: Génération d un faisceau d électrons en direction du faisceau d ions: - Filament - Plasma bridge - Hollow cathode - RF neutralizer Maintenir une charge neutre du plasma extrait de la source Initier la décharge dans la source (Source RF) 10

11 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Schéma source RF 16 cm VEECO Crédit: VEECO 11

12 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Le cœur du système: la source d ions Forme circulaires (Ø3 à Ø32 cm) ou rectangulaires (6X 101 cm) Ib de 50 à 1000 ma, Vb de 50 ev à 1.5 kev Pour la pulvérisation, l assistance et l etching Elle peuvent travailler avec l argon, l oxygène ou tout gaz réactif Sources linéaires: Ib=30 ma/cm, 0.1<Vb< 1.8 kev pour l etching, Ion Beam Deposition & IBAD Sources sans grilles pour l assistance: Fort courant, faible énergie 12

13 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités Le cœur du système: la source d ions 13

14 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités La chambre de dépôt Porte-Substrats Substrats Cibles Particules Pulvérisées Quartz Source Pulvérisation - - Neutraliseur O2 Ar Ar 14

15 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.1 : Généralités La chambre de dépôt Apport gaz réactif Source de pulvérisation Porte-substrats Porte-cibles Neutraliseur Quartz 15

16 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.2 : La pulvérisation par faisceau d ions assistée (DIBS): La chambre de dépôt Porte-Substrats O2 Source Assistance Ar Neutraliseur (Filament, PBN) Substrats Cibles + + Particules Pulvérisées Quartz Source Pulvérisation O2 Ar Neutraliseur Ar 16

17 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.2 : La pulvérisation par faisceau d ions assistée (DIBS): La chambre de dépôt Source de pulvérisation Source d assistance Cibles 17

18 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.2 : La pulvérisation par faisceau d ions assistée (DIBS): Utilisation de la source d assistance: Apport d énergie aux particules déposées Stabilisation et densification de la couche en croissance Apport de gaz réactif Etching du substrat avant dépôt mais plus souvent utilisé en évaporation (IAD) 18

19 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.3 :Les matériaux déposés et les applications: La pression de travail est basse: 1 E-04 < P (mbar) < 4 E-04 L énergie des particules pulvérisées est de plusieurs ev: Très bonne adhérence des couches La vitesse de dépôt est faible: 0.25 à 5 Å/s peu de défauts, stœchiométrie respectée, faible rugosité Tous les types de matériaux peuvent être pulvérisés: Métaux, semi-conducteurs, diélectriques. Possibilités de dépôts réactifs: Oxydes, nitrures, fluorures.. 19

20 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.3 :Les matériaux déposés et les applications: Seuls les atomes de la cible sont pulvérisés : Pas de contamination Les matériaux déposés sont très purs Possibilité de déposer des alliages, des dopages par co-pulvérisation respect des concentrations 20

21 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.3 :Les matériaux déposés et les applications: Les couches sont fortement contraintes: Traitement thermique conseillé pour éviter les déformations Coût de mise en œuvre élevé: Source d ions: 80 k (16 cm RF) Coût de fonctionnement élevé: grilles 10 k Nettoyage fréquent des grilles: Nécessité d ajuster les réglages après nettoyage Complexité et instabilité de fonctionnement des sources d ions Technologie «chère» 21

22 I La technique de pulvérisation par faisceau d ions (IB-PVD): I.3 :Les matériaux déposés et les applications: Les champs d applications sont variés mais limités aux produits à fortes valeurs ajoutées: Optiques de précision: absorption < nm Faible diffusion (< 10 ppm) Très bonne résistance à l environnement Résistance à l endommagement laser Exemple: gyrolasers, cavités lasers haute finesse. Semi-conducteur: dépôts métalliques pour lift-off Les dépôts de supraconducteurs: maîtrise de la stœchiométrie Dépôt de DLC sans hydrogène 22

23 II.1 : Le cahier des charges: Les interféromètres L interféromètre gravitationnels AdV. VIRGO 23

24 II.1 : Le cahier des charges: L interféromètre AdV. VIRGO Schéma optique Miroir d extrémité1 Miroir HR R= % LASER YAG:Nd nm Miroir de recyclage AR R< Miroir d entrée kw Miroir R=92 % Miroir R=98.6 % A.R. R< BS R=50 % 650 kw L=3 km AR R< mw Séparatrice AR R< Miroir d entrée 2 Miroir R=98.6 % 650 kw L=3 km Finesse=210 Miroir HR R= % Miroir d extrémité2 DETECTEUR détecteur 24

25 II.1 : Le cahier des charges: L interféromètre AdV. VIRGO Le cahier des charges des optiques (λ 0 =1064 nm): Très faibles pertes optiques: D+A <5 ppm HR: T<5 ppm AR face arrière (R<50 ppm) Optiques grandes dimensions: D= 350 mm, e=200 mm, poids= 40 kg Pertes dues à la planéité < 20 ppm Uniformité: 0.2 % sur Ø 160 mm au centre Miroirs d entrée: T<1 % 25

26 II.1 : Le cahier des charges: La couche quart d onde C est une couche dont l épaisseur physique est égale à la longueur d onde divisée par 4n. e c = λ 4 n 0 c n, c n 2 transforme la surface selon la loi : n = c t n s sont respectivement les indices de réfraction de t et n s la couche, de la surface transformée et du substrat. n 26

27 II.1 : Le cahier des charges: Un empilement de couches quart d onde de x couches H et (x-1) couches B: n s (HBH.HBHBH) n 0 a une réflectance R = n n o o + ( n ( n ( n B) ( n ) B 2 x H ) 2 ( x 1 ) 2 x H ) 2 ( x 1 ) n n S S n 0, n H, n B, n S sont respectivement les indices de réfraction de l air, de la couche H, de la couche B et du substrat. 27

28 II.1 : Le cahier des charges: Empilement (HB)n H2B layers 14 layers 26 layers 70 B H Reflectance (%) Substrat n H > n B Wavelength (nm) H: Ta 2 O 5 n H =2.035 B: SiO 2 n B =

29 II.2 : Le coater VIRGO: Technologie de dépôt: pulvérisation ionique Budget: 2.25 M Dimensions: 2.2 x 2.2 x 2 m Zone utile: Ø 1 m Pompage propre: 2 pompes sèches 4 cryopompes Pression: mbar en 3 heures sources d ions RF + neutraliseurs RF Contrôle in-situ : 4 balances à quartz 29

30 II.2 : Le coater VIRGO: Le Grand Coater VIRGO côté classe ISO 3 30

31 II.2 : Le coater VIRGO: Le Grand Coater VIRGO côté salle grise 31

32 II.3 : L amélioration de l uniformité: Première possibilité : optimisation de la géométrie du bâti: Distance cible-substrat Uniformité si distance Centre du substrat confondu avec l axe de rotation Avoir une symétrie de révolution Plusieurs couples cibles-sources Augmenter la vitesse de dépôt Combiner les profils Angle des cibles Déplacer les profils 32

33 II.3 : L amélioration de l uniformité: Première possibilité : optimisation de la géométrie du bâti: 5.00E-03 Uniformité 3.00E E E E E E E-03 C Angle 53 5 C11025 (52 5) avant recuit C Angle 53 4 Zone utile -1.10E E E distance en mm Insuffisant pour traiter 2 optiques de 350 mm simultanément Insuffisant pour miroirs avec ETM (T=5 ppm) 33

34 II.3 : L amélioration de l uniformité: Traitement de 2 optiques simultanément: Ø 800 mm avec uniformité sur une couronne (Ø int 120 mm; Ø ext 280 mm) Rotation simple pas suffisante: Masquage Principe: Mise en place d un masque entre la cible et le substrat Calcul du masque: plusieurs approches possibles int ext 34

35 II.3 : L amélioration de l uniformité: Calcul du masque: plusieurs approches possibles Simulation du profil des particules pulvérisées à partir de simulation type Monte Carlo (SD TRIM) Mesure du profil des particules pulvérisées en statique Hypothèse de départ: profil du dépôt avec une distribution spatiale type évaporation Dans tous les cas plusieurs itérations nécessaires: ombrage masque imprécisions 35

36 II.3 : L amélioration de l uniformité: Une des méthodes développées au LMA Calcul de l épaisseur en un point M: À partir d une source ponctuelle la quantité de matière e(ȅ)est proportionnelle à cos θ/r 2 e( θ ) = m cos( θ ) 2 4πρ r O x θ :angle avec la normale à la surface e: épaisseur en 1 point M ρ: densité du matériau h r θ m: masse du matériau r: distance entre la source et le point M 36

37 II.3 : L amélioration de l uniformité: Calcul de l angle du masque au rayon r Hypothèse de départ: dépôt axisymétrique r θ(r) 2π π 0 emin θ(r) = 2. 1 e(r) Avec θ(r)=angle du masque au rayon r e(r) = épaisseur au rayon r e 0 min = épaisseur minimum 37

38 II.3 : L amélioration de l uniformité: profil de dépôt ne correspond au modèle masque éloigné de la surface du substrat plusieurs itérations nécessaires θ i+ 1 ( r) θ = i ( r) π 1 1 π min e i ei ( r) θ i =angle du masque i e i (r) = épaisseur au rayon r avec masque i e i min = épaisseur minimum avec masque i 38

39 II.3 : L amélioration de l uniformité: Exemple de masque: Précision d usinage: 0.1 mm Précision de positionnement: 0.5 mm 420 mm 39

40 II.3 : L amélioration de l uniformité: Sans masque: 30 % sur Ø 700 mm Avec masque: <2% pour Ta2O5 <3% pour SiO2 0 Problème du centre Zone utile: mm Uniformité Ta2O5: 0.2% Uniformité SiO2: 0.5% Position en mm Uniformité (%) SiO2 - Mask 3 Ta2O5 - Mask 3 Ta2O5 - no Mask

41 II.3 : L amélioration de l uniformité: Pas de symétrie radiale autour de l axe optique: 41

42 II.3 : L amélioration de l uniformité: Pas de symétrie radiale autour de l axe optique: Pertes optiques dues à la planéité simulées à 105 ppm Distance /axe de rotation 42

43 II.3 : L amélioration de l uniformité: Combinaison mouvement planétaire avec masques Pour un empilement HR d épaisseur 5.9 µm : sur Ø 160 mm: 4 nm PV, 0.85 nm rms Pertes optiques dues à la planéité sont simulées < 20 ppm 43

44 II.3 : L amélioration de l uniformité: Combinaison mouvement planétaire avec masque Installation dans les prochains jours 44

45 II.4 : Le traitement correctif: Le dépôt reproduit la forme du substrat Planéité substrat < 0.5 nm rms Le polissage traditionnel n est pas parfait: Planéité > 1.5 nm rms Le rayon de courbure est une parabole Le traitement correctif Premiers essais en 1996 il faut corriger le substrat 45

46 II.4 : Le traitement correctif: Source d ions Masque Robot Substrat en silice 1. Une cartographie de la zone à corriger est établie. 2. Choix du type de masques en fonction de la surface à corriger, de la dimension et de l amplitude des défauts Cible de silice Atomes pulvérisés Substrat en translation 3. Dépôt de silice dans les trous sur un substrat nu ou dépôt de silice sur les bosses sur un substrat déjà traité avec un miroir interféromètre 46

47 II.4 : Le traitement correctif: Substrat 156 mm type VIRGO. Premier essai de meilleur plan avant correction ( 120 mm) 3.3 nm R.M.S. 16 nm P.V. après correction ( 120 mm) 0.98 nm R.M.S. 10 nm P.V. 47

48 II.4 : Le traitement correctif: Le nouveau robot Masque Robot porte substrat - Combinaison de 3 rotations - Déplacement dans cercle de Ø 1m - Précision : 0.1 mm - Charge utile: 500 kg 48

49 II.4 : Le traitement correctif: 49

50 II.4 : Le traitement correctif: Toutes les formes peuvent être réalisées 50

51 II.4 : Le traitement correctif: Un autre exemple de forme 3D: le «chapeau mexicain» Transformer un faisceau gaussien en faisceau plat «MESA BEAM» 51

52 II.4 : Le traitement correctif: Surface de forme spéciale Faisceau gaussien Mesa Beam Asphérique Sphérique 52

53 II.4 : Le traitement correctif: Source d ions Masque Substrat en rotation Robot Etape 1 en rotation simple: dépôt de silice pour faire la forme extérieure du chapeau mexicain avec un masque adapté Atomes pulvérisés précision ~60nm Peak to Valley Cible de silice interféromètre 53

54 II.4 : Le traitement correctif: Source d ions Etape 2 Réalisation du profil central par traitement correctif Robot Masque Cible de silice Atomes pulvérisés Substrat en translation interféromètre 54

55 II.4 : Le traitement correctif: Comparaison théorie-mesure Height (nm) MH théorique (nm) C05009rX C05009rY Radius (mm) 55

56 II.4 : Le traitement correctif: Une alternative: le polissage ionique (Ion beam Figuring) Enlèvement de la matière par pulvérisation directe du faisceau d ions sur le substrat Planéité jusqu à 0.25 nm RMS 633 nm) Réalisation de formes complexes irréalisables par polissage traditionnel Pas de rayures, scratch Applicables sur différents matériaux: Zerodur, ULE, verre, céramique, Si, CaF2 56

57 III CONCLUSION : Conclusion Technologie permettant de déposer tous les types de matériaux Performances des couches minces proches du matériau massique Possibilité de traiter des pièces de grandes dimensions avec une très bonne uniformité Possibilité de réaliser des dépôts en 3 D : traitement correctif 57

58 Merci de votre attention 58