Étude expérimentale des plasmas d’oxygène pur à couplage inductif

Description du problème

L’étude des plasmas d’oxygène pur à couplage inductif est nécessaire pour deux raisons. D’une part, il s’agit d’un plasma en gaz diatomique “simple” dont les propriétés sont représentatives de plasmas de gravure en gaz plus compliqués. L’étude de ces gaz diatomiques simples est donc une première étape dans la compréhension générale des plasmas de gravure. D’autre part, l’industrie de la micro-électronique les utilise pour la gravure de couches photo-sensibles ou la destruction de déchets organiques [V.M. DONNELLY [2013]]. Ils sont de plus très utilisés dans des mélanges de Cl2/O2/HBr pour la gravure du silicium. Leur étude est donc également nécessaire à l’amélioration de ces procédés. Une partie de ce travail d’amélioration consiste à construire des réacteurs plasmas optimisés pour certaines conditions d’utilisation des plasmas d’oxygène pur à couplage inductif.

Le développement de nouvelles générations de réacteurs plasmas se conduit de plus en plus à l’aide de modèles numériques multi-dimensionnels [KUSHNER [2009]]. Le modèle 2 −D cylindrique “Hybrid Plasma Equipment Model” [KUSHNER [2009]] et le travail de [P.L.G. VENTZEK et KUSHNER [1993]] en sont des exemples. Ceux-ci doivent décrire un grand nombre de phénomènes plasmas fondamentaux se produisant sur de vastes échelles spatio-temporelles. Ils doivent également décrire de manière satisfaisante les propriétés essentielles des principaux types de réacteurs, dont les réacteurs à couplage inductif. Néanmoins, ces modèles sont très lourds et nécessitent d’importants temps de calculs. À cet effet, ils ne contiennent généralement pas beaucoup de mécanismes réactionnels. De plus, la plupart des modèles “2-D” présents dans la littérature fournissent des données en deux dimensions mais pour seulement quelques conditions de pression et de puissance injectée. Par conséquent, il est difficile d’utiliser ce type de modèles pour étudier et comprendre les processus réactionnels fondamentaux des plasmas. À l’inverse, les modèles “0-D” (globaux) omettent tous les processus “2-D” au cœur des plasmas mais prennent en compte un nombre très important de mécanismes réactionnels. Ils permettent d’étudier quasi-systématiquement l’impact de ces processus sur les paramètres plasmas en fonction des conditions de pression et de puissance. Bien qu’ils ne soient pas “réalistes”, ils permettent néanmoins de comprendre les rapports entre les paramètres plasmas, leurs tendances en fonction de la pression et de la puissance ainsi que les principaux mécanismes réactionnels. Ils constituent donc des outils intéressants et complémentaires avec les modèles “2-D”.

L’objectif général de ce chapitre est d’effectuer une comparaison entre les résultats issus de la modélisation “2-D” et “0-D” et ceux issus de l’expérience. À l’aide de ce travail, nous espérons soit valider les mécanismes réactionnels inclus dans les modèles soit identifier certains processus manquants ou encore mal décrits. Nous nous intéresserons en particulier aux mécanismes collisionnels et réactionnels du plasma. Cette identification permettra d’améliorer les modèles multi-dimensionnels. Des modèles plus performants produiront des réacteurs plasmas mieux conçus.

De nombreux modèles globaux existent déjà dans la littérature ou sont en développement. Le modèle de [LEE et LIEBERMAN [1995]] permet de comprendre l’impact de coefficients de recombinaison différents sur les densités de charges du plasma. La série de modèles [GUDMUNDSSON et LIEBERMAN [1998]], [J.T. GUDMUNDSSON et LIEBERMAN [2000]] et [GUDMUNDSSON [2004]] permet de mettre en évidence l’impact de nombreux états de l’oxygène moléculaire sur les densités électroniques et d’oxygène atomique. Le modèle de [D.A. TONELI et GUDMUNDSSON [2015b]] permet quant à lui de mesurer l’impact des parois du réacteur et de la forme des fonctions de distribution électronique sur l’oxygène atomique et moléculaire et les ions O+ et O+ 2 . Vasco Guerra [D. MARINOV [2013]], [K. KUTASI [2010]] et son équipe de l’université de Lisbonne développent actuellement un modèle global cinétique (LoKi) permettant d’identifier le rôle de l’oxygène moléculaire excité vibrationnellement dans la dynamique du plasma. Ceci est particulièrement intéressant dans la mesure où il n’existe encore aucune étude de ce type. Le développement de ce modèle se fait en collaboration avec le Laboratoire de Physique des Plasmas. Nous avons dit plus haut que les modèles “2-D” se prêtaient difficilement à des comparaisons avec l’expérience. Cela est généralement vrai. Cependant, le modèle HPEM de [KUSHNER [2009]] est une exception. Il s’agit en effet d’un modèle développé en partie par Andrew Gibson en collaboration avec notre équipe. À cet effet, il nous fournit “à la demande” les données dont nous avons besoin. Nous effectuerons donc également sur ce modèle notre travail de comparaison.

Présentation critique des résultats expérimentaux

Densités électroniques

À l’aide de la sonde Hairpin décrite au chapitre précédent, nous avons mesuré la densité d’électrons dans le plasma, au centre du réacteur pour des pressions allant de 3 à 90 mTor r et des puissances allant de 200 à 500 W. Dans la gamme de pression allant de 3 à environ 35 mTor r , les densités électroniques augmentent rapidement jusqu’à atteindre un maximum puis de redescendre. Ce maximum dépend de manière quasi-linéaire de la puissance injectée. À 500 W et 40 mTor r , il est de 6.10¹⁰ cm−3 . Les densités décroissent ensuite très lentement en fonction de la pression. Les mêmes données tracées en fonction de la puissance, pour des pressions fixées montrent que les densités électroniques ont un comportement presque linéaire en fonction de la puissance. Des mesures expérimentales de densités électroniques similaires existent déjà dans la littérature, ce qui nous offre un point de comparaison. Nous n’avons pu trouver dans la littérature de mesures de densités électroniques en plasmas d’oxygène pur à couplage inductif effectuées à l’aide de sondes Hairpin. Il semble qu’il s’agisse des premières mesures effectuées par sonde Hairpin sur ce type de plasmas. Nous ne pourrons donc pas comparer nos résultats directement avec des travaux existants.

En revanche, il existe de nombreuses mesures de densités électroniques effectuées au moyen de sondes de Langmuir. Sans être totalement exhaustif, nous pouvons considérer les contributions de [T.H. CHUNG et SEO [2006]], [C.S. CORR et GRAHAM [2012]], [J.T. GUDMUNDSSON et LIEBERMAN [2000]], [GUDMUNDSSON [2004]], [M. TADOKORO et MAKABE [1998]], [A. SCHWABEDISSEN et ROBERTS [1998]].

Toutes ces données sont obtenues sur des réacteurs TCP. Cependant, les géométries des réacteurs ainsi que celles des bobines plates utilisées ou encore la nature chimique des parois (aluminium ou acier) sont variables selon les auteurs. Ces différences pouvant fortement impacter les mesures effectuées, il est difficile de comparer entre elles les mesures d’auteurs différents. De plus, aucun de ces travaux n’explore les densités électroniques au-delà de 40 mTor r . C’est pourquoi nous fournissons nos propres mesures expérimentales. Il est néanmoins instructif de comparer les ordres de grandeurs et les tendances des paramètres plasmas trouvés par les divers auteurs de la littérature.

L’ensemble des données que nous avons compilées s’accordent grossièrement avec les nôtres en ce qui concerne les ordres de grandeur. En effet, selon les pressions et puissances utilisées dans ces travaux, la densité électronique varie bien entre 10¹⁰ et 10¹¹ cm−3 . Notons toutefois que les résultats varient très fortement suivant les travaux. Au sein d’un même travail, la méthode utilisée a également un impact important comme le montrent[T.H. CHUNG et SEO [2006]]. Ceci illustre les difficultés de mesures par sonde de Langmuir.

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Table des matières

1 Contexte de la thèse et objectifs
1.1 Une brève introduction
1.2 La nécessité des plasmas en micro-électronique
1.3 Éléments de physique des plasmas
1.4 Les réacteurs plasmas à couplage inductif
1.5 Les réactions chimiques en phase gazeuse
1.6 Les réactions chimiques aux parois
1.7 Le rôle de la simulation numérique dans le développement des réacteurs plasmas
1.8 La validation des modèles numériques : description des principales techniques de diagnostics plasmas
1.9 Objectifs et organisation de la thèse
1.10 Références
2 Description des dispositifs expérimentaux
2.1 Le réacteur
2.2 Techniques de diagnostic
2.3 Références
3 Étude expérimentale des plasmas d’oxygène pur à couplage inductif
3.1 Description du problème
3.2 Présentation critique des résultats expérimentaux
3.3 Présentation des modèles numériques
3.4 Comparaison des modèles numériques avec les mesures expérimentales
3.5 Identification des mécanismes fondamentaux du plasma
3.6 Conclusion
3.7 Références
4 Étude expérimentale des plasmas de chlore pur à couplage inductif
4.1 Description du problème
4.2 Description critique des résultats expérimentaux
4.3 Présentation des modèles numériques
4.4 Comparaison des modèles numériques avec les résultats expérimentaux
4.5 Identification des processus réactionnels du plasma
4.6 Conclusions
4.7 Références
5 Conclusions générales

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