Les plasmas basse pression

Les plasmas basse pression

Les procédés plasmas basse pression

Depuis l’invention du transistor en 1957, les techniques de traitement de l’information font largement appel à des dispositifs intégrés sur substrat semiconducteur, en particulier le silicium. Ces dispositifs intégrés demandent une mise en forme complexe, précise et à grande échelle des matériaux : création de structures nanométriques sur des substrats decimétriques. L’augmentation de la vitesse de traitement de l’information et de la densité surfacique des opérations réalisées est liée à la réduction des dimensions caractéristiques de la structure élémentaire qu’est le transistor. L’existence de systèmes de traitement de l’information photoniques intégrés, et la faisabilité de micromachines dépendent aussi fortement des techniques de mise en forme des matériaux à l’échelle nanométrique. Il est aujourd’hui possible de réaliser des tranchées de section droite de quelques dizaines de nanomètres de largeur et de quelques dizaines de micromètres de profondeur. La réalisation de ce type de tranchées fait largement appel aux technologies plasma. Le dépôt précis et contrôlé de quelques couches atomiques de matériaux sur des substrats dépend aussi de ces technologies plasma. Par exemple, la gravure des grilles des transistors CMOS sur silicium fait appel à des mélanges gazeux du type HBr/Cl2/O2. La dissociation de Cl2 par collisions électroniques dans le plasma permet l’obtention de fragments chargés et neutres qui n’existent pas dans les conditions usuelles. Il est ainsi possible de graver le silicium par la réaction
Si(s) + 4Cl(g) → SiCl4 (g)

où l’indice (g) représente la phase gazeuse et (s) la phase solide. L’avantage des procédés plasma réside d’une part dans l’obtention de fragments réactifs à de faibles températures, mais aussi dans l’activation des réactions par bombardement ionique. En effet, face à toute surface plongée dans un plasma, se crée une zone de charge d’espace appelée gaine, qui confine les électrons au cœur du plasma (voir par exemple (Lieberman & Lichtenberg, 2005)). Cette gaine accélère les ions perpendiculairement à la surface et permet une activation des réactions chimiques sur les seules surfaces parallèles à la gaine.

Ainsi, les procédés plasmas basse pression (dans la gamme 0,1 Pa à 100 Pa) sont majoritaires dans la production des composants intégrés au début du XXIe siècle. Les opérations de fabrication sont menées dans des chambres associant un système de pompage permettant de maintenir une pression très faible et l’évacuation des produits de gravure volatils, à un système de couplage de l’énergie au gaz permettant sa dissociation et son ionisation. L’énergie est transférée au gaz par une excitation électrique des espèces chargées. Il s’agit alors de concevoir une structure permettant l’excitation d’un champ électromagnétique.

Malgré des résultats spectaculaires et largement reproductibles (les technologies de l’information se sont développées grâce aux procédés plasmas et les débouchés du “nanomonde” dépendront de l’amélioration de ces procédés), de nombreuses questions scientifiques restent en suspens. En particulier les mélanges gazeux utilisés pour la gravure de motifs font intervenir des composés moléculaires (CF4, SF6, Cl2, HBr, O2…). Les collisions entre les électrons du plasma et ces molécules conduit à la formation de nombreux fragments. Le plasma contient alors plusieurs types d’ions positifs, mais aussi une fraction significative d’ions négatifs (les molécules précurseurs et leurs fragments présentent une forte affinité électronique). Ces plasmas complexes se caractérisent par un comportement dynamique riche. Il est en effet courant que les points de fonctionnement pour la gravure soient des points de fonctionnement instables : des fluctuations temporelles importantes des paramètres plasma sont alors observées. Ces instabilités sont attribuées à la présence d’ions négatifs dans le plasma. Ce manuscrit s’intéresse à la description de certains caractères dynamiques d’un plasma complexe en présence d’ions négatifs. Préalablement à la description des phénomènes observés, quelques propriétés importantes des plasmas basse pression sont rappelées au cours de cette introduction. Tout d’abord, il est essentiel de comprendre le fonctionnement des différentes structures d’excitation des plasmas basse pression pour expliquer certaines fluctuations temporelles observées. Le fonctionnement des structures classiques est rappelé en première partie de l’introduction. Nous verrons ensuite comment la description du plasma est modifiée en présence d’ions négatifs. Enfin, une revue des travaux antérieurs étudiant l’influence des ions négatifs sur la structure et la stabilité du plasma est dressée.

Modèle global d’un plasma basse pression

Afin d’étudier les lois d’échelles sur l’équilibre du plasma ou de décrire la dynamique du plasma, il est d’usage d’introduire un modèle simplifié, sans dépendance spatiale des paramètres plasma, appelé “modèle global”. Les équations de continuité sont alors considérés sous leurs formes intégrales (leurs formes locales sont développées dans les ouvrages de référence tels (Rax, 2005; Lieberman & Lichtenberg, 2005)). Pour un plasma basse pression électropositif (plasma constitué d’électrons et d’un seul type d’ions positifs) .

Réacteurs basse pression radiofréquence 

Les différentes structures de création d’un plasma basse pression par excitation radiofréquence sont décrites au cours de cette sous-section. Les trois structures de couplage les plus utilisées sont analysées successivement : réacteurs capacitif, inductif et hélicon.  La puissance radiofréquence est délivrée à ces structures par des générateurs opérant à des fréquences multiples de 13,56 MHz, selon la réglementation internationale. Ces générateurs sont conçus pour alimenter des charges adaptées 50 Ω. Or, en général, l’impédance équivalente à la structure excitatrice en présence de plasma n’est pas 50 Ω. Il est ainsi nécessaire d’introduire une boîte d’accord en impédance, constituée d’éléments réactifs variables, entre le générateur et le plasma. L’accord des éléments variables assure alors une impédance équivalent à 50 Ω pour l’ensemble du système {Boîte d’accord – Structure d’excitation – Plasma}. Plusieurs types d’associations sont possibles pour les boîtes d’accord et leur choix dépend fortement du type de source et de ses caractéristiques géométriques et électriques.

Réacteurs capacitifs 

La structure de couplage de l’énergie la plus simple est la structure capacitive : un gaz est soumis à une différence de potentiel entre deux plaques parallèles (structure identique à un condensateur plan, d’où l’appellation “capacitif”). La description suivante (Lieberman & Lichtenberg, 2005; Godyak, 1986) correspond au régime électrostatique valide pour des fréquences d’excitation telles que la longueur d’onde soit grande par rapport aux dimensions du plasma.

Deux processus de chauffage des électrons sont présents : un contribution ohmique et une contribution stochastique. La première est due à la chute de potentiel dans le cœur du plasma, faible, mais qui permet néanmoins un couplage d’énergie aux électrons de nature ohmique. Le dépôt de puissance ohmique suit alors une dépendance Pohm ∝ Irf² /ne (Lieberman & Lichtenberg, 2005). Cependant cette contribution n’est pas suffisante pour expliquer les densités observées. L’interaction du plasma avec la gaine modulée à la fréquence d’excitation apporte une contribution stochastique. Le processus physique à l’origine de cette contribution n’est pas tranché : une première approche suppose une interaction élastique des électrons réfléchis par la gaine mobile (Lieberman & Lichtenberg, 2005), une seconde analyse la compression et la détente du plasma lors de mouvement de la gaine (Turner, 1995).

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Table des matières

1 Introduction
1.1 Les plasmas basse pression
1.1.1 Les procédés plasmas basse pression
1.1.2 Modèle global d’un plasma basse pression
1.1.3 Réacteurs basse pression radiofréquence
1.2 Que changent les ions négatifs ?
1.2.1 Dynamique des espèces négatives
1.2.2 La gaine électronégative
1.2.3 Stratification des plasmas électronégatifs
1.3 Instabilités et plasmas électronégatifs
1.3.1 Dynamique et ions négatifs
1.3.2 Instabilités dans un réacteur inductif
2 Dispositif expérimental
2.1 Le réacteur hélicon
2.2 Les diagnostics
2.2.1 Sonde courant-tension radiofréquence
2.2.2 Diagnostics plasma de nature électrique
2.2.3 Diagnostic optique : photodétachement induit par laser
3 Dynamique du plasma électronégatif
3.1 Types d’instabilités observées dans le réacteur
3.2 Instabilités de “source”
3.2.1 Influence du circuit électrique
3.2.2 Mesures durant les oscillations de relaxation E/H
3.3 Instabilité de transport
3.3.1 Apparition de l’instabilité de transport
3.3.2 Mesures spatiotemporelles
3.3.3 Influence de la pression
3.3.4 Influence de la géométrie
3.3.5 La “downstream instability” : une double-couche propagative ?
3.4 Régimes de forte activité acoustique ionique
3.4.1 Activité acoustique – Régime II
3.4.2 Régime IV : déstabilisation de la double couche statique
3.4.3 Régime V : double couche propagative et activité acoustique ionique
3.5 Étude d’un mélange Ar/O2
4 La double couche statique
4.1 Évolution spatiale des paramètres plasmas
4.1.1 Évolution du potentiel plasma
4.1.2 Caractéristiques électroniques
4.1.3 Caractéristiques ioniques
4.2 Influence des paramètres expérimentaux
4.2.1 Influence de la concentration de SF6
4.2.2 Influence de la puissance
4.2.3 Influence de la pression
4.2.4 Influence des conditions aux limites
4.3 Etude d’un mélange Ar/O2
4.3.1 Mesures électrostatiques
4.3.2 Mesure par photodétachement laser
4.4 Modéle de l’équilibre du plasma
4.4.1 Présentation du modèle
4.4.2 Comparaison modèle-expériences
4.4.3 Simulations numériques
5 Influence du champ magnétique statique
5.1 La transition H – W
5.1.1 Caractéristiques du champ magnétique statique
5.1.2 Des oscillations de relaxation à la transition H/W ?
5.2 Modification de la dynamique des électrons
5.2.1 Remarques préliminaires
5.2.2 Description théorique
5.2.3 Mesure de la température électronique perpendiculaire
5.2.4 Valeurs typiques des coefficients de transport
5.3 Structure du plasma électronégatif magnétisé
5.3.1 Destruction de la double couche propagative
5.3.2 Confinement magnétique radial du plasma
5.3.3 Confinement magnétique du plasma électronégatif
Conclusion

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