Stabilité et structure électrique d’une décharge inductive en gaz électronégatif

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.

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.

Stratification des plasmas électronégatifs

La structure des plasmas électronégatifs est particulière. Ceux-ci présentent souvent une stratification (Ferreira et al., 1988), qui sépare le plasma en deux zones :
un cœur où sont confinés les ions négatifs, un halo, au bord, dont sont absents les ions négatifs. Nous nous placerons dans le cas où γ > 10 pour lequel la solution du potentiel est multi-valuée . Lorsque l’électronégativité est faible (inférieure à α1), la solution de l’équation 1.9 est sur la branche supérieure. Du fait de leur faible température, les ions négatifs sont confinés dans la partie centrale du plasma.
Pour une électronégativité comprise entre α1 et α2, la stratification reste prononcée et est associée à la présence d’une double couche.
Cette structure de potentiel apparaît lorsque le potentiel atteint la solution de la branche inférieure. Une solution non neutre se développe pour joindre la solution de la branche supérieure (qui est la solution acceptable) pour laquelle se développe la gaine. L’existence de ce régime a été décrit dans (Kolobov & Economou, 1997), avant que les conditions d’apparition qui viennent d’être décrites soient détaillées dans (Sheridan et al., 1999b). Pour les régimes stratifiés, la densité électronique est uniforme dans le cœur du plasma et possède un profil en cosinus dans le halo (Lampe et al., 2004).

Instabilités et plasmas électronégatifs

Dynamique et ions négatifs

Le maintien d’un régime stationnaire dans les plasmas électronégatifs est difficile. Il est établi depuis longtemps que ces plasmas présentent un caractère dynamique complexe. Plusieurs articles mentionnent des instabilités dans (Emeleus & Woolsey, 1970). De nombreuses instabilités ont été observées dans des décharges continues (Nigham & Wiegand, 1974; Johnson & Ramaiah, 1987). Citons plus récemment l’observation d’instabilités d’ionisation induites par attachement (Nigham & Wiegand, 1974) dans un réacteur capacitif radiofréquence (Descoeudres et al., 2003). Lors d’une faible augmentation de ne, Te diminue. La fréquence d’ionisation νi décroît fortement avec Te. Si la fréquence d’attachement νa diminue aussi, et plus fortement que νi, alors ne continue d’augmenter : le système est instable si ∂Te νi < ∂Te νa. Le critère de stabilité dépend fortement du gaz (O2 et CF4 peuvent conduire à un régime instable à la différence de SF6).

Instabilités dans un réacteur inductif

Dans les réacteurs inductifs, de nombreux phénomènes dynamiques ont été observés depuis 10 ans. La première observation a montré des fluctuations des paramètres plasmas (densités électronique et ioniques, émission optique) en présence de gaz électronégatif (O2, SF6) et inexistantes en Ar ou N2 (Tuszewski, 1996). Une synthèse de la dynamique observée dans le même réacteur .Deux types de dynamiques sont observées et dénommées respectivement « source oscillation » et « downstream instability ».

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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 Modèle 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 et perspectives
Références