Équipement de gravure CDE (Chemical Downstream Etching) = Plasma

Le réacteur est un prototype constitué d'un empilement de deux sources à couplage capacitif qui peuvent être utilisées indépendamment l'une de l'autre. La première source, commercialisée sous le nom F rontierT M par Applied Materials, est située en haut du réacteur et permet de

créer un plasma délocalisé. La deuxième source est située dans la partie "downstream" et le porte substrat (=CHUCK) est équipé d'un générateur radiofréquence à 13,56 MHz à couplage capacitif.

Le réacteur fonctionne selon deux modes, suivant la source utilisée. Soit un plasma déporté est généré (via la source en haut) et les radicaux diusent vers le substrat, soit les espèces

réactives sont créées directement dans la chambre du bas via la source plasma CCP. Seulement le mode plasma déporté sera étudié (pour plus de clarté nous nous référerons à ce dernier par le terme de réacteur F rontierT M). Le schéma de principe est présenté ci-dessous Fig.1.28.

Figure 1.28  Schéma de fonctionnement de la chambre de gravure en mode plasma déporté. F rontierT M.

La source F rontierT M est séparée physiquement de la chambre de gravure par une douche

de distribution et un ltre. Le plasma est généré en haut du réacteur dans un espace réduit (de quelques millimètres de hauteur). Les trous du ltre (ici représentés en rouge) sont de plus petit diamètre que les trous des douches et ils se chevauchent partiellement de manière à réduire au maximum le diamètre de passage entre la chambre de génération du plasma et la chambre de gravure. La restriction du passage empêche les espèces chargées d'entrer dans la chambre de gravure. Les ions vont, soit se recombiner entre eux pour former des neutres, soit être perdus sur les parois internes des trous. Seuls les radicaux et les neutres pourront passer à travers la grille de neutralisation et atteindre la chambre de gravure. La neutralisation du plasma permet de former un mélange gazeux réactif composé uniquement de molécules et de radicaux, d'où l'appellation de gravure chimique par voie sèche.

En l'absence de bombardement ionique, la gravure dépend des équilibres thermodynamiques et de la cinétique de réaction. Les réactions ayant lieu dans le réacteur F rontierT M _dépendent

totalement de la pression, de la température, de la puissance, de la composition du mélange gazeux et des matériaux composant le corps de la chambre, etc. Dans les paragraphes sui- vants seront détaillés l'ensemble des paramètres pouvant inuencer les réactions ainsi que les caractéristiques propres du réacteur F rontierT M_.

1.3.2.1 Composition chimique

L'injection des gaz s'eectue en deux endroits en fonction du mode choisi, soit par le haut et dans ce cas les gaz ont pour but d'être ionisés par la source plasma, soit par le bas du réacteur et ils ne seront pas ionisés. Ce dernier mode n'a pas été utilisé lors de nos études, mais ore

la possibilité d'ajouter un composé gazeux en plus du mélange réactif généré par le plasma. Cependant la composition des gaz entrants simultanément par les deux orices est forcément identique. La panoplie de gaz disponible est la suivante : NF3, NH3, He, H2, O2, N2, N2O etc.

Nous avons principalement travaillé avec des mélanges gazeux (NF3 /O2/ N2) et (NF3 /N2/

H2).

1.3.2.2 Température

Les parois internes du réacteur sont composées d'oxyde d'yttrium (Y2O3) et leur température

peut varier entre 30 et 80◦_{C. La douche de distribution (=LID) est elle aussi chauée avec une}

gamme de température de fonctionnement entre 30 et 150◦_{C. La température du porte substrat}

(=Chuck) peut varier entre 20 et 250◦_{C, celle-ci est maintenue stable grâce à un ux d'hélium en}

face arrière, nommé système de refroidissement (=Chiller). Une étude a été réalisée an étudier l'inuence de la température de la douche de distribution par rapport à la température du porte substrat. La gamme de variation du LID est entre 35 et 90◦_{C et la température du porte}

substrat est soit à 25◦_{C, (voir Fig.1.29), soit à 40}◦_{C, (voir Fig.1.30). Les autres températures}

(Chiller et Wall)sont maintenues constantes. La température du système de refroidissement (= Chiller) sert exclusivement à maintenir la température du porte substrat stable et lors de cette expérience elle sera donc maintenue à 15◦_{C. Les parois sont encadrées en haut par le LID}

et en bas par le Chuck. Par conséquent la température des parois peut varier lorsque l'écart entre ces derniers est trop important. La température des parois a donc été xée à une valeur intermédiaire entre le minimum et le maximum de variation de température du LID, soit autour de 40◦_C.

Figure 1.29  Évolution croissante de la vitesse de gravure de Si3N4 et de SiO2 en fonction

de la température du LID variant entre 30 et 90◦_{C, pour une température du porte substrat}

Figure 1.30  Évolution croissante de la vitesse de gravure de Si3N4 et de SiO2 en fonction

de la température du LID variant entre 50 et 80◦_{C, pour une température du porte substrat}

xée à 40◦_C

Cette étude préliminaire met en évidence que la température du chuck et la température du LID inuencent toutes les deux la vitesse de gravure de Si3N4 et de SiO2. Mais la température

du LID ne peut être maintenue à basse température( < 30◦_{C) car il existe des risques de}

boucher les trous de la douche de diusion par collage des neutres à l'intérieur des parois. Par conséquent, nous avons imposé une température minimum pour le LID à 60◦_{C et choisi de faire}

varier de la manière la plus homogène possible la température dans la chambre de gravure. Pour cela la température du LID sera toujours xée à 20◦_{C au dessus de la température du}

porte substrat.

1.3.2.3 Puissance source

La puissance de génération du plasma peut varier dans une gamme de 0 à 350 W. Nous avons arbitrairement adopté la puissance de travail utilisée par nos prédécesseurs qui est de 250 W. A cette puissance les mélanges gazeux testésNF3/O2, N F3/N2, N F3/N2O, etc sont très

bien dissociés. Il n'est pas attendu d'eet trés important en augmentant la puissance source, nous n'avons donc pas étudié sa variation au cours de nos travaux.

1.3.2.4 Pression

Le protocole de gravure mis en place au cours de la thèse nécessite l'utilisation de deux régimes de pressions diérents. Dans un premier temps, sont injectés 2000 sccm d'Helium à 2 Torr dans le but de purger l'équipement et ainsi enlever les traces d'éventuelles chimies précédentes. Cette étape sert aussi à stabiliser l'équipement. Ensuite le mélange gazeux composé d'un débit massique total de 1000 sccm est injecté dans la chambre dont la pression est xée à de 2 Torr. Cette étape a deux fonctions : remplir de la chambre de génération du plasma avec le bon mélange de gaz, mais aussi pour faciliter l'amorçage du plasma à 1 Torr. Ensuite le plasma est généré avec le mélange gazeux souhaité avec une pression abaissé à 1 Torr pour le plasma ON. Plusieurs tests de génération de plasmas ont été réalisés à diérentes pressions : 0.7 Torr,

1.5 Torr et 2 Torr. En dessous de 1 Torr le plasma n'est pas stable avec le mélange gazeux étudié (composé de NF3 et O2), la boite d'accords ne se stabilise pas et plusieurs problèmes

apparaissent. Le plasma généré à une pression supérieure à 1 Torr est stable mais nous n'avons vu aucune modication notable sur les vitesses de gravure. Le mélange gazeux NF3/O2 se

dissocie très bien et en quasi-totalité, par conséquent, l'augmentation de la pression de 1 à 2 Torr augmente la densité d'espèces réactives formées mais n'augmente pas pour autant la vitesse de gravure. On estime le temps de résidence des espèces à une dizaine de secondes et il est important de noter que le pompage est une condition déterminante pour l'élimination des produits de gravure. En eet, dans le cadre d'une gravure purement chimique, les produits de réactions volatils formés au cours des mécanismes chimiques doivent être évacués rapidement an d'éviter la re-déposition et les réactions secondaires de recombinaisons indésirables. Après gravure, diérentes étapes sont nécessaires pour eectuer le dégazage. Les deux régimes de pompage sont assurés grâce à la présence de deux vannes de régulation :

• une vanne papillon située à l'entrée du système de pompage primaire permet la régulation de la pression sur une gamme allant de 1 Torr à 10 Torr

• une vanne TGV (pour Throttle Gate Valve) qui contrôle la pression en dessous de 1 Torr.

En conclusion pendant l'étape de gravure la pression est maintenue à 1 Torr.