Objetifs de la thèse

LesnouveauxproédésalternésdéveloppésinitialementparT.Tilloherfontionnent à

tem-pérature ryogénique (autour de

−

^{100 °C), néessitant le}refroidissement du porte-substrat par irulation d'azote liquide. Cette ontrainte matérielle peut être un inonvénient pour les

utili-sateurs de mahines de gravure, notamment pare qu'elle représente un oût en onsommable

important et desdiultéstehniquessupplémentaire s.

CettethèseenollaborationaveAlatelMiroMahiningSystemsapourobjetifsde

déve-lopper unproédédegravureprofondedusiliiumfontionnant àplushautetempérature quele

proédé ryogénique et qui présente une meilleure stabilité en température et en onentration

degazpassivant(s).Pour atteindreesobjetifs,l'idéeestd'explorerdenouvellesvoiesde

passi-vation, nonpolymérisante (an delimiter lesrésidussurles ansdesmotifsgravéset ledépt

sur les parois du réateur), en omplément ou en remplaement de l'oxygène. L'hexauorure

de soufre omme gaz de gravure est onservé ar il permet d'obtenir les meilleures vitesses de

gravure.

La première partie de e travail de thèse a onsisté en l'évaluation du dioxyde de soufre

omme agent oxydant en remplaement du dioxygène; le hapitre 4 présente une étude de la

gravureprofondedusiliium,àtempérature desubstratryogénique,par plasmaSF

6

^/SO

2

om-parativement à lahimie plasmaSF

6

^/O

2

^.

Les reherhes menées préédemment au laboratoire GREMI ont montré que les produits

de gravure SiF

4

^{partiipent à la formation de la ouhe de} passivation et que des plasmas SiF

4

^/O

2

^{permettent de réer une ouhe ayant des propriétés} similaires. De manière parallèle, nousaimerionssavoirs'ilestpossibled'utiliserletétrahlorure desiliiumomme préurseurde

passivation. LesmoléulesSiCl

4

^{onstituent eneet leproduitdegravure} majoritaire lors dela gravuredusiliiumparplasmahloré,et leurdissoiationdansleplasmaonduitàdesradiaux

SiCl

x

^{quipeuventpartiiperàlaformationd'uneouhede}passivationdetypeSiO

x

^Cl

y

^lorsque

del'oxygèneestinjetéavelehlore.Deplus,leseuildevaporisationdesespèesSiCl

4

^étantbien

plushautqueeluideSiF

4

^{,nousespéronspouvoirformer,enhimieplasmaSF}

6

^/O

2

^/SiCl

4

^{, une}

ouhe de passivationrésistante à température desubstrat plusélevée que parplasma SF

6

^/O

2

^.

Dispositifs expérimentaux

Sommaire

3.1 Le réateurde gravure ICP Alatel 601E . . . 40

3.1.1 Lasoure . . . 40

3.1.2 Lahambredediusion . . . 40

3.1.3 Lesystèmedepompage . . . 40

3.1.4 Leporte-substratryogénique. . . 42

3.1.5 Utilisationdelamahine . . . 42

3.2 Lessubstrats . . . 43

3.3 Diagnostisplasma . . . 46

3.3.1 Spetrométriedemasse . . . 46

3.3.2 Spetrosopied'émissionoptique . . . 53

3.4 Tehniques de ara térisationex situ . . . 59

3.4.1 MirosopieEletroniqueàBalayage(MEB) . . . 59

3.4.2 SpetrosopieInfrarougeàTransforméedeFourier(FTIR) . . . 60

3.4.3 Ellipsométriespetrosopique . . . 62

3.4.4 SpetrosopiedePhotoéletronsX . . . 66

Ce hapitre dérit les dispositifs expérimentaux utilisés au oursde ette thèse. L'ensemble

des gravures sur substrat de siliium ont été réalisées dans un réateur industriel à ouplage

indutif,l'Alatel601E.Après unebrève revuedesaratéristiquesde eréateurplasma,nous

nousintéresseronsauxsubstrats employéspour les gravureset laaratérisationduplasma. La

suiteduhapitre seraonsaréeauxdiagnostisplasmamis enoeuvre pour analyser lesneutres

duplasma, à savoir laspetrométrie de masseet laspetrosopie d'émission optique. Une

der-nièrepartiedétailleralestehniquesdearatérisationquiont étéutiliséesexsitu pouranalyser

les strutures gravées dansle siliium et les dépts de ouhes mines : la mirosopie

életro-nique à balayage, la spetrosopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), l'ellipsométrie

spetrosopique et laspetrosopie dephotoéletrons X (XPS).

3.1 Le réateur de gravure ICP Alatel 601 E

La mahineAlatel 601 E (f.gure 3.1) a étédéveloppée pour desappliations de gravure

profonde du siliium. Ce réateur entièrement automatisé peut en eet s'adapter aussi bien

pour des proédés de type Bosh que ryogéniques. Au laboratoire GREMI, les études ont été

onsarées essentiellement au proédé ryogénique, si bien que le porte-substrat et le mode de

régulation thermiqueont étéoptimisésà etusage.

3.1.1 La soure

Le plasma estgénéré dansun tube en alumine dediamètre 180 mm et de hauteur250 mm.

Une antenneen uivremonospireentouree tube etestonnetée àun générateurdefréquene

13,56 MHz pouvant délivrer jusqu'à 3000 W de puissane. Une boîte d'aord automatique

permet d'assurer l'adaptation d'impédane et don de limiter la puissane rééhie. D'autre

part,leplasmaestonnéparunhampmagnétiquerééparunebobineoaxiale.Enonditions

standard,unetensionde12Vestappliquéeàlabobineet leourantlaparourant estde 0,8A,

permettant d'induire unhamp magnétique statiquede 16,4 Gauss au entredu tube. Lesgaz

utiliséspour lagravure sont injetéspar lehaut de lasoure.

3.1.2 La hambre de diusion

Lahambredediusionapourrledepermettrel'homogénéisationduplasmasurl'ensemble

de la surfae du substrat. Il s'agit d'un ylindre d'aluminium anodisé (d'épaisseur 5 mm) de

diamètre 394mm etde hauteur270 mm. Desaimantspermanents sontpositionnéstoutautour

de la hambre selon une polarisation alternée, le but de ette age multipolaire externe étant

de limiter, tout omme la bobine dans la soure, les pertes d'életrons aux parois. Une jauge

Baratron est onnetée à la hambre à travers un aès DN16 pour eetuer la mesure de

pression.TroisautresoriesDN25sontdisponiblespourl'installation dediagnostistels quela

spetrométriedemasseetlaspetrosopied'émissionoptique.Enbasdelahambre,lesubstrat

estpositionnésurunporte-substratryogéniqueéletrostatique(ESC).Lepompagedel'eneinte

s'eetue autour de l'ESC à travers une grille anti-plasma, positionnée à hauteur du substrat

pour arrêter ladiusion duplasmaen dessousde l'ESC.

3.1.3 Le système de pompage

Le pompage de l'eneinte s'eetue à l'aide d'une pompe turbomoléulaire (Alatel ATH

1300M : 1250 L/s) assitée d'unepompeprimaire sèhe (Alatel ADP81 : 25 m

3

/h).La pompe

seondaire est thermalisée à 65 °C pour éviter toute ondensation de SiCl

4

^{ou formation de}

déptssursesparois.LapressionestmesuréepourlevideprimaireparunejaugePirani etpour

le vide seondaire par une jauge à ionisation de type Bayard-Alpert. Le vide résiduel atteint

Chambre de

Fig.3.1 Réateur de gravureAlatel 601 E.

par legroupe depompageest de2.10

− 7

mbar.La pressionde travailest mesuréepar unejauge

Baratron qui peut fontionner dans la gamme 0,1100 Pa. Généralement omprise entre 1 et

12 Pa, elle est ontrlée à l'aide d'une vanne de laminage motorisée qui peut fontionner en

mode de régulationde pression ouen position xée.

3.1.4 Le porte-substrat ryogénique

Le porte-substrat utilisé depuis2004 au laboratoirepeut supporterdes plaquesde diamètre

6" (150 mm) et utilise un système de lampage életrostatique (ESC) de type quadripolaire. Il

a été mis au point par Alatel pour répondre aux problèmes d'inhomogénéités en température

et de déformationde lagaine életrostatique observésave l'aniensystèmede lampage

méa-nique.L'ESComporte,au dessusd'un orpsenuivre, unsupporten aluminedanslequelsont

noyéesquatreéletrodesde géométrieomplexe (systèmed'anneauxpériphériqueset depeignes

entraux). Une fortetensionontinue (environ1700 V)dontlapolarisationpeut êtrevariée est

appliquée à eséletrodes, omme le montrele shéma de lagure3.2. Cette tensiongénère la

séparationdehargeséletriquesàlafoisensurfaedel'alumineet danslesubstratdesiliium,

réant ainsiune foreéletrostatique entrel'ESC etlesubstrat quiplaque e derniersurl'ESC.

Lerefroidissementestobtenuparlairulationd'azoteliquideàl'intérieurduporte-substrat.

Unélémenthauantpermetlarégulationdelatempératureentre

−

^{140°Cet+30°C.Leontat}

thermiqueentre l'ESCet lesubstrat estassurépar un mine lmd'hélium injeté en deuxux

distints (un orie au entre et un système omportant huit ories périphériques) dont les

pressions sont ontrollables (entre 0 et 20 mbar) et dont la irulation est optimisée par la

texture delasurfae de l'alumine.

Leporte-substratestennreliéàungénérateurRFà13,56MHzàtraversuneboîted'aord

automatique. Il peut délivrer une puissane maximale de 500 W et permet d'autopolar i ser le

substrat de siliium à une tension négative. L'asservissement possible en tension estutile pour

ontrler l'énergie des ions bombardant le substrat. Pour un proédé ryogénique standard, la

tensiond'autopolarisation esten général xéeentre

−

^{30 et}

−

^{50 V.}

3.1.5 Utilisation de la mahine

La gestion des proédés de gravure plasma est entièrement automatisée, et l'interfae ave

l'utilisateur est assurée grâe à un ordinateur de ontrle. L'utilisateur dénit les diérentes

étapesduproédé(thermalisationdusubstrat, temporisation,gravure)et leursparamètres

(dé-bitsdegaz,pression,puissanesoure,tensiond'autopolarisation,durée...)danslelogiielprévu

à et eet. Il peut laner l'exéution de son proédé après avoir plaé le substrat dans le sas

de hargement. Cetype deonguratio n équipe aujourd'hui lamajorité desréteursindustriels

ar elle permet un gainde produtivité en évitant laremontée à pression atmosphérique de la

hambre de proédé. Le sas est rapidement pompé (environ 25 s) à une pression inférieure à

Fig. 3.2Porte-substrat ryogénique.

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