Le plasma : le 4ème état de la matière 39

La notion de plasma a été introduite par Langmuir en 1923. Ce 4ème état de la matière, que l’on retrouve dans les étoiles et le milieu interstellaire, constitue la majorité de notre univers (environ 99%). Le plasma est défini comme étant un milieu gazeux ionisé électriquement neutre contenant des ions (cations et anions), des électrons et des neutres (atomes, molécules et radicaux).

On distingue deux types de plasma, selon sa température :

- les plasmas "chauds" : plasma thermonucléaire dont la température est de l’ordre de 5.107 K

- les plasmas "froids" dont la température est inférieure à 50 000 K

Les plasmas utilisés en microélectronique sont de type froid. Selon que les températures des électrons, des ions et des neutres sont différentes ou non on distingue deux types de plasmas froids. Dans le cas où ces températures sont les mêmes, on parle de plasma en équilibre thermodynamique

Chapitre I : Contexte technologique n i i n n n + =

α

local (ETL) comme par exemple les arcs électriques ou les torches plasma. Dans le cas d'un plasma hors ETL, la température des électrons (qques 105 K) est très nettement supérieure à la température des ions et des neutres (~300 K). En effet, la masse des électrons étant 105 fois plus faible que celle des ions leur mobilité est très importante. De plus ils ne transmettent qu'une petite partie de leur énergie cinétique lors de chocs élastiques avec les neutres. Les plasmas utilisés en microélectronique font partie de cette dernière catégorie.

Un plasma est généralement défini par son degré d'ionisation α :

Equation I.5

Avec ni : densité ionique et nn : densité des neutres

On parle de plasma fortement ionisé pour un degré d'ionisation proche de 1. Les plasmas utilisés dans le cadre de cette thèse sont des plasmas faiblement ionisés (α≈10-3) et basse pression (qques mTorr).

Par définition un plasma est électriquement neutre (à l'échelle macroscopique), car les densités d'électrons et d'ions sont pratiquement identiques (ne≈ni). Quand un déséquilibre de charges se produit

dans un plasma, des forces électrostatiques apparaissent et un mouvement de charges se met en place afin de rétablir la neutralité du milieu. Si la neutralité d'un plasma est vérifiée au plan macroscopique, cela n'est plus vrai en dessous d'une certaine échelle. En effet, une charge électrostatique voit son potentiel écranté par les autres charges à partir d'une distance caractéristique appelée longueur de Debye (λD). Un plasma peut-être considéré comme neutre pour des distances supérieures à la longueur

de Debye qui est, pour les plasmas de gravure, de l'ordre de quelques microns. Une caractéristique importante des plasmas générés dans les réacteurs de gravure est qu'ils sont confinés par les parois. Cette perturbation tend à faire perdre au plasma sa neutralité macroscopique. Ce dernier va alors répondre en formant ce qu'on appelle des gaines de charge d'espace, les gaines électrostatiques.

I.4.1.1 Les gaines électrostatiques

Comme évoqué dans le paragraphe précédent, les électrons sont donc beaucoup plus mobiles que les ions. De ce fait, le flux d'électrons qui va se perdre sur les parois est beaucoup plus important que le flux d'ions. Ainsi le plasma perd ses électrons lorsqu'il est confiné. Afin de garder sa neutralité macroscopique, le plasma se porte à un potentiel positif par rapport aux parois, c'est le potentiel plasma noté Vp. Il se crée donc une différence de potentiel entre le plasma et les parois dans une zone

de charge d'espace positive (50µm à 1cm) qu'on appelle gaine électrostatique (figure I.27). La densité ionique (ni) dans cette gaine devient supérieure à la densité électronique (ne). En conséquence les

électrons se retrouvent confinés à l'intérieur du plasma par cette barrière de potentiel. L'autre effet de ces gaines est d'accélérer les ions positifs vers les parois du réacteur.

Seuls les électrons les plus énergétiques (dont le potentiel est supérieur au potentiel plasma Vp) pourront traverser la gaine et venir se perdre sur les parois. Le potentiel plasma s'ajuste alors afin que le flux d'ions et d'électrons qui se perdent sur les parois soit le même, ce qui assure la neutralité du plasma. La valeur de ce potentiel plasma est de l'ordre d'une dizaine d'eV.

Chapitre I : Contexte technologique i e B

M

kT

U

=

Figure I.27 : Illustration de la chute de potentiel au contact des parois

Un point très important de ces gaines est le phénomène d'accélération des ions positifs. En général, la puissance électrique déposée dans un plasma est absorbée par les électrons mobiles. Les électrons décélérant dans la gaine vont alors dissiper une partie de leur énergie cinétique et charger ainsi la gaine électrostatique. L'énergie cinétique est alors convertie en énergie potentielle, qui va à son tour être dissipée par les ions (qui gagnent de l'énergie cinétique) en chauffant les parois du réacteur. La conséquence de ce phénomène est que les ions du plasma sont accélérés vers les parois (et donc aussi vers le substrat) avec une incidence normale. Cette caractéristique est très importante pour expliquer le caractère directionnel de la gravure plasma.

La condition indispensable à la formation d'une gaine de charge d'espace positive est que la densité ionique devienne supérieure à la densité électronique. Pour cela il a été montré30 que les ions doivent avoir une vitesse minimum Ub appelée vitesse de Bohm. Les ions acquièrent cette vitesse dans

une région du plasma présentant une faible chute de potentiel en bordure de la gaine, la pré-gaine (Figure I.27).

La vitesse de Bohm est donnée par la relation suivante :

Equation I.6

où k est la constante de Boltzmann et Mi la masse ionique

Le flux ionique bombardant les parois est donc égal au flux de Bohm ΓB :

ΓB = ni.UB Equation I.7

I.4.1.2 Le phénomène d'autopolarisation

La gaine électrostatique entraîne donc une accélération des ions positifs vers les parois et le substrat. Néanmoins ce bombardement induit est insuffisant pour la gravure de substrats tels que le silicium, de plus il est nécessaire pour certaines applications de pouvoir contrôler le bombardement ionique. Appliquer une tension continue au substrat à l'aide d'un générateur DC est impossible, car les plupart des substrats à graver sont des isolants. Par conséquent le substrat est placé sur une électrode alimentée par une excitation RF (VRF), par l'intermédiaire d'une capacité qui va s'autopolariser. Ainsi

Chapitre I : Contexte technologique

un substrat isolant apparaît simplement comme une capacité supplémentaire en série avec les capacités des gaines.

Lorsqu'on introduit dans le plasma au potentiel Vp une électrode (sans puissance RF) celle-ci

va alors se comporter comme une paroi. L'électrode reçoit alors un flux d'ions et d'électrons identiques. Si maintenant on applique une puissance RF à cette électrode, elle va collecter un excès de flux d'électrons alors que le flux d'ions restera constant. Cette différence de comportement entre les électrons et les ions s'explique par le fait que les électrons répondent instantanément aux oscillations RF alors que les ions y sont insensibles et suivent uniquement la valeur moyenne du potentiel RF. Cet excès d'électrons va faire que la capacité va se charger progressivement et voir apparaître une tension négative à ses bornes. Cette tension est telle que le flux d'ions arrivant sur le substrat sur une période RF est égale au flux d'électrons. On parle alors d'autopolarisation du substrat.

La tension qui apparaît au borne de la capacité, appelé tension d'autopolarisation Vbias, est généralement de l'ordre de VRF (qques centaines de volts), et elle est surtout très supérieure au

potentiel plasma Vp. Ainsi les ions qui bombardent le substrat sont beaucoup plus énergétiques que

dans une gaine DC. L'avantage est qu'on peut directement contrôler cette énergie en jouant sur la puissance RF injectée dans l'électrode.