Rugosification par gravure plasma

Une décharge basse pression est entretenue par une source d’énergie électrique qui permet d’accélérer les électrons pour qu’ils puissent ioniser les atomes et les molécules du gaz. Nous distinguons différents plasmas de décharge selon leur mode de couplage entre l’énergie et le gaz, ainsi que selon la fréquence d’excitation. Dans l’industrie de la micro-électronique,

la majorité des systèmes utilisés fonctionne à 13, 56 MHz (radiofréquence) ou 2, 45 GHz (micro-onde). Dans ce domaine de fréquence, les électrons du plasma suivent les variations instantanées du champ électrique, alors que les ions ne suivent que le champ électrique moyen. Les puissances utilisées étant relativement faibles (en général inférieures à 2000 W), les plasmas de décharge sont majoritairement constitués de molécules et d’atomes neutres, avec une faible fraction d’ions et d’électrons.

À l’interface plasma-paroi se trouve une zone de charge d’espace positive, appelée gaine, siège d’un champ électrique qui confine les électrons et accélère les ions positifs vers les parois. Les gaines convertissent l’énergie électrique en énergie cinétique transférée aux ions. Ces derniers bombardent alors les parois de la décharge avec une énergie cinétique dépendant du champ électrique moyen qui règne dans la gaine. Les surfaces traitées sont donc soumises à un bombardement ionique intense dont l’énergie peut varier de quelques eV à plusieurs milliers d’eV. Le second avantage des plasmas de décharge réside dans la conversion, à température ambiante, de l’énergie électrique en énergie chimique. Les électrons étant bien plus mobiles que les ions, l’essentiel de l’énergie du champ électrique est transféré aux électrons qui excitent, ionisent et dissocient le gaz moléculaire en espèces réactives.

Outre les considérations géométriques du réacteur et la fréquence d’excitation, c’est le mode de couplage de la puissance électrique au plasma qui fait une différence. Dans l’industrie micro-électronique, deux types de sources RF sont principalement utilisées : les réacteurs à couplage capacitif et ceux à couplage inductif.

Réacteurs capacitifs (CCP)

Le mode de couplage énergie-plasma le plus simple est utilisé dans les réacteurs capacitifs, dans lesquels le gaz est soumis à une différence de potentiel entre deux plaques conductrices et parallèles. Le champ électrique qui accélère les électrons est identique au champ existant dans un condensateur plan. Pour le générer, l’une des électrodes est connectée à la source de puissance RF et l’autre est reliée à la masse. Le substrat est positionné sur l’électrode de puissance. Le plasma, séparé des électrodes par deux gaines de charge d’espace positive, oscille à la fréquence d’excitation. La densité électronique de ce type de sources est relativement faible, variant de 109à 1010cm−3pour des pressions allant de 10 mTorr à 1 Torr.

Dans le cadre de cette thèse, nous avons utilisé un réacteur de gravure ionique réactive à confi- nement magnétique (MERIE) commercialisé par la société Applied Materials. L’équipement se situe sur la plateforme 5200 du LTM dans les salles blanches du CEA LETI. Cette plateforme se compose de deux sas de chargement permettant de charger des plaques de silicium de 200 mm de diamètre. Une chambre de transfert constituée d’un bras robotisé permet les mouvements d’une chambre à une autre. Un vide primaire, dans le sas de chargement et la chambre de transfert, est assuré par une pompe primaire. Un orienteur permet de repérer à l’aide d’un laser l’encoche des plaques de silicium et de les positionner. Enfin, la plateforme dispose de plusieurs chambres de gravure : une chambre de gravure DPS (Decoupled Plasma Source)

1.6. Moyens expérimentaux

équipée d’une source à couplage inductif ; une autre chambre de gravure de type MERIE (Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching) équipée d’une source à couplage capacitif ; et une troisième chambre de gravure DPS+ équipée d’une source à couplage inductif et d’un porte-substrat chauffant.

Pour la rugosification des matériaux polymères, nous avons utilisé la source MERIE (EMAX™). Ce réacteur, dont le schéma de principe est représenté sur la Figure 1.29, génère un plasma de moyenne densité (de 109à 1011ions.cm−3). Dans ce réacteur, le substrat repose sur la cathode couplée capacitivement à un générateur radiofréquence à 13, 56 MHz délivrant une puissance pouvant varier de 100 W à 2000 W. Une boîte d’accord entre la source et le porte substrat permet de limiter l’énergie. La chambre de gravure est entourée de quatre solénoïdes alimentés pour produire un champ magnétique rotatif (0, 5 Hz, 0 – 200 G) permettant une augmentation de la densité ionique du plasma. Ce champ magnétique permet de confiner les électrons du plasma, limitant ainsi leur perte sur les parois du réacteur. Les électrons ont ainsi plus de chances d’effectuer des collisions avec les neutres.

FIGURE1.29 – Principe schématique d’un réacteur capacitif.

Dans cette étude le champ magnétique tournant est fixé à 20 G avec une fréquence de 0, 5 Hz pour tous les procédés de rugosification développés. Le vide secondaire dans le réacteur est assuré par une pompe turbo moléculaire assistée d’une pompe primaire. Le contrôle de la pression est réalisé par une vanne papillon asservie automatiquement afin de conserver une pression constante tout au long du procédé. Ce réacteur peut fonctionner dans une gamme de pression comprise entre 50 et 200 mTorr. Pour tous les procédés de rugosification développés au cours de cette thèse, la pression est de 200 mTorr. Le substrat est maintenu sur le porte substrat par clampage électrostatique. Pendant le traitement plasma, le transfert thermique entre le porte-substrat et le substrat est assuré par un flux d’hélium en face arrière du substrat. Pour la rugosification de films de polymère FEP, les traitements plasma sont réalisés avec

un mélange de gaz de C F4et d’Ar avec des flux de 25 sccm et 100 sccm, respectivement, et avec des puissances plasma variant de 400 à 1800 W. Les traitements des films de PMMA sont réalisés sous C F4uniquement avec un flux de 150 sccm à 600 W de puissance pour des temps de rugosification de 10 secondes à 120 secondes. Enfin, les échantillons de PET sont traités avec le gaz C F4sous un flux de 150 sccm pendant 60 secondes à des puissances plasma de 400 à 1400 W. Avant chaque traitement plasma, le réacteur est nettoyé par un plasma d’oxygène et conditionné pendant 30 secondes avec un procédé identique à celui du traitement plasma afin d’assurer des conditions de reproductibilité optimales.

Réacteurs inductifs (ICP)

Dans ce type de réacteur, une antenne séparée du plasma par une paroi diélectrique est alimentée par un générateur RF à 12, 56 MHz. Le courant RF qui circule dans l’antenne induit un champ magnétique dans le plasma, dont les oscillations induisent un champ électrique oscillant qui accélère les électrons. Contrairement aux réacteurs à couplage capacitif, les électrons sont ici accélérés par le champ électrique dans une direction parallèle aux parois du réacteur. Ils parcourent donc une distance beaucoup plus importante avant d’être perdus sur les parois, il est ainsi possible d’entretenir un plasma à basse pression et haute densité. Nous obtenons des densités de plasma élevées allant de 1010à 1012cm−3. La plaque à traiter est posée sur une électrode (cathode) couplée capacitivement à un générateur RF à 13, 56 MHz délivrant la puissance de polarisation, appelée puissance bias. Cette puissance est utilisée pour accélérer les ions du plasma perpendiculairement à la plaque. Ainsi, une tension d’autopolarisation correspondant à l’énergie des ions s’établit au niveau de la plaque. Des tensions de quelques centaines de Volts peuvent être obtenues.

FIGURE1.30 – Principe schématique du réacteur ICP PlasmaLab d’Oxford.

Dans cette étude, nous avons également utilisé une PlasmaLab fournie par Oxford Instru- ments, cet équipement se situe au sein de la Plateforme Technologique Amont (PTA). Le réacteur PlasmaLab, schématisé Figure 1.30, est à couplage inductif et la puissance source du générateur RF, qui contrôle les propriétés du plasma, est comprise entre 0 et 1200 W. La tension bias est comprise entre 0 et 800 V et contrôle l’accélération des ions. Les parois sont