Spetrosopie d'émission optique

Laspetrosopied'émissionoptiqueestundiagnostinonperturbateurquionsisteàanalyser

la lumière émise par le plasma pour aratériser les espèes exitées présentes au sein de la

déharge.Lespetred'émissiond'unplasmaestomposéderaiesspetralesquirésultenthaune

deladésexitationradiatived'uneespèe

X ^∗

^{d'un niveau}

i

^versunniveau

j

^d'énergieinférieure.

L'intensité

I _ij ^X

^{mesuréeàlalongueur d'onde}

λ _ij

^{, pourun plasma}optiquement mine,s'exprime delamanière suivante :

I _ij ^X = K _app (λ _ij ) N _i ^X A _ij

^(3.7)

Lefateur

K _app (λ _ij )

^{prend en partiulieren ompte levolume de mesure, l'anglesolide}

d'émis-sion,ainsi que la réponse du système de olletion optique, du spetromètre et du déteteur à

lalongueur d'onde

λ _ij

^.

N _i ^X

^{estladensitéde l'espèe}

X

^{àl'état exité}

i

^et

A _ij

^laprobabilité de transition.L'évolution de l'intensité d'uneraie estdon représentative de ladensité de l'espèe

au niveau émetteur et non dans sonétat fondamental qui est le plus peuplé. Pour aratériser

lesespèes dansleurétat fondamental, nousutilisonslatehnique de l'atinomét rie.

Prinipe de l'atinométrie

L'atinomét rie implique deux hypothèses pour l'espèe

X

^onsidérée, orrespondant à un équilibrede typeoronal :

Le niveau exité

i

^{est uniquement peuplé par ollisions} életroniques à partir de l'état fondamental

f

^:

X _f + e −→ X _i ^∗ + e

^(3.8)

Le dépeuplement du niveau exité

i

^{vers le niveau}

j

^{se fait uniquement par émission}

spontanée d'un photon d'énergie

hν _ij

^:

X _i ^∗ −→ X _j ^∗ + hν _ij

^(3.9)

Dans es onditions, la variation de peuplement du niveau

i

^{peut s'exprimer de la manière}

suivante :

dN _i ^X

dt = k _{f i} N _f ^X n _e − N _i ^X τ _X ^∗

i

(3.10)

A l'équilibre, l'intensité de laraie d'émission àla longeur d'onde

λ _ij

^{dépend don de ladensité}

de l'espèe

X

^{à l'état}fondamental:

I _ij ^X = K _app (λ _ij ) k _{f i} N _f ^X n _e A _ij τ _X ^∗

i

(3.11)

N _i ^X

^et

N _f ^X

^{sont les densités de l'espèe}

X

^{à l'état exité}

i

^{et l'état} fondamental

f

res-petivement,

n e

^{est la densité} életronique et

τ _{X i} ^∗

^{est la durée de vie radiative du niveau}

i

(

1/τ _X ^∗

i = P

j<i

A _ij

^).

k _{f i}

^estletauxd'exitation parollisions életroniquesduniveau

i

^{àpartir du}

fondamental:

k _{f i} = Z ^∞

ǫ X

σ _X (ǫ) f (ǫ) r 2ǫ

m e

dǫ

^(3.12)

σ _X (ǫ)

^{est lasetioneae} d'exitation életronique,

ǫ _X

^{l'énergie seuil pour leproessus}

onsi-déré,

f (ǫ)

^lafontiondedistributionenénergiedeséletrons(FDEE)et

m e

^{lamassedel'életron.}

L'exitation vers un niveau supérieur suivie de la déexitation radiative rapide vers le niveau

émetteur

i

^{(asade)peutêtreinlusedansleterme}

k _{f i}

^{pourlequelelle aurauneinueneassez}

onstante.

Leséquations3.11et3.12montrentqu'iln'estpaspossibledeorrélerdiretementl'intensité

d'uneraiespetraleàladensitédel'espèedanssonétatfondamentalsansonnaîtrele

ompor-tementdutauxd'exitation,quidépendlui-mêmedelasetioneaedeollisionséletroniques

et de lafontion dedistribution en énergie deséletrons.

L'atinométrie, tehnique introduite par Coburn et Chen [Coburn 80℄, onsiste à injeter

dans le plasmaune faible quantité ontrlée d'un gaz himiquement inerte, pour laquelle nous

suivonsl'intensitéd'uneraiebienspéique.Le peuplement et dépeuplementde l'étatémetteur

del'atinomèt re doitsatisfaire auxmêmeshypothèsesque e quia étéénonépour l'espèe

X

^.

Depluslesraiesémisesparl'espèe

X

^et l'atinomèt re

A

^sontsoigneusementhoisiesdefaçonà equelessetionseaesd'exitationaientunomportementsimilaireenfontiondel'énergie,

et pluspartiulière ment uneénergie de seuilassez prohe.Nouspouvonsalors érire:

N _f ^X α I _ij ^X

I _kl ^A N _f ^A

^(3.13)

ave

I _kl ^A

l'intensitémesuréepourlaraiedel'atinomèt r ehoisieet

N _f ^A

^ladensitédel'atinomèt re.

Lerapportdel'intensitédesraiespeutdonsurepourdérirel'évolutionrelativedela

den-sitédel'espèe

X

^danssonétatfondamental.Unemesurequantitativenéessiteladétermination dufateur

K _app (λ _ij )

^{ainsiquelerapportdestaux} d'exitation.

Validité de la tehnique atinométrique

L'argonestlargementutilisé ommeatinomètredanslesplasmasdegravureuorésàbasse

pression.Traditionnellement , on hoisitles raies F

703,7 nm

^{et Ar}

750,4 nm

^{pour suivre} l'évolution delaonentrationde uor [d'Agostino 85, Gaboriau 06℄. Leursétats émetteurs sonttous deux

peuplés par ollisions életroniques à partir de l'état fondamental et leurs énergies seuil sont

assezprohes(13,47 eV et 14,74eV pour Aret Frespetivement). Deplus, on estime queleurs

setions eaes d'exitation életronique à partir du fondamental ont une forme omparable

(.f.gure3.12)arlesonguratio ns életroniquesdesniveauxémetteurset fondamentaux des

deux atomes sont similaires. La tehnique a été validée pour des plasmas CF

4

^/O

2

^{et NF}

3

^/Ar

partitrationhimique[Donnelly 84℄.Nousn'avonspaslapossibilitédevaliderlatehniquedans

nosonditionsexpérimentales,maisnoussupposonsqueletauxdedissoiationdanslesplasmas

ICPàbased'hexauorure de soufreestassez grand pour queles atomesF

∗

exitésproviennent

essentiellement de ollisions életroniquesave desatomesde uor àl'état fondamental. Il aen

eetétémontrépar Blanksetal [Blanks 87℄quelaraieF

703,7 nm

^{nefaitpaspartie desraiesles}

plusintensesémises suite à ladissoiationéletronique de lamoléuleSF

6

^.

Fig.3.12Setionseaesd'exitationdesniveauxdeAretFutilisésenatinométri e(soure:

[Ranson87℄).

La tehnique atinométri que est en revanhe moinsable pour suivre la densité d'oxygène

atomique.Lesétatsémetteursdel'oxygènepeuventàlafoisêtrepeuplésparimpatéletronique

des atomes à l'état fondamental et par exitation dissoiative de moléules O

2

^{. Walkup et al}

[Walkup 86℄ ont montréquelaraieO

844,6 nm

^{étaitmoinsinuenée par} l'exitationdissoiative quelaraieO

777 nm

^{. Deplus, dansdesplasmasoùledioxygèneestmélangéave d'autresgazet}

estdonfortement dissoié,lesignalatinométri que

I

O844,6nm

/I

Ar750,4nm

estbienorréléave

la onentration d'oxygèneatomique [Booth 91, Granier 94℄. Nousavons don suivi l'évolution

de e rapport pour onnaître l'évolution relative de la onentration d'oxygène atomique dans

les plasmasSF

6

^/O

2

^{et SF}

6

^/SO

2

^.

Pour suivre l'évolution de la densité atomique de hlore, l'argon n'est pas l'atinomèt re le

plus adapté. Les énergies seuil d'exitation desétats émetteurs de Cl sont plus faiblesde 3 eV

enmoyenneparrapportàAr; 10,50eVpar exemplepourleniveau émetteurdelaraieCl

822 nm

(13,47eVpourAr). Lexenonestsouvent préférépour etteraison,latransitionXe

828 nm

^ayant

unseuild'exitationde9,94eV[Fuller 01℄.EnplasmaCl

2

^{,lesétatsexitésdel'atomeClpeuvent}

êtrepeuplésparexitationdissoiativedemoléulesCl

2

^.Laontributiondel'exitation dissoia-tiveàl'émissionderaiesClestsigniativelorsqueleplasmaestpeudissoié[Fuller 01℄.Letaux

de dissoiation du plasma est fortement inuené par la nature et l'état de surfae des parois

du réateur qui aetent le taux de reombinaison aux parois des atomes Cl [Cunge 07℄.

Sou-vent,lesmesuresd'atinométriesurl'atomeClsontdonomparéesàdesmesuresdedensitéde

moléulesCl

2

^{[Malyshev 00, Fuller 01℄.Sinon, lafrationd'atomes Clestdéduite} indiretement de la mesure de la densité absolue de moléules Cl

2

^{[Cunge 07℄. En plasma SiCl}

4

^, l'exitation dissoiatived'espèesSiCl

x

^peut ertainement ontribuer àl'émissiondesraiesCl.Pour l'étude

du plasmaSF

6

^/SiCl

4

^{, nous nenous appuyonspas surlamesure du rapport d'émission optique}

I

^Cl822nm

/I

^{Ar750,4nm pour onnaître} l'évolution préise de la densité atomique de hlore, ne onnaissantpaslaontribution de l'exitationdissoiative desespèesSiCl

x

^{àl'émission}

déte-tée.Néanmoins,lamesurede esignalestutiliséeomme moyen dedétetiond'atomes Cldans

laphasegazeuse.

An de vérier quel'état émetteur de laraie à 750,4 nm de l'argon (l'état

2p ₁

^{en notation}

de Pashen) n'est paspeuplé à partir d'états relais métastables, nous avons vérié en plasmas

SF

6

^/O

2

^,SF

6

^/SO

2

^etSF

6

^/SiCl

4

^{queladensitéd'atomes} métastablesd'argonestfaible.Eneet, silapopulationd'atomesd'argondansdesétatsmétastablesestforte,lesraiesd'émissionquise

terminent sures états métastables peuvent être réabsorbées. Un moyen simple d'estimer

l'im-portanedelaréabsorptionestdemesurerlerapportd'émissionoptique

I

Ar763,5nm

/I

Ar800,6nm .

Ces deux raies sont émises par le niveau exité

2p ₆

^{. Le niveau inférieur de la raie à 763,5 nm}

estl'étatmétastable

1s ₅

^{, etlafore}d'osillateurpour latransition

1s ₅ −→ 2p ₆

^{est assezgrande}

(1,25.10

− 1

[Ralhenko 07℄). Leniveauinférieurde laraie à800,6nmestl'étatde résonane

1s 4

^,

quiestoupléradiativementàl'étatfondamentaletestdonmoinspeupléquel'état

1s ₅

^.Deplus,

la fore d'osillateur pour la transition

1s ₄ −→ 2p ₆

^{est plus faible (7,85.10}

^{− 2}

^{[Ralhenko07℄).}

Les rapports d'émission optique

I

Ar763,5nm

/I

Ar800,6nm

que nous avons mesurés sont stables

pour laduréedesexpérieneset orrespondent au rapportdebranhement entrees deuxraies

(

≈

^{5 [Ralhenko07℄). Nous avons don pu faire} l'hypothèse que la réabsorption de la raie à 763,5 nm est négligeable , e qui nouspermet de onlure que ladensité d'atomes métastables

d'argon est faible. Par onséquent, l'exitation de l'état

2p ₁

^{à partir d'états} métastables n'est passigniative devant letauxd'exitation életronique à partir duniveau fondamental.

Dispositif

Lalumière émisepar leplasmaestolletée,àtraversunhublotsitué àenviron7mdubas

de la hambre de diusion, par une lentille plan-onvexe (foale 50 mm) puis transportée par

une bre optique vers la fente d'entrée du spetromètre. Celui-i est omposé d'un

monohro-mateurJobinYvonTRIAX550 etd'uneaméra CCDAndorDU440.L'ensembleestpilotépar

ordinateurgrâe aulogiielANDORMCD.

Le monohromateur

La onguratio n du monohromateur, représentée en gure 3.13, estde type Czerny-Turner.

Lefaiseauinident surlafented'entréeesttoutd'abordrééhiet foalisésurleréseauparun

premiermiroironave(M2). Leréseaurééhitet disperselalumièreenfontiondelalongueur

d'ondeversunseond miroir(M1). Cedernier dévieetfoaliseles faiseauxmonohromatique s

surledéteteur.La surfaedesmiroirsestasphérique, equi permet de orrigerlesaberrations

géométriqueset en partiulier l'astigmatisme.Le systèmeTRIAX 550 a une foale de 550 mm

et ungrandissement unitaire.

Fig.3.13 Conguration du spetromètreJobin YvonTRIAX550.

Trois réseaux sontdisponibleset xés surune tourelle motorisée:

un réseau à150 traits/mm,optimiséà 500 nm

un réseau holographiqueà1200 traits/mm, optimiséà630 nm

un réseau holographiqueà2400 traits/mm, optimiséà330 nm

Nousavonshoisid'utiliser le réseauà 1200 traits/mm arsalongueur d'ondeentrale estplus

prohe du domaine spetral étudié (700-850 nm) que elle du réseau le plus n, et pare que

la résolution obtenue est bien meilleure qu'ave le réseau à 150 traits/mm. La dispersion du

réseau est de1,55 nm/mm. Le domaine spetralouverts'étend de100 nm à1500 nm, maisla

diminution de transmission de la bre optique dans l'UV limite l'observation à des longueurs

d'ondesupérieures à 300 nm.

Le déteteur

Une partie de la lumière dispersée en longueur d'onde par le réseau est olletée par une

barretteCCDdex=2048pary=512pixels.Lahauteurdelafenteorrespondàl'axeytandisque

lalumière est dispersée selon l'axex. Le spetromètre a étéétalonné an de faire orrespondre

la position du pixel sur la matrie CCD à la longueur d'onde. Au nal, e système permet

d'enregistrerunspetreompletsurundomaine spetrald'environ40nmetaveunerésolution

spetrale meilleureque 0,1nm. L'orientation duréseau s'ajuste automatiquement pour ouvrir

la gamme spetrale demandée par l'utilisateur par le biais du logiiel AndorMCD. La améra

CCDestrefroidieàunetempératurede-50°CparunmodulePelletieranderéduire lerapport

signalsurbruit surles spetresenregistrés.

Aquisitiondes spetres

Plusieurs modes d'aquisition sont possibles. Le plus simple est un suivi en temps réel d'un

domaine spetral déni par l'utilisateur, qui s'avère utile lors de réglages, notamment pour

vérier l'alignement de la bre optiqueave la fente d'entrée duspetromètre. Le mode leplus

fréquemment utilisé pour nos études est l'enregistrement de spetres moyennés, e qui permet

d'augmenter le rapport signal/bruit. Le temps d'exposition (au minimum 0,043 s)ainsi que le

nombre d'aquisitions utilisées pour onstruire lespetre sontdénis par l'utilisateur.Un autre

mode d'aquisition est l'enregistreme nt en séries inétiques. Il onsiste à aquérir un spetre,

quipeut êtremoyenné,àintervallesréguliers.L'ensembledespetresestenregistrédansunseul

hier.Le tempsd'exposition, lemoyennage,l'intervallede tempsen haquenouveauspetreet

le nombre total de spetres sont soigneusement hoisis pour pouvoir suivre ave une préision

susantel'évolutioninétiquedesraiesd'émissionduplasma.Cemodeaétéutilisépourl'étude

desréations de surfaeen plasmaSF

6

^/SiCl

4

^{, présentéeen hapitre 5.}

Pour l'ensembledesmodesd'aquisition,ilestpossiblederetirerà haquespetreun

bak-ground enregistrésans plasma, avant ledébut del'expériene. Nousavonsremarqué que ette

option est plutt utile pour s'aranhir des pixels morts de la matrie CCD, le système de

olletionoptique n'étant pasinuené par l'environnement extérieur.

Dans le document Etude de nouvelles voies de passivation non polymérisante pour la gravure profonde du silicium (Page 54-60)