Mesures de sonde réalisées en plasmas RF capacitifs basse pression et en conditions de dépôts

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1 Atelier du Réseau des Plasmas Froids du CNRS «Analyse de plasmas par sondes électrostatiques» Sarcenas (Juin 2006) Mesures de sonde réalisées en plasmas RF capacitifs basse pression et en conditions de dépôts Jérôme Pulpytel*, Farzaneh Arefi-Khonsari Laboratoire de Génie des Procédés Plasmas et Traitement de Surfaces (ENSCP-Paris) * jerome-pulpytel@enscp.fr

2 Objet de la présentation n Présenter des mesures de sonde de Langmuir dans des décharges RF capacitive basse pression (P 300 mtorr / 41 Pa) Ο 1- Gaz rares et gaz moléculaires Ο 2- Mélanges gazeux de dépôts n en apportant dans chaque partie des commentaires sur les problèmes majeurs Ο Excitation RF Ο Formation d un dépôt sur la sonde

3 Plan de la présentation (1ère partie) n Mesures dans gaz rares et moléculaires Ο Problème lié à l excitation RF h Compensation active ou passive Ο Résultats dans les gaz rares h Fonction de probabilité en énergie des électrons (FPEE) bi-maxwelliennes deux populations électroniques h Régime de décharge α-γ électrons secondaires Ο Comparaisons avec les gaz moléculaires h Similitudes et différences par rapport aux gaz rares ( 2ème partie sur les gaz de dépôts )

4 Problème liéàl excitation RF (1/3) n La théorie est pour les plasmas DC V sonde V plasma t Collecte des électrons : e ϕ I exp kt e ϕ = (V sonde -V plasma ) < 0 n mais en RF le potentiel plasma oscille V sonde (sonde plane, V p = 0 V) Distorsion de I-V! V plasma t D après L. Okusz et al., J. Appl. Physics 99, (2006)

5 Problème lié à l excitation RF (2/3) n Compensations : active ou passive Ο Active : ajouter une composante sinusoïdale à la polarisation de la sonde Ο Passive : forcer la sonde à suivre le potentiel plasma Z plasma-sonde << Z sonde-masse Équivalent! V sonde t t V plasma t RF - pas de compensation RF - compensation (active ou passive) DC n Analogie avec une décharge DC

6 Problème lié à l excitation RF (3/3) n Exemple de compensation passive Ο Notre sonde : Smartprobe de Scientific Systems Ref. [1] [2] h Compensation : paire d inductance MHz h Impédance sonde-masse : Z MHz > 100 kω (garantie constructeur) h Impédance plasma-sonde : Z p-s est estimée d après [1], avec : 1/ 2 R + ( 1+ V / kt ) λ R (µm) n e (cm -3 ) kt e (ev) Z p-s (Ω) 190 1x x Z p s ln = h dans notre cas : Z p-s ~ 800 Ω << Z s-m R e j 2π ω ε R : rayon de la sonde 0 D [1] J.V. Scalan, M.B. Hopkins, J. Vac. Sci. Technol. A 10(4), 1207 (1991) [2] J. Pulpytel (dir. F. Arefi), Thèse Paris 6 (2005)

7 Plan de la présentation (1ère partie) n Mesures dans gaz rares et moléculaires Ο Problème lié à l excitation RF h Compensation active ou passive Ο Résultats dans les gaz rares h Fonction de probabilité en énergie des électrons (FPEE) bi-maxwelliennes deux populations électroniques h Régime de décharge α-γ électrons secondaires Ο Comparaisons avec les gaz moléculaires h Similitudes et différences par rapport aux gaz rares ( 2ème partie sur les gaz de dépôts )

8 Ο Principal avantage : donne la FPEE f(ε) (Fonction de probabilité en énergie des électrons) sans supposition sur sa forme hfpee rarement Maxwelliennes dans les décharges RF capacitives basse pression (P 300 mtorr / 41 Pa) Résultats dans les gaz rares - FPEE (1/7) n Rappels : GAINE PLASMA GAINE Décharge capacitive Potentiel entre les électrodes. W. Morscheidt (dir. F. Arefi, K. Hassouni), Thèse Paris 6 (2002) n Utilisation de la méthode de Druyvesteyn

9 Résultats dans les gaz rares - FPEE (2/7) n FPEE bi-maxwelliennes (Fig 1.) 300 mtorr / 41 Pa transition «bi-maxwellian» «Druyvesteyn-like» Fig 1. FPEE dans un plasma d argon à 110 mtorr / 15 Pa. J. Pulpytel (dir. F. Arefi), Thèse Paris 6 (2005) Fig 2. FPEE dans un plasma d argon en fonction de la pression. V. A. Godyak, R. B. Piejak, Phys. Rev. Lett. 65(8), 996 (1990) n Chaque droite représente une population d électrons Ο forte pente = électrons «froids»,faible pente = électrons «chauds» n Vrai uniquement à basse pression (Fig 2.) (P 300 mtorr / 41 Pa)

10 Résultats dans les gaz rares - FPEE (3/7) n Quelques ordres de grandeurs : Ref. [1] [2] [3] Gaz Ar Ar Ar P (mtorr) / (Pa) 100 / / / 4.1 [4] He 300 / 41 kt efr (ev) kt ech (ev) % e - chauds Ο kt efr ~ 0.5 ev kt 1 = 0.34 ev, n 1 = 1.32 x10 10 cm -3 kt 2 = 3.1 ev, n 2 = 1.3 x10 9 cm -3 Ο kt ech ~ 10 x kt efr Ο n ech 10% de n efr [1] V. A. Godyak, R. B. Piejak, Phys. Rev. Lett. 65(8), 996 (1990) [2] J. Pulpytel (dir. F. Arefi), Thèse Paris 6 (2005) [3] V. A. Godyak, B. M. Alexandrovich, J. Appl. Phys. 73(8), 3657 (1993) [4] V. A. Godyak, R. B. Piejak, B. M. Alexandrovich, Phys. Rev. Lett. 68(1), 40 (1992) Argon mtorr d après [1]

11 Résultats dans les gaz rares - FPEE (4/7) n Mécanismes de chauffage des électrons Ο ohmique (cœur du plasma) e - «froids» hmode de chauffage inefficace à basse pression Ο stochastique (gaines) e - «chauds» Ο hélectrons froids heurtant la gaine deviennent chauds ohmique < stochastique FPEE bi-maxwell. e - froids e - chauds Oscillation des gaines Champ électrique entre les électrodes. W. Morscheidt (dir. F. Arefi, K. Hassouni), Thèse Paris 6 (2002)

12 Résultats dans les gaz rares - FPEE (5/7) n Hypothèse : électrons «froids» atteignant les gaines deviennent «chauds» n efr gaine n e totale h Exemple : plasma argon à 110 mtorr = L 2 λi h λ i (Argon) 1/ P n efr-gaine : électrons froids atteignant la gaine (cm -3 ) n e-totale : densité électronique totale (cm -3 ) L : dimension du plasma (cm) λ i : libre parcours moyen des ions (cm) λ i : libre parcours moyen des ions (cm) P : pression (Torr) h P = 0.11 Torr λ i ~ 2.75 x10-2 cm h approximation L ~ distance inter électrode (3 cm) h n efr-gaine /n e-totale ~ 0.11 Ref. Gaz P (mtorr) % e - Équations : Principles of plasma discharges and materials processing M.A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, pp. 80 et 305 (1994) [1] V. A. Godyak, R. B. Piejak, Phys. Rev. Lett. 65(8), 996 (1990) [2] J. Pulpytel (dir. F. Arefi), Thèse Paris 6 (2005) [1] [2] Ar Ar / (Pa) 100 / / 15 chauds

13 S Résultats dans les gaz rares - FPEE (6/7) n Hypothèse : chauffage stochastique supérieur au chauffage ohmique (FPEE bi-max.) ohm h Exemple : plasma argon à 100 mtorr / 13.6 Pa S stoc m n ~ e n m ~ ε 0 ω ktech V (W.m -2 ) e s 0 2 ε ω υ m kt 0. 5 efr V π β d. ln tan + β 4 4 (W.m -2 ) Ref. V (V) kt ech (ev) S stoc (W.m -2 ) kt efr (ev) S ohm (W.m -2 ) [1] Équations : Principles of plasma discharges and materials processing M.A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, p. 347 (1994) F.A. Haas, N.St.J. Braithwaite, Plasma Sources Sci. Technol. 9, 77 (2000) [1] V. A. Godyak, R. B. Piejak, Phys. Rev. Lett. 65(8), 996 (1990) Argon mtorr d après [1]

14 Résultats dans les gaz rares - FPEE (7/7) n Remarque sur le changement de forme de la FPEE en fonction de la pression Ο 0.03 Torr / 4.1 Pa bi-maxwellienne h Stochastique > Ohmique Ο 0.3 Torr / 41 Pa «Druyvesteyn-like» h Ohmique > Stochastique Pression (Torr) S ohm (W.m -2 ) * S stoch (W.m -2 ) * Calculs effectués à partir des résultats de [1] * : ordres de grandeur pour P = 0.3 Torr / 41 Pa, car manque de données Plasma d argon d après : [1] V. A. Godyak, B. M. Alexandrovich, J. Appl. Phys. 73(8), 3657 (1993)

15 Résultats dans les gaz rares - modes α-γ (1/3) n Deux régimes de fonctionnement pour les décharges RF capacitives Ο Régimes α et γ électrons secondaires Régimes de décharge dans l Argon V. A. Lisovskii, Technical Physics, 43(5), 526 (1998) Émission d électrons secondaires sous l effet du bombardement ionique des électrodes

16 Résultats dans les gaz rares - modes α-γ (2/3) n Effets de la transition α γ h Densité électronique : htempérature élect.. effective : n e ( ε ) 1/ 2 = f ε dε kt Ο Chute de KT eff et hausse de n e Helium mtorr / 41 Pa V. A. Godyak, R. B. Piejak, B. M. Alexandrovich, Phys. Rev. Lett. 68(1), 40 (1992) Transition α γ Mean electron temperature (ev) eff (cm -3 ) ( ε ) 3/ 2 2 f ε dε = 3 n Argon 30 Pa, 3 cm RF Voltage (V pkpk ) e Argon mtorr / 30 Pa (ev) 3.5x x x x x x x Electron density (cm -3 )

17 Résultats dans les gaz rares - modes α-γ (3/3) n Remarques sur l entretien de la décharge Ο Régime α h la décharge est entretenue par ses électrons Ο Régime γ h la décharge est entretenue par les électrons secondaires Résultats de simulation, cinétique d ionisation dans l Helium d après Ph. Belenguer, J.P. Bœuf, Phys. Rev. A 41(8), 4447 (1990)

18 Résultats dans les gaz rares - conclusion n A basse pression (P 300 mtorr / 41 Pa) Ο Observe FPEE bi-maxwelliennes h Chauffage stochastique > ohmique h Électrons chauds sont des électrons froids ayant atteint les gaines Ο Observe la transition α γ h Rôle des électrons secondaires

19 Plan de la présentation (1ère partie) n Mesures dans gaz rares et moléculaires Ο Problème lié à l excitation RF h Compensation active ou passive Ο Résultats dans les gaz rares h Fonction de probabilité en énergie des électrons (FPEE) bi-maxwelliennes deux populations électroniques h Régime de décharge α-γ électrons secondaires Ο Comparaisons avec les gaz moléculaires h Similitudes et différences par rapport aux gaz rares ( 2ème partie sur les gaz de dépôts )

20 Comparaisons avec les gaz moléculaires (1/2) n Similitude : FPEE bi-maxwelliennes h Chauffage stochastique > ohmique (P 300 mtorr / 41 Pa) Ar/O 2 (25%/75%) mtorr / 15 Pa J. Pulpytel (dir. F. Arefi), Thèse Paris 6 (2005) H 2-26 mtorr / 3 Pa F.A. Cali, P.A.F. Herbert, W.M. Kelly, J. Vac. Sci. Technol. A 13(6), 2920 (1995) N mtorr / 13.6 Pa M.M. Turner, M.B. Hopkins, Phys. Rev. Lett. 69(24), 3511 (1992) Ref. Gaz P (mtorr) / (Pa) kt efr (ev) kt ech (ev) [1] [2] [3] Ar/O 2 H 2 N / / /

21 Comparaisons avec les gaz moléculaires (2/2) n Différence : «Trou»dans la FPEE h Exemple de l azote h «Trou» entre 2 et 3 ev (fig. 1) h Origine : excitation vibrationelle résonante (fig. 2 a et b) h Résonance car attachement électronique intermédiaire : + e N 2 ((vib ) N ( vib + e N2 2 2 ) 2-3 ev Section efficace totale de N 2 Fig. 1. N mtorr / 13.6 Pa M.M. Turner, M.B. Hopkins, Phys. Rev. Lett. 69(24), 3511 (1992) Fig. 2. a) et b) P. Laborie, J.M. Rocard, J.A. Rees, Sections efficaces électronique coefficient macroscopiques 2. Vapeurs métalliques et gaz moléculaires, Dunod (Paris), (1981) Section efficace d excitation vibrationelle de N 2

22 Plan de la présentation (2ème partie) n Mesures avec des gaz de dépôts Ο Problème lié à la formation d un dépôt h Méthode de protection de la sonde nettoyage de la sonde entre chaque mesures h Origine de la dérive des mesures contamination du réacteur et des électrodes h Remarques complémentaires Ο Résultats dans décharges de dépôts h Cas de CH 4 /H 2 h Cas de Sn(CH 3 ) 4 /Ar/O 2

23 Problème lié à la formation d un dépôt (1/6) n Peu de mesures dans des décharges avec des gaz polymérisables Ο Estimation du pourcentage de publications à l aide des moteurs de recherche h Sci Finder et Science Direct Ο ~ 50% des articles publiés avec de l argon Ο ~ 5% avec des gaz de dépôts Other gases (He, N 2, O 2...) 40% Argon 55% 5% Deposition gases (CH 4 /H 2, SiH 4 /Ar...)

24 Problème lié à la formation d un dépôt (2/6) n Protection de la sonde Ο Polarisation très négative avant l acquisition bombardement ionique h de -100 V à V pour pulvériser le dépôt Ο puis polarisation très positive après l acquisition bombardement électronique h environ +100 V pour chauffer la sonde (T sonde peut atteindre 2000 C!) n Inconvénients de la méthode Ο Courant de saturation électronique perturbation du plasma Ο Forte température de la sonde CVD!

25 Problème lié à la formation d un dépôt (3/6) n Malgré la protection, Ο On observe des hystérésis sur les caractéristiques I-V (fig. 1) Ο et il y a une dérive des mesures au cours du temps (fig. 2) Fig. 1. Ar/O 2 /Al(OiPr) mtorr / 30 Pa P. Spatenka, H. Suhr, Plasma Chem. Plasma Proc. 13(3), 555 (1993) Fig. 2. Ar/O 2 /Al(OiPr) mtorr / 30 Pa id.

26 Graphe : Ar mtorr / 30 Pa, d après P. Spatenka, H. Suhr, Plasma Chem. Plasma Proc. 13(3), 555 (1993) Problème lié à la formation d un dépôt (4/6) n La contamination de la sonde est-elle responsable de la dérive? Ο Exemple avec un plasma d argon h 1 ère expérience : réacteur plasma propre h 2 ème expérience : réacteur plasma contaminé par le dépôt (Al 2 O 3 ) Ο La dérive est due àla contamination de la chambre et surtout de l électrode RF! 2ème expérience 1ère expérience temps h La sonde est mieux protégée que le réacteur!

27 Problème lié à la formation d un dépôt (5/6) n Il est donc préférable de faire des acquisitions sur un laps de temps court Ο entre 20 s et 40 s, les paramètres sont relativement stables Fig. 1. CH 4 /H 2-26 mtorr / 3.5 Pa F.A. Cali, P.A.F. Herbert, W.M. Kelly, J. Vac. Sci. Technol. A13(6), 2920 (1995) Fig. 2. HMDSO/Ar - 73 mtorr / 10 Pa S.Mouissat, S. Sahli, Y. Segui, P. Raynaud, Phys. Chem. News 17, 80 (2004)

28 Problème lié à la formation d un dépôt (6/6) n En conclusion, il n y a pas de méthode de protection absolument fiable! Ο Il faut traiter chaque décharge au cas par cas Ο en s assurant de la reproductibilité des mesures au court du temps n Remarque : certaines décharges ne posent pas beaucoup de problème si le dépôt formé est suffisamment conducteur Ο Exemple : cas des décharges de SiH 4 a-si:h h Les mesures dans ces décharges sont très reproductibles [1], [2] [1] E.R. Mosburg, R.C. Kerns, J.R. Abelson, J. Appl. Phys. 54(9), 4916 (1983) [2] J. Andreu, G. Sardin, A. Lioret, J. Esteve, J.L. Morenza, J. Appl. Phys. 63(4), 1230 (1988)

29 Plan de la présentation (2ème partie) n Mesures avec des gaz de dépôts Ο Problème lié à la formation d un dépôt h Méthode de protection de la sonde nettoyage de la sonde entre chaque mesures h Origine de la dérive des mesures contamination du réacteur et des électrodes h Remarques complémentaires Ο Résultats dans décharges de dépôts h Cas de CH 4 /H 2 h Cas de Sn(CH 3 ) 4 /Ar/O 2

30 Résultats dans CH 4 /H 2 n Conditions de décharge Ο CH 4 /H 2 (1:9), P = 26 mtorr / 3.5 Pa h FPEE bi-maxwellienne h Localisation d un «trou» dans la FPEE à 6 ev h Origine possible attribuée àl excitation vibrationelle résonante de CH 3 + Section efficace totale de CH 4 F.A. Cali, P.A.F. Herbert, W.M. Kelly, J. Vac. Sci. Technol. A13(6), 2920 (1995) P. Laborie, J.M. Rocard, J.A. Rees, Sections efficaces électronique coefficient macroscopiques 2. Vapeurs métalliques et gaz moléculaires, Dunod (Paris), (1981)

31 Résultats dans Sn(CH 3 ) 4 /Ar/O 2 (1/2) n Conditions de décharge Ο Sn(CH 3 ) 4 /Ar/O 2 (1:18:81), P = 110 mtorr / 15 Pa h Plasma d argon entre chaque dépôt pour vérifier la reproductibilité des mesures h Présence d un «trou» dans la FPEE à 2 ev EEPF (ev -3/2.cm -3 ) First acquisition kt eff = 1.5 ev n e = 2.4 x10 9 cm -3 Second acquisition kt eff = 1.7 ev n e = 2.5 x10 9 cm -3 J. Pulpytel, M. Jubault, W. Morscheidt, J. Amouroux, F. Arefi-Khonsari, 17th International Symposium on Plasma Chemistry (Toronto, Canada, Août 2005) Energy (ev)

32 Résultats dans Sn(CH 3 ) 4 /Ar/O 2 (2/2) n Origine possible du «Trou» dans la FPEE à2 ev Ο Parmi les espèces majoritaires du plasma, seul le monoxyde de carbone possède une excitation vibrationelle résonante (comme N 2 ) h Hypothèse partiellement confirmée par le modèle 1 Modèle Expérience FPEE normalisée (ev -3/2 ) P. Laborie, J.M. Rocard, J.A. Rees, Sections efficaces électronique coefficient macroscopiques 2. Vapeurs métalliques et gaz moléculaires, Dunod (Paris), (1981) 1E Energie (ev) Comparaison diagnostic - modèle de la décharge. Modélisation d après A. Coclite, W. Morscheidt, K. Hassouni

33 Conclusion générale n L introduction d une sonde n est pas toujours évidente h L excitation RF provoque une distorsion, mais l on peut compenser la sonde h Un dépôt peut se former sur la sonde, mais on peut la protéger (le réacteur subit toujours la contamination) n mais les mesures de sondes apportent des résultats précieux h Compréhension de la physique de la décharge (chauffage ohmique, stochastique, émission d électrons secondaires) h Même lorsque la FPEE est complexe, elle apporte au moins des informations sur la reproductibilité du procédé «empreinte digitale» de la décharge

34 Remerciements n Le Réseau des Plasma Froids du CNRS pour son invitation n Et pour la partie modélisation Ο Khaled Hassouni (LIMHP) Ο Willy Morscheidt (LGPPTS) Ο Anna-Maria Coclite (Stagiaire Erasmus, Université de Bari)