Procédés plasmas à faisceau d ions. P.Y. Tessier

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1 Procédés plasmas à faisceau d ions P.Y. Tessier Institut des Matériaux Jean Rouxel, CNRS Groupe des plasmas et des couches minces Université de Nantes Plan Introduction Gravure par faisceau d ions Dépôt par faisceau d ions Sources à faisceau d ions Source SIMO Bibliographie 1

2 Sources plasma et source à faisceau d ions Source à faisceau Source plasma d ions Canon à ions Plasma Système d extraction Et d accélération Du faisceau Plasma Substrat polarisé Système de neutralisation du faisceau e - Faisceau d ions positifs Polarisation Substrat À la masse Intérêts des sources à faisceau d ions Avantages : Contrôle de l énergie et du flux des espèces ionisées Faisceau monoénergétique Pression de travail dans la chambre de traitement très inférieure aux pression de décharge plasma Possibilité de combinaison avec d autres procédés (évaporation sous vide, pulvérisation, analyse ) Inconvénients : Difficile d atteindre des flux d ions intenses au niveau du substrat (qq.1 ma.cm x10 15 s -1.cm -2 ) à faible énergie ( < 100eV) Uniformité du traitement limitée en surface Interaction du faisceau avec les grilles du système d extraction : risque de pollution du faisceau, usure des grilles Nécessité d utiliser un dispositif de neutralisation du faisceau dans certains cas 2

3 Plan Introduction Gravure par faisceau d ions Dépôt par faisceau d ions Sources à faisceau d ions Source SIMO Bibliographie Techniques de gravure par voie sèche Gravure par gaz réactif : PNE (Pure Neutral gas Etching) Gravure par faisceau d ions Gravure plasma RIE, ICP, ECR IBE (Ion Beam Etching) RIBE (Reactive Ion Beam Etching) CAIBE (Chemically Assisted Ion Beam Etching) RIE : Reactive Ion Etching ICP : Inductively Coupled Plasma ECR : Electron Cyclotronic Resonance 3

4 Gravure par faisceau d ions IBE (Ion Beam Etching) RIBE (Reactive Ion Beam Etching) Ions de gaz inerte Ar Ions de gaz réactif F, Cl Substrat Effet physique : pulvérisation Substrat Combinaison d un effet physique et chimique Gravure par faisceau d ions CAIBE (Chemically Assisted Ion Beam Etching) Ions de gaz inerte Ar Espèce neutre Réactives SF 6, Cl 2, XeF 2 Substrat Combinaison d un effet physique et chimique : Le contrôle se fait plus finement et de manière indépendante 4

5 Gravure par faisceau d ions Expérience de Coburn et Winters 1979 Synergie ion-neutre Pulvérisation physique Si Gravure chimique spontanée 2 chimisorption dissociative du XeF ( s) SiF(s), SiF2(s), SiF3(s), SiF4(ads) désorption ( s), SiF2(s), SiF3(s), SiF4(ads) SiF4(g) SiF Plan Introduction Gravure par faisceau d ions Dépôt par faisceau d ions Sources à faisceau d ions Source SIMO Bibliographie 5

6 Techniques de dépôt par voie sèche à basse pression CVD, PVD CVD Chemical Vapor Deposition PVD Physical Vapor Deposition Mixte PVD-PECVD Dépôt par faisceau d ions IBS Ion Beam Sputtering IBAD Ion Beam Assisted Deposition Dépôt par faisceau plasma Pulvérisation par faisceau d ions Des ions sont accélérés vers une cible du matériau que l on souhaite déposer. La pulvérisation est l éjection de particules hors de la cible consécutive à l impact des ions. Les espèces pulvérisées émises par la cible sont recueillies à la surface d un substrat pour former une couche mince. substrat Faisceau d ions couche mince particules pulvérisées Nécessité de travailler sous vide Matériau cible Les ions utilisés sont le plus souvent des ions Ar Facile à produire Pas de réaction chimique avec le matériau Masse atomique relativement élevée ce qui est nécessaire pour avoir une pulvérisation importante Energie des ions dans le domaine utile : qq. centaines d ev 6

7 Pulvérisation par faisceau d ions Contrôle indépendant de l énergie des ions et du courant Le dépôt peut s effectuer à des pressions très basses Dépôts assistés par faisceau d ions - IAD Bombardement ionique avant et pendant le dépôt. - Elimination des gaz et molécules adsorbées diminution de la pollution - Amélioration de l adhérence - Densification de la couche - Modification des propriétés physiques et structurales Ce bombardement se fait à des énergies d ions relativement faibles (centaine d ev) de manière à limiter la pulvérisation de la couche et de manière à éviter la création de défauts liés à un bombardement trop énergétique. On peut aussi combiner un effet chimique en utilisant un faisceau d ions réactifs Paramètre déterminant : (énergie des ions) x (flux d ions) Energie apportée par neutre déposé = (flux de neutres) 7

8 Evaporation assistée par faisceau d ions Substrat Pour substrat isolant ou dépôt isolant : nécessité d utiliser un neutraliseur qui envoie des électrons vers la surface pour compenser la charge positive des ions Canon à électron Pulvérisation assistée par faisceau d ions 8

9 Exemple : Couches pulvérisées à fort taux de carbone sp 3 Nécessité d une assistance ionique lors du dépôt Question : Peut-on trouver des conditions de synthèse permettant d obtenir des couches à très fort taux de C sp 3? Φ Ι /Φ Ν = 10 Φ Ι /Φ Ν = 5 Energie des ions Ar (ev) Unbalanced magnetron sputtering % C sp 3 mesuré par EELS J. Appl. Phys. 79(3), (1996) Plan Introduction Gravure par faisceau d ions Dépôt par faisceau d ions Sources à faisceau d ions Source SIMO Bibliographie 9

10 Mode d excitation du plasma Continue Cathode plasma Cathode froide Cathode chaude Confinement magnétique ou électrostatique Radiofréquence Micro-onde Couplage capacitif Couplage inductif Antenne Cavité résonante Fenêtre Résonance Cyclotron Electronique (ECR) Couplage résonant avec champ magnétique 875 Gauss 2.45 GHz Source à cathode chaude à confinement magnétique Type Kaufman Multipôles Inconvénient : fragilité de la cathode, gaz réactifs exclus en général 10

11 Extraction du faisceau par grilles Système classique à trois grilles à trous : Grille plasma au potentiel de la source plasma fixant l énergie des ions Grille d accélération servant à l extraction du faisceau d ions et contrôlant le courant Grille de décélération à la masse Le faisceau à la sortie des grilles peut être considéré comme un ensemble de petits faisceaux en parallèles Substrat Plasma Faisceau d ions V p I I a I d e I c V a I e = I a I d I c - (si pas de pertes au parois au cours du trajet du faisceau) - Principe de l extraction Ions a : diamètre des trous d : distance entre les grilles δ : épaisseur de la zone d accélération Loi de Child Langmuir : densité de courant extrait entre deux plans parallèles : J ion 4ε = 9 0 2eZ M 1 2 V 3 2 ext 2 δ V δ 3 2 ext 2 V ext tension d extraction des ions V ext = V p V a 11

12 Réglage du courant faisceau La densité de courant max extraite dépend principalement de la densité ionique du plasma on peut considérer J ion comme constant pour des conditions de décharge fixes Système à deux grilles : I e = I c I a On cherche à minimiser I a J ion V 3 2 ext 2 δ δ s adapte à V ext La forme de la surface émissive dépend de V ext En agissant sur Vext on peut ajuster la focalisation du faisceau à travers les trous de la grille d accélération et optimiser l extraction du courant faisceau Réglage de l énergie des ions Chute de potentiel dans la gaine plasma-paroi de la source : V plasma = V i V p L énergie des ions arrivant sur le substrat est fixée par la différence de potentiel entre le plasma et le substrat : E i = e( V p V plasma ) 12

13 Neutralisation de la charge d espace du faisceau d ions Le faisceau d ions chargés positivement crée une zone de charge d espace qui tend à faire diverger le faisceau : élargissement radial du faisceau Exemple : faisceau d ions Ar 500 ev - 1 ma.cm -2 - Ø 10 cm Vitesse = 4.9x10 6 cm.s -1 Densité ionique de faisceau Flux = 6.2x10 15 cm -2.s -1 n = flux vitesse = 1.3x10 9 cm 3 ( Ε) e.n div = ε0 Ε = grad(v) ΔV ~ Volts!!! Très forte divergence du faisceau due à l effet de charge Nécessité de neutraliser en volume le faisceau Dispositifs de neutralisation Dans l exemple précédent, si l on injecte dans le faisceau 99 électrons pour 100 ions on abaisse la densité de charge d un facteur 100, la variation de potentiel passe de 14 kv à 140 V, ce qui devient raisonnable. Il faut une source d électrons au voisinage du faisceau Electrons secondaires produits par les collisions des ions avec le gaz résiduel et avec les parois métalliques du réacteur et le substrat. Dans beaucoup de cas cela est suffisant. Electrons produits par une cathode ou une source de plasma auxiliaire. Absolument nécessaire dans le cas de parois isolantes et de substrat isolant Remarque : il n y a pas de recombinaison des électrons avec les ions énergétiques car ce processus est peu probable : la neutralisation s effectue en volume mais les deux espèces (ions et électrons ne sont pas du tout dans la même plage d énergie) 13

14 Energies caractéristiques Charge exchange : Ion énergétique neutre froid Ion froid neutre énergétique Contrôle de la neutralisation Filament chauffé et polarisé servant de cathode Paroi extérieure de la source d ions Grille de sortie du faisceau d ions 14

15 Sources sans grilles L effet de charge va affecter plus fortement les faisceaux à faible énergie car la densité de charge est inversement proportionnelle à la vitesse des ions difficile d extraire de fortes densités de courant (ma.cm -2 ) à faible énergie (< 100 ev) Une solution : utiliser des sources sans grilles dans lesquelles l accélération des ions s effectue dans la zone de décharge. On combine un champ électrique et un champ magnétique. La géométrie de l anode à un «désign» particulier E i Rms deviation End Hall gridless ion source Plan Introduction Gravure par faisceau d ions Dépôt par faisceau d ions Sources à faisceau d ions Source SIMO Bibliographie 15

16 Présentation - Source SIMO 80/30 Effet ECR dans source SIMO 80/30 Excitation micro-onde par antenne à 2.45 GHz Couplage avec champ magnétique à 875 Gauss pour effet ECR 16

17 Densités ioniques Courant extrait en décharge SF 6 Remarques : Le courant est extrait d une grille de 10 mm de diamètre pour que le faisceau soit de la taille de la surface de l échantillon (peu d interaction avec la canne porte-substrat) La pression est mesurée dans la chambre de gravure ; la pression dans la source est supérieure d un facteur 10 au moins (faible conductance des grilles) 17

18 Densité de courant en décharge SF 6 Energie des ions V plasma 18

19 Spectres de masse du faisceau d ions Ions F S SF SF 2 SF 3 SF 5 Composition (%) Flux (cm -2.s -1 ) 2.5x x x x x x x x x x x x10 15 P = 5x10-5 mbar P micro-onde = 150 W Spectres de masse du faisceau de neutres Espèces neutres Composition (%) Flux (cm -2.s -1 ) F 70 2x10 17 SF x10 16 SF x10 16 SF x10 16 P = 5x10-5 mbar P micro-onde = 150 W 19

20 Plan Introduction Gravure par faisceau d ions Dépôt par faisceau d ions Sources à faisceau d ions Source SIMO Gravure basse température par faisceau plasma SF 6 Bibliographie Stratégie Contrôle : nature des espèces neutres et ionisées flux et énergies température Détermination des mécanismes réactionnels en surface Méthodes combinant faisceaux d ions et flux d espèces neutres Source Neutres d ions Analyse XPS quasi in situ Porte-substrat (polarisable, refroidi) Réacteur de gravure Transfert sous ultra-vide Enceinte d analyse XPS Expériences : Neutres : SF 6 Ions : Ne, Ar Faisceau plasma SF 6 : F, F SF x SF x Mesures des vitesses de gravure : composante physique rendement de pulvérisation composante chimique probabilité de réaction chimique effet synergétique rendement de pulvérisation chimique Thèse de Jacques Royer 1994 Thèse de Thierry Chevolleau

21 Gravure du silicium à basse température Analyse XPS après gravure du silicium sous flux de Ne (500 ev, cm -2.s -1 ) et SF 6 ( mbar) Conditions favorables Spectre XPS à la fluoration du F 1s après du silicium traitement à -110 C Thèse de Jacques Royer 1994 Proposition d un mécanisme réactionnel tenant compte - du taux de couverture des molécules de SF 6 adsorbées - des réactions entre SF 6(ads) et Si induites par les ions Ne J. Royer, P.Y. Tessier, B. Grolleau, and G. Turban. J. Vac. Sci. Technol. A 14(1), (1996) Gravure du silicium à basse température Mesures à fort flux d ions Effet Conditions des réactions favorables induites 1500 par les ions 400 RIBE CAIBE SF /Ar ev 350 RIBE RIBE 1000 : Reactive Ion CAIBE Beam Etching CAIBE SF /Ar ) Chemically Assisted Ion Beam Etching ev Faisceau h rate c e t (Å /min Flux 260 plasma evar SF : cm -2.s -1 6 : Energie Neutres 160 ev Ar : F : SF 340 x ev 250 ) Ions : F Flux 110 SF, SF ev 300Pulvérisation physique par les ions Ar 6 : cm -2.s -1 h rate x 0 ev (spontaneous c etch rate) e t 200 (Å /min Flux d ions : ev 16 cm -2.s -1 Flux 0 de neutres : cm -2.s Température de traitement ( C) 500 substrate temperature (K) 160 ev ev Thèse T. Chevolleau Pulvérisation 0 ev (spontaneous physique par les ions Ar détermination de conditions favorables en terme de vitesse de gravure et d anisotropie 200 détermination etch des rate) rendements de pulvérisation chimique en fonction de T, flux et énergie T. Chevolleau, 250P.Y. Tessier, 300 C. Cardinaud, G. Turban. substrate Température temperature J. Vac. de Sci. traitement Technol. (K) A 15(5), ( C) (1997) 21

22 Gravure du silicium à basse température SF 6(ads) Activation de la chimisorption dissociative du SF 6 par les ions Faible taux de couverture fluoration du silicium faible Gravure du silicium à basse température Taux de couverture intermédiaire fluoration du silicium favorisée 22

23 Gravure du silicium à basse température Fort taux de couverture : épaisseur de la couche adsorbée > R p fluoration ralentie voire bloquée Plan Introduction Gravure par faisceau d ions Dépôt par faisceau d ions Sources à faisceau d ions Source SIMO Bibliographie 23

24 Bibliographie H.R. Kaufman, J.J. Cuomo, J.M.E. Harper Technologies and applications of broad ion sources used in sputtering Part 1 : Ion source technology J. Vac; Sci. Technol., 21(3), (1982) J.M.E. Harper, J.J. Cuomo, H.R. Kaufman Technologies and applications of broad ion sources used in sputtering Part 2 : Applications J. Vac; Sci. Technol., 21(3), (1982) H.R. Kaufman, J.J. Cuomo, J.M.E. Harper Developments in broad beam, ion source technology and applications J. Vac; Sci. Technol., 21(3), (1982) H.R. Kaufman, R.S. Robinson, R.I. Seddon End Hall ion source J. Vac; Sci. Technol. A, 5(4), (1987) Thierry Chevolleau Etude des mécanismes de gravure du silicium à basse température par un faisceau plasma de SF6 extrait d une source d ions à décharge micro-onde Thèse de Doctorat - IMN - Université de Nantes Mai 1998 A. Anders Plasma and ion sources in large area coating: A review Surface & Coatings Technology 200 (2005) m Y c α Sn(Ei, Zi, Z U mi Modèle de Sigmund Rendement de pulvérisation Y = nombre de particules pulvérisées par ion incident U Energie de liaison des atomes en surface ; pour les métaux la valeur choisie correspond à l énergie de sublimation α Fonction dépendant du rapport des masses cible/ion Sn représente le pouvoir de ralentissement nucléaire qui dépend des sections efficaces des collisions élastiques ; dépend de l énergie E i des ions et des numéros atomiques Z iet Z c de l ion et de l atome cible. c ) Il existe un seuil de pulvérisation de qq dizaines d ev en dessous duquel il n y a pas de pulvérisation Energie des ions Ar (ev) 24

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