Sources plasma microonde haute densité distribuées dans une configuration matricielle. L. Latrasse, A. Lacoste, A. Bès, J.

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1 Sources plasma microonde haute densité distribuées dans une configuration matricielle L. Latrasse, A. Lacoste, A. Bès, J. Pelletier Centre de Recherche Plasmas-Matériaux-Nanostructures Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie 53 rue des Martyrs, Grenoble 1

2 Sources plasma microonde haute densité distribuées dans une configuration matricielle Conception du réacteur Domaines de fonctionnement et d'homogénéité du plasma Caractéristiques électriques d'un plasma d'argon n i = f (P w, p Ar ) T e, V p, V f en volume et près du plan source Applications aux procédés Gravure de résine par plasma d'oxygène Caractéristiques de dépôts obtenus à partir des plasmas de mélange TMS + O 2 et TMS + N 2 Conclusion et perspectives 2

3 Conception du réacteur : Ligne électrique d'une source plasma micro-onde élémentaire Quartz Applicateur coaxial Câble (50 Ω) Adaptateur impédance Circulateur Vers autres applicateurs Circulation d'eau Charge adaptée 50 Ω (mesure de puissance réfléchie) Diviseur de puissance Magnétron 2,45 GHz, 2 kw 3

4 Conception du réacteur : Configuration planaire, matricielle Fenêtre pyrex Gaz Applicateurs micro-onde 4 Puissance micro-onde Cale Pompage 4 3 sources élémentaires (S = 200 cm 2 ) Distance entre sources a = 4 cm Injection du gaz et refroidissement repartis Pas de couplage EM entre sources (atténuation du champ électrique sur épaisseur de peau δ << a) Adaptation d'impédance indépendante à 60 Pa et 500 W P r /P i =0 (P r /P i < 10 % à 300 Pa) Augmentation de la surface par augmentation du nombre de sources

5 Sources plasma microonde haute densité distribuées dans une configuration matricielle Conception du réacteur Domaines de fonctionnement et d'homogénéité du plasma Caractéristiques électriques d'un plasma d'argon n i = f (P w, p Ar ) T e, V p, V f en volume et près du plan source Applications aux procédés Gravure de résine par plasma d'oxygène Caractéristiques de dépôts obtenus à partir des plasmas de mélange TMS + O 2 et TMS + N 2 Conclusion et perspectives 5

6 Domaine de fonctionnement : claquage, maintien et homogénéité du plasma 2500 Domaine d'uniformité du plasma : Puissance micro-onde (W) Claquage Maintien Uniformité visuelle Zone d'uniformité visuelle C M o Puissance de 300 à 2000 W o Pression de 10 à 700 Pa (Ar) Plasma homogène dans un domaine de pression étendu p Ar (Pa) Efficacité maximum de 60 Pa à 200 Pa 6

7 Uniformité visuelle du plasma en fonction de paramètres opératoires 300 Pa, 650 W 30 Pa, 1500 W basse P haute p Ar Plasma localisé augmentation de puissance, diminution de pression Plasma homogène 7

8 Uniformité visuelle du plasma en fonction de paramètres opératoires 1050 Pa, 1950 W 100 Pa, 1000 W 8

9 Uniformité du plasma : caractérisation électrique (mesures par sonde de Langmuir) Densité plasma en fonction de la distance h du plan source Densité plasma le long du réacteur 10 P =1200 W 5 Position des applicateurs micro-onde P =1200 W p = 60 Pa h = 20 mm 8 4 Densité (10 12 cm -3 ) Pa 60 Pa 145 Pa 145 Pa Densité (10 12 cm -3 ) l l = 75 mm l = 55 mm l = 25 mm Distance h (mm) L Position L (mm) Plasma uniforme pour h > 15 mm Plasma homogène (Δn i / n i ± 3,5 %) excepté les effets de bords 9

10 Distance (h) par rapport au plan source Uniformité du plasma Pression Puissance 30 Pa 100 Pa 260 Pa 500 Pa 700 Pa 500 W 19 mm 25 mm / / / 1000 W 17 mm 15 mm 17 mm / / 1500 W 15 mm 15 mm 15 mm / / 1800 W 15 mm 15 mm 27 mm / Pour h > 20 mm le plasma est homogène sur une large gamme de pression 10

11 Sources plasma microonde haute densité distribuées dans une configuration matricielle Conception du réacteur Domaines de fonctionnement et d'homogénéité du plasma Caractéristiques électriques d'un plasma d'argon n i = f (P w, p Ar ) T e, V p, V f en volume et près du plan source Applications aux procédés Gravure de résine par plasma d'oxygène Caractéristiques de dépôts obtenus à partir des plasmas de mélange TMS + O 2 et TMS + N 2 Conclusion et perspectives 11

12 Caractérisation électrique du plasma à distance du plan source fixée (h = 20 mm) Densité plasma en fonction de la puissance incidente Densité plasma en fonction de la pression Pa 100 Pa 260 Pa W 1200 W 600 W Densité (10 12 cm -3 ) 6 4 Densité (10 12 cm -3 ) Puissance micro-onde (W) p Ar (Pa) Densité plasma Puissance Densité > cm p Ar < 75 Pa : transfert d'énergie e-n plus efficace n i augmente p Ar > 75 Pa : Λ D diminue n i diminue

13 Caractérisation électrique du plasma à distance du plan source fixée (h = 20 mm) Température électronique en fonction de la puissance incidente Potentiels plasma et flottant en fonction de la puissance incidente 2, ,5 25 T e (ev) 1,0 0,5 0,0 60 Pa 100 Pa 200 Pa Puissance micro-onde (W) V p, V f (V) 30 Pa Pa V p, p Ar = 30 Pa 10 V f, p Ar = 30 Pa 5 V p, p Ar = 200 Pa V f, p Ar = 200 Pa Puissance micro-onde (W) 13 A pertes constantes, T e diminue quand P augmente θ a diminue ionisation par étapes? (V p V f ) imposé par T e : o diminution quand p Ar augmente o diminution quand P augmente Pourquoi V p et V f si grands?

14 Température électronique et potentiels en fonction de la distance du plan source 5 P =1200 W p = 60 Pa T e (ev) V p, V f (V) V p au dessus d'un applicateur V p entre deux applicateurs V f au dessus d'un applicateur V f entre deux applicateurs h (mm) h (mm) 14 T e grand dans la zone du plan source (fort champ HF) T e = valeur dans le corps du plasma à partir de h δ(épaisseur de peau) (V p V f ) imposé par T e V p poussé vers hautes valeurs par rapport à V f 0 au niveau du plan source V p = max à h δ où n i = max

15 Température et concentration de métastables Ar ( 3 P 2 ) à distance h = 20 mm du plan source 12 n Ar( 3 P2 ) (1010 cm -3 ) T, P = 500 W Ar( 3 P 2 ) w T, P = 1600 W Ar( 3 P 2 ) w n, P = 500 W Ar( 3 P 2 ) w n, P = 1600 W Ar( 3 P 2 ) w T Ar( 3 P 2 ) (K) Concentration significative de [Ar ( 3 P 2 )] ionisation par étapes p Ar (Pa) Augmentation de pression [Ar ( 3 P 2 )] diminue car l.p.m. des électrons chauds diminue T g augmente par augmentation transfert d'énergie collisionnelle e-neutre 15

16 Sources plasma microonde haute densité distribuées dans une configuration matricielle Conception du réacteur Domaines de fonctionnement et d'homogénéité du plasma Caractéristiques électriques d'un plasma d'argon n i = f (P w, p Ar ) T e, V p, V f en volume et près du plan source Applications aux procédés Gravure de résine par plasma d'oxygène Caractéristiques de dépôts obtenus à partir des plasmas de mélange TMS + O 2 et TMS + N 2 Conclusion et perspectives 16

17 Réacteur en configuration planaire matricielle Procédés Gravure de résine Plasma O 2 Dépôt SiCOH et SiCNH/ Si Plasma de mélange TMS + O 2 Plasma de mélange TMS + N 2 Dépôt SiCOH et SiCNH/ Inox Plasma de mélange TMS + O 2 Plasma de mélange TMS + N 2 17

18 Gravure de résine S1818, (h = 30 mm) Plasma O 2 p O2 = 7 25 Pa, P = W n i = cm -3 T e = 1,7 2,2 ev (V p = V) p O2 = 7 Pa, P = 1950 W 1,25 Vitesse de Gravure Vitesse de gravure (μm/min) 1,00 0,75 0,50 0,25 P w = 600 W P w = 1200 W P w = 1800 W 18 0, Débit O 2 (sccm)

19 Dépôt SiCOH par plasma de mélange TMS + O 2 Vitesse de dépôt en fonction de la puissance SiCOH/Si 1,50 P = 1950 W, p = 23 Pa (1/3 O 2, 2/3 TMS) Vitesse de dépôt (μm/h) P tot = 23 Pa 1/3 O 2 + 2/3 TMS 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 Vitesse de dépôt (μm/min) Substrat au potentiel flottant Puissance micro-onde (W) Grande vitesse de dépôt : jusqu'à 1,3 µm / min sur Si (h = 40 mm) 19 et 2 µm / min sur inox (h = 30 mm)

20 Dépôt SiCOH par plasma de mélange TMS + O 2 Uniformité du dépôt SiCOH/Si Epaisseur (μm) W 1000 W 1600 W P tot = 23 Pa - R 1/3 O 2 + 2/3 TMS Temps de dépôt = 5 min 2R = 75 mm 2 Position + R p O 2 = 7,7 Pa p TMS = 15,3 Pa P = 800 W p O 2 = 7,7 Pa p TMS = 15,3 Pa P = 1200 W p O 2 = 10 Pa p TMS = 20 Pa P = 1000 W Bonne uniformité de dépôt excepté les effets de bord, Δe / e = 5%, (limite du plasma uniforme) 20

21 Dépôt SiCNH par plasma de mélange TMS + N 2 Vitesse de dépôt SiCNH/Si Vitesse de dépôt (μm / h) p N2 = 10 Pa 20 p TMS = 15 Pa Puissance micro-onde (W) 1,6 1,2 0,8 0,4 Vitesse de dépôt (μm / min) Vitesse de dépôt (μm / h) p TMS = 15 Pa P w = 1000 W p N2 (Pa) 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 Vitesse de dépôt (μm/min) Grande vitesse de dépôt : jusqu'à 1,4 µm / min sur Si (h = 40 mm) 21 et 1,8 µm / min sur inox (h = 30 mm)

22 Dépôt SiCNH par plasma de mélange TMS + N 2 Uniformité du dépôt SiCOH/Si Epaisseur (μm) 8 p N2 = 10 Pa p N2 = 25 Pa R P TMS = 15 Pa P w = 1000 W Temps de dépôt = 5 min 2R = 75 mm 2 Position + R p N 2 = 15 Pa p TMS = 15 Pa P = 1000 W p N 2 = 20 Pa p TMS = 15 Pa P = 1000 W p N 2 = 10 Pa p TMS = 15 Pa P = 450 W Bonne uniformité de dépôt excepté les effets de bord (Δe / e = 5%) 22

23 Sources plasma microonde haute densité distribuées dans une configuration matricielle Conception du réacteur Domaines de fonctionnement et d'homogénéité du plasma Caractéristiques électriques d'un plasma d'argon n i = f (P w, p Ar ) T e, V p, V f en volume et près du plan source Applications aux procédés Caractéristiques électriques d'un plasma d'oxygène Caractéristiques de dépôts obtenus à partir des plasmas de mélange TMS + O 2 et TMS + N 2 Conclusion et perspectives 23

24 Conclusion Plasma Haute densité (n i cm -3 ) Uniformité du plasma (3,5%) à partir d'une distance du plan source > 20 mm Domaine de pression qq 10 Pa à qq 100 Pa Pas de couplage électromagnétique entre sources (atténuation du champ électrique sur épaisseur de peau) Procédés pas de problème d'adaptation d'impédance pas de problème d'augmentation de la surface utile de la nappe du plasma par augmentation du nombre de sources Grande vitesse de dépôt (de 1,4 µm / min sur Si à 2 µm / min sur inox) Uniformité (5 %) Grandes surfaces par extension d'échelle 24

25 Perspectives (court terme) Plasma compréhension et interprétation des résultats expérimentaux (métastables) modélisation Procédés analyse de la structure et de la composition des couches analyse des propriétés mécaniques / anticorrosion 25

26 Perspectives Plasma multidipolaire 10-4 < p < 10-2 Torr Plasma matriciel 10-1 < p < 10 Torr Nouvelles configurations 10-4 < p < 10 Torr (ANR PLASMODIE) 26