Gravure plasma

Sans la gravure plasma, la fameuse loi de Moore, qui prédit l’évolution des dimensions critiques des circuits intégrés (doublement de la densité des transistors tous les 18 mois), serait depuis longtemps obsolète, et le degré d’intégration des puces serait loin de celui actuellement atteint en production de masse. Toutefois, les procédés de gravure utilisés aujourd’hui en microélectronique, déjà anciens, présentent des difficultés à faire face aux exigences croissantes liées à la diminution des dimensions des motifs, d’où la nécessité de développer de nouveaux procédés basés sur une meilleure connaissance de la physico-chimie des mécanismes réactionnels de gravure.

Plasma matriciel d’oxygène pour enlèvement de résine

 

Cette thématique du CRPMN est un axe de recherche traditionnel de l’équipe, dont les premiers travaux remontent au milieu des années 80. Les objectifs des recherches en cours concernent essentiellement des études fondamentales sur les effets de température en gravure plasma et en particulier dans les procédés de gravure anisotrope par passivation latérale. Les applications visées concernent, d’une part, l’enlèvement de résine en plasma matriciel, et, d’autre part, la mise au point de nouveaux procédés pour microélectronique et nanotechnologies, ainsi que la fabrication de filtres pour microfiltration par gravure à travers des membranes de micro-pores à facteur de forme élevé.

Articles de référence

  • B. PETIT, J. PELLETIER, Mécanismes d'anisotropie dans la gravure du silicium en plasma de SF6 : modèle de gravure, Rev. Phys. Appl., 21, 377 (1986)
  • J. PELLETIER, A model for the halogen-based plasma etching of silicon, J. Phys. D, 20, 858 (1987)
  • J. PELLETIER, Y. ARNAL, A. DURANDET, SF6 plasma etching of silicon: evidence of sequential multilayer fluorine adsorption, Europhys. Lett., 4, 1049 (1987)
  • A. DURANDET, Y. ARNAL, J. PELLETIER, C. POMOT, Anisotropy and kinetics of the etching of tungsten in SF6 multipolar microwave plasma, J. Appl. Phys., 67, 2298 (1990)
  • A. GÉRODOLLE, J. PELLETIER, Two dimensional implications of a purely reactive model for plasma etching, IEEE Trans. Electron. Devices, 38, 2025 (1991)
  • M. PONS, J. PELLETIER, O. JOUBERT, Anisotropic etching of polymers in SO2 / O2 plasmas : hypotheses on surface mechanisms, J. Appl. Phys., 75, 4709 (1994)
  • F. BOUNASRI, J. PELLETIER, M. MOISAN, M. CHAKER, Surface diffusion model accounting for the temperature dependence of tungsten etching characteristics in a SF6 magnetoplasma, J. Vac. Sci. Technol., B 16, 1068 (1998)
  • T. LAGARDE, J. PELLETIER, Y. ARNAL, Parametric study of the etching of SiO2 in SF6 plasmas: modeling of the etching kinetics and validation, J. Vac. Sci. Technol., B 17, 118 (1999)

Implantation ionique par immersion plasma

L’implantation ionique par immersion plasma (IIIP ou PI3 pour les sigles français usuels, PBII pour le sigle en anglais), inventée puis développée vers la fin des années 80, constitue une des technologies idéales d’élaboration de nanostructures. Cette technologie, qui permet l’implantation d’éléments légers (H, O, N, C, F …) dans les matériaux à des énergies de quelques keV à plusieurs dizaines de keV, c’est-à-dire sur des profondeurs de l’ordre de quelques nm à quelques dizaines de nm, constitue un outil idéal, non seulement pour modifier fondamentalement les propriétés chimiques, mécaniques, électriques ou magnétiques des couches minces, mais aussi pour élaborer de manière simple des nanostructures par dépôts successifs et implantations localisées à travers des masques.

Le réacteur actuel du CRPMN (disponible sur plate-forme IAP3) a été le premier équipement PBII développé et mis au point en France vers le milieu des années 90. Il reste, encore aujourd’hui, l’un des rares équipements opérationnels en France à des énergies d’implantation de 50 à 60 keV.

Réacteur DECR d’implantation ionique par immersion plasma (PI3 / PBII) - plasma d’azote

Principe de l’implantation ionique par immersion plasma

  • Immersion des substrats 2D ou 3D dan un plasma de grand volume
  • Application au substrat d’impulsions négatives haute tension (épaisseur de gaine importante aux tensions élevées)
  • Implantation des ions du plasma accélérés sous la différence de potentiel entre le potentiel du substrat et le potentiel plasma (gaine non-collisionnelle)
Forme des impulsions haute tension

Caractéristiques du réacteur IAP3

  • Plasma DECR (ancienne technologie)
  • Diamètre 60 cm, Hauteur 70 cm
  • Puissance micro-onde 2 ´ 2 kW à 2,45 GHz
  • Domaine de pression du mtorr (0,1 Pa)
  • Générateur d’impulsions transistorisé (transformateur d’impulsions)
  • Passage haute tension 100 kV
  • Impulsions : 0-100 kV / 0-100 A / 0-50 µs / 1-50 Hz
  • Énergie d’implantation maximale : 40 à 60 keV suivant conditions opératoires
Implantation d’oxygène sur lames de rasoir en réacteur DECR

Avantages du procédé PBII

  • Substrats conducteurs de toutes formes (convexes)
  • Extension d’échelle
  • Implantation possible à basse énergie
  • Co-implantation de plusieurs éléments (mélanges de gaz)
  • Vitesses d’implantation élevées (doses de 1011 à 1018 cm-2)
  • Possibilité de pré- et post-traitements (procédés séquentiels)

Limitations du procédé PBII

  • Substrats diélectriques massifs
  • Énergie d’implantation limitée à 100 keV
  • Courants pic élevés (pic de courant initial, électrons secondaires)
  • Pas de séparation de masse
  • Mesure difficile des doses implantées (calibration)
  • Production de rayons X (électrons secondaires)

Articles et ouvrages de référence

  • F. LE CŒUR, T. LAGARDE, J. PELLETIER, Y. ARNAL, R. BURKE, M. BRUNEL, Distributed electron cyclotron resonance plasma immersion for large area ion implantation, Rev. Sci. Instrum., 69, 831 (1998)
  • O. MAULAT, M. ROCHE, F. LE CŒUR, O. LESAINT, Y. ARNAL, J. PELLETIER, A new line of high voltage - high current pulse generators for plasma based ion implantation, J. Vac. Sci. Technol., B 17, 879 (1999)
  • LE CŒUR Frédéric, thèse INPG, Décharges excitées à la résonance cyclotronique électronique distribuée et générateurs à transformateur d’impulsions pour implantation ionique par immersion plasma (Grenoble, octobre 1999)
  • Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation & Deposition, édité par André ANDERS, John Wiley & Sons, New-York (2000)
  • A. LACOSTE, J. PELLETIER, Processing considerations with plasma-based ion implantation of polymers : theoretical aspects, limitations, and experimental results, Nuclear Instrum. and Methods B, 208, 260-266 (2003)
  • VEMPAIRE David, thèse UJF, en co-tutelle avec le Laboratoire de Cristallographie de Grenoble, Modification des propriétés magnétiques de couches minces de nickel et de manganèse et réalisation de microstructures magnétiques par implantation ionique en immersion plasma (Grenoble, décembre 2004)
  • S. TAVARES, S. MIRAGLIA, D. FRUCHART, D. DOS SANTOS, L. ORTEGA, A. LACOSTE , Evidence for a superstructure in hydrogen-implanted palladium, Journal of Alloys and Compounds, 372 (2004) L6-L8
  • D. VEMPAIRE, J. PELLETIER, A. LACOSTE, S. BÉCHU, J. SIROU, S. MIRAGLIA, D. FRUCHART, Plasma-based ion implantation : a valuable technology for the elaboration of innovative materials and nanostructured thin films, Plasma Phys. Control. Fusion, 47, A153-A166 (2005)
  • D. VEMPAIRE, E. K. HLIL, R. GOUTTEBARON, L. ORTEGA, A. SULPICE, S. MIRAGLIA,
    D. FRUCHART, J. PELLETIER, Stucture and magnetic properties of Mn4N thin films synthetised by plasma-based ion implantation, Physica A, 358, 136-141 (2005)
  • J. PELLETIER, A. ANDERS, (Article de Revue Invité) Plasma-based ion implantation - A review of physics, technology, and applications, IEEE Trans. Plasma Science, 33, 1944-1959 (2005)

Procédés spéciaux

Les plasmas micro-onde sont particulièrement attrayants en raison de la souplesse de leurs conditions opératoires (pression, fréquence), de la diversité de leurs configurations (forme, dimensions), et de leurs performances (uniformité, densité). Ils permettent en outre un contrôle indépendant de la production du plasma (densité, concentration ou flux d’espèces) et des paramètres d’interaction plasma-surface (énergie de bombardement ionique, température).

Pour ces raisons, les plasmas micro-onde sont particulièrement bien adaptés à des applications réclamant des spécifications extrêmes ou associant plusieurs procédés (procédés séquentiels ou duplex).

C’est le cas, en particulier, des plasmas multi-dipolaires qui permettent d’associer et de combiner des procédés comme les dépôts PACVD et PAPVD (pulvérisation assistée par plasma), et différents modes de polarisation (continue, continue pulsée, autopolarisation RF, haute tension pulsée).

  • S. BÉCHU, O. MAULAT, Y. ARNAL, D. VEMPAIRE, A. LACOSTE, J. PELLETIER, Multi-dipolar plasmas for plasma-based ion implantation and plasma-based ion implantation and deposition : interest and perspectives, Surf. Coat. Technol. 186, 170-176 (2004)
Schéma d’un réacteur multi-dipolaire pour procédés duplex et séquentiels

Élaboration de matériaux nano-composites par procédés duplex

Des couches minces de composites métal-carbone nanostructurés ont été élaborées par pulvérisation cathodique du métal (nickel) et dépôt chimique de carbone à partir d'une phase gazeuse (CH4, C2H2) assistés par plasma micro-onde, c’est-à-dire par procédé duplex PAPVD (plasma-assisted physical vapor deposition) et PACVD (plasma-assisted chemical vapor deposition). Ces couches, qui présentent une dureté élevée et des contraintes résiduelles faibles (garantie d’une bonne adhérence), ont permis d'obtenir de faibles coefficients de frottement lors de tests tribologiques réalisés dans différentes conditions et dans divers milieux (air sec ou humide, vide). Cette thèmatique de recherche a été soutenue jusqu'à fin 2004 par le Ministère de la Défense (DGA) et par le Ministère de la Recherche (ACI).

De manière plus générale, les matériaux nanocomposites sont aussi recherchés pour leurs propriétés optiques, magnétiques, ou diélectriques exceptionnelles. A titre d’exemple, les matériaux composites métal/carbone, où les particules métalliques de taille nanométrique dispersées dans une matrice de carbone amorphe sont fortement polarisables, peuvent atteindre des permittivités très élevées (constante diélectrique de plusieurs centaines ou plusieurs milliers, suivant les cas), d’où leur intérêt dans de nombreuses applications.

  • Y. PAULEAU, F. THIÈRY, J. PELLETIER, V. V. UGLOV, A. K. KULESHOV, S. N. DUB, M. P. SAMTSOV, V. M. ANISHCHIK, N. N. CHERENDA, Structure and mechanical properties of nanostructured Cu-C coatings formed with the help of plasma-enhanced vacuum deposition, Advanced Materials, 5, 13-19 (2002)
Exemple de matériau composite déposé par procédé hybride PACVD et PAPV

Nitruration assistée par plasma micro-onde

Contrairement aux procédés conventionnels de nitruration ionique où les pièces à traiter constituent les cathodes de décharges continues ou pulsées, la nitruration assistée par plasma-micro-onde permet un contrôle indépendant de la production du plasma, de l’énergie de bombardement ionique sur les surfaces, et de la température de traitement (qui contrôle la diffusion de l’azote). En particulier, en maintenant l’énergie de bombardement à des valeurs inférieures au seuil de pulvérisation, on obtient des états de surface proches des conditions initiales (aspect, rugosité). Ce procédé est en production industrielle chez AREVA depuis plus de 10 ans pour le traitement des tubes techniques en acier bas carbone introduits dans le cœur des réacteurs nucléaires.

  • J. PELLETIER, A. LACOSTE, Y. ARNAL, T. LAGARDE, C. LINCOT, D. HERTZ, New trends in DECR plasma technology: applications to novel duplex treatments and process combinations with extreme plasma specifications, Surf. Coat. Technol., 139, 222-232 (2001)


Réacteur de nitruration assistée par plasma micro-onde DECR

Oxydation anodique en plasma d’oxygène

L’oxydation anodique en plasma d’oxygène est un procédé dans lequel on applique une polarisation positive à la surface du substrat. Ce procédé permet ainsi d’élaborer à basse température des oxydes minces par diffusion assistée (des espèces O- formées dans les oxydes) par le champ électrique induit dans l’oxyde par le courant de bombardement électronique collecté.

  • PLANTIER Hélène, Thèse de l'Université Joseph Fourier, Mécanismes d’oxydation et caractérisation de couches d’oxyde réalisées à basse température par anodisation plasma sur silicium mono- et poly-cristallin, germanium et alliages Si1-xGex (Grenoble, octobre 1999)


Stérilisation plasma

Les recherches fondamentales menées en stérilisation plasma dans le cadre de collaborations pluridisciplinaires internationales ont abouti à identifier les agents (UV, atomes, radicaux) et les mécanismes d’inactivation des micro-organismes (destruction de l’ADN par les UV, érosion chimique par les atomes et les radicaux réactifs) dans les décharges et les post-décharges micro-onde.

  • S. HURY, D.R. VIDAL, F. DESOR, J. PELLETIER, T. LAGARDE, A parametric study of the destruction efficiency of Bacillus spores in low-pressure oxygen-based plasmas, Lett. Appl. Microbiology, 26, 417 (1998)
  • M. MOISAN, J. BARBEAU, S. MOREAU, J. PELLETIER, M. TABRIZIAN, L’H. YAHIA, (Article de Revue Invité) Low-temperature sterilization using gas plasmas: a review of the experiments and an analysis of the inactivation mechanisms, Int. J. of Pharmaceutics, 226, 1-21 (2001)


Micro-décharges de xénon entretenues par micro-onde

En raison de leur intérêt pour la production de photons UV, l’entretien de micro-décharges de xénon par micro-ondes a été étudié dans le cadre de recherches prospectives sur les écrans plasma. L’étude paramétrique des conditions d’entretien du plasma a permis, sur un plan plus fondamental, d’établir les lois d’échelle de ces micro-décharges micro-onde.

  • A. LACOSTE, O. MAULAT, L. LATRASSE, Y. ARNAL, J. PELLETIER, Microdischarges of xenon sustained by microwaves : determination of scaling laws, Appl. Phys. Lett. 86, 141502-1-3 (2005)


Polarisation dans les plasmas par injections d’électrons

Pour polariser des surfaces diélectriques auxquelles il n’est pas possible d’appliquer une polarisation RF par couplage capacitif (e.g. nanofibres, nanotubes, fils, diélectriques épais), une solution qu’il est possible de mettre en œuvre est l’injection d’électrons dans un plasma peu collisonnel. Si la densité de courant d’électrons injectés permet de neutraliser le flux d’ions issus du plasma, le potentiel pris par la surface correspond à l’énergie des électrons injectés. De manière plus générale, il est ainsi possible de modifier la FDEE (fonction de distribution en énergie) du plasma dans lequel les électrons sont injectés.

  • A. LACOSTE, S. BÉCHU, O. MAULAT, J. PELLETIER, Y. ARNAL, Extraction of large area low-energy electron beams from a multi-dipolar plasma, Plasma Sources Sci. Technol. 18, 015017 (2009)

Dépôt PAPVD

Par rapport à la pulvérisation magnétron, la pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire (plasma auxiliaire), où production du plasma et polarisation des cibles sont indépendantes, présente de très nombreux avantages :

  • Simplicité des cibles (pas d’aimant permanent)
  • Usure uniforme des cibles (rendements matière élevés)
  • Pas de limitation à la pulvérisation des matériaux magnétiques
  • Possibilité d’opérer sur une plus large gamme de pression
  • Nettoyage des cibles par le plasma auxiliaire sans pulvérisation (suppression des caches)
  • Nettoyage du substrat par le plasma auxiliaire (polarisation indépendante du substrat)
  • Assistance ionique sur le substrat pendant le dépôt (polarisation indépendante du substrat)
  • Possibilité d’ioniser les vapeurs atomiques entre cible et substrat par le plasma auxiliaire
  • Dépôt d’alliages par co-pulvérisation (contrôle de la composition de 0 à 100 % par polarisation indépendante des différentes cibles)
  • Contrôle de l’empoisonnement des cibles en pulvérisation réactive par la polarisation indépendante des cibles.

La pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire apporte une souplesse d’utilisation exceptionnelle qui peut être mise à profit pour déposer à basse température des matériaux métastables ou des alliages à propriétés fonctionnelles inédites, comme par exemple, des films magnétiques nanostructurés ou des matériaux pour le stockage ou la conversion d’énergie (alliages à mémoire de forme magnétique, matériaux thermo-électriques, matériaux magnéto-caloriques).

Les plasmas multi-dipolaires peuvent aussi être utilisés comme plasmas auxiliaires dans des procédés PAPVD autres que la pulvérisation, comme l’évaporation, l’épitaxie par jets moléculaires, ou les dépôts par laser pulsé (PLD ou pulsed laser deposition).

Porte-cibles multiples pour co-pulvérisation d’alliages métalliques

Articles et ouvrages de référence

  • VEMPAIRE David, thèse UJF, en co-tutelle avec le Laboratoire de Cristallographie de Grenoble, Modification des propriétés magnétiques de couches minces de nickel et de manganèse et réalisation de microstructures magnétiques par implantation ionique en immersion plasma (Grenoble, décembre 2004)
  • G. GIRARD, S. BÉCHU, N. CAILLAULT, L. CARBONE, D. FRUCHART, Bulk and thin films of magnetic-shape memory Ni-Mn-Ga alloys deposited by multi-dipolar plasma-assisted sputtering, J. Alloys & Compounds, 465, 35-40 (2008)
  • D. VEMPAIRE, F. FETTAR, L. ORTEGA, F. PIERRE, S. MIRAGLIA, A. SULPICE, J. PELLETIER,
    E. K. HLIL, D. FRUCHART, Nonmagnetic thin layers of Ni3N, J. Appl. Phys. 106, 0736911 (2009)

Dépôt PACVD

Comme pour la gravure plasma, les dépôts de matériaux en couches minces par PACVD (dépôts par voie chimique en phase vapeur assistés par plasma) dans les plasmas micro-onde distribués représentent un axe de recherche traditionnel de l’équipe, dont les premiers travaux remontent au début des années 90.

Aujourd’hui, les plasmas multi-dipolaires permettent le transfert au niveau industriel de tous les procédés PACVD étudiés, depuis le nettoyage et la préparation des surfaces jusqu’au dépôt de métaux ou de diélectriques, de DLC (diamond-like carbon), et au dépôt par épitaxie de silicium (avec ou sans dopage) ou d’alliages Si-Ge. Ce sont aussi des outils de recherche fondamentale et de R&D très appréciés en raison de la souplesse de leurs conditions opératoires, et des possibilités d’extension d’échelle qu’ils permettent.

Enfin, les plasmas matriciels ont montré l’étendue de leurs possibilités en termes d’uniformité et de vitesse de dépôt, supérieure au µm / minute.

Réacteur GALIX 500 mm x 500 mm pour dépôt PACVD sur grandes surfaces
(courtoisie du Laboratoire PICM de l’Ecole Polytechnique, Palaiseau)

Articles et ouvrages de référence

  • R. BURKE, J. PELLETIER, C. POMOT, L. VALLIER, Distributed electron cyclotron resonance (DECR) in silicon processing : epitaxy and etching,
    J. Vac. Sci. Technol., A8, 2931 (1990)
  • J. PELLETIER, R. PANTEL, J.C. OBERLIN, Y. PAULEAU, P. GOUY-PAILLER, Preparation of copper thin films at ambient temperature by microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition from the copper (II) acetylacetonate-argon-hydrogen system, J. Appl. Phys., 70, 3862 (1991)
  • A. BELKACEM, Y. ARNAL, J. PELLETIER, É. ANDRÉ, J.-C. OBERLIN, Preparation of low-resistivity tungsten thin  films deposited by microwave plasma enhanced CVD from the tungsten hexafluoride - hydrogen system, Thin Solid Films, 241, 301 (1994)
  • J.-C. ROSTAING, F. CŒURET, J. PELLETIER, T. LAGARDE,
    R. ETEMADI, Highly homogeneous silica coatings for optical and protective applications deposited by PECVD at room temperature in a planar uniform distributed electron cyclotron resonance plasma reactor, Thin Solid Films, 270, 49 (1995)
  • F. PIAZZA, Y. ARNAL, D. GRAMBOLE, F. HERRMANN,
    M. KILDEMO, A. LACOSTE, G. RELIHAN, G. GOLANSKI, Influence of the process parameters on the properties of hydrogenated tetrahedral amorphous carbon thin films deposited using ECR plasma, Thin Solid Films, 383, 196 (2001)
  • T. BUSANI, R. A. B. DEVINE, Dielectric and infrared properties of TiO2 films containing anatase and rutile, Semicond. Sci. Technol. 20,870 (2005)
  • T. BUSANI, R. A. B. DEVINE, Electrical and physical properties of room temperature deposited, mixed TiO2 / SiO2 oxides, J. Vac. Sci. Technol. A 24 369 (2006)
  • High Density Plasma Sources : Concept, Design and Performance, Oleg A. POPOV, éditeur, Noyes, Park Ridge (1996), pages 418 à 421
  • L. LATRASSE, A. LACOSTE, J. C. SÁNCHEZ-LÓPEZ, J. PELLETIER, High deposition rates of uniform films in tetramethylsilane-based plasmas generated by elementary microwave sources in matrix configuration, Surface Coat. Technol. 203, 2343-2349 (2009)