Dynamique des espèces chargées dans un réacteur de gravure diélectrique à couplage capacitif excité par deux fréquences

par Garrett Curley

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Jean-Paul Booth.

Soutenue en 2008

à Palaiseau, Ecole polytechnique .


  • Résumé

    Les plasmas à couplage capacitif excités par deux fréquences sont utilisés pour la gravure des diélectriques, étape importante dans la fabrication de composants de microélectronique. L'utilisation des deux sources RF, une à basse fréquence, l'autre à haute fréquence, est censée permettre le contrôle indépendant du flux ionique et de l'énergie ionique. Les gaz fluorocarbonés jouent le rôle clé en fournissant les espèces nécessaires à la gravure des motifs nanométriques. Ces plasmas fluorocarbonés sont complexes, ils sont composés de plusieurs types de radicaux neutres, d'ions positifs et d'ions négatifs. Nous étudions un réacteur industriel modifié, avec des mélanges gazeux de type Ar/O2/C4F8 et Ar/O2/CF4, à des pressions proches de 50 mTorr (6. 6 Pa) et excité par des sources RF de 27 et 2 MHz. La mesure des ions négatifs et leurs effets sur les propriétés électriques du plasma est le sujet d'étude principal de cette thèse. Plusieurs techniques de diagnostics sont mises en oeuvre pour caractériser les densités et les flux des particules chargées. Une sonde de flux ionique à polarisation RF est installée dans l'électrode du haut. La densité électronique est mesurée dans le centre de la décharge par une sonde de résonance micro-ondes, communément appelée sonde hairpin. La technique de spectroscopie dite « cavity ring-down » (CRDS) est appliquée à la mesure de la densité d'ions négatifs du fluor en détectant l'absorption large bande due au photodétachement de l'ion. La fraction d'ions négatifs est déduite des mesures de sondes en comparant le rapport du flux ionique sur la densité électronique à la valeur théorique obtenue par un modèle fluide d'un plasma électronégatif.

  • Titre traduit

    The dynamics of the charged particles in a dual frequency capacitively coupled dielectric etch reactor


  • Résumé

    Dual frequency capacitively coupled plasmas (DF-CCP) are used for the etching of semiconductor based dielectrics as part of the microelectronics fabrication process. The use of two frequencies is intended to allow for the independent control of the ion flux and the ion energy. Fluorocarbon gases such as c-C4F8 and CF4 play the key role in producing the precursor species that eventually etch the nano-scale patterns. These fluorocarbon-containing plasmas are complex in nature, forming many types of neutral radicals, positively charged ions and negatively charged ions. We study a customized industrial etch reactor, running in Ar/O2/c-C4F8 and Ar/O2/CF4 gas mixtures at pressures in the region of 50 mTorr (6. 6 Pa) and driven by 2 and 27 MHz RF power, either separately or simultaneously. The measurement of the negative ions and their effect on the plasma’s electrical properties are the main focus of this thesis. Several diagnostic techniques are implemented to characterise the densities and fluxes of the various charged species. A deposition tolerant, RF biased ion flux probe, installed co-planar with the upper electrode, is used to measure the ion current arriving at the electrode surface. The electron density in the centre of the plasma is measured using a quarter-wavelength microwave resonator probe, known commonly as a hairpin probe. A floating probe design is used to avoid the effects of RF biasing and subsequent RF sheath formation on the probe wires. Cavity ring-down spectroscopy (CRDS) is applied to the measurement of the negative fluorine ion density by the absorption in its broadband photodetachment continuum. The electron densities, ion currents and negative ion densities are measured under various plasma conditions for both single and dual frequency excitation. The effect of various plasma gas mixtures and various applied RF powers are particularly studied. The negative ion fraction, ® = nn=ne, is deduced from the probe measurements by comparing the ratio of the ion flux to the electron density, ¡i=ne, to the theoretical ratios obtained by an electronegative plasma fluid model. Fluid models from the literature were modified to account for the variable ion mobility that is characteristic of the pressures used in this study (about 50 mTorr or 6. 6 Pa).

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2009 par [CCSD] [diffusion/distribution] à Villeurbanne

Dynamique des espèces chargées dans un réacteur de gravure diélectrique à couplage capacitif excité par deux fréquences

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  • Détails : 1 vol. ( 193 p.)
  • Annexes : Bibliographie 127 réf.

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C1A 120/2008/CUR
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