Gravure en plasmas denses fluorés de verres de silice pour l'élaboration de dispositifs microfluidiques : étude expérimentale et modélisation

Etching silica glasses in dense fluorinated plasmas to make microfluidic devices : experimental and modeling study.

• Auteur / Autrice : Ludovic Lallement
• Direction : Christophe Cardinaud, Ahmed Rhallabi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Plasmas et couches minces
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Verre de silice

Gravure par plasma

Microtechniques

Résumé

Le but de ce travail est de caractériser en détail les plasmas fluorés de CHF3/Ar, CF4/Ar et SF6/Ar et plus particulièrement ce dernier ainsi que leur interaction avec les verres de silice pendant un procédé de gravure destiné à la réalisation de dispositifs microfluidiques. Nous avons tout d’abord étudié les propriétés électriques et la cinétique du plasma en adoptant une démarche alliant l’expérience et la modélisation. C’est ainsi que des analyses du plasma par spectrométrie de masse, sondes de Langmuir, spectroscopie d’émission optique ont été effectuées. En parallèle à cette étude expérimentale, nous avons développé un modèle cinétique global permettant de quantifier les densités d’espèces ainsi que la température électronique en fonction des conditions de la décharge SF6/Ar. Les résultats fournis par le modèle ont pu être validés en les comparant à ceux obtenus expérimentalement. Ensuite des mesures de vitesse de gravure, de rugosité et d’analyse de surface (XPS, AFM, MEB) ont été menées après gravure en plasma de SF6/Ar et CHF3/Ar. Nous montrons qu’une pression de travail faible (5mTorr) et une forte dilution dans l’argon (50 à 90%) permet d’améliorer considérablement la gravure en augmentant la vitesse d’attaque des verres de silice contenant le plus d’oxydes métalliques et en diminuant la rugosité de surface. Enfin la modélisation multi-échelle de l’interaction plasma-surface montre que la vitesse de gravure dépend du pourcentage de métaux contenu dans les verres ainsi que du taux de pulvérisation des sites métalliques. Par ailleurs la rugosité semble être due au redépôt d’espèces métalliques à la surface du verre

The aim of this work is to characterize in detail fluorinated plasmas as CHF3/Ar, CF4/Ar and especially plasmas SF6/Ar and their interaction with silica glasses during an etching process devoted to microfluidic devices fabrication. First of all, we studied the electrical properties and the plasma kinetics by adopting an approach combining experiment and modeling. Thus, plasma diagnostics by mass spectrometry, Langmuir probes, optical emission spectroscopy were carried out. In parallel with this experimental study, we developed a global kinetic model to quantify the densities of neutral and charged species and the density and the electron temperature in various conditions of SF6/Ar discharge. The model results were validated with experimental results. Then etch rate and roughness measurements as well as surface analysis (XPS, AFM, SEM) were carried out after etching in SF6/Ar and CHF3/Ar plasmas. We show that decreasing the pressure and increasing the percentage of argon improve etching by increasing the etch rate of silica glass containing the most metal oxides and reducing surface roughness. Implementation for trench etching is successfully tested. Finally, the multi-scale modeling of plasma-surface interaction shows that the etch rate depends on the percentage of metal content in the glasses and the sputtering yield of metal sites. The roughness is due to the redeposition of metal species on the surface of the glass