Soutenance mémoire
Plate-forme de gravure
Le réacteur de gravure utilisé dans le cadre de cette thèse fait partie de la plate forme de gravure 5200 d’Applied Materials. Cette plate-forme est un bâti de gravure industriel modifié afin de recevoir des outils de caractérisation.
La plate forme est notamment constituée de trois réacteurs de gravure :
• Un réacteur de gravure DPS : réacteur haute densité à couplage inductif, généralement destiné à la gravure des grilles en polysilicium
• Un réacteur de gravure DPS+: réacteur à couplage inductif équipé d’un porte-substrat chauffant. Ce réacteur est destiné à la gravure des métaux et des oxydes métalliques.
• Un réacteur de gravure MERIE (Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching) : réacteur à couplage capacitif, utilisé pour la gravure des matériaux diélectriques .
Différents outils de caractérisation et de suivi ont été ajoutés :
• Une chambre d’analyse de surface par XPS (Meca 2000). La chambre d’analyse est reliée au bâti de gravure par une chambre de transfert dans laquelle un vide (10⁻⁷ Torr) est maintenu afin d’éviter tout contact de l’échantillon avec une atmosphère oxydante. Ceci permet une analyse quasi in-situ de la surface.
• Un système de détection de fin d’attaque basé sur les techniques d’émission optique et d’interférométrie : l’ « EyeD » (Verity Instruments)
• Un ellipsomètre permettant la mesure in-situ des épaisseurs de matériaux .
Le réacteur DPS
Le réacteur DPS (Decoupled Plasma Source) est un réacteur plasma haute densité (densité ionique : 10¹¹ – 10¹² ions/cm3) et basse pression (qques mTorr). Ce type de réacteur est particulièrement adapté pour la gravure de grille de transistor en silicium où le contrôle de l’énergie des ions indépendamment de leur flux est primordial pour garantir une bonne anisotropie et sélectivité de gravure.
Pour cela le réacteur est muni de deux générateurs radiofréquences :
– un à la fréquence de 12.56 MHz permettant la création du plasma par un couplage inductif qui permet de contrôler la valeur du flux ionique bombardant le substrat (densité des ions).
– un autre à la fréquence de 13.56 MHz, couplé de manière capacitive au substrat et qui permet de contrôler l’énergie des ions bombardant ce dernier .
Les différents éléments du réacteur DPS sont les suivants :
• Porte-substrat à clampage électrostatique
Le porte-substrat assure un clampage électrostatique des plaques, permettant ainsi d’éviter tout problème de contamination et de reproductibilité lié au clampage mécanique. Il permet également de maintenir les substrats à la température désirée (50°C dans notre cas). Comme indiqué précédemment il est polarisé par un générateur radiofréquence à travers une capacité permettant de contrôler l’énergie des ions.
• Groupes de pompage
Les produits volatils formés pendant la gravure doivent être évacués par un groupe de pompage. Le vide dans le réacteur est assuré par l’association d’une pompe primaire et d’une pompe turbo-moléculaire (2000 L/s), qui fournit un vide secondaire d’environ 7.10⁻⁴ mTorr. La puissance de ces groupes de pompage permet de travailler avec des débits de gaz élevés (environ 200 sccm), ce qui permet d’augmenter la vitesse de gravure tout en maintenant des pressions de travail adaptées (qques mTorr). Une pompe primaire assure le vide dans le sas de chargement (env. 10 mTorr) de même que dans la chambre de transfert.
• Les boites d’accord
Les générateurs RF sont conçus de telle sorte que l’impédance de sortie soit constante et égale à 50Ω. L’impédance dépendant des paramètres du plasma, des boites d’accord sont placées entre le générateur et le réacteur. Des moteurs d’asservissement règlent les valeurs des deux condensateurs afin d’assurer l’adaptation de l’impédance pour différentes conditions de plasma.
Spectroscopie de photoélectrons X (XPS)
Généralités
La spectroscopie de photoélectrons X , appelée également XPS (X-Ray Photoelectrons Spectroscopy) ou ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), est une technique d’analyse de surface. Cette technique, non destructive, permet d’analyser tout type de solides et éventuellement les liquides et les gaz. Elle permet des analyses qualitatives et quantitatives de tous les éléments chimiques à l’exception de l’hydrogène et de l’hélium. En analyse de surface, la limite de détection de cette technique est de 0.1% d’une monocouche, soit 10¹² atomes/cm². Elle offre une répétabilité de l’ordre de 3% et une justesse de 20 à 30%. Le faisceau utilisé est un faisceau X qui, en comparaison des faisceaux d’électrons ou d’ions mis en œuvre dans les autres techniques de surface, occasionne des dégradations moins importantes dans les échantillons analysés, ce qui est particulièrement intéressant pour l’analyse de matériaux fragiles tels que les composés organiques, polymères ou échantillons biologiques. Néanmoins les dégâts provoqués par l’irradiation ne sont pas absents ni négligeables avec cette technique. La technique XPS est généralement une des premières techniques à mettre en œuvre pour l’étude des phénomènes de surface.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Contexte technologique
I.1 Introduction à la micro-électronique
I.1.1 Historique
I.1.2 Le transistor MOS
I.1.3 Le circuit intégré3
I.1.3.1 Historique
I.1.3.2 Composition
I.2 La photolithographie
I.2.1 Le procédé lithographique
I.2.2 Les enjeux en photolithographie
I.2.3 Evolution de la photolithographie
I.3 Les résines photosensibles
I.3.1 Les premières générations de résines
I.3.2 Les résines à amplification chimique
I.3.2.1 Composition
I.3.2.2 Les résines 248 nm
I.4 La gravure plasma
I.4.1 Le plasma : le 4ème état de la matière
I.4.1.1 Les gaines électrostatiques
I.4.1.2 Le phénomène d’autopolarisation
I.4.2 Les réacteurs de gravure
I.4.3 Mécanismes de gravure
I.4.3.1 La gravure chimique
I.4.3.2 La gravure physique
I.4.3.3 La gravure plasma
I.4.4 Les chimies de gravure
I.4.5 Les différentes étapes de gravure
I.4.6 Les critères de la gravure plasma
I.4.7 Les enjeux à venir en gravure plasma
I.5 Objectifs de thèse
Chapitre II : Dispositif expérimental
II.1 Plate-forme de gravure
II.1.1 Le réacteur DPS
II.2 Caractérisations In-Situ
II.2.1 Détection de fin d’attaque
II.2.2 Ellipsométrie
II.2.3 Spectroscopie de photoélectrons X (XPS)
II.2.3.1 Généralités
II.2.3.2 Théorie
II.2.3.3 Dispositif expérimental
II.3 Caractérisations Ex-Situ
II.3.1 Spectroscopie Infra Rouge
II.3.2 Analyse thermique
II.3.2.1 La transition vitreuse
II.3.2.2 Analyse enthalpique différentielle (DSC)
II.3.2.3 Analyse mécanique dynamique (DMA)
II.3.2.4 Analyse thermogravimétrique (TGA)
II.3.3 Microscopie à force atomique
II.4 Conclusions du chapitre II
Chapitre III : Caractérisation des résines photosensibles
III. I Caractérisation de la résine 248 nm de référence
III.I.1 Analyse thermique
III.1.2 Spectroscopie infrarouge (FTIR)
III.1.3 Ellipsométrie spectroscopique
III.2 Caractérisations des résines 193 nm
III.2.1 Analyse thermique
III.2.2 Spectroscopie infrarouge (FTIR)
III.2.3 Spectroscopie de photoélectrons X (XPS)
III.2.4 Ellipsométrie spectroscopique
III.3 Conclusions du chapitre III
Chapitre IV : Résistance à la gravure des résines photosensibles
IV.1 Contexte général
IV.1 Evolution des résines 193 nm
IV.1.1 Plateforme méthacrylique
IV.1.2 Plate-forme alicyclique
IV.2 Comportement à la gravure des résines à amplification chimique
IV.2.1 Choix des matériaux et des conditions de procédé
IV.2.2 Vitesses de gravure
IV.2.3 Comportement de la résine 248 nm de référence
IV.2.3.1 Spectroscopie infrarouge (FTIR)
IV.2.3.2 Analyse thermique (DSC/TGA)
IV.2.3.3 Rugosité de surface
IV.2.4 Performance d’une résine 193 nm (polymère A)
IV.2.4.1 Modification en surface : XPS
IV.2.4.2 Modification en volume : FTIR
IV.2.4.3 Analyse thermique (DSC/TGA)
IV.2.4.4 Rugosité de surface
IV.2.5 Résistance à la gravure : Influence du PAG
IV.3 Conclusions du chapitre IV
Chapitre V : Etudes des procédés de traitement des résines par plasma
V.1 Renforcement des résines photosensibles
V.2 Modifications des résines 193 nm soumises à un traitement plasma
V.2.1 Caractérisation du film de résine par ellipsométrie
V.2.2 Modification de la chimie de la résine après un traitement de plasma cure
V.3 Influence des émissions UV du plasma sur les résines 193 nm
V.3.1 Emission des plasmas HBr et Ar
V.3.2 Protocole expérimental
V.3.3 Spectroscopie infrarouge (FTIR)
V.3.4 Ellipsométrie spectroscopique
V.3.5 Influence des UV : conclusions
V.4 Modification des propriétés thermiques de la résine
V.5 Conclusions du chapitre V
CONCLUSION GENERALE
