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

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Curley, Garrett A. (2008) Dynamique des espèces chargées dans un réacteur de gravure diélectrique à couplage capacitif excité par deux fréquences. Doctorat Physique des plasmas, Laboratoire de Physique et Technologie des Plasmas, EP/X p.193.

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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.

Table des Matières

1 Introduction 1

1.1 The context and objectives of this study - 1

1.2 Low-pressure plasmas for surface processing - 5

1.2.1 Basic plasma equations - 8

1.2.2 Case of a bounded plasma - 10

1.2.3 Edge-to-centre density ratio - 12

1.2.4 Radio frequency plasma sources - 13

1.3 Dual-frequency capacitively-coupled plasmas - 18

1.3.1 History - 20

1.3.2 Principle of operation of dual freqency capacitively coupled plasma

sources - 21

1.3.3 Triple and multiple frequency plasma excitation - 23

1.4 Dielectric etching - 24

1.4.1 Fluorocarbon containing plasmas - 24

1.5 Electronegative Plasmas - 28

1.5.1 Negative ions in fluorocarbon plasmas: production and loss - 29

1.5.2 Plasma theory in the presence of negative ions - 32

1.5.3 The role of negative ions in industrial plasmas - 39

1.5.4 Measurement of negative ion densities - 41

2 Experimental setup and diagnostic techniques 49

2.1 The dual-frequency plasma chamber - 49

2.1.1 The plasma chamber - 50

2.1.2 The vacuum/pumping system - 51

2.1.3 The rf power generators - 53

2.1.4 The electrostatic clamping (chuck) unit - 54

2.1.5 Cooling - 56

2.2 Electrical diagnostics - 56

2.2.1 The ion flux probe - 56

2.2.2 The microwave resonator probe - "Hairpin probe" - 67

2.2.3 Calculation of the hairpin sheath size - 77

2.2.4 The Floating Hairpin - 79

2.2.5 Design and construction of the hairpin probe - 80

2.2.6 Operation of the hairpin probe - 82

2.2.7 Comparison between two hairpin probe designs - 84

2.3 Cavity Ring-Down Spectroscopy - 87

2.3.1 Principle of absorption spectroscopy - 87

2.3.2 Absorption of the negative fluorine ion - 90

2.3.3 Cavity ring-down spectroscopy - 92

3 Results and analysis 101

3.1 Introduction - 102

3.2 Fluorine negative ion densities - 103

3.2.1 Ar/O2/c-C4F8 - 103

3.2.2 Ar/O2/CF4 - 105

3.3 Determining the negative ion fraction - 107

3.3.1 Negative ion fractions from CRDS and the hairpin probe - 108

3.3.2 Two-probe technique: simple model - 109

3.3.3 Two-probe technique: fluid model - 115

3.3.4 Comparison of the various estimations of the negative ion fractions 118

3.3.5 Introducing variable mobility to the fluid model - 120

3.4 Charged particle dynamics - Effect of gas composition - 126

3.4.1 Ar/O2/c-C4F8 – varying the c-C4F8 gas flow - 126

3.4.2 Ar/O2/c-C4F8 – varying the O2 and c-C4F8 gas flows - 130

3.4.3 Ar/c-C4F8 – varying the c-C4F8 gas flow - 133

3.4.4 Ar/O2/CF4 – varying the O2 and CF4 gas flows - 135

3.4.5 Ar/O2/CF4 – varying the O2 gas flow - 136

3.4.6 Ar/O2/SF6 – varying the O2 and SF6 gas flows - 138

3.4.7 CF4 plasma – effects due to SF6 addition - 139

3.5 Charged particle dynamics – Effect of pressure - 140

3.5.1 Ar/O2/c-C4F8 – varying the pressure: 25 – 100 mTorr - 141

3.5.2 Pressure effects on the ion flux probe I–V curves - 141

3.6 Charged particle dynamics – Effect of applied power - 143

3.6.1 Ar/O2/c-C4F8 : 160/8/16 sccm - 144

3.6.2 Ar/c-C4F8 : 160/24 sccm - 150

3.6.3 Ar/O2 : 160/24 sccm - 151

4 Conclusions and perspectives 155

4.1 Diagnostics in DF-CCP industrial chambers - 155

4.1.1 Ion flux probe - 155

4.1.2 Hairpin probe - 156

4.1.3 Cavity ring-down spectroscopy - 156

4.2 Validity of the two-probe technique for measuring ® - 156

4.3 The relationship between ne and ¡i - 157

4.4 The role of dual frequency RF power coupling - 158

4.5 Processing plasmas and the role of electronegativity - 158

4.6 Perspectives - 159

Appendix A - Hairpin Sheath Correction 161

Appendix B - Comparison of Stenzel’s hairpin with Kim’s hairpin 163

Appendix C - Normalisation of ion fluid equations - variable mobility 165

Bibliography 168

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