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Modèle fluide 2D d’une décharge inductive en mélange Cl2/Ar
Les décharges inductives chlorées semblent prometteuses pour la gravure des composés III-V, tout particulièrement en mélange Cl2/Ar, Cl2/N2 et Cl2/H2 [Hahn 99, Lai 01, Rhallabi 05, Edwards 07]. Les radicaux chlorés sont d’excellents candidats pour ce type de gravure car les chlorures générés à partir des atomes des groupes III et V sont extrêmement volatils. Les sources inductives permettent d’obtenir de fortes densités – donc de forts ux ioniques – qui entraînent des vitesses de gravure élevées. D’autre part, l’énergie de bombardement ionique pouvant être ajustée grâce à la tension de polarisation du porte-susbtrat, les décharges inductives sont caractérisées par une faible dégradation des prols de gravure. Néanmoins, certains aspects de la cinétique des radicaux, du transport des particules chargées ou des modes de couplage de l’énergie électromagnétique aux particules demeurent incompris. Même un système en apparence simple comme le mélange Cl2/Ar peut être dicile à modéliser. En eet, le fait d’associer un gaz électronégatif (Cl2) à un gaz électropositif (Ar) complique l’équilibre physico-chimique du plasma. La présence d’ions négatifs altère le ux d’ions positifs, réduit la densité électronique, modie la structure spatiale de la décharge et peut même causer des instabilités, comme nous le verrons dans le chapitre 7.
La modélisation d’un plasma, caractérisée à chaque instant par la connaissance du couple de vecteurs (~r; ~p) de chaque particule, relève d’un problème à N corps. Pour décrire le comportement dynamique du milieu (plasma et zones de charge d’espace), il conviendrait de calculer la trajectoire de chaque particule chargée dans le champ électromagnétique.
Ceci étant parfaitement impossible vu la densité de particules chargées (10 10-1012 cm3),* la modélisation consiste à déterminer les propriétés macroscopiques de l’ensemble à l’aide d’une démarche statistique. Il existe plusieurs approches pour modéliser le comportement collectif des particules chargées.
– La théorie cinétique est une approche microscopique, de nature statistique, qui consiste à suivre l’évolution des fonctions de distribution en vitesse f(~r; ~v; t) des particules.
D’un point de vue numérique, les modèles cinétiques sont résolus par des techniques particulaires qui utilisent un nombre ni de particules en interaction, ces particules pouvant être identiées comme des objets physiques aux caractéristiques propres (masse, charge) et variables (position, vitesse). Parmi elles, les méthodes de type PIC (pour Particle In Cell) sont largement utilisées pour la simulation des plasmas basse pression. Dans ces simulations, le mouvement d’un grand nombre de super-particules (10 4 à 107 typiquement, suivant le nombre de mailles utilisées) est suivi au sein de champs électromagnétiques auto-consistants, les forces étant calculées par l’intermédiaire de champs connus sur un maillage de l’espace. Les méthodes PIC permettent de représenter le comportement collectif d’un plasma mais sont coûteuses informatiquement, et donc peu adaptées aux géométries multi-dimensionnelles ou aux chimies complexes.
– Contrairement à la théorie cinétique, la théorie uide suppose qu’en un point de l’espace, une seule vitesse est dénie pour chaque espèce, à savoir la vitesse moyenne de la distribution locale des vitesses des particules. Les modèles uides permettent de décrire le comportement global du plasma dans un volume ni, en incluant l’interaction avec le champ excitateur et l’interface avec les gaines de charge d’espace et les parois. Les variables hydrodynamiques – densité du uide, vitesse du uide, pression, etc. – sont obtenues par intégration sur les vitesses de la fonction de distribution f(~r; ~v; t). En prenant les moments successifs de l’équation de Vlasov, on obtient les équations de conservation de la masse, de l’impulsion et de l’énergie. Pour avoir une solution unique, deux équations supplémentaires doivent être fournies : une équation d’état pour relier pression et densité, une équation de fermeture pour exprimer le moment le plus élevé ~ Q. Moins coûteuses que les simulations PIC, les simulations uides permettent de décrire des plasmas réactifs complexes dans des géométries multi-dimensionnelles.
– Pour obtenir des informations sur les lois d’échelles, décrire le régime d’équilibre ou la dynamique globale du plasma, il est souvent utile de construire des modèles globaux, sans dépendance spatiale des paramètres. Ces modèles sont basés sur l’établissement des équations de bilan de matière et d’énergie uniquement, chaque équation étant considérée sous sa forme intégrale. Ils permettent de déterminer les densités de particules chargées (électrons et ions) au centre du réacteur, ainsi que la température électronique globale dans l’enceinte.
Dans ce chapitre, nous avons recours à un modèle uide bi-dimensionnel pour décrire la structure des plasmas inductifs Cl2/Ar. Dans le chapitre 7, nous utiliserons un modèle global.
Motivations et objectif de l’étude
Nous nous intéressons à la structure des prols de densité dans les plasmas Cl2/Ar et étudions l’inuence de la cinétique des radicaux sur les procédés de gravure des semiconducteurs III-V. Pour cela, nous travaillons sur le modèle uide bi-dimensionnel (2D) d’une décharge inductive Cl2/Ar, adapté à la géométrie du réacteur industriel STS Multiplex de Thalès. Le modèle est résolu à l’aide du logiciel commercial COMSOL Multiphysics.
Cette plateforme de calcul est caractérisée par une interface graphique et des fonctions de post-traitement intuitives, qui présentent un avantage pour la standardisation, la portabilité et la transparence des programmes. Nous pourrons ainsi facilement transmettre notre code au groupe Thalès en n de thèse.
Notre modèle ne pouvant être validé expérimentalement dans le réacteur de Thalès, nous commençons notre étude par des travaux de comparaison simulations/expérience, réalisés en collaboration avec le Centre de Physique des Plasmas (CPP) de l’université de Belfast. En eet, le réacteur inductif du CPP est équipé de diagnostics sophistiqués, qui permettent de vérier la validité de nos simulations en comparant systématiquement calculs et mesures. Une fois le code évalué, nous modélisons la décharge inductive Cl2/Ar de Thalès et étudions la structure du plasma au centre de la décharge, ainsi que les ux d’espèces neutres et chargées au niveau du substrat. Nous présentons enn les résultats d’une série de tests préliminaires, dans lequels nous confrontons les tendances prédites par la simulation aux prols de gravure obtenus dans le réacteur de Thalès.
Description du modèle
Dans cette étude, nous travaillons sur le modèle uide 2D d’un plasma inductif Cl 2/Ar. Initialement développé par le groupe de D.B. Graves (UC Berkeley) pour simuler des décharges inductives Ar/c-C4F8 [Nierode 05], Ar/O2 et Ar/O2/Cl2 [Hsu 06], ce modèle permet d’obtenir des informations sur la densité et la température électroniques, les densités des radicaux neutres ou la composition des ux ioniques au niveau des surfaces. Le modèle couple l’électrodynamique du plasma au transport et à la chimie des neutres. Electronsions et neutres sont traités comme des uides continus pouvant échanger masse, quantité de mouvement et énergie. Le modèle se compose d’un jeu de douze équations diérentielles partielles non linéaires et fortement couplées. Celles-ci sont décrites dans la section 6.2.1 et résumées dans le tableau 6.1.
Equations
Modélisation des espèces neutres
La modélisation du ux de neutres est basée sur la forme axisymétrique 2D d’un système d’équations qui régit l’écoulement non isotherme d’un uide compressible. La résolution de ces équations fournit la pression du gaz p (ou de manière interchangeable sa masse volumique ), sa température T, ses deux composantes de vitesses u (radiale) et v (axiale), ainsi que les fractions massiques !i des espèces neutres considérées. L’évolution de la densité massique du gaz est gouvernée par l’équation de conservation de la masse neutre, qui s’écrit, à l’état stationnaire : r:(~v) = Rn (6.1)
ou ~v correspond à la vitesse moyenne du ux de neutres et Rn = Rion Rrec au taux net de création massique. Les espèces neutres, perdues par ionisation au sein du plasma, sont reformées par recombinaison ion-ion dans la phase gazeuse ou par recombinaison électron-ion aux parois. La décharge est donc caractérisée par d’importants échanges de masse au niveau des surfaces, qui sont le siège de nombreuses réactions.
Table of contents :
Remerciements
Symboles et abbréviations
1 Introduction
1.1 Les matériaux III-V
1.1.1 Propriétés optiques et électriques
1.1.2 Applications industrielles et enjeux économiques
1.1.3 Dés technologiques
1.2 Les plasmas dans l’industrie
1.2.1 Les décharges basse pression
1.2.2 Les réacteurs radiofréquence
1.2.3 Fonctionnement d’une décharge inductive
1.2.4 Le rôle des ions négatifs
1.3 Les procédés de gravure par plasma
1.3.1 Gravure chimique et gravure sèche
1.3.2 La Gravure ionique réactive
1.4 Contexte de l’étude et objectifs
I Interaction plasma-surface : Simulations atomistiques
2 La dynamique moléculaire
2.1 Principes fondamentaux
2.1.1 Description classique du mouvement atomique
2.1.2 Le potentiel interatomique
2.1.3 La physique statistique
2.2 La simulation d’impacts comme modèle de bombardement ionique
2.2.1 Méthodologie
2.2.2 Intégration numérique
2.2.3 Conditions aux limites
2.2.4 Contrôle thermique
2.2.5 Echelles de temps et de longueur
2.2.6 Produits de gravure
2.3 Les simulations MD dans l’étude des procédés de gravure
3 Pulvérisation du GaAs par bombardement d’ions Ar
3.1 Motivations et objectif de l’étude
3.2 Choix du potentiel et description de la simulation
3.2.1 Le potentiel interatomique Ga-As
3.2.2 Procédure de simulation
3.3 Résultats
3.3.1 Pulvérisation pure
3.3.2 Rôle de la désorption thermique
3.4 Conclusions
4 Pulvérisation du GaN par bombardement d’ions Ar
4.1 Motivations et objectif de l’étude
4.2 Choix du potentiel et description de la simulation
4.2.1 Le potentiel interatomique Ga-N
4.2.2 Procédure de simulation
4.3 Résultats
4.3.1 Simulations continues
4.3.2 Simulations statistiques
4.4 Conclusions
5 Comparaison simulations / expérience
5.1 Analyse XPS des matériaux GaAs et GaN pulvérisés
5.1.1 Principes de la spectrométrie XPS
5.1.2 Résultats
5.2 Mesure de la fdv des atomes de Ga pulvérisés
5.2.1 Diagnostics laser et montage expérimental
5.2.2 Spectroscopie de l’atome de Gallium
5.2.3 Thermalisation des atomes pulvérisés
5.2.4 Résultats
5.3 Conclusions
II Transport et cinétique du plasma : Simulations uides
6 Modèle uide 2D d’une décharge inductive en mélange Cl2/Ar
6.1 Motivations et objectif de l’étude
6.2 Description du modèle
6.2.1 Equations
6.2.2 Chimie du plasma
6.2.3 Procédure numérique
6.3 Etude A : Comparaison expérience/simulations et validation du modèle
6.3.1 Montage et diagnostics expérimentaux au CPP
6.3.2 Modélisation de la décharge
6.3.3 Discussion des résultats
6.3.4 Conclusions et perspectives
6.4 Etude B : Modélisation du réacteur de gravure STS multiplex de Thalès
6.4.1 Description et modélisation du réacteur
6.4.2 Caractéristiques de la décharge au centre du réacteur
6.4.3 Etude des ux d’ions et de neutres au niveau du substrat
6.4.4 Conclusion
7 Modèle global d’une décharge inductive chlorée
7.1 Motivations et objectif de l’étude
7.2 Comparaison modèle global / modèle uide 2D
7.2.1 Modèle global de la décharge du CPP (Belfast)
7.2.2 Résultats numériques et comparaison des modèles
7.3 Etude des instabilités associées à la transition E-H
7.3.1 Modèle simplié de l’instabilité (modèle L)
7.3.2 Modèle complet de l’instabilité (modèle D)
7.4 Conclusions
8 Conclusion et Perspectives
A Déconvolution numérique des prols de LIF et d’absorption
B Calcul des fdv théoriques des atomes pulvérisés
B.1 Fdv perpendiculaire FVz correspondant aux mesures de LIF
B.2 Fdv longitudinale FVx correspondant aux mesures d’absorption
Bibliographie
