The dynamics of the charged particles in a dual frequency capacitively coupled dielectric etch reactor.
Dynamique des espèces chargées dans un réacteur de gravure diélectrique à couplage capacitif excité par deux fréquences
Résumé
Dual frequency capacitively coupled plasmas are used for the etching of dielectric materials 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 play a 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 have studied a customized industrial etch reactor, running in Ar/O2/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. The measurement of negative ion densities and their effect on the plasma's electrical properties are the main focus of this thesis. Several diagnostic techniques have been implemented to characterise the densities and fluxes of the various charged species. An RF biased ion flux probe, installed in the upper electrode, is used to measure the ion flux. The electron density in the centre of the plasma was measured using a microwave resonator probe, known as a hairpin probe. 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 negative ion fraction was deduced from the probe measurements by comparing the ratio of the ion flux to the electron density to the theoretical ratios obtained by an electronegative plasma fluid model. It was found that the temperature of the negative ions must be very high (about 1 eV) if the experimental and theoretical results are to agree
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.
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