[PDF] Plasma Micro-onde: Sources et couplage

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Plasma Micro-onde:

Sources et couplageF. Silva

1, K. Hassouni1, S. Béchu2

1 LSPM, CNRS UPR 3407, 99 Av. J.B. Clément, 93430 Villetaneuse

2LPSC, CNRS UMR 5821, 53 Av. des Martyrs, 38026 GrenobleJournées du 10

èmeanniversaire et 2èmeJournée Francophone

24 au 27 mai 2011, Toulouse

Plan

1) Introduction

2) Plasmas à onde de surface

3) Plasmas en cavité résonnante

4) Plasmas ECR

5) Autres plasmas micro-ondes

6) Conclusion

1. Introduction

1) Temps, fréquences et distances

2) Particularités des plasmas micro-ondes

3) Avantages et inconvénients des plasmas micro-ondes

1.1 Temps et fréquence

Pour une excitationbasse fréquencedans unplasma non-collisionnel,les électrons et les ionssont perdus principalement aux parois. Pour une chambre de quelques centimètres de long,les électronsla traversent en 20 à 100 µs.

Donc pour :

•f<10kHz(quasi statique) :le plasma s'éteint entre les cycles.

•f>100kHz(AC) :le plasma est continu.

Dans le cas d'unplasma collisionel,en ce qui concerneles électrons: •Si f <, l'électron subit beaucoup de collisions lors d'un cycle RF (il aura tendance à s'équilibrer avec la valeur instantanée du champ) •Si f >, l'électron verra un champ moyen stationnaire (E RMS) En ce qui concerneles ions,ils se déplacent à leur vitesse thermique (qq 10

5cm/s).

Pour une épaisseur de gaine non-collisionnelle de 0.5 à 2.5 mm, lesions la traverse en

0,5 à 2,5 µs. Donc pour :

•f<1MHz, les ions traversent la gaine en moins d'un cycle RF etsuivent

instantanément le potentiel de gaine.•f>10MHz, les ions prennent plusieurs cycles RF pour traverser la gaineet

"voient»un potentiel moyenné dans le temps.

Lorsque>pe

>pi ni les électrons, ni les ions ne peuvent suivre les variations du champ E(l'onde excitatrice, ne génère pas de variation temporelle significative de charge d'espace; on a un comportement dedécharge quasi-continu). L'utilisation d'uneexcitation très haute-fréquence(micro-onde)permet un chauffage direct des électronsdu plasma. En raison de la plushaute fréquence d'excitation,les électronstraversent une distance plus courte(par rapport à une excitation RF)avant de changer de direction. Ceci implique que peu d'électrons atteignent la surface au cours d'un cycle MW,minimisant les effets de charge.

Lasurface présente un potentiel quasi nul.Il n'y a pas debombardement ioniqueindésirable de la surface. De fait, il n'y

apas de phénomènes de pulvérisationou de contamination des surfaces.1.2. Particularités des plasmas micro-ondes

1.3. Avantages et Inconvénients

Les plasmas micro-ondes ne nécessitentpas d'électrodes(aucune partie métallique n'est en contact avec le plasma). Les plasmasmicro-ondes sont donc "isotropes»parnatureet conviennent parfaitement pour les applications enmicroélectronique(chip, MEMS ...)qui sont très sensibles aux défauts de surface induits par un bombardement ionique(ex: oxyde de grille des transistors). Ils sont très utilisés pour laproduction d'espèces actives(" remote plasma »),lesprocédés de nettoyagede surface, de passivationetfonctionnalisationde surface, dedélaquage,degravure,de dépôtde couche mince.... Les sources plasma sont en généralcompacteset permettent d'obtenir de fortes densités plasma. Cependant, il estdifficile d'obtenir des plasmas homogènes, de grandes dimensions, en utilisant une excitation micro-onde.

2. Plasmas à ondes de surface

1) Principe de fonctionnement

2) Propagation des micro-ondes

3) Eléments constitutifs d'un réacteur plasma à onde de surface

4) Exemples de réacteur plasma SW

• Le plasma est initié dans untube diélectrique(généralement en quartz).Lacolonnedeplasmadélimitée par un tube diélectrique permet de

propager une onde à l'interface plasma/diélectrique(le plasma se comporte comme un conducteur électrique).Le champ décroit radialement de façon exponentiellelorsque l'on s'éloigne dela paroi extérieure du tube. • La longueur du plasma augmente avec la puissance injectéeet la densité diminue progressivement suivant l'axe du tube.La densité varie radialement de façon complexe(fonctiondeR,f,Pr,Pu,m,pertesauxparois,

cinétique d'ionisation ...).• La décharge peut être maintenue loin de la zone d'application du

champ excitateur.Leplasmapermetlapropagationdel'ondeensurface de la colonne de décharge sur unedistance de plusieurs mètres.2.1. Principe de fonctionnement

2.1. Principe de fonctionnement

G.J.M.Hagelaar andS.Villeger 2005PlasmaScience,IEEETransactionson33p.496Technique flexible qui permet :

• d'utiliser les plus hautes fréquences(jusqu'à 10 GHz). Cette flexibilité en fréquencepermet d'agir sur la FDEE, pour optimiser un process plasma. • de travailler sur unelarge gamme de pression(sub-mtorrpour les plasma ECR, à lapression atmosphériquepour un tube de quelques mm de). • d'obtenir unegrande plage de densité plasma(à pression réduite et à quelques MHz,n e=108cm-3; à pression atmosphérique,n e=1015cm-3). • d'obtenir detrès bons couplages MW(peu de Puissance réfléchie).|E|

2.2. Propagation des micro-ondes

• Il existe plusieurs modes de propagation de l'onde en surface, régit par l'équation de propagation:

• Sim = 0 la symétrie est azimutale(i.e. E

r2indépendantdef)

• si |m| = 1, présence de 2 lobes radiaux ...• La sélection de mode dépend du produit f.R.• Lorsquef.R < 2 GHz.cm, on peut maintenir m = 0. Si l'on augmente ce

facteur, on passe progressivement à m = 1, puis m = 2 ...oùdésigne la pulsation,=2/avec longueur d'onde de l'onde de surface, coefficient axial d'atténuation, etmest un entier définissant lemode de propagationexp [j.(w.t - b.z + m.f) -.z)]

2.2. Propagation des micro-ondes

Lorsqu'uneonde pénètre dans un plasma dont la densité est supérieure à la densité critiquenc(i.e. p>), elle estrapidement atténuée(onde évanescente),etsepropageàlasurfaceduplasma.Pour une fréquence de 2.45 GHz, n c=7,5.1010cm-3. ppcc//22)(56400)/(3 02 cmnmensrade eep

Profondeur de pénétration

Source plasma SW (couplage par fentes)2.2. Propagation des micro-ondes

H.Sugai,I.Ghanashev andM.Nagatsu

• Eléments essentiels d'une source plasma à onde de surface: -Source micro-onde (en coax ou guide d'onde) -Système d'accord d'impédance -Applicateur (Launcher) -Tube diélectrique -Enceinte • Lelauncherest l'élément le plus important qui permet de" mettre en forme » le champ électriqueau niveau de la zone d'amorçage du plasma, par l'intermédiaire d'unepetite ouverture circulaire (gap). Le design de l'applicateurconditionne le mode de propagation(i.e. m)et sonaptitude au couplage micro-onde(peu de puissance réfléchie et peu d'échauffement). • Pour despuissances supérieures à 200 W,onutiliseraunapplicateur en guide d'ondeet non plus coaxial. On peut faire appel à desguides d'onde non-conventionnelspour ne pas limité le rayon du tube à la dimension du guide, pour une fréquence donnée(exemple: Il est possible d'utiliser un tube de plus de 100 mm à 2.45 GHz).2.3. Eléments constitutifs d'un réacteur plasma SW Exemple d'applicateur coaxial : Surfatron2.4. Exemple de réacteur plasma SW

Piston

coaxialConnecteur

CoaxialContact

métalliqueGap 2R 02R

Tube de

quartzPlasma

Générateur

MW

IsolateurAdaptation

d'impédanceApplicateur• Fréquence de 2.45 GHz• Permet de découpler la polarisation dusubstrat des conditions de déchargeMesure de puissance

Piston de

court circuit

Tube de

quartzGuide d'ondeCylindre d'adaptation Eau /4Piston de court circuit2.4. Exemple de réacteur plasma SW

Exemple d'applicateur en guide d'onde

2.4. Exemple de réacteur plasma SW

Exemple d'applicateur en guide d'onde

Guide d'onde pincé pour renforcer le champ au niveau du tubeGuide WR340 SurfaguideTube de quartz : 120 mm2.4. Exemple de réacteur plasma SW

Exemple d'applicateur en guide d'onde

Guide WR340

2.4. Exemple de réacteur plasma SW

Exemple d'applicateur en guide d'onde

Section

coaxialeGuide d'ondePuissance incidentePistonquotesdbs_dbs2.pdfusesText_3

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