Cryoetching
Christophe Cardinaud, Aurélie Girard, Cédric Mannequin [2022, ->], Ahmed Rhallabi Post-doctoral researcher :Felipe Cemin [2022-2023],Ahmad Mortada [2022-2022], PhD Student Jack Nos [2021-2024]
In addition to the usual field of application in deep silicon etching, cryogenic processes appear promising today for the etching of various materials (semiconductors, their oxides and nitrides, low-permittivity materials, etc.) at nanometric pattern sizes and with the need to control the etched depth to the atomic layer (ALE - atomic layer etching).
One of the interests of cryo-ALE is in the fact that the species participating in the etching are, in the first step, physisorbed on the surface of the cold substrate and then react chemically with it during an argon plasma initiated in the second step. These steps are then repeated until the desired etching depth is reached.
Achieving these application objectives requires progress in the understanding of the physical and chemical mechanisms involved in the process.
To achieve these objectives, this study is conducted for silicon compounds (Si3N4 and SiO2) for different fluorinated gases on the Optimist platform connected by ultra-vacuum transfer to a XPS between -180°C and +100°C.
Keywords Cyclic plasma etching, cryo-ALE, physisorption, selectivity.
Expertises Fluorine-based plasmas SF6, CF4, C4F8, In situ surface characterisation: XPS
Collaborations GREMI Orléans, TEL Tokyo et Albany, LTM Grenoble
The ANR SPOT project aims to develop a reactive plasma etching process to pattern the surface of austenitic and martensitic type steel parts down to the submicron scale. The etchings give the structured metal parts reinforced and durable tribological properties, which can be used in severe environments. Candidates for the replacement of parts usually made of more noble non-recyclable material or covered with a hard thin layer (DLC, TiN), they will then ensure economic and ecological gain. In this context, we have developed an etching simulator of steel under ICP Cl2/Ar plasma. The multi-scale approach has the advantage of predicting the spatio-temporal evolution of structures etched through masks as a function of machine parameters. The chemical composition of different types of steel is taken into account in the cellular approach based on the Monte-Carlo method, which studies the etching kinetics under the fluxes of reactive neutral species and energetic ions. The effects of certain parameters, such as the chemical composition of steels and the probability of Cl adsorption, on certain etching properties such as roughness, lateral over-etching, etch rate were highlighted. Analyzes of etched steel surfaces by XPS will allow a better understanding of the interaction mechanisms between the active species from the plasma and the steel surface. This will help to develop a surface model based on the Monte-Carlo probabilistic technique consistent with experimental observations.
L’émergence du procédé PVD pulsé connu sous le noms HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering), a pour intérêt d’améliorer la qualité structurelle des films déposés. D’autre part, le phénomène d’auto-ionisation des atomes pulvérisés rend le dépôt plus directionnel et par conséquent améliore le recouvrement de marches des structures à fort rapport d’aspect (tranchées, vias, etc). Ses améliorations sont dues à l’application d’une tension de quelques kilovolts sur la cathode, d’une durée de quelques dizaines de microsecondes et d’une fréquence de l’ordre du kilohertz. Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques dans ce type de décharges, nous développons un modèle cinétique global appliqué à une cible de chrome bombardée par des ions issus d’une décharge plasma d’argon. Le modèle global a pour objectif de quantifier l’évolution temporelle des densités d’espèces neutres issues du gaz et de la cible ainsi que des espèces chargées. L’étude de la décharge HiPIMS Ar/Cr pourrait s’adapter à d’autres types de mélanges de gaz et de cibles pour d’autres types de dépôt de couches minces.
La gravure des motifs atteignant des tailles microniques voire submicroniques est l’une des étapes clés dans la fabrication des circuits intégrés ainsi que dans d’autres systèmes miniatures comme des capteurs ou des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Afin de mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques de la gravure, et pour une meilleure optimisation, nous avons développé une approche de modélisation multi-échelle permettant de prédire l’évolution temporelle des profils de gravure en fonction des paramètres machines. Cette approche est composée de trois modules :