This reactor is part of a set called "Optimist Platform". This platform is a shared tool of the CNRS network of Cold Plasmas (history and detailed presentation, see Optimist Platform) open to the plasma community. The source is an RF powered planar inductive source (13.56 MHz - 500 W max). The sample holder is temperature controlled (-180°C / +1100°C) by a circulation of liquid nitrogen coupled with a heating system. The sample size is 10*10 mm². The reactor is connected under ultra-vacuum to the "SPECS" surface analysis assembly (Figure 1), with direct transfer of the sample holder (Figure 2). This assembly, which is unique in France, allows the study of the physical and chemical mechanisms involved in material and surface treatment processes in a controlled atmosphere (gas or plasma) or under vacuum over a very wide range of temperatures; sample transfer and analysis is possible at any temperature between -180°C and +100°C.

Plasma diagnostics by optical emission spectrometry (200 - 1000 nm), mass spectrometry (0.3 - 300 amu) and electrostatic probes can be installed on the reactor.

Four gas lines are available, among those from the "Alcatel" reactor. A fifth line dedicated to SiF₄ was added in 2020 for studies in cryogenic etching of silicon-based compounds.

Figure 1 : « Optimist » reactor and « SPECS » surface analysis system

Figure 2 :  « Optimist » platform sketch coupling plasma treatment and surface analysis.

This is a Nextral NE810 commercial reactor that we have modified. The original microwave plasma excitation system has been replaced by an inductively coupled RF excitation (13.56 MHz – 600 W max) by means of a single-turn circular antenna around the quartz tube. The substrate holder is RF biased (13.56 MHz – 300 W max). The sample holder accepts samples up to 4" in diameter.

Plasma diagnostics by electrostatic probes and optical emission spectrometry can be installed on this reactor.

This reactor is dedicated to studies and etching processes in chlorinated plasma: pure Cl₂ or mixed with H₂, Ar, or N₂.

 « Nextral » reactor

Ce réacteur est dénommé ainsi en relation avec la source plasma qui l’équipe. Il s’agit d’une source à couplage inductif de géométrie cylindrique constituée d’un tube d’alumine entouré d’une antenne circulaire de type « half Nagoya III ». Cette source est alimentée par un générateur RF à 13,56 MHz, la puissance maximale est de 1500 W. Le porte substrat, situé dans la chambre de diffusion sous la source plasma, reçoit des plaquettes de 4” de diamètre ; il est muni d’un anneau de clampage mécanique. Sa température est contrôlée par un thermostat (-40 / +60°C), une injection d’He en face arrière de la plaquette assure le transfert thermique. Le porte substrat est polarisable en RF (13,56 MHz – 600 W max).

L’enceinte est équipée de plusieurs ports permettant un diagnostic des plasmas (lien web à venir) au moyen de spectrométrie optique en émission ou en absorption (200 – 1000 nm), de spectrométrie de masse (0,3 – 300 uma) et de sondes électrostatiques. Un ellipsomètre UV-visible multi-longueurs d’onde (412 – 733 nm) permet le suivi en temps réel du procédé ; avec un accès direct à la cinétique d’attaque dans le cas de couches minces transparentes (Figure 1). Ce réacteur est couplé à une chambre d’analyse des surfaces « SPECS » (lien web à venir) par un système de transfert sous vide (Figure 2).

Disposant de dix lignes de gaz, ce réacteur est dédié aux procédés de gravure en plasma fluoré (SF₆, gaz fluorocarbonés), de mélange alcane-hydrogène ou de précurseurs organiques liquides, avec possibilité d’ajout de O₂, N₂ et Ar.

Figure 1 : Réacteur « Alcatel », au premier plan le monochromateur pour la spectroscopie optique (émission et absorption).

Figure 2 : Schéma du transfert d’échantillon sous ultravide entre le réacteur Alcatel et la chambre d’analyse de surface SPECS.

This reactor is so called in relation to its plasma source. It is an inductively coupled source with a cylindrical geometry consisting of an alumina tube surrounded by a circular "half Nagoya III" antenna. This source is powered by a 13.56 MHz RF generator, with a maximum power of 1500 W. The substrate holder, located in the diffusion chamber beneath the plasma source, receives 4" diameter wafers and is equipped with a mechanical clamping ring. Its temperature is controlled by a thermostat (-40 / +60°C), He injection on the back side of the wafer ensures heat transfer. The substrate holder can be RF biased (13.56 MHz – 600 W max).

The vessel is equipped with several ports allowing plasma diagnosis by means of optical emission or absorption spectrometry (200 – 1000 nm), mass spectrometry (0.3 – 300 amu) and electrostatic probes. A multi-wavelength (412 – 730 nm) UV-visible ellipsometer allows real-time monitoring of the process; with direct access to etching kinetics in the case of transparent thin films (Figure 1). This reactor is coupled to a surface analysis chamber (SPECS) by a vacuum transfer system (Figure 2).

Equipped with ten gas lines, this reactor is dedicated to plasma etching processes operated in fluorinated (SF₆, fluorocarbon) gases, alkane-hydrogen mixtures or liquid organic precursors in mixtures with O₂, N₂ and Ar.

Figure 1 : “Alcatel" plasma etching reactor : in front monochromator for optical spectroscopy (emission and absorption).

Figure 2 : Scheme of sample transfert under Ultra High Vacuum between Alcatel chamber and surface analysis chamber SPECS

Il s’agit d’un réacteur commercial Nextral NE810 que nous avons modifié. Le système d’origine d’excitation du plasma par micro-ondes a été remplacé par une excitation RF (13,56 MHz – 600 W max) à couplage inductif au moyen d’une antenne circulaire à un tour autour du tube de quartz. Le porte-substrat est polarisable en RF (13,56 MHz – 300 W max) (voir photo ci-dessous) . Le porte-échantillon accepte des échantillons jusqu’à 4” de diamètre.

Les diagnostics des plasmas par sondes électrostatiques et spectrométrie d’émission optique peuvent être installés sur ce réacteur.

Ce réacteur est dédié aux études et procédés de gravure en plasma chloré, Cl₂ pur ou en mélange avec H₂, Ar, ou N₂.

 Réacteur « Nextral »

Ce réacteur fait partie d’un ensemble appelé « Plateforme Optimist ». Cette plateforme est un outil mutualisé du réseau CNRS des Plasmas Froids (historique et présentation détaillée : Plateforme Optimist) ouvert à la communauté des plasmiciens. La source est une source inductive plane alimentée en RF (13,56 MHz – 500 W max). Le porte-échantillon est contrôlé en température (-180°C / +1100°C) par une circulation d’azote liquide couplée à un système de chauffage, la dimension des échantillons est de 10*10 mm². Le réacteur est connecté sous ultra vide à l’ensemble d’analyse de surface « SPECS » (Figure 1), avec un transfert direct du porte-échantillon (Figure 2). Cet ensemble unique en France permet ainsi d’étudier les mécanismes physiques et chimiques mis en jeu dans des procédés de traitement de matériaux et surface en atmosphère contrôlée (gaz ou plasma) ou sous vide sur une très large gamme de température ; le transfert et l’analyse de l’échantillon est possible à toute température entre -180°C et +100°C.

Les diagnostics des plasmas par spectrométrie d’émission optique (200 – 1000 nm), spectrométrie de masse (0,3 – 300 uma) et sondes électrostatiques peuvent être installés sur le réacteur.

Quatre lignes de gaz sont disponibles, au choix parmi celles du réacteur « Alcatel ». Une cinquième ligne dédiée à SiF₄ a été ajoutée en 2020 pour les études en gravure cryogénique des composés à base de silicium.

Figure 1 : Réacteur « Optimist » et système d’analyse de surface « SPECS ».

Figure 2 : Schéma de la plateforme « Optimist » couplant traitement plasma et analyse de surface.