Gravure ionique réactive

La gravure ionique réactive - ou gravure par ions réactifs - fréquemment nommée par son acronyme anglophone, RIE, est une technique de gravure sèche des semi-conducteurs.



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Micro-électronique - Électronique

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La gravure ionique réactive - ou gravure par ions réactifs - fréquemment nommée par son acronyme anglophone, RIE (pour Reactive-Ion Etching), est une technique de gravure sèche des semi-conducteurs. C'est une technique identique, dans la mise en œuvre, à une gravure au plasma de type pulvérisation cathodique (sputtering). Cependant, dans cette technique, le plasma réagit, non seulement physiquement, mais également chimiquement avec la surface d'un wafer, ce qui en retire une partie ou certaines des substances qui y ont été déposées. Le plasma est généré sous basse pression (10-2 à 10-1 torr) par un ou plusieurs champs électriques ou alors magnétique. Les ions de haute énergie du plasma attaquent la surface du wafer et réagissent avec.

Une combinaison de deux gravures

Article détaillé : Gravure (micro-fabrication) .

La gravure ionique réactive est un hybride entre les deux grandes catégories de gravures :

Chaque type de gravure a ses avantages et ses inconvénients :

La gravure ionique réactive, avant tout une gravure physique, mais à laquelle on rajoute un aspect chimique, cherche à cumuler les avantages des deux techniques. Si la mise en œuvre est comparable à la pulvérisation cathodique (génération de plasma froid dans un champ électrique sous basse pression), la gravure est - elle - à mi-chemin des deux : les espèces qui gravent sont sous forme ionisée (ion chlorure ou fluorure), mais vont réagir aussi chimiquement avec le substrat. On parle alors de gravure chimique sèche (CDE - Chemical Dry Etching).

Systèmes à plaques parallèles

Une machine RIE à plaques parallèles.
La chambre à vide est au sommet de la machine.

Les dispositifs RIE les plus courants, dit à plaques parallèles, comportent une chambre à vide, de forme cylindrique et deux plaques métalliques parallèles, qui sont en fait des électrodes. L'électrode basse dans la partie basse de la chambre sert de support du wafer. Elle est isolée électriquement en composante DC du reste de la chambre. L'autre électrode, mais aussi les murs de la chambre sont le plus souvent reliés à la masse.

Les gaz réactifs entrent par de petites ouvertures dans la chambre, et sortent par un dispositif de pompe à vide. Le type et la quantité de gaz utilisés fluctuent selon la gravure, et en particulier selon le substrat :

À ces gaz sont le plus souvent ajoutés des gaz plus ou moins inertes (hélium, argon, dioxygène), dans l'objectif de rendre le plasma plus ou moins réactif, et de perfectionner ainsi le taux de gravure (etch rate). Ce taux est particulièrement important pour rendre les gravures les plus rapides envisageables ; en effet la photorésine (ou directement le masque occasionnellemen) qui protège les parties du wafer qui ne doivent pas être gravées ne résiste qu'un temps à la gravure. Si celle-ci est trop longue, cette couche protectrice peut être attaquée, ou alors détruite, et les parties qu'elle est censée protéger être elles aussi gravées.

La pression des gaz est le plus souvent maintenue dans une gamme allant de quelques millitorrs jusqu'à une centaine de millitors, ceci en ajustant le flux de gaz entrant ou l'orifice de sortie.

Autres dispositifs

D'autres types de dispositif RIE existent :

Il est envisageable de combiner deux dispositifs (plaques parallèles et ICP). Dans ce genre de dispositif, l'ICP est utilisé comme source de haute densité en ions, ce qui augmente le taux de gravure (etch rate), tandis qu'une différence de potentiel en RF est appliquée au substrat (wafer), pour créer un champ électrique directionnel près du substrat, tendant à rendre la gravure plus anisotrope.

Fonctionnement

Génération de plasma

Le plasma est créé dans le dispositif en appliquant en créant un fort champ éclectique en radio-fréquence entre le plateau supportant le wafer et l'électrode supérieure. Ce champ est typiquement réglé à une fréquence de 13.56 Mhz, à une puissance d'une centaine de watts. Le champ électrique oscillant commence à ioniser les molécules de gaz en leur arrachant certains de leurs électrons, créant ainsi un ensemble de gaz ionisé contenant des cations et des électrons libres.

Les électrons libres, fortement accélérés par le champ électrique vont alors entrer en collisions avec d'autres particules :

Ainsi, par un processus de réaction en chaine, les quelques ions et électrons libres générés directement par le champ électrique vont créer un plasma (plus ou moins) stable. Cette génération de plasma est , dépendamment cependant des conditions, presque instantanée (il s'agit ici en fait du même phénomène que la génération de lumière par des tubes «néon»).

Gravure par le plasma

Génération d'une différence de potentiel négative

Système à plaques parallèles

Les électrons sont accélérés de haut en bas (et vice versa) à chaque cycle du champ électrique, contrairement aux cations, bien plus lourds et donc nettement moins réactifs aux variations de champs.

Ces électrons vont tantôt entrer en collision avec l'une des électrodes ou l'une des parois de la chambre. Quand il s'agit d'une paroi ou de l'électrode supérieure, puisque celles-ci sont reliées à la masse, les électrons entrent simplement dans un circuit électrique. Par contre quand les électrons entrent en collision avec l'électrode inférieure, et le wafer, ceux-ci étant isolés électriquement en composante DC, les électrons sont piégés, et s'accumulent, créant un potentiel négatif au niveau de l'électrode inférieure. À basse pression (<50 mTorr) une zone « noire » peu être observée aux alentours de l'électrode inférieure chargée négativement. En effet cette zone est pauvre en ions, et donc il ne peut y avoir de recombinaison entre ion et électron libre, donc pas de génération de lumière.

Cette différence de potentiel est par conséquent auto-générée, et donc difficilement maitrisable.

Montage type «triode»

Contrairement au dispositif dit «à plaques parallèles», le montage en triode, qui comporte une paire supplémentaire d'électrodes, perpendiculaires aux deux autres génère de façon contrôlée cette différence de potentiel :

Ainsi, les fonctions de génération du plasma et de contrôle de la trajectoire des particules sont scindées pour une meilleure maîtrise.

Système de torche à plasma


Gravure

Les cations, chargé positivement, sont attirés par ce potentiel négatif, et donc bombardent le wafer. Les cations peuvent réagir de différentes façons avec la surface du wafer.

Explication du caractère anisotrope de la gravure

Plusieurs explications ont été données pour expliquer l'anisotropie de la gravure par ions réactifs. Deux mécanismes sont généralement retenus :

Influence des gaz non réactifs

En plus des gaz réactifs, sont injectés des gaz plus ou moins inertes, en tout cas non réactifs. Ces gaz ont des rôles différents :

Notes et Références

  1. En effet la verticalité des parois dépend largement de facteurs (pression, ratio des gaz, puissance du champ). Si les facteurs ne concordent pas, les parois auront un certain angle comparé à la verticale.

Bibliographie

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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