Plasma « Descum »

Un des défauts classiques induit par la photolithographie est la présence d'un "pied" à la base d'une tranchée. La figure 1a)-b) montre une image MEB avec la présence d'un "pied" après avoir exposé et développé la photorésine. De plus, il reste généralement une fine couche de résidus de résine dans le fond des tranchées qui doit être enlevée pour permettre une meilleur adhérence du dépôt. En ajustant les conditions d'expositions (ex: le temps d'exposition, le focus, etc.), on peut réduire ces problèmes mais même les meilleurs efforts ne seront généralement pas suffisants.

Un procédé courant utilisé en microélectronique pour pallier à ce problème est le "plasma descum", qu'on pourrait traduire par "récurage/nettoyage" par plasma. Ce procédé permet de modifier les profils des parois, corrigeant les erreurs de profils induit par la photolithographie. Lors du procédé, un plasma réactif est utilisé pour retirer les "pieds" non désirées de résine et nettoyer le fond des tranchées. Le défi est de le faire sans changer les dimensions critiques de l'image voulue. Vous pouvez voir en figure 1c)-d), les mêmes profils qu'en figure 1a)-b) qui ont été traités par "descum" à l'oxygène. On voit que le "pied" à la base de la tranchée est complètement disparue sans affecter les dimensions du motif.

AvantDescum-MEBFigure 1. Image MEB a) Oblique et b) en coupe d'un "pied" de résine après exposition et développement. (Solid State Technology, Vol. 11(2)

ApresDescum-MEB

Figure 1. Image MEB c) Oblique et d) en coupe de résine traitée par un plasma d'oxygène pour "descum". Solid State Technology, Vol. 11(2)

Gravure de photorésines par plasma d'oxygène

Les photorésines couramment utilisées sont facilement décapées par un plasma d'oxygène. Pour un procédé de "descum", la vitesse de gravure n'est pas le paramètre le plus important car on ne veut enlever qu'au plus quelques centaines de manomètres de résine. Par contre, l'anisotropie du procédé de "descum" doit être pratiquement parfaite. Un procédé de "descum" optimisé devrait enlever du matériel que des surfaces horizontales (comme les "pieds") tout en laissant les dimensions critiques des motifs inchangées.

 

Comment le procédé de "descum" par plasma peut être anisotropique?

SchemaO2plasma.001

Figure 2. Schéma extrêmement simplifié expliquant l'anisotropie des gravures plasmas.

Si l'on considère l'environnement local d'une tranchée d'un motif immergée dans un plasma réactif (Figure 2), il faut suivre les flux de particules de deux composantes critiques du plasma: les radicaux réactifs électriquement neutre et les ions positifs du plasma (qui peuvent également être réactifs). Dans un plasma pure d'O2, on a une grande création d'atome d'oxygène qui sont l'espèce radicalaire neutre dominante alors que les ions positifs sont généralement des O2+ (pour ne pas compliquer l'explication, nous allons éviter de parler des ions négatifs d'un plasma électronégatif comme l'oxygène…). Près des surfaces, le transport des particules neutres (0) et des particules chargées (+) sont très différents. 

Neutres: Les molécules d'O2 et les radicaux vont diffuser à travers le réacteur plasma avec une marche aléatoire, principalement gouvernée par la température et le nombre de collisions (i.e. pression) qui se produisent dans le réacteur (murs, autres particules et les surfaces de l'échantillon). À l'échelle microscopique, il est donc clair que les radicaux d'oxygène vont rencontrer de façon équivalente les surfaces horizontales que verticales. Conséquemment, un "descum" fait seulement à la base des radicaux sera essentiellement isotropique. 

Ions positifs: Les ions eux, vont aussi être affectés par la température et la pression et seront dispersés suite à des collisions avec les autres particules présentes dans le plasma. Cependant, le transport des ions est dominé par les champs électriques présents aux surfaces du réacteur plasma. Le milieu du plasma est toujours à un potentiel positif par rapport aux surfaces. La différence de potentiel entre le plasma et la surface vont accélérer les ions avec une direction normale par rapport à la surface. Il est donc avantageux de vouloir augmenter ce bombardement ionique. Il existe plusieurs façons de le faire. On peut soit: 

  1. Réduire la pression dans le réacteur, ce qui aura pour effet de diminuer la quantité des radicaux (PV = nRT) et augmenter le libre parcours moyen (i.e. la distance qu'une particule parcoure avant de rentrer en collision avec une autre particule). Les ions se dirigeant vers l'échantillon ont de meilleure probabilité de frapper les surfaces horizontales si ils ont moins de chance de faire des collisions et les faire sortir de leur axe.
  2. Appliquer une différence de potentiel négative sur l'échantillon, ou l'électrode sur laquelle l'échantillon est posé. Cela crée un bombardement ionique plus intense. On peut le faire facilement en ayant des électrodes de dimensions asymétriques. L'électrode ayant l'aire la plus petite aura un bombardement plus intense. C'est la configuration classique d'une réacteur RIE (Reactive Ion Etching)

Commentaires:

 Ceci étant dit, il faut prendre conscience qu'en augmentant le bombardement ionique de façon excessive, on peut endommager le substrat et provoquer des effets néfastes pour l'application.

 De plus, comme mentionné plus haut, le "descum" est là pour enlever principalement des traces de résine dans le fond des tranchées des profils. Même dans un réacteur plasma pour "descum" qui "travaille" seulement avec les radicaux et qui isole l'échantillon du bombardement ionique(par exemple, avec une cage de Faraday autour des échantillons, tel que le Branson), la gravure est tellement courte (1-2 min), qu'on ne voit pas d'effet observables sur les dimensions critiques du motif.