<page> <title>Gravure ionique réactive</title> <id>2005641</id> <revision> <id>31858939</id> <timestamp>2008-07-24T19:48:52Z</timestamp> <contributor> <username>Rhadamante</username> <id>97169</id> </contributor> <minor /> <text xml:space="preserve">La '''gravure ionique réactive''' - ou gravure par ions réactifs - très souvent appelée par son acronyme anglophone, '''RIE''' (pour ''Reactive Ion Etching''), est une technique de [[gravure sèche]] des [[semi-conducteur]]s. Il s'agit d'une technique similaire, dans la mise en Å“uvre, à une gravure au [[Physique des plasmas|plasma]] de type [[pulvérisation cathodique]] (''sputtering''). Cependant, dans cette technique, le plasma réagit (aussi) [[réaction chimique|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<sup>-2</sup> à 10<sup>-1</sup> [[torr]]) par un ou plusieurs [[champ électrique|champs électriques]] voire [[champ magnétique|magnétique]]. Les [[ions]] de haute énergie du plasma attaquent la surface du wafer et réagissent avec. Ce système est majoritairement utilisé sur des substrats en [[silicium]], mais est actuellement développé pour être utilisé sur d'autres types de [[semi-conducteur]]s ([[arséniure de gallium]] notamment). == Intérêt du système : une solution intermédiaire == La gravure ionique réactive est un hybride entre les deux grandes catégories de gravures: * Les gravures dites « ''chimiques'' », où le phénomène de gravure se fait par réaction chimique entre le produit gravant et la surface gravée. * Les gravures dites « ''physiques'' », type gravure au plasma (une des utilisations de la technique de ''[[pulvérisation cathodique]]'' ou sputtering), où la gravure est le produit de la réaction entre le matériau gravé et un plasma. Chacune de ces techniques a ses avantages et ses inconvénients. === Gravure « chimique » === La plupart du temps, lorsqu'une gravure est nécessaire, une technique de gravure dit « ''chimiques'' » -ou « ''humide'' » puisque dans la majorité des cas la gravure se fait dans un liquide - est utilisée. Cette technique est la plus utilisée dans l'industrie, du fait de sa relative simplicité de mise en Å“uvre. Après une processus de [[photolithographie]] (dépôt d'une résine photosensible sur le wafer, exposée à un rayonnement ultraviolet au travers d'un masque, et développement), le substrat est plongé dans un liquide graveur ([[acide fluorhydrique]] généralement pour du silicium). Cette technique a pour avantage d'avoir un taux de gravure (''etch rate'' - épaisseur de matériau retiré par unité de temps) élevé, et une sélectivité de gravure importante, ce qui est utile lorsque le matériau est composé de plusieurs couches de matières différentes et que l'on souhaite n'en graver qu'une ou quelques-unes. Le problème de ce type de gravure est qu'elle est fortement [[isotropie|isotrope]]: au lieu de graver dans une direction, donnant un profil de gravure rectiligne, la gravure "humide", du à la diffusion des agents gravant dans le substrat, donne au mieux un profil semi-sphérique, ce qui pose évidemment des problèmes par la suite (notamment à très petite échelle - quelque dizaines de nanomètres voire moins - lorsque deux zones à graver sont trop proches, le risque est grand de graver les deux zones et l'espace entre les deux.) [[Image:Gravure humide.png|thumb|center|200px|Profil de gravure de type "humide". La gravure est profondément isotrope]] === Gravure « physique » === La gravure physique utilise une réaction entre un plasma et le matériau à graver. Cette technique est une autre utilisation de la [[pulvérisation cathodique]], utilisé habituellement pour en [[dépôt de couche mince]]. Ce type de gravure à des propriétés presque opposées à celle de la gravure chimique. En effet ici la gravure présente un profil particulièrement anisotrope. [[Image:Gravure RIE.png|thumb|center|200px|Profil de gravure type plasma]] {{clr}} Le problème est que ce type de technique présente une taux de gravure beaucoup plus faible que la gravure chimique (ce qui peut poser des problèmes car la résine - ou parfois directement le masque - ne résiste à la gravure qu'un temps), et surtout n'a presque aucune sélectivité de gravure. Enfin, un autre aspect négatif de ce type de réaction est la dégradation du matériau gravé. En effet, les ions comme les électrons du plasma qui heurtent la surface provoquent des dégâts dans la couche située sous la surface du matériau. === Gravure ionique réactive === La gravure ionique réactive est un hybrides entre les précédentes techniques, cherchant à cumuler les avantages de chacune. Si la mise en Å“uvre est similaire à la pulvérisation cathodique (génération de plasma froid dans un champ électrique sous basse pression), la gravure est elle à mi-chemin entre les deux: les espèces qui gravent sont sous forme ionisé (ion chlorure ou fluorure), mais vont réagir aussi chimiquement avec le substrat. On parle alors de gravure chimique sèche (CDE - Chemical Dry Etching) == Description du système == === Systèmes à plaques parallèles === [[Image:Machine RIE.png|thumb|300px|Une machine RIE à plaques parallèles.<br/>La chambre à vide est au sommet de la machine]] Les systèmes RIE les plus courants, dit à ''plaques parallèles'', comportent une chambre à vide, de forme cylindrique et deux plaques métalliques parallèles, qui son en fait des électrodes. L'électrode basse dans la partie basse de la chambre sert de plateau pour soutenir le wafer. Il est isolé électriquement en composante DC du reste de la chambre. L'autre électrode, ainsi que les murs de la chambre sont généralement reliés à la masse. Les gaz réactifs entrent par de petites ouvertures dans la chambre, et sortent par une un système de [[pompe à vide]]. Le type et la quantité de gaz utilisés varient selon la gravure, et surtout selon le substrat; * pour des substrats en silicium, les gaz réactifs employés sont des dérivés [[fluor]]és ou parfois [[chlore|chlorés]], l'[[hexafluorure de soufre]] étant le plus courant. Les dérivées fluorés on l'avantage d'être en général non toxique - à faible dose - bien que présentant d'autres inconvénients (environnementaux en particulier) * pour des substrats d'arséniure de gallium, les dérivés fluorés sont presque inutiles, car le fluor ne réagit que très faiblement avec le [[gallium]]. Il faut, pour graver ce type de matériaux, utiliser presque uniquement des dérivés chlorés. Les plus couramment utilisés sont le [[Trichlorure de bore]] (BCl<sub>3</sub>), le [[Tétrachlorure de carbone]] (CCl<sub>4</sub>), , le [[Tétrachlorure de silicium]] (SiCl<sub>4</sub>), le [[dichlore]], et le [[Dichlorodifluorométhane]](CCl<sub>2</sub>F<sub>2</sub> - [[fréon (gaz)|fréon]]).<br/>Contrairement aux dérivés fluorés, ces composés sont en général toxiques (le BCl<sub>3</sub> est l'un des gaz les plus toxiques existant) et/ou très dangereux pour l'environnement (la fréon attaque la couche d'ozone, comme la plupart des dérivés chloro-fluorés). À ces gaz sont généralement ajoutés des gaz plus ou moins inertes ([[Hélium]], [[Argon]], [[dioxygène]]), dans le but de rendre le plasma plus ou moins réactif, et d'améliorer ainsi le taux de gravure (''etch rate''). Ce taux est très important afin de rendre les gravures les plus rapides possibles; en effet si la [[photorésist|photorésine]] (ou directement le masque dans certains cas) qui protège les parties du wafer qui ne doivent pas être gravées, cette résine ne résiste qu'un temps à la gravure. Si celle si est trop longue, cette couche protectrice peut être attaquée. La pression des gaz est généralement maintenue dans une gamme allant de quelques milli[[torr]] jusqu'à une centaine de millitor, ceci en ajustant le flux de gaz entrant ou l'orifice de sortie. === Autres systèmes === D'autres types de système RIE existent: * Certains systèmes utilisent un montage de type triode: les processus de génération de plasma et de transport des espèces réactives sont séparés afin de mieux contrôler la deuxième étape. Concrètement, une seconde paire d'électrode, verticales (et donc perpendiculaires aux deux autres) est ajoutée dans la chambre, créant un second champ électrique, horizontal celui-ci, et donc perpendiculaire à l'autre. Ce champ, beaucoup plus fort que le premier (dont la puissance a été diminuée), sert à la génération du plasma. Le champ électrique vertical sert alors à contrôler le transport des espèces réactives vers le substrat. * Certains systèmes incluent un système de [[Torche à plasma (chimie)|torche à plasma]] (Inductively Coupled Plasma). Ils sont appelés ICP-RIE. Dans ce type de système, le plasma est généré par un puissant champs magnétique en [[Onde radio|Radio-fréquence]] (RF). Une forte densité de plasma peut ainsi être obtenue, mais cette technique tend à rendre la gravure plus [[isotropie|isotrope]]. <!--à reprendre--> Il est possible de combiner deux systèmes (plaques parallèles et ICP). Dans ce genre de système, l'ICP est utilisé comme source de haute densité en ions, ce qui augmente le taux de gravure (''etch rate''), alors qu'une différence de potentiel en RF est appliquée au substrat (wafer), afin de créer un champ électrique directionnel près du substrat, tendant à rendre la gravure plus anisotrope. == Fonctionnement == === Génération de plasma === Le plasma est crée dans le système en appliquant en créant un fort champs éclectique en radio-fréquence entre le plateau supportant le wafer et l'électrode supérieure. Ce champs est typiquement réglé à une fréquence de 13.56 [[hertz|Mhz]], à une puissance d'une centaine de [[watt]]s. Le champ électrique oscillant commence à ioniser les [[molécule]]s de gaz en leur arrachant certains de leurs [[électron]]s, créant ainsi un ensemble de gaz ionisé contenant des cations, des électrons et des radicaux libres. Ce début de ionisation n'est pas dans un premier temps suffisant pour créer un plasma stable dans la chambre. En effet, les électrons libérés pendant la première demi-période du cycle peuvent enter en collision avec les cations formés en même temps, durant la seconde demi-période, et se recombiner avec ceux-ci. Cependant, du fait de la forte accélération qu'il subissent par le champs, et donc de l'énergie qu'ils gagnent, les électrons, lorsqu'il rentrent en collision une molécule de gaz, vont ioniser celle-ci, et par un processus de réaction en chaine créer un plasma plus ou moins stables, selon les conditions. === Gravure par le plasma === Les électrons sont accélérés de haut en bas (et inversement) à chaque cycle du champ électrique, contrairement aux cations, beaucoup plus lourds et par conséquent beaucoup 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. Lorsqu'il s'agit d'une paroi ou de l'électrode supérieure, puisque celles-ci sont reliés à la masse, les électrons entrent simplement dans un circuit électrique. Par contre lorsque 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. Les ions, chargé positivement, vont alors être attiré par ce potentiel négatif, et par conséquent attaquer le wafer. Les ions -ou plus précisément un mélange d'ion et de radicaux libres - vont alors être adsorbé par la surface du wafer, et réagir avec elle. * s'il s'agit d'un substrat en [[silicium]], les atomes de fluor vont se lier aux atomes de silicium, créant une molécule de tétrafluorure de silicium qui, de part le faible pression et l'augmentation de la température, va être désorbée. * s'il s'agit d'un substrat en [[arséniure de gallium]], les atomes de chlore vont se lier aux atomes de [[gallium]], créant une molécule d'hexafluorure de gallium (Ga<sub>2</sub>Cl<sub>6</sub>) qui va être désorbée. Sans gallium, l'[[arsenic]] ne peut plus « coller » à la structure d'arséniure de gallium, et est désorbé aussi. === 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 en général retenus: * Les cations, même s'ils sont trop lourds pour bouger de façon efficace sous l'influence du champ électrique, vont, lorsqu'ils seront attirés par l'électrode inférieure chargée négativement, suivre peu ou proue les lignes du champ électrique. Celles-ci étant principalement verticales (entre les deux électrodes), les cations arrivent de façon perpendiculaire au wafer, et ne s'attaquent donc pas aux parois, laissant celles-ci lisses et droites, mais pas forcément verticales<ref>En effet la verticalité des parois dépend de beaucoup de facteurs (pression, ratio des gaz, puissance du champs). Si les facteurs ne concordent pas, les parois auront un certain angle par rapport à la verticale.</ref>. * Un second mécanisme suppose qu'une partie des matériaux arrachés au wafer, mêlés à certains composants du plasma vont se redéposer sur les parois, et agissent comme une couche protectrice contre la gravure. == Références == <references /> == Articles connexes == * [[Gravure ionique réactive profonde]] {{Portail|physique}} [[Catégorie:Micro-électronique]] [[de:Plasmaätzen]] [[en:Reactive-ion etching]] [[ja:å応性イオンエッãƒãƒ³ã‚°]]</text> </revision> </page>