Conception, characterization, and applications of microwave plasmas in matrix configuration
Conception, caractérisation et applications des plasmas micro-onde en configuration matricielle
Résumé
Today, large-scale processing with high density and uniform plasma is necessary for surface treatments that need highly uniform etching or deposition rates. Thus, the objective of this new kind of plasma is to produce a sheet of high density, uniform plasma in the 100 Pa pressure range. Plasma scaling up can be achieved by distributing elementary microwave plasma sources over bi or tri-dimensional networks. This concept is applied to a planar reactor comprising 4 × 3 microwave plasma sources distributed according to a square lattice matrix configuration (with a lattice mesh of 40 mm). In each elementary plasma source, the plasma is produced at the end of a coaxial applicator implemented perpendicularly to the planar source. In the low microwave power range and high pressure range, a localized plasma with azimutal symmetry can be observed around each coaxial applicator. When increasing the microwave power, the localized plasmas expand and then meet together to produce a sheet of uniform plasma. Argon plasmas, that can be sustained in the medium pressure range from 7.5 to 750 Pa, were characterized by using Langmuir probes. The sheet of plasma thus obtained becomes uniform at a distance from the source plane of 15-20 mm, i.e., less than half the lattice mesh of the matrix network. Results show that the plasma can reach densities between 10^12 and 10^13 cm^-3 with a uniformity better than ± 3.5 % at 20 mm from the source plane. The decrease in the electron temperature observed when increasing the microwave power can be justified by the apparition of a two-step ionization mechanism via argon metastable atoms, whose temperature and concentration were measured by laser diode absorption spectroscopy. Analytical and numerical one dimension modelling was presented and permits to justify the assumptions on creation and loss mechanisms. Finally, in order to test matrix plasmas for applications to surface treatments, films of SiOCH and SiNCH were deposited by PACVD in order to evaluate the deposition rate and the uniformity of the films. The deposition rates obtained exceed the µm/min and the films are uniform.
Les procédés plasma de grandes dimensions, uniformes et denses, sont essentiels pour les traitements de surface qui demandent des vitesses de gravure ou de dépôt élevées et uniformes. Ainsi, l'objectif de cette étude est de produire des nappes de plasma uniformes et de fortes densités dans la gamme de pression de 100 Pa. L'extension d'échelle des plasmas est réalisable par la distribution de sources plasma micro-onde suivant un réseau à deux ou trois dimensions. Ce concept a été appliqué à un réacteur plan constitué de 4 × 3 = 12 sources plasma micro-onde distribuées selon une configuration matricielle carrée (paramètre de maille de 4 cm). Pour chaque source élémentaire, le plasma est produit à l'extrémité d'un applicateur coaxial implanté perpendiculairement au plan de la source bidimensionnelle. Dans la gamme des puissances micro-onde faibles et dans celle des pressions élevées, des plasmas localisés à symétrie azimutale sont visibles autour de chaque applicateur coaxial. En augmentant la puissance micro-onde, les plasmas localisés s'étendent et se rejoignent pour produire une tranche de plasma uniforme. Les plasmas d'argon, qui peuvent être maintenus entre 7,5 et 750 Pa, ont été caractérisés principalement par sonde de Langmuir. La nappe de plasma obtenue devient uniforme à partir de 15-20 mm du plan de source, c'est-à-dire à une distance de l'ordre de la moitié du paramètre de maille. Les résultats montrent que le plasma peut atteindre des densités comprises entre 10^12 et 10^13 cm^-3 avec une uniformité de ± 3,5 % à 20 mm du plan de source. La décroissance de la température électronique observée lors d'une augmentation de la puissance micro-onde est justifiée par l'apparition d'un mécanisme d'ionisation par étapes via les atomes métastables, dont la concentration et la température ont été mesurées par spectroscopie d'absorption par diodes laser. Une modélisation analytique simplifiée suivie d'une modélisation numérique du plasma d'argon à une dimension a été effectuée. Elle permet de conforter la plupart des hypothèses sur les mécanismes de création et de perte dans le plasma. Enfin, pour tester le réacteur dans des applications aux traitements de surface, des couches de SiOCH et de SiNCH ont été déposées par PACVD en vue d'évaluer la vitesse et l'uniformité du dépôt. Les vitesses de dépôt obtenues dépassent le µm/min et les dépôts sont uniformes.
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