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Université d'Orléans (24/05/2006), Pierre RANSON (Dir.)
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Mécanismes physico-chimiques dans le procédé de gravure plasma du Silicium
Xavier Mellhaoui1

Dans l'industrie de la microtechnologie, la gravure profonde du silicium permet l'obtention de structures à fort rapport d'aspect (MEMS, MOEMS, vias, caissons d'isolation...). La cryogravure est l'une des voies pour réaliser ces structures. L'objet de cette thèse est l'étude des mécanismes de formation de la couche de passivation SiOxFy dans le procédé cryogénique de gravure par plasma SF6/O2 du silicium. Cette couche ne se forme uniquement qu'à basse température (~ -100°C). Elle désorbe lors de la remontée en température à l'ambiant du substrat en libérant des espèces analysables par spectrométrie de masse. La principale espèce détectée est le produit de gravure SiF4. En testant des plasmas de construction de la couche avec le SiF4, nous avons trouvé deux mécanismes possibles de formation de la couche SiOxFy. Afin de compléter l'étude, nous avons installé un ellipsomètre spectroscopique in-situ afin de caractériser l'interaction de différents plasmas (Ar, SF6, O2, SF6/O2, SiF4/O2) avec le silicium montrant ainsi l'effet de la température du substrat et du flux d'ions.
En régime de surpassivation, les MicroStructures Colonnaires, défaut du procédé de cryogravure, apparaissent au fond du motif. Une étude paramétrique de ces structures est effectuée en variant les conditions du plasma (température, Vbias, puissance de la source, pression et temps).
1:  GREMI - Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés
Silicium – plasma – gravure – SF6/O2 – SiF4/O2 – cryogénie – ICP – microélectronique – ellipsométrie spectroscopie – MicroStructures Colonnaires – Black Silicon

Physico- chemical mechanisms involved in the silicon plasma etching cryogenic process
In microelectronic industries, silicon deep etching allows to obtain high aspect ratio structures (MEMS, MOEMS, vias, deep trench isolation...). Cryoetching is one of different kinds of dry silicon etching processes to realize such structures. The aim of this thesis is the study of mechanisms of SiOxFy passivation layer involved in the silicon plasma etching cryogenic process. This layer is only formed at low temperature (~ -100°C). It is a fragile layer, which mostly disappears when the wafer is warmed up to ambient temperature. The desorbed species are analyzed by a mass spectrometer. SiF4, the main detected species, is the etching product and can participate in the formation of the passivation layer as it is shown by a series of test experiments. Two possible mechanisms can explain the SiOxFy layer formation. To complete this study, in-situ spectroscopic ellipsometer is implemented to analyze the interaction between different plasmas (Ar, SF6, O2, SF6/O2, SiF4/O2) and silicon showing the temperature and ionic flux effect.
In over-passivation, Columnar MicroStructures which are cryoetching defects, appear on silicon surface. The formation of the CMS is studied as a function of different parameters (temperature, Vbias, source power, pressure and time).
Silicon – plasma – etching – SF6/O2 – SiF4/O2 – cryogeny – ICP – microelectronic – spectroscopic ellipsometry – Columnar MicroStructures – Black Silicon