Brevet FR2579058A1 — publié le 19860919

i La présente invention concerne les réacteurs à plas- ma, et elle porte plus particulièrement sur des réacteurs cy- lindriques à plasma destinés à enleverla matière de réserve photographique présente sur des tranches de semiconducteurs, ou à attaquer des couches minces de matières telles que l'alu- minium, le dioxyde de silicium ou le silicium polycristallin, sur des tranches de silicium sur lesquelles on a formé un mo- tif de matière de réserve photographique et qui sont prêtes pour une opération d'attaque. L'utilisation d'un gaz à l'état de plasma pour trai- ter des tranches de semiconducteurs est une technique courante. A titre d'exemple, J. Hollahan et A. Bell décrivent diverses techniques de ce type dans l'ouvrage Techniques and Applica- tions of Plasma Chemistry, Ch.9 (1974). On fabrique des composants à semiconducteurs sur une tranche ou un substrat semiconducteur. La matière de la tranche est généralement du silicium. Dans la fabrication de disposi- tifs semiconducteurs, on utilise un polymère photosensible, qu'on appelle une matière de réserve photographique. Apres une exposition sélective à un rayonnement optique, suivie d'un dé- veloppement chimique, la matière de réserve photographique durcit aux endroits auxquels elle n'a pas été enlevée, et elle protège la tranche sous-jacente contre l'action d'autres agents chimiques. La matière sousjacente à la surface de la tranche de silicium, qui peut être une couche mince d'aluminiumde dioxy- de de silicium ou de silicium polycristallin, est ensuite gra- vée avec un gaz à l'état de plasma, tel que du tétrafluorure de carbone contenant une faible quantité d'oxygène. L'utilisation d'un gaz à l'état de plasma est un pro- cédé qu'on peut utiliser pour enlever une matière de réserve photographique présente sur des tranches, après que cette ma- tière a rempli sa fonction de protection. Le gaz à l'état de plasma qu'on utilise pour enlever une matière de réserve photographique est généralement de l'oxygène. Plus précisément, on expose tout d'abord de l'oxy- gène diatomique à un champ électrique qui transforme une partie de l'oxygène diatomique en un plasma d'oxygène qui contient de l'oxygène monoatomique, qu'on appelle de façon générale de l'oxygène atomique. L'oxygène atomique est capable de réagir avec la matière de réserve photographique en rompant ses chai- nes polymères, ce qui fait que la matière de réserve photogra- phique est enlevée de la tranche de semiconducteur par l'action combinée de l'oxygène atomique et de l'oxygène moléculaire. Les sous-produits résultants comprennent des gaz tels que H20, CO et CO2. Des réacteurs à plasma de l'art antérieur destinés à l'enlèvement d'une matière de réserve photographique, dont un exemple est représenté sur la figure 2A, consistent en un réacteur cylindrique en quartz. Un certain nombre de tranches de semiconducteurs sont placées à l'intérieur du réacteur, et chacune d'elles porte une couche de matière de réserve photo- graphique sur ses surfaces. Des électrodes en métal sont pla- cées autour du réacteur, et l'une d'elles est connectée à un générateur radiofréquence (RF) fonctionnant à 13,56 MHz ou sur des harmoniques de cette fréquence, tandis que l'autre est connectée à la masse. Le réacteur en quartz comprend également un orifice d'entrée de gaz et un orifice d'évacuation. D'autres réacteurs à plasma de l'art antérieur, non représentés,consitent en un réacteur à une seule chambre qui comporte une électrode à l'intérieur de la chambre, et le bre- vet US 4 230 515 montre un bon exemple de ce type de réacteur. En outre, des réacteurs de l'art antérieur consistent en un réacteur à deux chambres dans lequel le plasma est généré dans une chambre et le travail, tel que l'enlèvement de la matière de réserve photographique, est effectué dans une seconde cham- bre. Le plasma peut être transféré entre les deux chambres soit par un conduit étroit soit par des tubes étroits. Le principal inconvénient du réacteur à deux chambres réside dans la probabilité de dégénérescence du plasma avant qu'il puisse effectuer l'enlèvement de la matière de réserve photographique c'est-à-dire que l'oxygène atomique tend à se recombiner en oxygène diatomique sur les parois du conduit ou des tubes. Un phénomène courant dans des réacteurs de l'art an- térieur consiste dans la génération de décharges ou d'arcs en- tre le plasma et des pièces métalliques voisines qui sont à la masse électrique. Comme le montre la figure 2B, au point de vue électrique les parois du réacteur à plasma sont équivalen- tes à deux condensateurs. Le plasma qui est généré à l'inté- rieur du réacteur peut être représenté par une résistance. La région située à l'intérieur du plasma en position adjacente aux parois se comporte comme deux diodes dont le sens direct est dirigé vers l'intérieur du plasma. La résistance du plasma est faible en comparaison de la résistance de la diode polari- sée en inverse. Si par exemple la tension RF qui est appliquée à la première électrode est de l'ordre de + 1000 volts, cha- cune des parois du cylindre en quartz absorbe approximative- ment 450 volts. Ceci est dû aux propriétés inhérentes du quartz, qui a les caractéristiques d'un diélectrique. Ceci laisse approximativement 100 volts de part et d'autre du plas- ma et la majeure partie de cette tension apparaît de part et d'autre de la diode polarisée en inverse. Lorsque la tension RF est à sa crête positive, l'intérieur du plasma est approxi- mativement à + 550 volts. De façon-similaire, lorsque la ten- sion RF est à sa crête négative, l'intérieur du plasma est approximativement à - 450 volts. Ainsi, la tension entre le plasma et la masse est toujours d'environ + 500 volts. Cette tension élevée augmente la probabilité de formation d'un arc entre le plasma et des pièces quelconques reliées à la masse. - A titre d'exemple, des accessoires en métal présents sur di- verses pièces qui sont connectées au réacteur peuvent donner lieu à de telles décharges d'arc, entrainant un échauffement excessif et une corrosion de ces pièces. En particulier, des arcs peuvent se former vers les raccords qui relient le con- duit d'évacuation à la pompe. Cette formation d'arcs limite la puissance qui peut être introduite dans le plasma et, par conséquent, la vitesse à laquelle la réaction chimique peut se dérouler et la capacité du réacteur. Compte tenu de ces défauts de l'art antérieur, un but principal de l'invention est de procurer un réacteur à plasma qui soit capable de minimiser le risque de formation d'arcs à haute tension entre le plasma et des pièces reliées à la masse, autres que les électrodes reliées à la-masse. Pour atteindre le but ci-dessus ainsi que des buts supplémentaires, l'invention procure un réacteur à plasma. Ce réacteur comprend une chambre active ou chambre de travail qui est conçue de façon à recevoir au moins un article et un volu- me de plasma qui est capable de donner lieu à une interaction avec une matière de l'article. On utilise un générateur d'énergie électrique radio- fréquence. Une paire d'électrodes sont également placées au- tour de la chambre active. Les électrodes sont conçues de fa- çon à créer dans la chambre active un champ électrique qui convertit le gaz actif en un plasma actif destiné à interagir avec une matière de l'article. Plus précisément, on utilise un transformateur de tension radiofréquence. Le transformateur comprend un enrou- lement primaire qui est connecté au générateur et un enroule- ment secondaire dont le milieu est relié à la masse. Chaque extrémité de l'enroulement secondaire est connectée à l'une des électrodes. Chaque électrode est capable d'osciller entre + 500 volts. A la tension de crête, une tension de 450 volts est présente aux bornes de chaque condensateur, correspondant à une paroi du réacteur. L'intérieur du plasma est connecté à la diode polarisée en direct, dont les deux extrémités sont à environ 50 volts. Une tension d'environ 100 volts est pré- sente aux bornes de la diode polarisée en inverse. Ainsi, l'intérieur du plasma oscille entre 50 volts et la masse, deux fois par cycle. Avec 50 volts au lieu de 500 volts entre l'in- térieur du plasma et la masse, le plasma présente une beaucoup plus faible tendance à former un arc dirigé vers des pièces quelconques reliées à la masse, ce qui permet d'introduire une puissance plus élevée dans le plasma. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préféré, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un réacteur à plasma cylindrique conforme à l'invention; la figure 2A est une représentation schématique, partiellement en coupe, d'un réacteur à plasma de l'art anté- rieur; la figure 2B est un circuit électrique équivalent du circuit du réacteur à plasma de l'art antérieur; la figure 3 est une représentation schématique, partiellement en coupe, du réacteur à plasma cylindrique de la figure 1; la figure 4 est un schéma du transformateur de ten- sion et d'un circuit électrique équivalent du réacteur à plas- ma cylindrique des figures 1 et 3; et la figure 5 est une représentation schématique, partiellement en coupe, de l'élément de guidage d'écoulement de plasma du réacteur à plasma cylindrique des figures 1 et 3. En considérant la figure 1, on voit un réacteur à plasma cylindrique, désigné de façon générale par la référence 12. Le réacteur 12 comprend une chambre active ou de travail 14 qui est cylindrique et a la forme générale d'un tonneau. La chambre cylindrique 14 peut avoir un diamètre de 15 à 30 cm; dans le mode de réalisation préféré, le diamètre de la chambre 14 est de 30 cm. La longueur axiale de la chambre 14 est d'en- viron 53 cm. La chambre 14 comporte un ensemble d'orifices d'entrée 16 destinés à recevoir un gaz actif, et un ensemble d'orifices d'évacuation 18 destinés à évacuer divers gaz et sous-produits de la chambre 14. Dans le mode de réalisation préféré, il y a quatre orifices d'entrée 16 et cinq orifices d'évacuation 18. En outre, comme la figure 3 le montre le mieux, les orifices d'entrée 16 sont placés dans des positions diamétralement opposées par rapport aux orifices d'évacuation 18. Dans le mode de réalisation préféré, la chambre 14 est fabriquée à partir d'une matière inerte classique telle que le quartz. La chambre 14 est conçue de façon à recevoir un en- semble d'articles 20. Comme il est représenté, les articles sont des tranches de semiconducteurs, et chacune d'elles porte une couche de matière de réserve photographique lorsque les tranches sont placées dans la chambre 14. Le réacteur 12 comporte en outre un collecteur d'entrée de gaz 22 qui est placé en position adjacente à la chambre 14. Le collecteur d'entrée de gaz 22 est un tube, également en quartz, qui comporte un ensemble d'orifices24, et chacun d'eux est en communication avec l'un des orifices d'entrée 16 de la chambre cylindrique. Dans le mode de réali- sation préféré, le collecteur d'entrée de gaz 22 comporte quatre orifices 24. Le collecteur d'entrée de gaz 22 est ca- pable d'amener le gaz actif à la chambre cylindrique 14. Le réacteur comporte un générateur d'énergie élec- trique radiofréquence (RF) 26. Dans le mode de réalisation préféré, la fréquence de l'énergie RF est de 13,56 MHz. Le réacteur 12 comporte en outre une paire d'élec- trodes d'orifices d'entrée 28e et 30e, qui sont placées en position adjacente aux orifices d'entrée 16 de la chambre cylindrique, comme la figure 3 le montre le mieux. Chacune des électrodes 28e et 30e, qui est fabriquée à partir d'un métal conducteur tel que le cuivre, présente une configura- tion légèrement courbe, de façon à suivre la courbure de la chambre 14. Les électrodes 28e et 30e sont capables de créer un champ électrique dans la chambre cylindrique 14, en posi- tion adjacente aux orifices d'entrée 16. Ce champ électrique d'orifices d'entrée E convertit alors le gaz actif en un e plasma actif. En outre, la position du champ électrique d'orifices d'entrée E délimite dans la chambre 14 une région FR pratiquement exempte de champ électrique, en position ad- FR pratiquement exempte de champ électrique, en position ad- jacente aux articles 20. Il existe également une paire d'électrodes de collec- teur 28m et 30m, qui sont placées en position adjacente au collecteur d'entrée de gaz 22. Chacune des électrodes de col- lecteur 28m et 30m est une plaque s'étendant de façon générale en direction verticale, qui est placée d'un côté ou de l'autre du collecteur 22, comme la figure 3 le montre le mieux. Les électrodes 28m et 30m sont également fabriquées à partir d'un métal conducteur tel que le cuivre. Les électrodes de collec- teur 28m et 30m sont capables de créer un champ électrique dans le collecteur 22. Le champ électrique de collecteur E m convertit une partie du gaz actif en plasma actif avant que le gaz actif n'entre dans la chambre 14. L'action combinée du champ électrique de collecteur Em et du champ électrique d'orifices d'entrée E convertit efficacement le gaz actif e pour donner le plasma actif désiré. Bien que les électrodes 28e et 28m et les électrodes e et 30m soient décrites et revendiquées sous la forme d'électrodes séparées et discrètes, on pourrait fabriquer les électrodes 28e et 28m sous la forme d'une seule électrode, et les électrodes 30e et 30m sous la forme d'une seule électrode. De plus, les électrodes de collecteur 28m et 30m ne sont pas obligatoires dans tous les cas. Bien que le champ électrique de collecteur E que génèrent les électrodes 28m et 30m con- m tribue effectivement à la conversion efficace du gaz actif en plasma actif, la suppression de ce champ ne nuit pas à la con- version globale du gaz actif en plasma actif par le champ électrique d'orifices d'entrée Ee seul. Le réacteur 12 comprend en outre un transformateur de tension radiofréquence 32, comme le montre la figure 4. Le transformateur 32 comprend un enroulement primaire 34 qui est connecté au générateur RF 26 et un enroulement secondaire 36 dont le milieu est relié à la masse. Un conducteur de l'enroulement secondaire 36 est connecté aux électrodes 28e et 28m, et l'autre conducteur est connecté de façon similaire aux électrodes 30e et 30m. L'avantage de l'utilisation d'un transformateur de tension RF pour appliquer l'énergie RF aux électrodes appa- rait le plus clairement par comparaison avec la technique de l'art antérieur. Comme le montre la figure 2A, un réacteur à plasma de l'art antérieur, 112, comprend une chambre en quartz 114 qui comporte un orifice de gaz d'entrée 116 et un orifice d'évacuation 118. Plusieurs tranches de semiconduc- teurs 120 sont placées à l'intérieur de la chambre 114. De plus, une paire d'électrodes 128 et 130 sont connectées res- pectivement à un générateur RF 126 et à la masse. La figure 2B montre le circuit équivalent du réacteur 112, dans lequel les parois en quartz de la chambre 114 sont représentées sous la forme de condensateurs et le plasma est représenté sous la forme d'une résistance. De plus, la région qui se trouve à l'intérieur du plasma et qui est adjacente aux pa- rois se comporte comme deux diodes dont le sens direct est dirigé vers l'intérieur du plasma. La tension RF appliquée à l'électrode 128 est de l'ordre de + 1000 volts. Du fait des propriétés inhérentes de la paroi en quartz, qui a les carac- téristiques d'un diélectrique, cette paroi absorbe approxima- tivement 450 volts. Ceci laisse approximativement 100 volts de part et d'autre du plasma, et la majeure partie de cette tension apparaît sur la diode polarisée en inverse. La ten- sion de crête entre le plasma et la masse est d'environ + 500 volts. Cette tension élevée entre le plasma et la masse produit des décharges ou des arcs entre le plasma et d'autres accessoires métalliques du réacteur qui sont reliés à la mas- se, comme les raccords allant vers la pompe. La formation ré- pétée d'arcs entre un accessoire et le plasma entraîne un échauffement excessif, une corrosion et une détérioration de cet accessoire. Ceci court-circuite une partie du circuit électrique et limite la puissance qu'on peut introduire dans le plasma. Au contraire, l'utilisation du transformateur de tension RF 32 élimine les inconvénients cités du réacteur 112 de l'art antérieur. Avec le transformateur 32, l'enroulement secondaire 36, qui comporte à la fois une prise médiane et une liaison à la masse, permet à la tension maximale sur les électrodes 28e, 28m ou 30e, 30m d'avoir une valeur de + 500 volts ou -500 volts. Avec une chute de tension de 450 volts de part et d'autre de la paroi en quartz, une tension de crê- te d'environ + 50 volts est appliquée au plasma par l'inter- médiaire de la diode polarisée en direct. La tension de part et d'autre du plasma effectue, deux fois par cycle, des excursions entre + 50 volts et la masse. Cette tension rela- tivement faible par rapport à la masse minimise la probabili- té d'amorçage d'arcs entre le plasma et des accessoires mé- talliques quelconques tels que le raccord 38, comme la figure 1 le montre le mieux. Dans les structures conçues le plus récemment, le réacteur 12 comprend également un guide d'écoulement du plas- ma, 40, qui est placé à l'intérieur de la chambre cylindrique 14. Le guide 40 se présente sous la forme d'un plateau plat, semblable à une planchette, qui comporte un ensemble d'ouver- tures 42 destinées à recevoir des tranches 20. On place tout d'abord les tranches 20 dans. un réceptacle de tranches clas- sique 44, qu'on appelle de façon générale une nacelle porte- tranches. Chaque nacelle porte-tranches 44 est capable de re- cevoir plusieurs tranches, comme la figure 5 le montre le mieux. Les tranches contenues dans la nacelle 44 sont suffi- samment espacées les unes par rapport aux autres pour que l'oxygène atomique puisse circuler entre elles et réagir avec la matière de réserve photographique qui se trouve sur les tranches. On place ensuite dans l'ouverture 42 la nacelle 44, qui est fabriquée à partir d'une matière inerte telle que du quartz. Le réacteur 12 comporte en outre un collecteur d'évacuation 50 qui est placé en position adjacente à la chambre 14. Le collecteur d'évacuation 50 est un tube, égale- ment en quartz, qui comporte un certain nombre d'orifices 52. Chacun de ces orifices est en communication avec l'un des orifices d'évacuation 18 de la chambre cylindrique. Dans le mode de réalisation préféré, le collecteur d'évacuation 52 comporte cinq orifices 52. Le collecteur d'évacuation 50 est capable d'évacuer de la chambre 14 tout plasma actif restant, ainsi que des sous-produits gazeux de la réaction entre le plasma et la matière de réserve photographique. Au cours de l'utilisation, on place tout d'abord dans les ouvertures 42 du plateau 40 des nacelles porte- tranches 44 contenant chacune plusieurs tranches 20. On fait ensuite dans la chambre 14 un vide modéré, d'environ 100 Pa. On fait le vide en employant une pompe classique, non repré- sentée, qui est reliée au conduit d'évacuation 50. On intro- duit dans la chambre 14 de l'oxygène diatomique, qui est le gaz actif, par le collecteur d'entrée de gaz 22. Une source d'oxygène diatomique, non représentée, est reliée au collec- teur d'entrée de gaz 22. On met ensuite en fonction le générateur RF, ce qui fait que les électrodes 28e, 28m, 30e et 30m génèrent des champs électriques à la fois dans le collecteur d'entrée de gaz 22 et dans la chambre 14. Les champs électriques produits, Ee et Em, décomposent l'oxygène diatomique en oxygène mono- atomique, qui constitue le plasma actif. Le champ électrique dans le collecteur 22 convertit en plasma une faible fraction du gaz actif avant que le gaz n'entre par les orifices 16 de la chambre 14. La partie restante du gaz actif est convertie en plasma par le champ électrique qui existe en position adjacente aux orifices d'entrée 16 de la chambre. La position du champ électrique d'orifices d'entrée E oblige tout le gaz e actif à traverser le champ, ce qui améliore la conversion du gaz en plasma. Le plasma actif traverse la chambre 14, en passant entre les tranches 20. Une fois que l'interaction entre le plasma actif et la matière de réserve photographique a eu 1l -- lieu, ce qui crée divers sous-produits, le plasma actif et les sous-produits traversent les ouvertures 42 du plateau avant de sortir de la chambre cylindrique par le collecteur d'évacuation 50. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Réacteur à plasma, caractérisé en ce qu'il com- prend: une chambre active (14), conçue de façon à recevoir au moins un article (20) et un volume de plasma qui est ca- pable d'interagir avec une matière de l'article (20); une paire d'électrodes (28e, 30e) placées autour de la chambre; un générateur radiofréquence (26); et un transformateur de tension radiofréquence (32), ce transformateur comprenant un enroulement primaire (34) qui est connecté au générateur (26) et un enroulement secondaire (36) dont le milieu est relié A la masse, cet enroulement secondaire (36) étant con- çu de façon à transformer l'énergie reçue de l'enroulement primaire en énergie d'excitation d'un plasma auniveau des électrodes (28e, 30e), grace à quoi la tension entre le plasma et des pièces quelconques reliées à la masse est fai- ble, ce qui minimise le risque de décharge d'arc entre le plasma et la masse. 2. Réacteur à plasma selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ladite matière de l'article (20) est une matière de réserve photographique. 3. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'article est une tranche de semiconducteur (20). 4. Réacteur à plasma selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que le plasma consiste en oxygène. 5. Réacteur à plasma selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ladite matière de l'article (20) est une couche mince de dioxyde de silicium, d'aluminium ou de sili- cium polycristallin sur laquelle on a formé un motif de ma- tière de réserve photographique et qui est prête pour une opération de gravure. 6. Réacteur à plasma cylindrique, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre active (14) ayant une forme générale cylindrique, cette chambre cylindrique comportant au moins un orifice d'entrée (16) et étant conçue de façon à recevoir au moins un article (20); cet orifice d'entrée étant prévu de façon à introduire un gaz actif dans la chambre (14); un générateur d'énergie électrique radiofréquence (26); une paire d'électrodes (28e, 30e) placées autour de la chambre cylindrique (14), ces électrodes étant conçues de façon à créer dans la chambre cylindrique (14) un champ électrique qui convertit le gaz actif en un plasma actif destiné à interagir avec une matière de l'article (20); un transformateur de ten- sion radiofréquence (32), ce transformateur comprenant un en- roulement primaire (34) qui est connecté au générateur (26) et un enroulement secondaire (36) dont le milieu est-relié à la masse, l'enroulement secondaire étant conçu de façon à transformer l'énergie reçue de l'enroulement primaire en énergie d'excitation de plasma au niveau des électrodes (28e, 30e), grâce à quoi la tension entre le plasma et la masse est faible, ce qui minimise le risque de décharge électrique entre le plasma et la masse. 7. Réacteur à plasma cylindrique selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que ladite matière de l'article (20) est une matière de réserve photographique. 8. Réacteur à plasma cylindrique selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce que l'article est une tranche de semiconducteur (20). 9. Réacteur à plasma cylindrique selon la revendi- cation 8, caractérisé en ce que le plasma actif consiste en oxygène. 10. Réacteur à plasma cylindrique selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que ladite matière de l'article (20) consiste en une couche mince de dioxyde de silicium, d'aluminium ou de silicium polycristallîn, revêtue d'un mo- tif de matière de réserve photographique et prête à subir une opération de gravure.