Brevet FR2705694A1 — publié le 19941202

" Procédé et dispositif pour une attaque anisotrope au plasma, de substrats, notamment des substrats de silicium " L'invention concerne un procédé d'attaque chiumique anisotrope au plasma sur des substrats notamment des substrats de silicium. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Les procédés d'attaque anisotrope au plasma notamment du silicium se caractérisent en ce que les structures à réaliser sont usinées dans le substrat et de manière pratiquement indépendante de l'orientation du cristal. Les domaines d'application préférentiels sont la micromécanique et la technique des capteurs lorsqu'il faut réaliser des structures ayant des rapports d'aspect15 importants (largeur de la structure par rapport à sa profondeur) ou des sillons étroits et des parois verticales; par exemple des structures oscillantes, des capteurs capacitifs ou résonants, des actionneurs électrostatiques etc, en outre, la micro-électronique comme par exemple les sillons de séparation pour l'isolation de composants ou la mise en contact de collecteur, ou encore de manière générale les cellules de mémoire. En créant des sillons étroits, on fait des économies considérables en surface de chip (plaquette). Les procédés RIE (RIE = " reactive ion etching ") utilisés usuellement pour l'attaque anisotrope 2 2705694 du silicium, au plasma, reposent sur des halogénures plus faiblement réactifs, le chlore ou le brome qui sont soit directement utilisés, soit libérés à partir de combinaisons (par exemple CF3Br, CC14, CF2C12, CF3C1) dans le plasma et sur des ions d'énergie relativement importante (ayant par exemple 100 eV et plus). Le bombardement ionique qui en résulte sur le fond attaqué, initialise la conversion des radicaux halogénés absorbants avec le silicium qu'il faut enlever alors que la réaction spontanée sur les parois latérales des structures attaquées, qui ne sont pas exposées à une action directe des ions, est faible pour ces halogénures faiblement réactifs. Les procédés utilisant du chlore ou du brome créent toutefois de nombreux problèmes tant sur le plan de la technique des installations que pour leur mise en oeuvre, car ces gaz sont en partie extrêmement corrosifs et même dangereux et cancérigènes. En outre, ils forment sur le fond attaqué, un "black silicon" et possèdent une faible sélectivité de masque, c'est-à-dire qu'ils attaquent à des vitesses de corrosion comparables à la fois la matière du masque et celle du substrat. De plus, ces produits FCKW ou FBrKW seront interdits prochainement. Les procédés reposant sur la chimie du fluor remédiant à ces inconvénients, permettent des vitesses d'attaque de silicium beaucoup plus importantes et sont beaucoup moins critiques sur le plan du procédé et de l'installation mais présentent un caractère d'attaque isotrope, propre. Cela signifie que la réaction d'attaque spontanée des radicaux de fluor sur le silicium est tellement grande que les parois latérales des structures concernées sont également fortement attaquées; il y a ainsi une forte attaque en contre-dépouille. Les essais pour créer dans un plasma RIE, non seulement les ions produisant l'attaque mais également des monomères formant des polymères, crées simultanément de manière contrôlée et 3 2705694 conservés suffisamment longtemps dans le plasma pour protéger contre l'attaque les parois latérales des structures attaquées par un revêtement de polymère, pendant que le fond est attaqué par les agents d'attaque renforcés par les ions, ont échoué à cause de la chimie du plasma difficilement contrôlable. La coexistence de radicaux de fluor et de monomères insaturés est pratiquement impossible à réaliser aux faibles densités d'excitation. En outre, les vitesses d'attaque obtenues sont très faibles et le problème de l'enlèvement excessif du masque par rapport à la vitesse-d'attaque du silicium est également non résolu. Avantages de l'invention - Le procédé selon l'invention repose sur la création d'une combinaison chimiquement appropriée du plasma, de préférence sur la seule base de la chimie du fluor avec une densité élevée en particules réactives et en ions faiblement énergétiques, par rayonnement énergétique intense. La suppression du chlore ou du brome se traduit par une économie importante en installations de sécurité, de nettoyage des gaz rejetés et de réduction de l'usure de l'installation. L'accélération seulement faible des ions dirigés vers le substrat permet une sélectivité importante du masque; cela signifie que la substance du masque (SiO2 ou même vernis photosensible) n'est pratiquement plus enlevée. On atteint des vitesses d'attaque élevées de Si de quelques microns/minute et une anisotropie pratiquement parfaite de l'attaque sans attaque par contre- dépouille du masque. Cela est rendu possible, car on a en même temps un gaz d'attaque chimique notamment un gaz fournissant du fluor tel que SF6, CF4 ou NF3 et un gaz de passivation qui fournit les monomères formant les polymères comme par exemple CHF3, C2F6 ou C2F4. Par une excitation intense du plasma notamment par un rayonnement à micro-ondes, on génère simultanément un grand nombre de radicaux libres de fluor et de monomères formant du téflon CF2 dans le plasma. L'intensité élevée de l'excitation permet une coexistence de ces liaisons totalement antagonistes dans le plasma pendant une durée suffisamment longue pour permettre de former une protection des parois latérales. Par une action exclusive des ions à très faible énergie sur le fond d'attaque, ce fond est maintenu libre de tout revêtement de polymères par les monomères CF2 et peut être attaqué chimiquement sans difficulté par les radicaux de fluor, alors que les parois latérales revêtues d'un film assimilable à du téflon (CF2)n sont ainsi protégées contre l'attaque chimique. Pour maintenir dégagé le fond pour l'attaque chimique, il suffit d'utiliser des énergies d'ions comprises entre 1 et 40 eV et de préférence entre 10 et 30 eV, ce qui maintient à un niveau très faible l'enlèvement de la matière du masque par exemple SiO2 ou une laque photosensible. Comme pour le masque, on peut utiliser une laque photosensible, on a des avantages de coût considérables pour la fabrication. L'utilisation de masques en laque photosensible est beaucoup moins coûteuse que les autres masques en matière dure et offre une plus grande souplesse au procédé. De nombreuses structures ne sont réalisables que sous de telles conditions limites, souples. L'essentiel pour la protection des parois latérales est assuré par un polymère de parois latérales et pour une sélectivité élevée en masque, il faut un bon couplage thermique du substrat attaqué chimiquement et de l'électrode du substrat pour éviter la surchauffe de la surface du substrat tournée vers le plasma, la température du substrat ne doit pas montée au-dessus de 100 C. Dans ce but, un élastomère évacuant la chaleur est disposé entre le substrat et la surface de l'électrode. L'enlèvement des masques en laque photosensible augmente progressivement et la stabilité chimique des polymères des parois latérales diminue lentement. Le couplage thermique entre le substrat 2705694 et l'électrode du substrat peut se faire par exemple par un courant de convection d'hélium, entre la face arrière du substrat et la surface supérieure de l'électrode ou par un élastomère interposé. L'écartement entre le substrat et l'électrode est usuellement de l'ordre de 0,1 mm. Le procédé selon l'invention peut se mettre en oeuvre avantageusement dans toutes les installations à plasma ayant au moins une électrode, une entrée de gaz et des moyens pour injecter de l'énergie. L'énergie peut être fournie sous la forme d'une tension alternative à haute fréquence dans un montage triode, dans un plasma à couplage inductif (ICP) ou d'une manière particulièrement avantageuse par injection de micro- ondes dans un montage ECR ou PIE, vers le plasma (ECR = resonance electrons- cyclotrons; PIE = attaque chimique par propagation d'ions). Les pièces peuvent être fabriquées pour que les structures attaquées chimiquement présentent un rapport d'aspect élevé, c'est-à-dire des sillons extrêmement profonds. Dessins - La présente invention sera décrite ci-après de manière schématique à l'aide de l'unique figure montrant une installation de plasma avec excitation par micro-ondes. Description - Une installation caractéristique comprend une enceinte 10 dont l'intérieur 12 est sous vide. Cette enceinte reçoit une électrode 14 plate qui est reliée à un générateur haute fréquence 18 par un passage sous vide 16. Sur l'électrode 14, on a un substrat 20 dont la surface 22 doit être travaillée. Au-dessus du substrat 20 se trouve une installation 24 comprenant un générateur de micro-ondes 26 relié par un guide d'ondes 28 à un résonateur 30. Le résonateur qui comporte un tiroir-adaptateur 32 permet de coupler des micro-ondes dans un émetteur surfatron 34 en 6 2705694 forme de calotte dirigé sur le substrat pour les envoyer sur la surface 22 du substrat. Un dispositif d'allumage non représenté permet d'allumer du plasma au-dessus de la surface 22 du substrat dans le surfatron 34. Le surfatron 34 comporte une entrée de gaz 36 reliée à une batterie de mélangeur 38 et à laquelle sont raccordés des récipients de gaz 39 contenant différents gaz 40. On peut ainsi mélanger des gaz 40 suivant des débits volumiques différents pour alimenter la chambre 12 de l'enceinte. Pour éviter des températures trop élevées dans le substrat, on peut prévoir un élastomère 42 entre le substrat 20 et l'électrode 14 qui améliore l'évacuation de la chaleur du substrat 20 vers l'électrode 14. En variante, l'électrode 14 peut comporter un support (non représenté) qui presse le substrat 20 à une distance déterminée égale par exemple à 0,1 mm par rapport à l'électrode contre un dispositif d'étanchéité. Un courant de convection d'hélium de refroidissement est envoyé dans l'intervalle par exemple à travers des perçages réalisés dans l'électrode 14. Le dispositif d'étanchéité assure l'étanchéité au vide par rapport au courant d'hélium. Le procédé selon l'invention convient en principe pour toutes les installations à plasma créant par une excitation haute fréquence ou par micro-ondes, intense, un plasma très dense (environ 1012 ions/cm3). Les ions de faible énergie créés par l'excitation à haute fréquence ou par micro-ondes sont accélérés par la puissance haute fréquence injectée dans l'électrode à substrat, à partir du30 plasma pour être accélérés jusqu'à l'énergie souhaitée vers le substrat. Cela permet de régler l'énergie des ions indépendamment de la densité du plasma. On peut également envisager d'autres procédés pour générer le plasma, par exemple un montage triode avec excitation par magnétron ou encore des plamas avec excitation par ECR ou ICP. 7 2705694 Comme paramètres de procédé appropriés pour la mise en oeuvre de l'installation, on utilise une pression de procédé comprise entre 1 et 100 pbars, un débit de SF6 compris entre 10 et 200 sccm (centimètre cube standard par5 minute) et un débit de CHF3 compris entre 50 et 300 sccm. Pour améliorer la stabilité du procédé, on peut également ajouter un débit d'argon compris entre 10 et 100 sccm. La rugosité du fond d'attaque chimique et des parois latérales est influencée favorablement par une faible adjonction de N2 de préférence comprise entre 10 et 100 sccm et/ou de 02 de préférence entre 1 et 10 sccm; les gaz sont avantageusement ajoutés dès le début. Dans le cas d'une excitation par micro-ondes, la puissance des micro-ondes injectées est comprise entre 300 et 1200 Watts. Avec une puissance à haute fréquence comprise entre 1 et 20 Watts sur l'électrode du substrat, on peut, suivant la pression utilisée pour le procédé, régler les tensions d'accélération des ions comprises entre 1 et 50 Volts. Les énergies des ions doivent être comprises entre 1 et 40 eV, de préférence entre 10 et 30 eV. Des énergies d'ions trop importantes, détériorent la sélectivité du masque et le masque à la surface 22 du substrat est alors fortement enlevé par attaque chimique. Les vitesses d'attaque chimique dans le silicium que l'on atteint de manière caractéristique se situent entre 1 et 5 gm par minute; la sélectivité vis-à- vis des masques de laque photosensible est comprise par exemple entre 30:2 et 100:1 Le procédé de l'invention permet de réaliser des profils d'attaque chimique verticaux et de sillons d'attaque qui vont en se rétrécissant légèrement en profondeur. Des profils de ce type sont des profils idéaux pour réaliser des nouveaux revêtements. Comme en outre les arêtes et rugosités d'attaque chimique sont très faibles, les structures réalisées avec ce procédé peuvent également s'utiliser pour les copies de forme, par 8 2705694 exemple comme des moules de base pour l'injection ou encore pour les procédés de moulage galvanoplastiques. 9 2705694 R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé d'attaque chimique anisotrope au plasma sur des substrats notamment des substrats de silicium, procédé selon lequel on enlève de la matière de la surface du substrat par des ions accélérés vers le substrat, on introduit dans l'enceinte de mise en oeuvre du procédé (12) un gaz d'attaque chimique (40) contenant un halogène ou une combinaison halogénée et un gaz de passivation (40) avec des monomères formant des polymères, et on excite par injection d'énergie (24) et on applique au substrat (20) ou à une électrode (16) recevant le substrat (20), une tension telle qu'à leur arrivée sur le substrat (20) les ions possèdent une énergie comprise entre 1 et 40 eV et de préférence entre 10 et 30 eV. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz d'attaque chimique (40) contient SF6, CF4 ou NF3. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz d'attaque chimique (40) est introduit à une vitesse d'écoulement comprise entre 10 et sccm (ccm/min normalisé). 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de passivation (40) contient CHF3, C2F4 ou C2F6 50) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz de passivation (40) est introduit à une vitesse d'écoulement comprise entre 50 et 300 sccm. 6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on irradie l'enceinte de procédé (12) avec des micro-ondes. 7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit dans l'enceinte de mise en oeuvre du procédé (12) de l'argon à une vitesse d'écoulement comprise entre 10 et 100 sccm. 2705694 8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'enceinte de procédé (12), on introduit N2 (40), à une vitesse d'écoulement comprise entre 10 et 100 sccm et/ou 02 (40) à une vitesse d'écoulement comprise entre 1 et 10 sccm. 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on refroidit le substrat (20) à des températures inférieures à 100 C. ) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une enceinte (10) créant une chambre de mise en oeuvre du procédé (12), ayant au moins une électrode, une entrée de gaz (36) et les moyens (24) pour injecter de l'énergie notamment de l'énergie sous forme de micro-ondes. 11 ) Composant électronique ou élément de capteur à structures réalisées par attaque chimique, ayant un rapport d'aspect élevé ou des sillons étroits et profonds, caractérisé en ce qu'il est réalisé selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 9.