EP1523754A2 - Chemisage chauffant pour reacteur de gravure plasma, et procede de gravure pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Chemisage chauffant pour reacteur de gravure plasma, et procede de gravure pour sa mise en oeuvre

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Publication number
EP1523754A2
EP1523754A2 EP03763950A EP03763950A EP1523754A2 EP 1523754 A2 EP1523754 A2 EP 1523754A2 EP 03763950 A EP03763950 A EP 03763950A EP 03763950 A EP03763950 A EP 03763950A EP 1523754 A2 EP1523754 A2 EP 1523754A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating jacket
etching
plasma
reactor according
reaction chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03763950A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Puech
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CollabRx Inc
Original Assignee
Alcatel SA
Nokia Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel SA, Nokia Inc filed Critical Alcatel SA
Publication of EP1523754A2 publication Critical patent/EP1523754A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32458—Vessel
    • H01J37/32522—Temperature

Definitions

  • the present invention relates to plasma etching reactors, and in particular reactors used for the implementation of micromachining or anisotropic etching processes of a silicon substrate by plasma according to the alternating process described in document US-A-5,501,893.
  • stages of etching a substrate are alternated by a plasma of fluorinated etching gas such as SF 6 , and steps of passivation of the surfaces using a plasma of pas.sivation CxFy gas such that C 4 F 8 for example.
  • the process steps are carried out under a low pressure atmosphere, allowing the establishment and maintenance of a plasma.
  • the substrate is isotropically attacked by the fluorine atoms.
  • the plasma passivation steps of CxFy passivation gas such as C 4 F 8 make it possible to deposit a polymer film on all the surfaces of the substrate exposed to the plasma. The vertical surfaces and the horizontal surfaces are thus covered.
  • the next plasma etching step of fluorinated gas etching and under the combined action of vertical ion bombardment obtained by the negative polarization of the substrate, the polymer film is sprayed and removed on the horizontal surfaces, and the vertical etching of the substrate can continue, while the polymer remaining on the vertical surfaces momentarily opposes the action of the plasma on said vertical surfaces.
  • the mechanism of etching of the substrate by the plasma of etching fluorinated gas is the following: one generates a plasma containing electrons, ions such as SF5 +, and fluorine atoms F.
  • the fluorine atoms arriving at the surface of the substrate react chemically, for example in the case of a silicon substrate, depending on the reaction:
  • reaction products such as SiF 4 and the non-dissociated SF 6 molecules as well as the SxFy radicals remain in gaseous form and are removed by pumping.
  • a plasma is generated containing electrons, ions and radicals of CF type. , CF 2 , ... etc. These radicals or monomers will bond to each other to form polymer chains [-CF-] n or [-CF 2 -] n. These polymers condense on all surfaces exposed to plasma and cover them with a polymer film. These surfaces are of course the surfaces of the silicon substrate being etched, but also all the internal surfaces of the reaction chamber.
  • the surfaces subjected to ion bombardment are freed from the polymer film. This is particularly the case for horizontal surfaces of the silicon substrate, which can then be etched by atoms of atomic fluorine F. It is also the case for all surfaces other than the substrate which are subjected to bombardment.
  • One problem with the alternate anisotropic etching methods according to US Pat. No. 5,501,893 is that the etching speed decreases progressively over time, in a substantially linear fashion, as illustrated in FIG. 1. Thus, starting at time 0 , with an etching speed of 10 microns per minute, the speed gradually decreases to reach 6 microns per minute after 12 hours of operation, in an example of operation of a given reactor and under plasma generation conditions kept constant.
  • the object of the invention is to avoid such a negative drift in the etching performance of an etching equipment anisotropic silicon by an alternating anisotropic etching process according to US-A-5,501,893.
  • the invention results from an in-depth analysis of the phenomena appearing during the passivation and etching stages according to the alternating process, and leads to explaining this negative drift by the following process: during the passivation stages, all the parts of the reaction gradually cover with a polymer film. This film is not removed during the etching steps when the surfaces of the reaction chamber are connected to a low potential, for example to the electrical ground. Due to the low potential, the corresponding receiving surfaces of the reaction chamber are not subjected to ion bombardment, and thus retain a polymer film similar to that covering the surfaces of the substrate to be etched. Over time, this film thickens.
  • Vp is of the order of ten volts, typically 15 to 25 volts relative to the mass. This energy is insufficient to remove the polymer film by spraying, but it is sufficient to heat the walls and therefore the polymer film at temperatures of the order of 40 to 60 ° C.
  • the etching speed of the silicon is optimal that is to say maximum.
  • the polymer film condensed on the receiving surfaces of the walls not subjected to intentional ion bombardment will grow and thicken.
  • Vp the flow of energy particles
  • this film liberates, by partial vaporization, molecules of the CxFy type. These molecules are found in the gas phase, adding to the molecules of C 4 F 8 intentionally introduced by mass flow meters.
  • the invention aims to achieve this temperature rise without excessive expenditure of energy, and without risk of injury to intervention personnel circulating around the reactors.
  • a plasma etching reactor comprising a reaction chamber surrounded by a sealed wall, containing substrate support means, and communicating with a plasma source, further comprises a heating jacket made of a metal or suitable alloy internally covering in leaktight manner all or part of the sealed reaction chamber wall, and an intermediate space thermal insulation provided between the heating jacket and the sealed reaction chamber wall.
  • the heating jacket has a temperature higher than that produced by plasma radiation alone, and the higher temperature of the heating jacket reduces the quantity of polymer molecules deposited on the jacket.
  • the heating jacket itself constitutes the receiving surface, and forms a screen preventing the deposition of the polymers on the sealed wall itself of the reaction chamber.
  • the heating jacket has a structure which avoids any contamination of the substrate to be etched and any drop in yield of the etching process.
  • the metal or suitable alloy is preferably chosen from metals or alloys which, on the one hand do not react with fluorinated etching and passivation gases to form volatile compounds, and on the other hand do not generate an emission of contaminating atoms under the effect of bombardment by the plasma.
  • alkali metals, chromium, and heavy metals such as iron, copper, zinc should be avoided. Good results can be obtained with a heating jacket made of aluminum or titanium, aluminum being preferred for its low cost and its ease of implementation.
  • the reactor according to the invention can also comprise:
  • etching rate control means for controlling one introduction of etching gas into the plasma source
  • the heating jacket is fixed to the sealed wall of the reaction chamber by a limited number of fixing points.
  • the intermediate space between the heating jacket and the sealed wall of the reaction chamber can advantageously communicate with the central space of the reaction chamber by an annular space of reduced thickness.
  • the small thickness prevents the penetration of the plasma into the intermediate space.
  • the attachment points preferably have a thermally insulating structure which prevents the transfer of thermal energy by conduction from the heating jacket to the sealed wall of the reaction chamber.
  • the heating means of the heating jacket can be of several types. According to a first embodiment, the heating jacket is thermally coupled to heating means such as electrical resistors connectable to an external source of electrical energy.
  • the electrical resistors may for example comprise electrical resistors in a thin layer, and / or electrical resistors of the thermoaxial type.
  • the heating jacket is thermally stressed by radiation heating means such as infrared elements.
  • the heating jacket is associated with thermal regulation means ensuring the regulation of its temperature within a range of suitable temperature values.
  • the heating jacket advantageously comprises heating means suitable for heating it to a temperature above 150 ° C.
  • An additional problem with plasma etching reactors results from the presence of a conductive grid, limiting the reaction chamber downstream of the substrate support means. The purpose of this grid is to limit the propagation of the plasma, and to confine it in the reaction chamber. The problem is that 'the gate tends to clog progressively, by accumulation of polymer particles.
  • the invention solves this problem by ensuring that the conductive grid is in thermal contact with the heating jacket. It appears that the resulting rise in temperature on the grid prevents it from fouling and keeps it in correct working condition for a long time.
  • an advantageous embodiment of such substrate support means comprises attraction electrodes substrate electrostatic. In known reactors, these electrodes cover themselves fairly quickly with polymer, and their efficiency decreases rapidly over time.
  • the invention greatly reduces this problem, since the electrostatic attraction electrodes of the substrate remain with sufficient cleanliness for correct operation of the electrodes for a long period of time, apparently because the electrodes are no longer charged with polymer.
  • a process for etching the substrate by plasma in a reactor as defined above comprising alternating steps for etching the substrate with a plasma of fluorinated etching gas and of steps of passivation of the surfaces by a plasma of CxFy passivation gas, and at least during the passivation steps, the heating jacket is heated to a temperature higher than the condensation temperature of the polymers generated by the passivation plasma.
  • the heating jacket is heated continuously during all the stages of the process.
  • a plasma etching reactor comprises a reaction chamber 1 surrounded by a sealed wall 2 containing substrate support means 3 and communicating with a plasma source 4 .
  • the sealed wall 2 of the reaction chamber 1 comprises for example a peripheral portion 2a which is connected to a front inlet portion 2b which is itself open to communicate with an inlet tube 6 constituting the plasma source 4.
  • the portion peripheral 2a and the front input portion 2b are metal portions, advantageously connected to the ground potential.
  • the inlet tube 6 is made of dielectric material, and is surrounded by a coupling electrode 7 supplied with alternating electric current at radio frequency by a radiofrequency generator 8.
  • a source of etching gas 9a and etching flow control means 9b such as a solenoid valve make it possible to control the introduction of etching gas at the end of the inlet tube 6, into the plasma source 4.
  • a source of passivation gas 9c and means for controlling passivation flow rate 9d such as a solenoid valve make it possible to control the introduction of passivation gas at the end of the inlet tube 6, into the source of plasma 4.
  • a control device 9e alternately controls the etching flow control means 9b and the passivation flow control means 9c.
  • the coupling electrode 7 excites the gases in the inlet tube 6 to produce a plasma which then moves towards the interior of the reaction chamber 1 in the direction of the substrate support means 3.
  • the substrate support means 3 are polarized by a radiofrequency generator 11 to which they are connected by a polarization line 10.
  • the reaction chamber 1 is connected by a pumping line 12 to pumping means 13 making it possible to establish and maintain in the reaction chamber 1 a low and controlled gas pressure, compatible with the production of a plasma.
  • reaction chamber 1 Downstream of the substrate support means 3, the reaction chamber 1 is limited by a conductive grid 5 also connected to the potential of the mass, and the mesh of which is in relation to the ion density of the plasma.
  • the reactor of Figure 2 further comprises a heating jacket 14 internally covering all the portions of the sealed wall 2 which are at ground potential and which are in contact with the plasma.
  • the heating jacket 14 comprises a peripheral wall 14a which covers the peripheral portion 2a, and comprises an upper wall 14b which covers the front inlet portion 2b.
  • the heating jacket 14 is a wall made of a suitable metal, itself connected to the ground potential, and associated with heating means such as electrical resistors 17 or others. Thermal insulation means are interposed between the heating jacket 14 and the sealed wall 2 of the reaction chamber 1.
  • the thermal insulation means consist of an intermediate space 15, of suitable thickness, for example of the order of approximately 0.5 to 1 mm, between the heating jacket 14 and the sealed wall 2 of the reaction chamber 1.
  • the intermediate space 15 contains an atmosphere at very low pressure, and therefore having good thermal insulation properties.
  • the heating jacket 14 is fixed to the sealed wall 2 of the reaction chamber 1 by a limited number of fixing points, for example the three fixing points 16a, 16b and 16c illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the fixing points 16a, 16b and 16c have a thermally insulating structure, which further prevents the transfer of thermal energy by conduction from the heating jacket 14 to the sealed wall 2 of the reaction chamber 1.
  • the heating jacket 14 is suspended from the sealed wall 2 of the reaction chamber 1 by fixing points
  • 16a, 16b and 16c each consisting of a protuberance with a head, projecting below the watertight wall 2, and engaged in a respective slot 26a, 26b and 26c of the upper wall 14b of the heating jacket 14.
  • the slots 26a, 26b and 26c are of the buttonhole type with a large portion of head passage and a narrow portion of head retention, as illustrated in FIG. 3.
  • the internal surface 14d of the heating jacket 14 is structured so as to present a slight radiation emission factor. In this way, we limit
  • the electrical resistors 17 or other means for heating the heating jacket 14 are supplied by a line 21 controlled by thermal regulation means comprising a control device 19 which receives by a line 20 temperature information from the heating jacket 14 taken by a temperature sensor 18.
  • the control device is designed so as to regulate the temperature of the heating jacket 14 and to maintain it within a range of suitable temperature values making it possible to avoid the deposition of polymer molecules [-CF- ] n or [-CF 2 -] n on the heating jacket 14.
  • the temperature of the heating jacket 14 can be chosen as a function of the type of gas CxFy used, and therefore as a function of the type of polymer deposited during the passivation steps.
  • the heating means 17 are adapted to heat the heating jacket 14 to a temperature above 150 ° C., sufficient to avoid condensation of the polymers generated during the passivation steps.
  • the conductive grid 5 is in thermal contact with the heating jacket 14 in a peripheral contact zone 22.
  • the heating of the conductive grid 5 prevents its progressive fouling and considerably prolongs its duration of use.
  • the heating of the conductive grid 5 by specific heating means constitutes in itself an independent invention capable of being applied to reactors without the heating jacket 14.
  • FIG. 2 A schematic illustration has been shown in FIG. 2 of specific means for holding a substrate 23 on the substrate support means 3: these particular means are electrostatic electrodes 3a for attracting the substrate, which attract the substrate 23 by electrostatic attraction. In this case, it is necessary to maintain satisfactory cleanliness of the electrostatic electrodes 3a, failing which the substrate 23 is not correctly held on the substrate support means 3.
  • the pumping means 12 and 13 maintain an appropriate low gas pressure inside the reaction chamber 1.
  • Appropriate etching or passivation gases are introduced by the gas generation means 9.
  • the supply of the coupling electrode 7 by the RF generator 8 generates a plasma 24 in the inlet tube 6, and the plasma 24 propagates in the reaction chamber 1 in the direction of the substrate 23 thanks to the polarization of the substrate 23 by the radio frequency generator 11.
  • the electrical resistors 17 supplied by the line 21 and the control device 19 maintain the heating jacket 14 at a appropriate temperature avoiding any deposition of passivation polymer, and simultaneously protecting the sealed wall 2 of the reaction chamber 1.
  • etching the substrate 23 by a gas plasma 24 comprises alternating stages of etching the substrate 23 by a gas plasma 24. fluorinated etching and passivation steps of surfaces by a plasma 24 of CxFy passivation gas. During this process, the heating jacket 14 is heated to a temperature higher than the condensation temperature of the passivation polymer generated by the plasma, at least during the passivation steps.
  • the heating jacket 14 can be heated continuously during all the stages of the process.
  • the thermal insulation means 15 interposed between the heating jacket 14 and the sealed wall 2 of the reaction chamber 1 the electric power necessary to maintain the heating jacket 14 at the desired temperature is limited, and unnecessary heating is avoided.
  • the external temperature of the sealed wall 2 remains compatible with security requirements, that is to say that this temperature is bearable and the intervention personnel during of use can touch the wall without risk of burns.

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Abstract

Dans un réacteur selon l'invention, la chambre de réaction (1) est limitée par une paroi étanche (2) protégée par une chemise chauffante (14) . La chemise chauffante (14) est portée à une température supérieure à la température de condensation des polymères générée pendant les étapes de passivation d'un procédé alterné de gravure par plasma, de sorte que l'on évite le dépôt de polymère sur la paroi étanche (2) de la chambre de réaction (1) et sur la chemise chauffante (14) elle-même. Il en résulte un maintien constant de la vitesse de gravure.

Description

CHEMISAGE CHAUFFANT POUR REACTEUR DE GRAVURE PLASMA, ET PROCEDE DE GRAVURE POUR SA MISE EN ŒUVRE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne les réacteurs de qravure plasma, et en particulier les réacteurs utilisés pour la mise en œuvre de procédés de micro-usinage ou de gravure anisotrope d'un substrat en silicium par plasma suivant le procédé alterné décrit dans le document US-A-5,501,893. Durant un tel procédé alterné, on alterne des étapes de gravure d'un substrat par un plasma de gaz fluoré de gravure tel que le SF6, et des étapes de passivation des surfaces grâce à un plasma de gaz de pas.sivation CxFy tel que le C4F8 par exemple .
Les étapes du procédé sont réalisées sous une atmosphère à faible pression, permettant l'établissement et le maintien d'un plasma .
Pendant 1 ' étape de gravure par plasma de gaz fluoré de gravure, le substrat est attaqué de manière isotrope par les atomes de fluor. Les étapes de passivation par plasma de gaz de passivation CxFy tel que le C4F8 permettent de déposer un film de polymère sur toutes les surfaces du substrat exposées au plasma. Les surfaces verticales et les surfaces horizontales sont ainsi recouvertes. Au cours de l'étape suivante de gravure par plasma de gaz fluoré de gravure, et sous l'action conjuguée du bombardement ionique vertical obtenu par la polarisation négative du substrat, le film de polymère est pulvérisé et enlevé sur les surfaces horizontales, et la gravure verticale du substrat peut se poursuivre, alors .que le polymère restant sur les surfaces verticales s'oppose momentanément à l'action du plasma sur lesdites surfaces verticales. En répétant ainsi les étapes de gravure avec un plasma de gaz fluoré de gravure et les étapes de passivation avec un plasma de gaz de passivation CxFy, on obtient une gravure anisotrope du substrat.
Le mécanisme de gravure du substrat par le plasma de gaz fluoré de gravure est le suivant : on génère un plasma contenant des électrons, des ions tels que SF5+, et des atomes de fluor F. Les atomes de fluor arrivant à la surface du substrat réagissent chimiquement, par exemple dans le cas d'un substrat en silicium, selon la réaction :
Si(s) + 4F(g) → SiF4(g) .
Les produits de réaction tels que SiF4 et les molécules de SF6 non dissociées ainsi que les radicaux SxFy restent sous forme gazeuse et sont évacués par le pompage.
Pendant l'étape de passivation des surfaces au moyen d'un plasma de gaz de passivation C4F8, par exemple des surfaces d'un substrat en silicium, on génère un plasma contenant des électrons, des ions et des radicaux de type CF, CF2, ... etc. Ces radicaux ou monomères vont se lier les uns aux autres pour former des chaînes de polymère [-CF-]n ou [-CF2-]n. Ces polymères se condensent sur toutes les surfaces exposées au plasma et les recouvrent d'un film de polymère . Ces surfaces sont bien sûr les surfaces du substrat de silicium en cours de gravure, mais également toutes les surfaces internes de la chambre de réaction.
Au cours de l'étape suivante de gravure par plasma de gaz fluoré de gravure, les surfaces soumises au bombardement ionique, sous l'effet de la polarisation négative, sont débarrassées du film de polymère. Ceci est notamment le cas pour les surfaces horizontales du substrat de silicium, qui pourront ensuite être gravées par les atomes de fluor atomique F. C'est aussi le cas pour toutes les surfaces' autres que le substrat qui sont soumises au bombardement . Un problème des procédés alternés de gravure anisotrope selon le brevet US-A-5,501, 893 est que la vitesse de gravure décroît progressivement dans le temps, de façon sensiblement linéaire, comme illustré sur la figure 1. Ainsi, partant à l'instant 0, d'une vitesse de gravure de 10 microns par minute, la vitesse diminue progressivement pour atteindre 6 microns par minute après 12 heures de fonctionnement, dans un exemple de fonctionnement d'un réacteur donné et dans des conditions de génération de plasma maintenues constantes .
EXPOSE DE L'INVENTION Le but de l'invention est d'éviter une telle dérive négative des performances de gravure d'un équipement de gravure anisotrope de silicium par un procédé alterné de gravure anisotrope selon le brevet US-A-5,501,893.
L'invention résulte de l'analyse approfondie des phénomènes apparaissant lors des étapes de passivation et de gravure selon le procédé alterné, et conduit à expliquer cette dérive négative par le processus suivant : pendant les étapes de passivation, toutes les parties de la chambre de réaction se recouvrent progressivement d'un film de polymère. Ce film n'est pas enlevé au cours des étapes de gravure lorsque les surfaces de la chambre de réaction sont reliées à un potentiel faible, par exemple à la masse électrique. Du fait du faible potentiel, les surfaces réceptrices correspondantes de la chambre de réaction ne sont pas soumises au bombardement ionique, et conservent ainsi un film de polymère similaire à celui recouvrant les surfaces du substrat à graver. Au cours du temps, ce film s'épaissit.
Bien que non soumis au bombardement ionique, le film de polymère déposé sur les surfaces réceptrices reliées au potentiel de masse est soumis à un léger flux d'ions et d'électrons d'énergie égal à E = Vp - 0 dans laquelle Vp représente le potentiel plasma positif.
En général, Vp est de l'ordre de la dizaine de volts, typiquement de 15 à 25 volts par rapport à la masse. Cette énergie est insuffisante pour éliminer par pulvérisation le film de polymère, mais elle est suffisante pour échauffer les parois et donc le film de polymère à des températures de l'ordre de 40 à 60°C.
Dans un premier temps, lorsque le réacteur est froid et propre, c'est-à-dire exempt de dépôt de polymère de type [-CF-]n ou [-CF2-]n, la vitesse de gravure du silicium est optimale c'est-à- dire maximale. Ensuite, au fur et à mesure de la gravure du substrat, le film de polymère condensé sur les surfaces réceptrices des parois non soumises au bombardement ionique intentionnel va croître et s'épaissir. En même temps, il va s'échauffer sous l'effet du flux de particules d'énergie Vp. En s 'échauffant, ce film libère par vaporisation partielle des molécules de type CxFy. Ces molécules se retrouvent dans la phase gazeuse, s ' additionnant aux molécules de C4F8 intentionnellement introduites par les débitmètres de masse. Ces molécules se déposent ensuite sur les surfaces du substrat, entraînant une augmentation incontrôlée de la passivation des surfaces horizontales de silicium au cours des étapes de passivation. Au cours de l'étape de gravure qui suit, la passivation en excès augmente la durée nécessaire pour détruire le polymère et commencer le processus de gravure des surfaces horizontales. Il en résulte une diminution de la vitesse globale de gravure . L'idée qui est à la base de l'invention est d'empêcher dès l'origine, lors d'un procédé alterné de gravure, la formation des dépôts de film de polymère condensés sur les surfaces réceptrices des parois de chambre de réaction non soumises au bombardement ionique, en portant les surfaces réceptrices à une température suffisante pour assurer la volatilisation de tout dépôt éventuel de polymère .
Simultanément, l'invention vise à réaliser cette élévation de température sans dépense excessive d'énergie, et sans risque de blessure du personnel d'intervention circulant autour des réacteurs .
On a déjà proposé, dans le document US 5,788,799, de réduire la formatio'n de dépôts sur les parois d'un réacteur de dépôt en prévoyant une chemise chauffante en céramique interposée entre le plasma et certaines parties de paroi du réacteur. Les seuls procédés décrits sont des procédés de dépôt, et les céramiques choisies comprennent des oxydes, nitrures ou carbures de bore, d'aluminium, de silicium, de titane, de zirconium, de chrome.
Les solutions décrites ne seraient pas adaptées à un réacteur de gravure, pour diverses raisons et notamment : contamination du substrat à graver, baisse de rendement de gravure.
Pour cela, un réacteur de gravure plasma selon l'invention, comprenant une chambre de réaction entourée d'une paroi étanche, contenant des moyens supports de substrat, et communiquant avec une source de plasma, comprend en outre une chemise chauffante en un métal ou alliage adapté recouvrant intérieurement de façon non étanche tout ou partie de la paroi étanche de chambré de réaction, et un espace intermédiaire d'isolation thermique prévu entre la chemise chauffante et la paroi étanche de chambre de réaction.
De la sorte, la chemise chauffante présente une température supérieure à celle produite par le seul rayonnement du plasma, et la température plus élevée de la chemise chauffante réduit la quantité de molécules de polymère déposée sur la chemise. Simultanément, la chemise chauffante constitue elle-même la surface réceptrice, et forme un écran empêchant le dépôt des polymères sur la paroi étanche elle-même de chambre de réaction. Et la chemise chauffante présente une structure qui évite toute contamination du substrat à graver et toute baisse de rendement du procédé de gravure .
Pour être compatible avec un procédé alterné de gravure, pouvant être utilisé notamment dans l'industrie microélectronique, pour graver des substrats semiconducteurs, le métal ou alliage adapté est de préférence choisi parmi les métaux ou alliages qui, d'une part ne réagissent pas avec les gaz fluorés de gravure et de passivation pour former des composés volatiles, et d'autre part ne génèrent pas une émission d'atomes contaminants sous l'effet du bombardement par le plasma. On évitera en particulier les métaux alcalins, le chrome, et les métaux lourds tels que le fer, le cuivre, le zinc. De bons résultats pourront être obtenus avec une chemise chauffante en aluminium ou en titane, l'aluminium étant préféré pour son faible coût et sa facilité de mise en œuvre. Dans le cas d'un procédé alterné de gravure, le réacteur selon 1 ' invention peut comprendre en outre :
- des moyens de polarisation des moyens supports de substrat, pour contrôler le bombardement de particules provenant du plasma,
- une source de gaz "de gravure, et des moyens de commande de débit de gravure pour piloter 1 ' introduction de gaz de gravure dans la source de plasma,
- une source de gaz de passivation, et des moyens de commande de débit de passivation pour piloter l'introduction de gaz de passivation dans la source de plasma, - un dispositif de commande, adapté pour piloter de façon alternée les moyens de commande de débit de gravure et les moyens de commande de débit de passivation. Selon un mode de réalisation avantageux, la chemise chauffante est fixée à la paroi étanche de la chambre de réaction par un nombre limité de points de fixation.
L'espace intermédiaire entre la chemise chauffante et la paroi étanche de la chambre de réaction peut avantageusement communiquer avec l'espace central de la chambre de réaction par un espace annulaire d'épaisseur réduite. La faible épaisseur évite la pénétration du plasma dans l'espace intermédiaire.
Les points de fixation ont de préférence une structure thermiquement isolante qui s'oppose au transfert d'énergie thermique par conduction depuis la chemise chauffante vers la paroi étanche de la chambre de réaction.
Les moyens chauffants de la chemise chauffante peuvent être de plusieurs types. Selon un premier mode de réalisation, la chemise chauffante est couplée thermiquement à des moyens d'échauffement tels que des résistances électriques connectables à une source extérieure d'énergie électrique.
Les résistances électriques peuvent par exemple comprendre des résistances électriques en couche mince, et/ou des résistances électriques de type thermoaxial.
En alternative, la chemise chauffante est sollicitée thermiquement par des moyens d'échauffement par rayonnement tels que des éléments infrarouges .
De préférence, la chemise chauffante est associée à des moyens de régulation thermique assurant la régulation de sa température dans une plage de valeurs de température appropriée.
En pratique, la chemise chauffante comprend avantageusement des moyens d'échauffement adaptés pour l'échauffer à une température supérieure à 150°C. Un problème supplémentaire des réacteurs de gravure par plasma résulte de la présence d'une grille conductrice, limitant la chambre de réaction en aval des moyens supports de substrat. Cette grille a pour but de limiter la propagation du plasma, et de le confiner dans la chambre de réaction. Le problème est que ' cette grille tend à se boucher progressivement, par accumulation de particules de polymère. L'invention résout ce problème en faisant en sorte que la grille conductrice soit en contact thermique avec la chemise chauffante. Il apparaît que l'élévation de température qui en résulte sur la grille évite son encrassement et la maintient en état de fonctionnement correct pendant une longue durée.
En outre, la présence de la chemise chauffante dans la chambre de réaction produit un effet avantageux sur les moyens de maintien d'un substrat sur le support de substrat : un mode de réalisation avantageux de tels moyens supports de substrat comprend des électrodes d'attraction électrostatique de substrat. Dans les réacteurs connus, ces électrodes se recouvrent assez rapidement de polymère, et leur efficacité décroît rapidement dans le temps.
L'invention réduit très fortement ce problème, car les électrodes d'attraction électrostatique de substrat restent avec une propreté suffisante pour un fonctionnement correct des électrodes pendant une longue durée, apparemment parce que les électrodes ne se chargent plus de polymère.
Selon un autre aspect de l'invention, on prévoit un procédé de gravure de substrat par plasma dans un réacteur tel que défini ci-dessus, le procédé comprenant une alternance d'étapes de gravure du substrat par un plasma de gaz de gravure fluoré et d'étapes de passivation des surfaces par un plasma de gaz de passivation CxFy, et au moins pendant les étapes de passivation, on échauffe la chemise chauffante à une température supérieure à la température de condensation des polymères générés par le plasma de passivation.
Selon un mode de réalisation avantageux, on échauffe la chemise chauffante en continu pendant toutes les étapes du procédé.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre l'évolution négative de la vitesse de gravure dans les réacteurs connus ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un réacteur selon un mode de réalisation de la présente invention ; et - la figure 3 est une vue de dessous illustrant la surface inférieure de la paroi supérieure de la chemise chauffante. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, un réacteur de gravure plasma comprend une chambre de réaction 1 entourée d'une paroi étanche 2 contenant des moyens supports de substrat 3 et communiquant avec une source de plasma 4.
La paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1 comprend par exemple une portion périphérique 2a qui se raccorde à une portion frontale d'entrée 2b elle-même ouverte pour communiquer avec un tube d'entrée 6 constituant la source de plasma 4. La portion périphérique 2a et la portion frontale d'entrée 2b sont des portions métalliques, avantageusement connectées au potentiel de la masse. Le tube d'entrée 6 est en matériau diélectrique, et est entouré d'une électrode de couplage 7 alimentée en courant électrique alternatif à fréquence radio par un générateur radiofréquence 8.
Une source de gaz de gravure 9a et des moyens de commande de débit de gravure 9b tels qu'une électrovanne permettent de piloter l'introduction de gaz de gravure à l'extrémité du tube d'entrée 6, dans la source de plasma 4. De même, une source de gaz de passivation 9c et des moyens de commande de débit de passivation 9d tels qu'une électrovanne permettent de piloter l'introduction de gaz de passivation à l'extrémité du tube d'entrée 6, dans la source de plasma 4. Un dispositif de commande 9e pilote de façon alternée les moyens de commande de débit de gravure 9b et les moyens de commande de débit de passivation 9c.
L'électrode de couplage 7 excite les gaz dans le tube d'entrée 6 pour produire un plasma qui se déplace ensuite vers l'intérieur de la chambre de réaction 1 en direction des moyens supports de substrat 3.
Pour contrôler le bombardement de particules provenant du plasma, les moyens supports de substrat 3 sont polarisés par un générateur radiofréquence 11 auquel ils sont connectés par une ligne de polarisation 10.
La chambre de réaction 1 est raccordée par une ligne de pompage 12 à moyen de pompage 13 permettant d'établir et de maintenir dans la chambre de réaction 1 une pression gazeuse faible et contrôlée, compatible avec la production d'un plasma.
En aval des moyens supports de substrat 3, la chambre de réaction 1 est limitée par une grille 5 conductrice également connectée au potentiel de la masse, et dont la maille est en rapport avec la densité ionique du plasma.
Le réacteur de la figure 2 comprend en outre une chemise chauffante 14 recouvrant intérieurement toutes les portions de la paroi étanche 2 qui sont au potentiel de la masse et qui sont au contact du plasma. Ainsi, la chemise chauffante 14 comprend une paroi périphérique 14a qui recouvre la portion périphérique 2a, et comprend une paroi supérieure 14b qui recouvre la portion frontale d'entrée 2b. La chemise chauffante 14 est une paroi en un métal adapté, elle-même connectée au potentiel de la masse, et associée à des moyens d'échauffement tels que des résistances électriques 17 ou autres. Des moyens d'isolation thermique sont interposés entre la chemise chauffante 14 et la paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1.
Dans la réalisation illustrée, les moyens d'isolation thermique sont constitués d'un espace intermédiaire 15, d'épaisseur appropriée, par exemple de l'ordre de 0,5 à 1 mm environ, entre la chemise chauffante 14 et la paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1. Placé à l'intérieur de la chambre de réaction 1, et communiquant avec l'espace intérieur de la chambre de réaction par un espace annulaire 14c d'épaisseur réduite, par exemple de même épaisseur que l'espace intermédiaire 15, l'espace intermédiaire 15 contient une atmosphère à très faible pression, et présentant donc de bonnes propriétés d'isolation thermique. Simultanément, la chemise chauffante 14 est fixée à la paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1 par un nombre limité de points de fixation, par exemple les trois points de fixation 16a, 16b et 16c illustrés sur les figures 2 et 3.
Les points de fixation 16a, 16b et 16c ont une structure thermiquement isolante, qui s'oppose encore au transfert d'énergie thermique par conduction depuis la chemise chauffante 14 vers la paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1. Dans la réalisation simple et efficace illustrée sur les figures 2 et 3, la chemise chauffante 14 est suspendue à la paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1 par des points de fixation
16a, 16b et 16c constitués chacun d'une excroissance à tête, dépassant en sous face de la paroi étanche 2, et engagée dans une lumière respective 26a, 26b et 26c de la paroi supérieure 14b de la chemise chauffante 14. Les lumières 26a, 26b et 26c sont de type boutonnière à portion large de passage de tête et à portion étroite de retenue de tête, comme illustré sur la figure 3. De préférence, la surface interne 14d de la chemise chauffante 14 est structurée de façon à présenter un faible coefficient d'émission de rayonnement. De la sorte, on limite
1 'échauffement d'un substrat 23 placé sur les moyens supports de substrat 3, et on évite ainsi de perturber les étapes de gravure et de passivation.
Les résistances électriques 17 ou autres moyens d'échauffement de la chemise chauffante 14 sont alimentées par une ligne 21 pilotée par des moyens de régulation thermique comprenant un dispositif de commande 19 qui reçoit par une ligne 20 des informations de température de la chemise chauffante 14 prélevées par un capteur de température 18. Le dispositif de commande est conçu de façon à réguler la température de la chemise chauffante 14 et à la maintenir dans une plage de valeurs de température appropriée permettant d'éviter le dépôt de molécules de polymère [-CF-]n ou [-CF2-]n sur la chemise chauffante 14.
On peut choisir la température de la chemise chauffante 14 en fonction du type de gaz CxFy utilisé, et donc en fonction du type de polymère déposé pendant les étapes de passivation.
En pratique, les moyens d'échauffement 17 sont adaptés pour échauffer la chemise chauffante 14 à une température supérieure à 150°C, suffisante pour éviter la condensation des polymères générés lors des étapes de passivation.
De préférence, la grille 5 conductrice est en contact thermique avec la chemise chauffante 14 dans une zone périphérique de contact 22. De la sorte, l'échauffement de la grille 5 conductrice évite son encrassement progressif et prolonge considérablement sa durée d'utilisation. L'échauffement de la grille 5 conductrice par des moyens chauffants spécifiques constitue en lui-même une invention indépendante susceptible d'être appliquée à des réacteurs dépourvus de la chemise chauffante 14.
On a illustré schématique ent sur la figure 2 des moyens particuliers de tenue d'un substrat 23 sur les moyens supports de substrat 3 : ces moyens particuliers sont des électrodes électrostatiques 3a d'attraction de substrat, qui attirent le substrat 23 par attraction électrostatique. Il est nécessaire, dans ce cas, de maintenir une propreté satisfaisante des électrodes électrostatiques 3a, à défaut de quoi le substrat 23 n'est pas correctement tenu sur les moyens supports de substrat 3.
L'adaptation de la chemise chauffante 14 et des moyens permettant de la chauffer de façon satisfaisante réduit considérablement l'encrassement des électrodes électrostatiques 3a, et permet d'augmenter également la durée de fonctionnement correct des électrodes pour un maintien satisfaisant du substrat 23.
Lors du fonctionnement, les moyens de pompage 12 et 13 maintiennent à l'intérieur de la chambre de réaction 1 une pression gazeuse faible appropriée. On introduit des gaz appropriés de gravure ou de passivation par les moyens de génération de gaz 9. L'alimentation de l'électrode de couplage 7 par le générateur RF 8 génère un plasma 24 dans le tube d'entrée 6, et le plasma 24 se propage dans la chambre de réaction 1 en direction du substrat 23 grâce à la polarisation du substrat 23 par le générateur radiofréquence 11. Simultanément, les résistances électriques 17 alimentées par la ligne 21 et le dispositif de commande 19 maintiennent la chemise chauffante 14 à une température appropriée évitant tout dépôt de polymère de passivation, et protégeant simultanément la paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1. De la sorte, en fin d'étape de passivation, les molécules de monomère sont rapidement évacuées par les moyens de pompage 12 et 13, et l'introduction des gaz de gravure dans le tube d'entrée 6 provoque rapidement un effet de gravure sur le substrat 23, sans apparition de réduction progressive de vitesse de gravure. Ainsi, un procédé de gravure de substrat 23 par un plasma
24 dans un réacteur selon la structure décrite précédemment comprend une alternance d'étapes de gravure du substrat 23 par un plasma 24 de gaz de. gravure fluoré et d'étapes de passivation des surfaces par un plasma 24 de gaz de passivation CxFy. Pendant ce procédé, on échauffe la chemise chauffante 14 à une température supérieure à la température de condensation du polymère de passivation généré par le plasma, au moins pendant les étapes de passivation.
Pour simplifier, on peut échauffer la chemise chauffante 14 en continu pendant toutes les étapes du procédé.
Grâce aux moyens d'isolation thermique 15 interposés entre la chemise chauffante 14 et la paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1, on limite la puissance électrique nécessaire pour maintenir la chemise chauffante 14 à la température désirée, et on évite de chauffer inutilement la paroi étanche 2 de la chambre de réaction 1. Il en résulte que la température externe de la paroi étanche 2 reste compatible avec les exigences de sécurité, c'est-à- dire que cette température est supportable et le personnel d'intervention au cours de l'utilisation peut toucher la paroi sans risque de brûlure.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Réacteur de gravure plasma, comprenant une chambre de réaction (1) entourée d'une paroi étanche (2), contenant des moyens supports de substrat (3) , et communiquant avec une source de plasma (4), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une chemise chauffante (14) en un métal ou alliage adapté recouvrant intérieurement de façon non étanche tout ou partie de la paroi étanche (2) de la chambre de réaction (1) , et un espace intermédiaire d'isolation thermique (15) prévu entre la chemise chauffante (14) et la paroi étanche (2) de la chambre de réaction
(1) .
2 - Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal ou alliage adapté est choisi parmi les métaux ou alliages qui d'une part ne réagissent pas avec les gaz fluorés de gravure et de passivation pour former des composés volatiles, et d'autre part ne génèrent pas une émission d'atomes contaminants sous l'effet du bombardement par le plasma.
3 - Réacteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le métal adapté est l'aluminium ou le titane. 4 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- des moyens de polarisation (10, 11) des moyens supports de substrat (3) , pour contrôler le bombardement de particules provenant du plasma, - une source de gaz de gravure (9a) , et des moyens de commande de débit de gravure (9b) pour piloter l'introduction de gaz de gravure dans la source de plasma (4) ,
- une source de gaz de passivation (9c) , et des moyens de commande de débit de passivation (9d) pour piloter l'introduction de gaz de passivation dans la source de plasma (4) ,
- un dispositif de commande (9e) , adapté pour piloter de façon alternée les moyens de commande de débit de gravure (9b) et les moyens de commande de débit de passivation (9d) .
5 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chemise chauffante (14) est fixée à la paroi étanche (2) de la chambre de réaction (1) par un nombre limité de points de fixation (16a, 16b) . 6 - Réacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'espace intermédiaire entre la chemise chauffante (14) et la paroi étanche (2) de la chambre de réaction (1) communique avec l'espace central de la chambre de réaction (1) par un espace annulaire (14c) d'épaisseur réduite.
7 - Réacteur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les points de fixation (16a, 16b) ont une structure thermiquement isolante qui s'oppose au transfert d'énergie thermique par conduction depuis la chemise chauffante (14) vers la paroi étanche (2) de la chambre de réaction (1) .
8 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 5 à
7, caractérisé en ce que la chemise chauffante (14) est suspendue à la paroi étanche (2) de la chambre de réaction (1) par trois excroissances à tête, dépassant en sous face de la paroi étanche (2) , et engagées dans des lumières de type boutonnière à portion large de passage de tête et portion étroite de retenue de tête.
9 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à
8, caractérisé en ce que la chemise chauffante (14) est couplée thermiquement à des moyens d'échauffement tels que des résistances électriques (17) connectables à une source extérieure d'énergie électrique.
10 - Réacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les résistances électriques (17) comprennent des résistances électriques en couche mince et/ou des résistances électriques de type thermocoaxial .
11 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la chemise chauffante (14) est sollicitée thermiquement par des moyens d'échauffement par rayonnement tels que des éléments infrarouges . 12 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la chemise chauffante (14) est associée à des moyens de régulation thermique (18-21) assurant la régulation de sa température dans une plage de valeurs de température appropriée . 13 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la chemise chauffante (14) comprend des moyens d'échauffement (17) adaptés pour l'échauffer à une température supérieure à 150°C.
14 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la surface interne (14d) de la chemise chauffante (14) est structurée de façon à présenter un faible coefficient d'émissi n de rayonnement.
15 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que, en aval des moyens supports de substrat (3) , la chambre de réaction (1) est limitée par une grille (5) conductrice en contact thermique avec la chemise chauffante (14) .
16 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les moyens supports de substrat (3) comprennent des électrodes électrostatiques (3a) d'attraction de substrat.
17 - Procédé de gravure de substrat (23) par un plasma (24) dans un réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend une alternance d'étapes de gravure du substrat (23) par un plasma (24) de gaz de gravure fluoré et d'étapes de passivation des surfaces par un plasma (24) de gaz de passivation CxFy, et en ce que, au moins pendant les étapes de passivation, on échauffe la chemise chauffante (14) à une température supérieure à la température de condensation des polymères générés par le plasma (24) . 18 - Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'on échauffe la chemise chauffante (14) en continu pendant toutes les étapes du procédé.
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