Simulations de dynamique moléculaire de l’interaction plasma-surface : du réacteur plasma à l’échelle atomique.
Simulation MD de l’étape d’implantation du procédé SmartEtch : bombardement du Si3N4 par des ions Hx+ et des radicaux H. Structure du matériau à l’état stationnaire.
Le développement de procédés de gravure avancés nécessite une compréhension fondamentale des mécanismes réactionnels impliqués dans l’interaction plasma-matériau. Associées à des diagnostics in-situ du plasma et des surfaces, les simulations de dynamique moléculaire (MD) peuvent fournir des informations sur les processus mis en jeux à l’échelle atomique et aider à comprendre les phénomènes régissant la gravure. Depuis 2011, les simulations MD développées dans l’équipe se sont révélées être un outil/support puissant pour assister le développement de nouveaux procédés. Ces simulations atomistiques sont utilisées pour étudier des réactions de surface élémentaires [1], expliquer des mécanismes physico-chimiques qui ne peuvent pas être sondés expérimentalement, ou encore étudier comment la nature, le flux et l’énergie des espèces du plasma (ions, radicaux réactifs) affectent la modification structurelle et chimique des substrats [2]. Ces dernières années, nos travaux sur les interactions plasmas chlorés/silicium ont notamment permis de démontrer la faisabilité théorique d’un concept de gravure PE-ALE (Plasma Enhanced Atomic Layer Etching) par modulation ultra-rapide de l’injection des gaz [3]. Des simulations menées sur l’interaction plasmas d’hydrogène/graphène ont permis de fournir des gammes d’énergie/flux dans lesquelles les plasmas H2 pouvaient être utilisés pour nettoyer, patterner ou exfolier le graphène [4]. Plus récemment, des travaux menés sur le procédé SmartEtch ont permis de mieux comprendre la dynamique autolimitée et les mécanismes de modification induits par l’implantation d’ions légers (He+/Hx+) dans les matériaux SiN ou SiO2 [5]. Parallèlement, des simulations fluides/hybrides (0D ou 2D) du plasma sont également développées pour étudier le transport et la cinétique des espèces (ioniques et radicalaires) en phase gazeuse [6]. Pour être validées, les prévisions numériques sont ensuite testées lors d’expériences de gravure réelles réalisées dans nos réacteurs industriels, dans lesquelles le plasma et la surface exposée sont caractérisés par des diagnostics in situ.
Références :
[1]Elementary processes of H2 plasma-graphene interaction: A combined MD and DFT study, E Despiau-Pujo, A Davydova, G Cunge et al, J. Appl. Phys. 113, 114302 (2013), 10.1063/1.4794375 [2]Key plasma parameters for nanometric precision etching of Si films in chlorine discharges, P Brichon, E Despiau-Pujo, O Mourey, O Joubert, J. Appl. Phys. 118, 053303 (2015), 10.1063/1.4928294 [3]Plasma Etching Process, O Joubert, G Cunge, E Despiau-Pujo, E Pargon, N Posseme, US Patent 20150228495, Aug 13 (2015) [4]Hydrogen plasmas processing of graphene surfaces, E Despiau-Pujo, A Davydova, G Cunge, DB Graves, Plasma Chem. Plasma Process. 36, 213-229 (2016), 10.1007/s11090-015-9683-0 [5]Helium plasma modification of Si and Si3N4 thin films for advanced etch processes, V Martirosyan, E Despiau-Pujo, J Dubois, G Cunge, O Joubert, J. Vac. Sci. Technol. A 36, 041301 (2018), 10.1116/1.5025152 [6]Pulsed Cl2/Ar inductively coupled plasmas processing: 0D model vs. experiments, E Despiau-Pujo, M Brihoum, P Bodart, M Darnon, G Cunge, J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 455201 (2014), 10.1088/0022-3727/47/45/455201
