Simulation 3D de procédés de gravure par plasma réactif : application à la gravure de microlentilles en résine en chimie CF4

Ce travail de thèse aborde le problème de la gravure de microlentilles en résine utilisées dans les capteurs d’images CMOS. Ce procédé de gravure a lieu dans un réacteur plasma CCP double-fréquence en chimie CF4 : l’objectif est de transférer un motif semi-sphérique mis en forme par photolithographie dans un substrat de résine, et de fermer l’écart présent entre les microlentilles après l’étape de fluage thermique. La forme 3D de la lentille doit donc être modifiée de manière contrôlée durant la gravure. Afin de comprendre les mécanismes de transfert impliqués, cette étude propose d’implémenter un modèle de gravure 3D décrivant l’évolution du profil de ces microlentilles dans un plasma de CF4, à l’aide d’un code de simulation hybride multi-échelle (HPEM, pour Hybrid Plasma Equipment Model) s’articulant autour de trois modules. Le module plasma permet - à l’aide d’un code fluide - de simuler le transport et la cinétique des espèces (densités, vitesses, températures) ainsi que le champ électrique dans le réacteur. Ces informations sont couplées à un module de chimie de surface qui calcule les flux, l’énergie et l’angle (EADF) des espèces réactives impactant le substrat. Ces données sont enfin utilisées par le module de gravure (MCFPM) qui utilise un code Monte Carlo phénoménologique pour simuler l’évolution du profil de gravure au cours du temps. L’impact des conditions opératoires (puissances RF basse et haute fréquence, conditions aux parois, pression) sur la composition du plasma est d’abord étudié. En accord avec la littérature existante, nos simulations montrent que CF3+ and F− sont les ions majoritaires et que F, CF, CF3, CF2 sont les radicaux prédominants (par ordre décroissant) dans nos conditions de référence, mais que le coefficient de recombinaison surfacique γ(rec,F > F2), lié aux caractéristiques des parois (température, matériau), influence fortement cette composition. Comme attendu dans un réacteur CCP double fréquence, la puissance basse fréquence PBF (100–900 W) contrôle l’énergie des ions impactant le substrat tandis que la puissance haute fréquence PHF (100–1500 W) pilote le flux d’ions. Néanmoins, de légers couplages sont observés entre ces effets dus à la proximité des deux fréquences utilisées (13.56 et 40.68 MHz). La pression (30-200 mTorr) modifie la structure et l’électronégativité du plasma ; à haute pression, elle élargit la distribution angulaire du flux d’ions sans impacter significativement son flux. Pour modéliser la gravure de microlentilles dans ce réacteur, un nouveau set de réactions régissant les interactions plasma-surface entre résine organique et plasma fluorocarboné a été développé dans le module MCFPM. Les résultats de simulation ont été comparés à des mesures expérimentales (ellipsométrie, TOF-SIMS, MEB) réalisées en salle blanche pour optimiser et valider le modèle. En accord avec l’expérience, la simulation sur substrats « pleine plaque » montre que la couche modifiée est principalement composée de résine fluorée avec peu de polymère en surface. La vitesse de gravure suit les variations du flux d’ions ; l’épaisseur de la couche modifiée est contrôlée par l’énergie des ions. Les profils de gravure de microlentilles montrent un bon accord entre simulation et expérience, sauf pour des puissances PBF < 500W et des pressions p > 60 mTorr, qui correspondent à des régimes de faible énergie ionique ou de fort ratio flux de radicaux F/flux d’ions, dans lesquels la gravure chimique est plus importante. Ces conditions plus chimiques entrainent la formation de falaises sur les flancs de la lentille, observées expérimentalement mais non reproduites numériquement. Dans la majorité des conditions explorées, le modèle multi-échelle développé (modélisation du plasma couplée à la simulation de profils de gravure) permet de mieux comprendre les mécanismes de transfert en identifiant les paramètres plasma à l’origine de la forme finale des microlentilles.