Gravure plasma du CdHgTe : étude de précurseurs non conventionnels pour application aux détecteurs infrarouges hautes performances de très faible pas

HgCdTe plasma etching : study of unconventional precursors for high-performance infrared detectors processing

• Auteur / Autrice : Jordan Piet
• Direction : Christophe Cardinaud, Aurélie Girard, François Boulard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Plasmas froids
• Date : Soutenance le 15/11/2019
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Bouchoule
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sarah Petit, Arnaud Pageau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rémi Dussart, Laurent Le Brizoual

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'émission optique à source plasma

Sondes de Langmuir

Gravure par plasma

Mots clés libres

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Résumé

Ce travail de thèse est consacré à l’étude de nouveaux mélanges gazeux pour la gravure plasma du CdHgTe, à savoir : CH₃NO₂/H₂/Ar, CH₃OH/H₂/Ar et CH₄/NO₂/H₂/Ar. L’objectif est de graver sans polarisation du substrat pour limiter l’énergie déposée sur les surfaces gravées. Une première partie portant sur l’analyse de ces plasmas par sondes électrostatiques et spectroscopie d’émission optique a permis de montrer que la substitution de nitrométhane ou méthanol au méthane a un effet sur la composante chimique de la gravure. Pour ces nouveaux mélanges hydrocarbonés, l’apparition de molécules telles que CO et CN est corrélée à l’annihilation du dépôt spontané de polymère. La seconde partie, consacrée à la gravure du CdHgTe avec ces nouveaux précurseurs a prouvé la faculté de graver sans polarisation du substrat avec les mélanges CH₃NO₂/H₂/Ar et CH₄/N₂O/H₂/Ar et ainsi réduire les dommages engendrés au matériau, notamment la rugosité en surface. Une étude plus poussée de la gravure en mélange CH₄/N₂O/H₂/Ar montre notamment une augmentation de la vitesse de gravure pour les faibles polarisations jusqu’à un certain seuil, avant qu’elle ne stagne, correspondant au passage d’une gravure à dominance chimique à une gravure à dominance physique. De plus, la rugosité est indépendante de la puissance d’excitation du plasma, de la température du substrat ainsi que de la durée de gravure. Enfin, la gravure de tranchées a permis de mettre en évidence la gravure chimique et isotrope à faible polarisation avec les mélanges CH₄/N₂O/H₂/Ar et CH₃NO₂/H₂/Ar mais qui, à plus forte polarisation présente une meilleure passivation latérale que les gravures en plasma CH₄/H₂/Ar.

This thesis investigates new gas mixtures for HgCdTe plasma etching with the objective to etch without substrate polarization : CH₃NO₂/H₂/Ar, CH₃OH/H₂/Ar and CH₄/NO₂/H₂/Ar. A first part on the analysis of these plasmas by electrostatics probes and optical emission spectroscopy shown that the substitution of methane by nitromethane or methanol has an effect on the chemical component of the etching. For these new mixtures, the formation of molecules such as CO and CN is correlated with the annihilation of the polymer deposit. The second part, about the etching of HgCdTe with these new precursors proved the ability to etch the substrate without bias with CH₃NO₂/H₂/Ar and CH₄/N₂O/H₂/Ar mixtures and thus reduce the material damages, especially the surface roughness. Further study using CH₄/N₂O/H₂/Ar plasmas shows in particular an increase of the etching rate at low bias up to a threshold, before it stagnates, corresponding to the transition from chemically dominant etching to physically dominant etching. In addition, the roughness is independent of the plasma excitation power, substrate temperature and etching time. Finally, trench etching revealed the chemical and isotropic etching at low bias with CH₄/N₂O/H₂/Ar and CH₃NO₂/H₂/Ar mixtures, but which, at higher bias, has a better lateral passivation than CH₄/H₂/Ar etching process.