TP Fabrication de composants en salle blanche

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1 TP Fabrication de composants en salle blanche Mardi 1 er avril et mercredi 02 avril 2014 Navy YAM

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5 Dans ce TP nous allons considérer les deux cas suivants : - Configuration de Kretschmann : dépôt d or sur lame de verre - Couplage par réseaux : fabrication réseaux de lignes d or ou d aluminium sur substrats de silicium Lignes de métal de a µm de large espacées de a µm avec a = 1, 1,5, 2, 3, 4, 5, 6, 7 µm

6 Etch-back 2 techniques principales pour la formation de motifs : Processus «additif» et soustractif Lift-off La résine ne touche pas la surface du substrat Le film en excès ne touche pas la surface du substrat

7 Une étape indispensable : le nettoyage des substrats avant les étapes technologiques Silicium toujours recouvert d une couche de silice (SiO2 ) d environ 20Å élimination des graisses : Solvants Les graisses sont dues aux procédés de découpe et de polissage des plaquettes et éventuellement à nos doigts ( HF ) élimination de la couche de silice native : acide fluorhydrique élimination des impuretés métalliques et alcalines : succession d oxydations chimiques ( acides : nitrique, sulfurique )etdedésoxydations (HF) La formation d une couche de silice chimique à la surface permet de piéger les impuretés se situant aux environs de la surface (20Å).

8 Chimie de résine Une résine photosensible contient 3 composants: un polymère de base qui détermine les propriétés mécaniques du film un composé photosensible un solvant qui conserve la résine liquide jusqu à sa mise en œuvre Résine UV positive Dans les zones insolées, le composé photosensible subit une transformation chimique qui permet la dissolution du polymère de base dans le bain de développement. Dans les zones non insolées le composé photosensible n est pas transformé et inhibe cette dissolution. Insolation : Plus le motif à transférer sur la résine est petit, plus la longueur d onde de la source doit être courte. Lampe à mercure : motifs de taille supérieure au m : Longueur d onde : raies g 436 nm, h 405 nm, i 365 nm

9 Striations : variation de 30 nm due au séchage non-uniforme du solvant durant le «spin-coating», périodicité mm radialement du centre de la plaquette. Bourrelets de bord : peut être de 20 à 30 fois l épaisseur nominale de la résine Effet augmenté pour des substrats non circulaires Motifs radiaux provoqués par des particules dures, dont le diamètre est supérieur à l'épaisseur de la résine

10 Recuit de la résine Utilisée pour évaporer le solvant du revêtement et à densifier la résine cycles thermiques typiques: - 90 à 100 C pendant 20 min. dans un four à convection - 75 à 85 C pendant 45 sec. sur une plaque chauffante chauffage par micro-ondes ou lampes IR du commerce, sont utilisée dans des lignes de production. Le chauffage par une plaque chauffante est généralement plus rapide, plus contrôlable et ne piège pas de solvant dans la résine contrairement au chauffage par un four à convection.

11 Photolithographie

12 Alignement et exposition

13 - Pour les systèmes de contact, de proximité, et de projection simples : rapport de reproduction de 1:1 - Les systèmes de projection donnent la possibilité de modifier la rapport de reproduction. Une réduction 10:1 permet d avoir des motifs de grandes de taille sur la masque, qui est plus robuste pour masquer les défauts. - La plupart des plaquettes contiennent un réseau de motifs identiques de sorte que seulement une cellule du réseau est nécessaire sur le masque. Ce système est appelé Direct step on wafer (DSW). Ces machines sont aussi appelés "Steppers» - avantage du steppers: seulement 1 cellule est nécessaire - Inconvénient du steppers: le motif de la cellule sur masque doit être être parfait. Autres systèmes d exposition : Direct Write on Wafer (DWW) lasers Excimer pour des géométries bas de 1-2 µm faisceaux d'électrons pour des géométries jusqu'à 0,1-0,2 µm faisceaux d'ions focalisés pour des géométries à 0,05-0,1 µm Pas de masque, temps d écriture long

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19 Masqueur Optique

20 Développement de la résine L utilisation de solvants est généralement suffisant pour des résine n ayant pas subi de post recuit. Gravure par plasma O 2 peut être efficace pour retirer les résidus organiques

21 Dépôt de métal Evaporation par effet Joule (Filament evaporation) Evaporation assistée par faisceau d électrons Pulvérisation cathodique

22 Libre parcours moyen : Distance de déplacement d une molécule avant de renter en collision avec une autre molécule Loi des gaz parfaits PV= nrt n=pv/rt Vitesse moyenne Temps de collision v = Libre parcours moyen : t coll = 8RT p M 1 2pnd 2 v LPM = v.t coll = 1 2pnd 2 P= pression V=volume n= nombre de moles R = constante des gaz parfaits T= température M=masse moléculaire d= diamètre d une molécule n ~ P Nombre de moles proportionnel à la pression LPM ~ 1/n ~ 1/P LPM augmente quand P diminue

23 Pression de vapeur saturante Taux d évaporation r evap = M 2pkT P e P e = pression de vapeur saturante k = constante de Boltzman T = température M = Masse atomique P e µe T

24 Vitesse de dépôt La vitesse de dépôt dépend de la position et de l orientation du substrat. Une vitesse d évaporation trop élevée peut induire la formation de gouttelettes.

25 Cas d x Cas d >> x d 1 < d 2 r dep (d 1 ) > r dep (d 2 ) d 1 d 2 r dep (d 1 ) r dep (d 2 )

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28 Mesure de l épaisseur déposée Mesure de la vitesse de dépôt par Balance à quartz Le quartz résonne à une fréquence de résonance Lorsque que du matériau se dépose sur le quartz la fréquence de résonance change Calibration nécessaire pour chaque matériau

29 Les Techniques de gravure Gravure humique : chimique, bonne sélectivité mais isotrope d où existence de sous gravure Gravure sèche : chimique + physique gravure physique : anisotrope mais peu sélective Paramètres Sélectivité : assure l arrêt de la gravure à l interface entre couche et substrat v S v couche substrat Procédé idéal : S infini Anisotropie: A=1- v latérale /v verticale procédé idéal : A=1 Perte de cote : provient du fait que le masque de résine subit aussi la gravure - réduction de l épaisseur du masque - bord de masque érodés entraînant une perte de cote du motif obtenu dans la couche mince/ motif photolithographié dans la résine.

30 Gravure humide 5 étapes élémentaires 1- diffusion des réactants vers la surface à traiter 2- adsorption des réactants vers la surface à traiter 3- réaction chimique en surface 4- désorption des produits de réaction 5- diffusion des produits de la réaction dans le milieu extérieur La cinétique d attaque est limitée par le processus le plus lent. Si étapes 4 et 5 non limitatives : a) Réaction rapide (solution chimique très active et/ou concentrée) Étape 1 limitative attaque toujours isotrope même si matériau monocristallin i.e. anisotrope b) Réaction très lente (solution diluée ou chimiquement peu active) étape 3 limitative - gravure isotrope dans matériau amorphe (couche silice, nitrure) - gravure anisotrope dans matériaux monocristallins : révèle les plans cristallins pour lesquels l attaque est la plus lente.

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32 Gravure sèche Classement des méthodes selon l énergie des ions utilisés et la pression de travail Énergie ions > 20 ev : effets physiques - gravure anisotrope Énergie ions < 20 ev : effets chimiques - gravure isotrope Basse pression (<10-3 Torr) : utilisation de faisceaux d ions réactifs ou non réactif Haute pression : plasma (en général excité à 13,56 GHz) Intermédiaire: méthode ECR : plasma basse énergie + basse pression excitation micro-onde (2,45 GHz) couplé avec un champ magnétique (875 Gauss)