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Transcription

1 La gravure Après avoir réalisé l étape de masquage par lithographie, il est alors possible d effectuer l étape de gravure. L étape de gravure consiste à éliminer toutes les zones non protégées par la résine et à conserver celles qui le sont. La gravure doit être précise (bonne résolution), sélective (seule la couche supportant la résine doit être attaquée) et directive (pas de gravure latérale, en dessous de la couche de résine). éi Deux techniques de gravure sont utilisées : *lagravureparvoiehumide *lagravuresèche

2 La gravure humide La gravure humide se réalise par attaque chimique à l aide de solutions liquides qui doivent uniquement réagir avec le matériau à éliminer (sélectivité) et pas avec les autres éventuellement présents dans la structure (d où certaines difficultés d utilisation dans les empilements multicouches). Le tableau suivant décrit quelques exemples de solutions liquides utilisées pour différents matériaux à graver :

3 La gravure humide Exemples

4 La gravure humide Exemple de bain de gravure chimique La gravure chimique est préférentiellement utilisée car sa mise en place est relativement simple. Il suffit de tremper les échantillons dans un bain chimique adapté pendant le temps correspondant à la profondeur de gravure désirée. Il est ainsi possible de traiter un grand nombre d échantillons en même temps, p, cequi constitue un gain de temps considérable (industriellement, jusqu à 200 plaquettes peuvent être traitées simultanément). Par contre, il faut, après traitement chimique, rincer abondamment et sécher les plaquettes. Le rinçage se fait aussi dans des bacs. Durant le rinçage à l'eau déionisée, la résistivité de l'eau leau est contrôlée afin de déterminer la quantité d'ions dions contaminants encore désorbés par les plaquettes. Lorsque la résistivité devient supérieure à 16 MΩ.cm, on s'approche de la résistivité de l'eau ultra pure (18 MΩ.cm) et on peut arrêter le rinçage. Le séchage s'effectue seffectue dans de très grandes centrifugeuses ou par soufflette d'azote ou d'air sec.

5 La gravure humide Avantages : Pas ou peu défauts : gravure «douce» Bonne sélectivité en fonction composition des matériaux Très bonne sélectivité ité par rapport au masquage Inconvénients : Plutôt isotrope Sensible à l état de surface Contrôle délicat dans le cas des multicouches Agitation nécessaire pour l uniformité de l attaque sur la surface

6 La gravure humide La gravure humide est une méthode simple mais, dans la plupart des cas, isotropique. C est à dire que la vitesse d attaque est la même dans toutes les directions dans le cristal. itlla différence entre attaque anisotrope et isotrope est illustrée ci dessous : Resine Resine Substrat Substrat Anisotrope Isotrope E E // Resine Substrat Il est possible de définir i un taux d anisotropie i T tel que : T = 1 E E // Dans certains cas, on observe toutefois une sensibilité de la vitesse de gravure chimique en fonction de l orientation cristalline.

7 La gravure humide L isotropie de ce type de gravure va ainsi limiter les dimensions des motifs pouvant être réalisés. La gravure humide permet de graver des traits d une épaisseur supérieure ou égale à 3 µm, mais elle ne permet pas d obtenir des dimensions inférieures en raison du phénomène de «surgravure» lié à l isotropie. La gravure s effectue en effet dans le sens de laprofondeur maisaussidans le sens de lalargeur comme illustréci dessous : Avec un masquage identique, la largeur du motif gravé sera différente selon la méthode de gravure utilisée, isotropique ou anisotropique. Pour les motifs de très petites dimensions, il sera donc préféré une méthode de gravure anisotropique.

8 La gravure humide Inconvénient Contrôle délicat dans le cas des multicouches «Surgravure» Avantage Bonne sélectivité en fonction composition des matériaux

9 La gravure sèche se réalise à partir de la formation d un dun plasma ionique énergétique qui peut permettre de combiner attaque chimique réactive avec attaque mécanique par bombardement de la surface de l échantillon. Trois types : Gravure ionique (ion beam etching IBE) Gravure ionique réactive (réactive ion etching RIE) Gravure par attaque chimique gazeuse

10 IBE (Ion Beam Etching) appelée aussi gravure plasma ou sputter etching Le principe de cette méthode de gravure est identique à celui de la pulvérisation cathodique déjà décrite précédemment dans le chapitre consacré aux dépôts métalliques et diélectriques. Par contre, dans le cas qui nous intéresse ici, la cible est remplacée par la structure à graver. Exemple d appareillage de gravure plasma

11 IBE (Ion Beam Etching) appelée aussi gravure plasma ou sputter etching Ici, le plasma ne contient que des ions de gaz rare (Ar+) et la pression dans l enceinte est faible (0,01 à 0,1 Torr). Le champ électrique créé au voisinage de la cathode accélère les ions positifs qui viennent bombarder normalement la surface de chaque échantillon, arrachant les molécules ou atomes des couches non protégées par la résine Il en résulte une attaque franche de ces couches (pas de «surgravure»). Toutefois cette technique ne permet pas une grande sélectivité de l attaque (la vitesse d attaque est pratiquement t identique pour tous les matériaux) et induit it souvent un grand nombre de défauts de surface.

12 Ion Beam Etching (IBE) ou sputter etching Avantages : Bonne directivité Forte anisotropie. Respect des dimensions/géométrie Inconvénient : Vitesse lente Défauts de gravures

13 Gravure ionique réactive ou RIE (Reactive Ion Etching) Dans cette technique, on utilise un bombardement ionique joint à une attaque chimique pour réaliser la gravure des structures. Ce type de gravure se réalise à des pressions de l ordre de 0,1 à 1 Torr, en utilisant un plasma contenant des gaz réactifs (halogénures) et des gaz neutres, les ions de ces derniers assurant le bombardement ionique mécanique de la surface. La vitesse d attaque est alors fonction de plusieurs paramètres, la nature des gaz, la nature de la pression dans l enceinte, la puissance RF utilisée pour le plasma, la nature de la couche gravée, Exemple de réacteur de gravure RIE La gravure RIE contient donc une composante mécanique (arrachage des atomes) et une composante chimique (réaction de la couche à graver avec les gaz du plasma)

14 Illustration de la composante chimique de la gravure RIE Utilisation du gaz CF 4, actif pour la gravure de différents matériaux En techno Silicium, on utilise CF 4 comme gaz réactant : CF * * 4 CF 3, F (radicaux libres présents dans le plasma) Avec Si Si + 4 F * SiF 4 Avec SiO * 2 4CF 3 + 3SiO 2 2CO + 2CO 2 + 3SiF 4 En techno III V on doit utiliser le chlore : Avec GaAs : GaAs + 3 Cl 2 GaCl 3 + AsCl 3

15 Principaux gaz utilisés en RIE Matériau à graver Silicium SiO 2 Siliciures III-V SF 6 CHF 3 CFCl 3 Cl 2 CF 4 + O 2 CF 4 + O 2 CF 2 Cl 2 SiCl 4 HF CF 4 + H 2 CCl 4 CFCl 3 SiCl 4 SF 6

16 Evolution de la vitesse de gravure par RIE Influence des paramètres : Pression Vitesse de gravure W puissance Vitesse de gravure Vitesse typique 500 nm/minute

17 RIE Avantages : Moins de défauts que l IBE Vitesse rapide (a) (b) (c) Inconvénient : Moins anisotrope Exemple de structures gravées par RIE : (a) réseau Si3N4, (b) cristaux photoniques 2D GaAlAs/GaAs (c) microcavité GaAs/AlAs Bonne reproductibilité : les composantes physiques et chimiques sont indépendantes.

18 Gravure par attaque chimique gazeuse Dans cette technique, la gravure se fait par réaction en surface des radicaux libres présents dans le plasma (F, CF3, SiF3, ) avec le matériau à graver. Cette gravure se réalise à partir d un plasma contenant uniquement des gaz réactifs (pas de gaz rares). Les gaz fournisseurs de radicaux libres utilisés sont le tétrafluorure de carbone (fréon 14), l hexafluoroéthylène (fréon 116), le trifluorométhane (fréon 23) et le tétrafluorure de silicium (SiF4), ou encore des gaz chlorés. L appareillage plasma utilisé est très semblable à celui de l IBE (Ion Beam Etching). Exemple d appareillage de gravure par attaque chimique gazeuse

19 Comparaison entre les diverses techniques de gravure sèche