CHAPITRE III Etude de nano-structures élémentaires
III. 2.1. « Flow chart »
III.2.2. Les étapes critiques
Lors de ce procédé de fabrication, nous cherchons à réaliser des dispositifs avec des motifs de
dimensions très variées. Ces dimensions peuvent aller de 50 nm à plusieurs dizaines de
micromètres. Les moyens de caractérisations doivent être adaptés. Pour cela, nous utiliserons
le Microscope Electronique à Balayage, MEB, pour les plus petits motifs, et le microscope
optique pour les plus gros.
Du fait des épaisseurs de la structure, il est possible d’observer l’empilement avec ces deux
modes d’observation. La figure 52 montre une observation faite avec le MEB
Beam Elecctoromsbtatic Smisamsisc Copnatdasct Bpualdk
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figure 52 : Structure A vue au MEB. (L = 6 µm, W = 100 nm, g = 200 nm)
Nous revenons maintenant sur les trois étapes spécifiques qui ont été développées pour ce
procédé de fabrication.
1. Photolithographie hybride par faisceau d’électrons et DUV
La première étape consiste à former les motifs nanométriques, étape numéro 3 du « flow
chart ». Pour cela, nous utilisons la photolithographie par faisceau d’électrons pour définir les
motifs. Cette technique consiste à bombarder d’électrons la résine. Quelques contraintes sont
liées à cette étape :
• Les motifs ne peuvent pas être obtenus sur l’ensemble de la plaque de silicium mais
sur une zone carrée d’une quinzaine de centimètres de côté au centre de la plaque.
Cette limitation est due à l’équipement.
• Le bombardement d’électrons se fait par zones de 80 µm × 80 µm. Le raccordement
entre ces zones peut conduire à des défauts sur des motifs.
• La géométrie des motifs est susceptible d’influencer leur taille réelle. La résine, du fait
de son épaisseur, génère des réflexions multiples des électrons lors du bombardement.
Ainsi, localement le bombardement dépend de la configuration géométrique qui peut
être une poutre nanométrique seule ou en réseau. Pour des motifs de tailles théoriques
identiques, les dimensions peuvent donc être différentes. Cela peut aller jusqu'à
masquer les ouvertures, comme le montre la figure 53.
figure 53 : Défauts de photolithographie par faisceau d’électrons sur un réseau de poutres avec g = W = 100 nm
• Pour définir les motifs micrométriques, nous utilisons une insolation en DUV
38. Il
s’agit d’une insolation utilisant une lumière avec une longueur d’onde de 248 nm. La
résine, optimisée pour l’insolation par les électrons, n’est pas aussi sensible pour
Si Bulk Si/air/Si Bulk Si/SiO2/Si Bulk
Défaut
l’insolation DUV. La définition des bords des structures nanométriques est mieux
définie que celles des accès. Sur la figure 54, nous pouvons voir cette différence de
définition des bords entre la poutre avec ses électrodes et les accès. De plus, du fait des
désalignements possibles, un recouvrement entre les deux types d’insolation est
nécessaire.
figure 54 : Réalisation d’une poutre bi-encastrée. (L=2 µm, W=300 nm, g=200 nm)
Nous utilisons donc la photolithographie par faisceau d’électrons pour définir les motifs
de tailles nanométriques, typiquement inférieures à 500 nm, et pour définir le bord des
motifs nécessitant une définition correcte. Pour le reste des motifs, de tailles
micrométriques, c’est une insolation DUV 248 nm qui est utilisée.
2. Gravure des motifs NEMS
La seconde étape est une gravure anisotrope du silicium à base de CF
4, étape numéro 3 du
« flow chart ». L’objectif est d’obtenir des profils de gravure verticaux au niveau des motifs
nanométriques et dans les gaps fins de l’ordre de 100 nm. Cette gravure présente deux
difficultés majeures.
Tout d’abord, la détection de la fin de la gravure se fait par détection des espèces présentes
dans la chambre. Beaucoup de motifs étant de tailles nanométriques, peu de silicium est
gravé, donc la détection se fait avec une faible variation de concentration d’espèce. Ainsi,
l’arrêt de la gravure se fait à avec un contrôle au temps par rapport à la détection de la fin de
la gravure obtenu sur les motifs micrométriques.
La deuxième difficulté concerne le profil de gravure, figure 55.
figure 55 : Evolution du profil de gravure.
Zone DUV
Zone faisceau d’électrons
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La gravure a été adaptée au faible taux d’ouverture du masque afin d’assurer un profil vertical
qui dépend de la puissance utilisée et de la concentration des espèces de gravures.
3. Libération des dispositifs NEMS
La troisième étape critique consiste à libérer les structures mécaniques vapeur, c'est-à-dire à
graver la couche sacrificielle en oxyde sur et sous la structure mécanique en silicium, étape
numéro 6 du « flow chart ». Pour les structures MEMS, nous utilisons une gravure HF en
phase humide, qui se révèle inadaptée dans le cas de structures nanométriques. En effet, les
forces de capillarité peuvent coller certaines structures. L’énergie d’adhésion provenant de la
présence de l’eau en phase liquide doit être inférieure à l’énergie de rappel de la poutre pour
éviter le collage. La libération des structures nanométriques exige donc des gravures
différentes de la gravure humide utilisée pour les structures MEMS.
Plusieurs approches existent notamment, des gravures humides avec une étape supplémentaire
ou bien utiliser une gravure sèche. Dans le cas des gravures humides suivies d’une étape
supplémentaire, celle-ci vise à évaporer l’eau en réduisant l’énergie d’adhésion du liquide,
responsable des forces de capillarité. Pour cela, un alcool ou une technique de séchage au CO
2supercritique peut être utilisé. D’autres techniques consistent à décoller les structures une fois
que celles-ci sont collées par un traitement LASER ou des vibrations.
Dans notre cas, nous utiliserons une gravure HF en phase vapeur. La difficulté est de ne
pas produire de l’eau en phase liquide. Or, la réaction de gravure du SiO
2forme ce composé.
Nous devrons donc contrôler la formation d’eau, donc la vitesse de gravure, pour évacuer les
molécules d’eau avant la formation de la phase liquide.
Figure 56 : Gravure HF en phase vapeur à travers un trou (a) et un réseau de trous (b).
Une fois les structures libérées, nous devons faire attention à leur manipulation et notamment
à leur caractérisation.
Ainsi, le MEB peut mettre en mouvement des structures et conduire à leur collage. En effet, la
différence de niveau de gris observable sur la figure 54 est liée au nombre d’électrons
réfléchis. Une interaction entre le dispositif et le faisceau incident conduit à l’accumulation de
charges. Nous devrons donc chercher à réduire au maximum le courant du faisceau incident.
De plus, si l’observation est trop prolongée, sur une zone restreinte, la structure est abîmée.
Sur la figure 57 l’observation est commencée sur une zone restreinte correspondant à l’image
de gauche, et continuée sur une zone élargie correspondant à l’image de droite. Sur cette
dernière, nous pouvons remarquer que les gaps et la poutre sont abîmés localement. L’endroit
est entouré en blanc.
Trou de libération : Diamètre 720 nm Zone libérée : Diamètre 16 µm 9,3 µm 9,3 µm
a b
figure 57 : Détérioration d’une structure avec le MEB.
De plus, avec le microscope optique lorsque l’éclairement de la masse est important et
prolongé, celle-ci peut se coller verticalement. La figure 58 montre l’évolution au cours du
temps lors d’un éclairement prolongé au microscope optique. Le phénomène de déformation
de la masse dure quelques minutes, figure 58.a à c. Le phénomène de pull-in est très rapide,
figure 58. c et d. Nous devrons donc veiller à protéger les NEMS de la lumière. Cette
protection peut être faite avec un « packaging » adéquat.
figure 58 : Collage d’une masse mobile lors d’un éclairement au microscope optique.