a Outils de microfabrication

1- Enduction centrifuge (« spin-coating »)

L’enduction centrifuge permet d’étaler de faibles épaisseurs (de 10 nm à 200 µm) de résines polymères sur un substrat par la force centrifuge. La première étape, le « spread step » permet l’étalement homogène de la résine sur le substrat à faible vitesse de rotation. Durant la deuxième étape, le « spin step » (rotation), la vitesse de rotation est augmentée et le solvant de la résine s’évapore, fixant la résine sur la surface. Plus la vitesse est importante, plus la résine est évaporée et déposée de manière homogène. Le rôle de l’accélération est plus complexe et permet la création d’une force de torsion sur la résine – qui s’ajoute à la force radiale imposée par la vitesse de rotation – facilitant la dispersion et permettant un dépôt plus homogène sur une surface présentant déjà un motif (88).

Différents défauts peuvent apparaître durant l’enduction centrifuge, ce qui peut réduire considérablement les performances de nos microrésonateurs : bulle d’air dans la solution de SU-8 2002, poussière déposée sur le wafer ou dans la solution de SU-8 2002. Une fois la résine déposée par enduction centrifuge, ces défauts provoquent des variations locales d’épaisseur du polymère ainsi que de la diffusion de la lumière s’ils se situent sur le microrésonateur. Le wafer utilisé doit être suffisamment large pour s’affranchir des inhomogénéités de surface apparaissant aux bords des wafer après l’enduction (augmentation de l’épaisseur aux bords du wafer). Il est à noter que le temps de rotation

102 durant l’étape de rotation (spin step) affecte la quantité de solvant évaporé et donc l’épaisseur du polymère. Il a été vu qu’une diminution de l’épaisseur du microrésonateur augmente la longueur du champ évanescent, et donc la sensibilité (cf. II.1.3 Méthodes de

l’indice effectif et conception de microrésonateurs monomodes). L’augmentation du temps

de dépôt permet de diminuer cette épaisseur jusqu’à une certaine limite permise par le matériau utilisé.

Après l’enduction par la résine, le wafer peut être placé sur une plaque chauffante à 95°C durant un temps défini afin d’évaporer le reste du solvant (“soft bake”). Ce softbake stabilise la structure réalisée. Cependant, un softbake trop long diminuera la pénétration UV lors de l’insolation (cf. II.1.5.a.2- ci-après) et modifiera l'adhésion de la couche déposée sur le substrat (wafer), ce qui peut conduire au détachement des motifs des photorésines négatives créées (comme le polymère SU-8 2002) après développement.

L’adhésion de la résine sur le substrat peut être favorisée par un promoteur d’adhésion (l’hexamethyldisilazane ou HMDS) ou un traitement plasma (activation de la surface). De par leurs longueurs élevées et leurs largeurs faibles, les guides rectilignes sont sensibles à un détachement. L’adhésion des guides doit donc être suffisamment importante. Celle-ci est d’autant plus forte que la surface du guide rectiligne en contact avec le substrat est grande. Expérimentalement, une largeur de 5 µm est suffisante pour permettre une adhésion efficiente des guides sur le substrat et éviter leur détachement.

2- Photolithographie UV

La photolithographie UV permet de créer des motifs sur des films fins jusqu’à des épaisseurs de 150 µm. Un masque (composé d’un film de chrome déposé sur une plaque de quartz) permet de transférer un motif sur la résine photosensible par radiation UV. Pour une résine photosensible négative, la radiation UV sur la résine engendre une protolyse et la création d’un photoacide qui va provoquer la réticulation (formation d’un réseau de polymères liés entre eux) des molécules du SU-8 après recuit Hardbake.

La résolution latérale de la photolithographie UV est limitée par la diffraction en champ proche (diffraction de Fresnel) qui induit une distorsion des parois verticales des guides réalisés (cf. Figure II 21) :

II.1 Composants optiques intégrés

103 Figure II 21. Image MEB d’un bord de guide rectangulaire réalisée par photolithographie UV. On observe une distorsion des parois verticales due à la diffraction en champ proche(79).

La résolution latérale ( notée x) peut se calculer par la relation suivante :

D x 

 (Eq. II 49)

Où  est la longueur d’onde utilisée et D la distance entre la couche de chrome (sur laquelle est représenté le motif sur le masque) et la résine. Cette relation montre que plus le motif est d’épaisseur faible et le masque proche de la résine, plus la résolution latérale est élevée. Cela montre l’intérêt de l’utilisation du chrome qui peut se déposer sur une très faible épaisseur sur une plaque de quartz (100 nm)(89). Optimiser le temps d’exposition UV, le temps de développement et l’épaisseur des résines permet de réduire cet effet de distorsion.

Pour la photolithographie, nous utilisons un aligneur MJB4 (Karl Süss). La structure 3D de notre capteur est réalisée par deux photomasques. Le deuxième masque utilisé est aligné avec le motif précédent grâce à des marques d’alignement (Figure II 22).

Le temps d’exposition UV est crucial ; un temps trop court induira une exposition insuffisante pour que les UV pénétrent toute la résine jusqu’au substrat. Les guides d’ondes pourront alors se détacher. A l’inverse, un temps d’exposition trop long provoquera une diffusion trop importante des UV dans la résine et élargira la largeur des guide d’ondes(effet de distorsion des parois verticales).

Après l’exposition, un recuit post-exposition (post-exposure bake PEB) permet d’accélérer la réticulation du polymère SU-8 sur la zone insolée. Cette étape permet à la zone insolée de résister au développement. Une solution de développement (développeur SU-8) permet de rendre soluble la résine négative non insolée et de faire apparaître le motif. Après le développement, un recuit (Hard-bake) permet de réticuler complètement le motif en SU-8 et de le rendre inerte aux solvants. Ce recuit permet également de diminuer la rugosité de surface et ainsi de réduire les pertes optiques par diffusion.

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Figure II 22. Marques d’alignement pour le premier masque (à gauche) pour la lithographie des guides d’onde et le deuxième masque (à droite) pour la lithographie des cavités

3- Gravure ionique réactive (Reactive ion Etching - RIE)

La gravure ionique sèche est une technique utilisant un plasma, chargé d’ions négatifs, qui réagit chimiquement avec la surface de la couche déposée. Le plasma est généré par un champ électromagnétique haute fréquence (RF) à basse presssions (de 10mTorr à 100mT). Les systémes classiques de RIE, à plaques parallèles, comportent une chambre à vide, et deux électrodes cylindriques face à face. Le gaz de gravure utilisé dépend du matériau de la couche à graver, Tableau II 3 :

Matériau à graver Gaz de gravure

Oxydes (SiO2,…) Gaz fluorés (C4F6, C4F8, C5F8) couplés à de l’oxygène

Nitrures (S2N2, S2N4,…) NF3, CHF3, C4F8, CF4

Silicium SF6, CCl4

Aluminium CCl4

Polymères (Cytop,…) O2

Tableau II 3. Matériaux à graver par RIE et leur gaz de gravure. La liste des gaz n’est pas exhaustive.

La RIE présente les avantages d’être anisotrope et de pouvoir graver de façon sélective. Par exemple pour les nitrures, plus le gaz de gravure présente de carbone, plus la gravure sera sélective. Dans notre cas, un plasma d’oxygène permet de graver le Cytop (polymère) qui est utilisé comme couche de confinement supérieure du guide rectiligne et aussi comme couche de confinement inférieure de la cavité.

La puissance du plasma, le débit des gaz, la pression dans la chambre, le temps de gravure sont à ajuster afin d’obtenir l’épaisseur et le motif souhaités. Lors de l’activation d’un champ électrique RF puissant, les molécules d’oxygène perdent un électron et sont ionisées, créant le plasma. Les électrons suivent les mouvement du champ électrique alternatif.Les électrons qui touchent les parois de l’enceinte vont directement à la masse. Il en résulte un potentiel

II.1 Composants optiques intégrés

105 électrique positif élevé entre les deux électrodes (environ 300 V) qui va entraîner les ions positifs du plasma vers le composant, gravant sa surface.

Pour obtenir des parois latérales des guides bien verticales, il est nécessaire que la gravure soit anisotrope. Les techniques de gravure humide (solution de gravure), isotropes, sont donc à éviter. Inversement, des techniques de gravure purement « physiques » (bombardement d’ions non réactifs, par exemple) endommagent le matériau et présentent une vitesse de gravure très lente. La RIE, qui combine à la fois des processus physiques (ions envoyés sur le matériau de manière directionnelle) et chimiques (réaction des ions à la surface, et éventuellement des processus de passivation des parois verticales) permet de conserver une vitesse de gravure acceptable sans endommager les couches à graver.

La RIE sert également à activer la surface d’un substrat afin de permettre l’adhésion d’un film à sa surface.

4- Découpe des composants à la pointe diamant

La découpe des composants consiste à découper le wafer, une fois la structure réalisée, pour obtenir un composant optique prêt à être utilisé sur le banc optique. La technique, développée par C.Delezoide(79), permet de cliver le composant perpendiculairement aux guides rectilignes en suivant les plans cristallins du wafer silicium (cf. Figure II 23).

Figure II 23. Visualisation des lignes de découpe sur le wafer (lignes jaunes)

Cette découpe est réalisée par la propagation d’une fissure réalisée par une pointe diamant le long d’un plan cristallin du Silicium. Une mauvaise découpe introduira des pertes de couplage de la lumière liés aux faces d’entrée-sortie du microrésonateur.

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