Application du procédé de lissage

Le procédé de lissage par gravure plasma développé durant cette thèse permet d’atteindre des rugosités de surface locales très faibles. Si la recette rapide permet de réduire les temps du procédé, la recette lente permet quant à elle un lissage plus fin. En fonction de l’application visée il peut être intéressant de combiner les deux recettes. Dans le cas de films épais, le procédé reste certes long puisque les recuits prennent plusieurs heures au moins, mais il permet surtout d’atteindre des rugosités difficiles à atteindre par les méthodes CMP classiques. Dans la mesure où aucune technique de lissage n’est parfaitement adaptée aux exigences requises de toutes les applications visées (rugosité, temps de procédé, coût, épaisseurs du film à lisser, nature du diamant, etc), cette technique constitue en tout cas une très bonne alternative pour obtenir de faibles rugosités sur des temps courts.

Parallèlement à l’application du lissage à la fabrication des CPh, nous avons mentionné l’utilité de ce procédé à d’autres domaines. Dans cette thèse, il a été montré, à travers des projets réalisés dans le cadre de collaborations extérieures brièvement décrits ci-après, qu’il était possible d’étendre l’utilisation de ce procédé de lissage aux autres formes de diamant, comme le diamant dopé au bore par exemple, ou le diamant UNCD. Il est également applicable à des couches minces préalablement structurées sur des substrats autres que le silicium, là où un polissage mécanique serait difficilement applicable. Ces résultats démontrent le fort potentiel de ce procédé technologique.

Prestation pour THALES Research and Technology : application au dia-mant polycristallin dopé au bore

Un des projets développés par Thalès R&T par l’équipe de Pierre Legagneux consiste à faire croître des nanotubes de carbone (NTC) par une méthode PECVD sur des matériaux catalyseurs comme le nickel et le fer. Or, les substrats en silicium classiques utilisés en microélectronique ne sont pas compatibles avec les procédés ther-miques appliqués pour la croissance des NTC. En effet, des alliages catalyseur-silicium se créent à hautes températures et ne permettent plus de catalyser la formation des NTC. Par conséquent, il est nécessaire d’introduire une barrière de diffusion entre le substrat et le catalyseur, et en cela le diamant polycristallin dopé au bore s’est révélé être très efficace [223]. Afin de contrôler le nombre et la position des NTC sur le sub-strat, des plots de catalyseurs (200 nm × 5 nm) sont réalisés à la surface du diamant pour induire la croissance d’un NTC unique en ce lieu. Ces plots sont réalisés par li-thographie électronique, et de ce fait, comme pour la réalisation des CPh, les films de diamant polycristallin sont trop rugueux.

Nous nous sommes donc intéressés au lissage de films minces en diamant poly-cristallin pour les besoins de cette équipe. Il s’est avéré que l’ajout de bore ne modifie pas le comportement de la gravure par ICP, et que les procédés de lissage lent et rapide peuvent par conséquent s’étendre aux applications nécessitant l’utilisation de diamant dopé.

Projet OSCCAR : application à l’UNCD

Ce projet a pour objectif de concevoir des résonateurs exploitant des ondes élas-tiques guidées (SAW, pour Surface Acoustique Wave) sur des substrats composites à base de couches de ZnO sur carbone-diamant nanocristallin afin de mettre en place une solution générique capable de répondre aux besoins de sources très hautes fré-quences (domaine des radio-fréfré-quences RF, allant de 1 GHz jusqu’à la bande X) de grande pureté spectrale et compatibles avec les applications de radar embarquées. La maîtrise technologique de l’élaboration des matériaux exploités est ici critique car en relation directe avec l’optimisation théorique des points de fonctionnement des résona-teurs développés. Les matériaux polycristallins étant rugueux et hétérogènes, le choix de l’UNCD s’est imposé pour obtenir un matériau homogène sur 4 pouces peu rugueux. Les films obtenus présentent un désordre à faible distance et des performances hono-rables quant à l’homogénéité de leurs propriétés acoustiques. Cependant, les rugosités RMS des films utilisés sont encore trop importantes pour que ces derniers puissent être intégrés au dispositif technologique validé.

Figure 3.15 – Représentation schématique de l’architecture d’un RF-MEMS développé dans le cadre du projet Européen NANOCOM [224]

De ce fait, nous nous sommes intéressés au lissage de films UNCD dont les épais-seurs sont de l’ordre de 5 à 6 µm. Bien que les films soient initialement peu rugueux du fait de la taille des grain les composant (<10 nm), la proportion de joints de grains est beaucoup plus importante et le rapport sp2/sp3 est beaucoup plus élevé. Les procédés de lissage qui ont été développés auparavant ne sont donc plus adaptés, et il faudrait prendre en compte ce nouveau paramètre dans le développement d’une nouvelle recette de gravure. Par ailleurs, la forte contrainte des films épais et leur faible adhésion sur le substrat sont autant de paramètres contraignants dont il faut également tenir compte. Pour ce dernier point, la méthode de nucléation par scratching s’est avérée nécessaire. Toutefois, en utilisant des épaisseurs plus faibles de résine (la XR1541-2% a été utilisée, une version diluée de la XR1541-6%), il a été montré qu’il est possible de diviser la rugosité des films par un facteur 5 au moins en utilisant la recette adaptée aux films minces développée précédemment. Pour les besoins de ce projet, ce résultat était en tout cas largement satisfaisant.

Projet Européen NANOCOM : application à des motifs en diamant sur couche d’or

L’un des objectifs du projet Européen NANOCOM vise à concevoir des commu-tateurs RF-MEMS à partir de matériaux exotiques nanostructurés dans le but d’amé-liorer considérablement leurs performances. Une représentation schématique de tels dispositifs est présentée sur la figure 3.15.

Dans un cas idéal, le matériau retenu permet de minimiser au maximum les ef-fets de charges ainsi que la dissipation thermique sous haute puissance. La fiabilité du système dépend directement de la capacité de la membrane du diélectrique à éva-cuer les charges et prévenir de son adhésion sur la couche sous-jacente. Les propriétés thermiques et électriques du diamant font de lui un bon candidat. Toutefois, les films de diamant en sortie de croissance ne sont pas optimaux. La rugosité des films dia-mant joue le rôle d’une capacité équivalente à celle d’une couche d’air sur l’électrode à l’origine d’une baisse des performances.

(a) (b)

Figure 3.16 – (a) Photographie d’un substrat 2 pouces Si sur lequel est réalisé des RF MEMS à membranes en diamant - (b) Image MEB d’un exemple de motifs étudiés pour le lissage de structures en diamant inférieures à 400 nm d’épaisseur sur or.

Par conséquent, le procédé de lissage a été appliqué aux substrats préalablement structurés afin de diminuer la rugosité de surface des micro-électrodes. La figure 3.16

présente un exemple des motifs étudiés pour la validation du projet. La croissance du diamant s’est faite directement sur des motifs en or dont les dimensions font plusieurs dizaines de microns. Bien qu’un effet de bord dû à la structuration puisse être observé, une nette amélioration des performances a pu être mesurée. En effet, le lissage est effectif sur les bords des motifs et l’est moins au centre sans doute à cause d’une perturbation du plasma de l’ICP qui n’attaque plus de la même manière le diamant, puisque les électrodes en or en dessous doivent évacuer différemment les charges. Une optimisation du procédé, comme l’étalement de la résine et son épaisseur, conduirait très certainement à de bien meilleurs résultats. Ici, les motifs font tout au plus 400 nm d’épaisseur et 200 nm de XR1541-6 a été utilisée. Une épaisseur de 500 nm de résine, en utilisant la FOx® par exemple, conviendrait peut être mieux, en supposant que la viscosité plus élevée de cette résine n’empêche pas un bon étalement malgré les parois verticales des motifs.