Caractérisation de la microfabrication

Cette section présente la caractérisation des aspects liés à la fabrication des dispositifs. L’effet des contraintes dans l’oxyde de silicium sera discuté, un problème de rupture des guides suspendus plus larges sera exposé, et une optimisation de la coupe des puces sera présentée.

4.2.1 Contraintes dans l’oxyde de silicium

Tel que discuté à la section 3.5, l’oxydation thermique du silicium crée une couche de SiO2 sous contrainte en raison de la différence de coefficient de dilatation thermique. L’effet principal de ces contraintes, le flambage des guides suspendus, est illustré à la figure 4.6 (a). On constate que l’amplitude d’oscillation des guides, de l’ordre de 10 µm, correspond à ce qui avait été prévu lors du design des ancrages, et confirme la présence d’un stress compressif de l’ordre de 300 MPa.

(a)

(b)

Figure 4.6 Flambage des guides d’onde sous l’effet du stress compressif. (a) L’amplitude du flambage (environ 10 µm) correspond aux prévisions théoriques pour des contraintes de 300 MPa. (b) La présence d’un gradient de contraintes cause du flambage également aux extrémités libres des guides d’onde.

L’observation des structures fabriquées indique également la présence d’un gradient de contraintes. En effet, les extrémités libres des guides d’onde, dans lesquelles tout le stress est

relâché, ne sont pas parfaitement droites, comme on pourrait s’y attendre. Elles sont plutôt retroussées vers le haut, comme on peut l’observer à la figure 4.6 (b). Ceci est dû au fait que les contraintes sont plus fortes à l’interface entre le silicium et l’oxyde, c’est-à-dire au bas du guide d’onde. Le stress supplémentaire cause alors une expansion plus grande en bas qu’en haut de la couche, dont le résultat est une courbure des extrémités libres.

Ce phénomène n’est pas un problème en soi. Néanmoins, il est important dans ce cas d’illuminer le guide d’onde avec un angle d’environ 15◦ _{afin de coupler la lumière dans le} guide d’onde dont l’extrémité est inclinée.

4.2.2 Rupture des guides suspendus

On soupçonne le stress dans la couche d’oxyde d’être responsable d’un phénomène plus problématique : le bris des guides d’onde larges. La figure 4.7 illustre la situation. On peut y voir un guide d’onde typique sectionné à proximité d’un ancrage.

(a) (b)

Figure 4.7 Bris des guides d’onde observé au microscope optique. (a) Mise au point sur la position normale des guides d’onde. (b) Mise au point sur la position réelle des guides d’onde.

Indépendamment du temps de gravure et de la longueur des sections entre ancrages, en- viron 30 % des sections sont brisées. Avec 37 sections par guide d’onde, un calcul probabiliste rapide nous indique que dans cette situation, la proportion attendue de guides fonctionnels est de l’ordre de 10−6_{, un rendement beaucoup trop faible.}

Pour une raison encore mal comprise au moment d’écrire ces lignes, ce phénomène ne se manifeste que sur les guides d’onde larges (10 µm). Les guides d’onde plus étroits (1 µm, 1,5 µm et 2 µm) sont sans cassure du début à la fin dans une proportion d’environ 80 à 90 %. On émet l’hypothèse que le bris a lieu à la toute fin de la libération, lorsque la sous-gravure se rejoint des deux côtés. Le guide étroit possède une hauteur semblable à sa largeur, et répartit

les contraintes latérales sur toute la hauteur du guide. Le guide large, quant à lui, possède un faible facteur de forme, et concentre les contraintes de toute sa largeur au dernier point d’attache.

Le bris des guides larges pose un problème important au niveau de l’optimisation des pertes dans les guides d’onde. En effet, des guides d’onde plus larges ont l’avantage de rendre négligeables les pertes dues aux ancrages, de même que les pertes par diffusion.

4.2.3 Optimisation de la découpe des puces

Afin de minimiser les pertes par insertion dans les guides d’onde suspendus, les faces des guides d’onde doivent être aussi lisses et planes que possible. Le Laboratoire de Microphoto- nique a démontré par le passé qu’il était possible d’utiliser une scie de découpe (ADT 7100 provectus) avec une lame de taille de grain très fin pour obtenir un fini de surface de qualité optique dans du silicium.

Afin d’adapter le procédé à la coupe d’oxyde de silicium, plus fragile, plus cassant et sous stress compressif, des coupes sont effectuées en variant la vitesse de rotation de la lame, la taille du grain, la vitesse et la profondeur de la coupe. Les échantillons sont ensuite comparés visuellement à l’aide d’un microscope optique. Les meilleures coupes sont également observées par microscopie électronique.

Les paramètres de coupe optimaux atteints pour l’oxyde de silicium sont résumés au tableau 4.1 ci-dessous.

Tableau 4.1 Paramètres optimaux pour la coupe d’oxyde de silicium

Paramètre Valeur Commentaire

Taille du grain 3 µm (Lame 00777-8003-006-QKP, plus fine disponible) Profondeur 0,2 mm (non critique)

Rotation 45 000 RPM

Vitesse 0,2 mm/s (ou plus lent)

La figure 4.8 présente la différence entre une coupe réalisée avec les paramètres standard pour le silicium (a) et la coupe optimisée pour l’oxyde de silicium (b).

Bien que l’on constate une nette amélioration de la qualité de la coupe, une observation plus poussée en microscopie électronique (c) révèle que même dans les paramètres optimaux, l’oxyde est cassé et non coupé. Une rugosité de l’ordre de quelques centaines de nanomètres demeure présente, et la cassure n’est pas à angle droit.

(a) (b) (c)

Figure 4.8 Optimisation des coupes dans l’oxyde de silicium. (a) Coupe standard. (b) Coupe optimisée. (c) Coupe optimisée observée au microscope électronique.