epitaxiale de silicium, ainsi que l’´etape de planarisation. Le reste du proc´ed´e de fabrication (´etapes 10 `
a 15) constitue les briques usuelles pour obtenir un modulateur `a jonction PN.
Dans le cas de la r´ealisation d’un modulateur complet, environ dix masques doivent ˆetre utilis´es. Pour un lot passif, les ´etapes d’implantations et de m´etallisation n’´etant pas incluses (les ´etapes 2, 11, 12, et 15 ne sont pas r´ealis´ees), seuls cinq niveaux de masque sont utilis´e pour environ 60 ´etapes de fabrication : un masque pour la cr´eation des cavit´es dans le silicium not´e SICAV, un masque associ´e `
a la cr´eation des vias dans le BOX not´e VIABOX, et trois masques d´efinissant la forme du guide et des r´eseaux de couplage (pour l’´etape 13), dont l’un sera not´e GUIDE.
Par la suite, seules les ´etapes li´ees `a la fabrication de structures passives sont consi-d´er´ees.
6.2 Conception d’un r´eticule pour des structures passives d´edi´ees
aux modulateurs capacitifs
Cette partie pr´esente les principales ´etapes de conception d’un r´eticule d´edi´e `a la fabrication de structures passives pour les modulateurs capacitifs. Elle aborde dans un premier temps certains ´
el´ements de conception propre aux modulateurs capacitifs : l’influence des vias dans le BOX sur les pertes optiques du mode se propageant dans le guide, ou les transitions entre un guide ruban et les nouveaux guides. Une vue g´en´erale du jeu de masques cr´e´e pendant cette th`ese est ensuite pr´esent´ee.
6.2.1 El´´ ement de conception propre aux modulateurs capacitifs
Influence des vias du BOX sur le guide optique
D’apr`es ce qui pr´ec`ede, le mur d’oxyde vertical est en pratique r´ealis´e lors d’une ´etape d’oxydation en bordure de cavit´e silicium. De plus, des vias dans le BOX doivent ˆetre utilis´es. Afin de r´ealiser un guide `a fente ou un guide segment´e `a partir de ce proc´ed´e, il est donc n´ecessaire (voir Figure 6.8a) :
– d’obtenir des cavit´es dans le silicium de bonne qualit´e,
– d’avoir des vias suffisamment larges par rapport `a l’´epaisseur du BOX pour assurer la reprise d’´epitaxie de silicium sans d´efaut de remplissage. Autrement dit il faut que le ratio Dvia/eBOX soit suffisant grand. Dans notre cas, Dvia est de 800 nm et eBOX vaut 1 µm.
– de rapprocher les vias au plus pr`es du bord de la cavit´e afin d’assurer la croissance jusqu’en bordure de cavit´e (revient `a minimiser Dvia → cavite),
1) Départ sur un substrat SOI 2) Implantation N 3) Dépôt d’oxyde (masque dur)
4) Gravure masque dur 5) Gravure cavité silicium Sans résine
7) Gravure du BOX (VIABOX) 8) Croissance épitaxiale 9) Planarisation
10) Oxydation 11) Implantation P en
contre dopage 12) Implantation P+/N+
13) Gravure définissant le guide 14) Encapsulation 15) Étapes de métallisation 6) Oxydation des flancs
Figure 6.7 – Sch´ema simplifi´e repr´esentant les ´etapes de fabrication d’un modulateur `a jonction capacitive verticale.
– cependant les vias ne doivent pas ˆetre trop proche, car ils risquent d’entrainer trop de pertes optiques (cela revient `a maximiser Dvia → guide).
Un compromis est donc n´ecessaire entre les deux derniers points, et comme le montre la simulation la Figure (6.8b), les pertes g´en´er´ees par les vias sont inf´erieures `a 0.1 dB/mm lorsque la distance entre le via et le guide est sup´erieure `a 0.45 µm.
En tenant compte d’un d´esalignement maximal de masque d´efinissant les vias de ±125nm (pr´ e-cision typique de l’´equipement utilis´e au CEA-Leti), c’est une distance Dvia→guide de 0.6 µm qui est utilis´ee. Une meilleure connaissance du comportement de la croissance du silicium dans les vias permettra `a terme d’optimiser cette distance.
Distance ViaBOX – Guide (µm) b) Si substrat BOX Si 𝐷𝑉𝑖𝑎 800 nm 𝑒𝐵𝑂𝑋 1 µm 𝐷𝑉𝑖𝑎→𝑔𝑢𝑖𝑑𝑒 𝐷𝑉𝑖𝑎→𝑐𝑎𝑣𝑖𝑡é a) Bord de la cavité SICAV Pert es op tiq ues (dB/mm)
Figure 6.8 – a) Sch´ema repr´esentatif des diff´erentes distances `a consid´erer lors de la conception des modulateurs capacitifs, b) ´Evolution des pertes en fonction de la distance entre le via au travers du BOX et le guide `a fente. Simulations num´eriques faites `a partir de Lumerical.
Gestion des transitions pour des guides `a fente
La principale contrainte li´ee `a la m´ethode de fabrication est que le mur d’oxyde est cr´e´e en bor-dure d’une cavit´e en silicium, donc sur une surface ferm´ee. Autrement dit, mettre le mur d’oxyde simplement au milieu du guide, c’est `a dire d’avoir une connexion bout `a bout n’est pas possible : le mur d’oxyde doit provenir d’une bordure de cavit´e. Mˆeme remarque pour l’utilisation d’un MMI 1x1 montr´e Figure (4.18).
Dans le cas d’un guide `a fente, il a ´et´e choisi de tester deux approches : amener progressivement l’oxyde au centre du guide, ou utiliser un MMI [145](voir Figure 6.9).
Guide SICAV VIABOX Niveau de masque Longueur variable (20 µm à 80 µm) Zone critique Longueur variable (10 µm à 40 µm) MMI 1x2 11 µm
Localisation du mur d’oxyde après oxydation a) b) Zone critique Guide standard Guide à fente Guide standard Guide à fente Si substrat BOX Si c) niveau SICAV niveau VIABOX
Figure 6.9 – Repr´esentation sch´ematique des deux types de transitions pour un guide `a fente avec les diff´erents niveaux de masque associ´es : a) transition simple, b) transition avec un MMI, et c) Vue en coupe de la section transverse avant l’´etape d’´epitaxie en silicium et la d´efinition du guide.
Lorsque le mur d’oxyde est amen´e progressivement au centre du guide, la partie critique de la transition se situe `a l’endroit o`u le mur d’oxyde est proche de la bordure d´efinissant le guide optique. Un compromis est alors n´ecessaire. En effet, il faut que la transition soit suffisamment longue pour obtenir des pertes optiques n´egligeables, mais il est possible qu’une partie du silicium en bordure du guide ruban et proche du mur ne soit pas bien fabriqu´ee.
du guide, une portion du guide parcourt une zone de couplage entre les modes TE/TM, et il est possible qu’une conversion de mode intervienne (voir Figure 4.17). Plus la transition est grande, plus la zone de couplage ainsi que les effets de pointes mentionn´es pr´ec´edemment risquent d’ˆetre important.
Pour quantifier ces effets, diff´erents angles et longueurs de transitions ont ´et´e impl´ement´es pour d´eterminer la meilleure configuration qui permet de r´eduire les pertes optiques de la transition. Un nombre important de variantes `a tester est impl´ement´e car des simulations num´eriques n’ont pas pu ˆetre effectu´ees. Simuler une transition de plusieurs dizaines de microns avec un mur d’oxyde inf´erieur `a 20 nm le long de l’axe de propagation est trop coˆuteux en temps de calcul.
Pour la seconde approche, l’objectif d’utiliser un MMI est de diviser la puissance optique en deux `
a la sortie des bras du composant, puis de les rapprocher pour ne reformer qu’un seul guide. Le mur d’oxyde est plac´e dans le composant au moment de la transition de deux guides vers un seul. Cette approche permet `a priori d’´eviter des ph´enom`enes de conversion de mode, mais il y a un risque de pertes suppl´ementaires suite `a l’introduction franche du mur d’oxyde dans l’un des bras de sortie du MMI.
Gestion des transitions pour des guides segment´es sub-longueur d’onde
L`a encore il n’a pas ´et´e possible d’effectuer des simulations pour optimiser ce type de transition. En cons´equence, trois variantes ont ´et´e impl´ement´ees pour les deux longueurs d’onde de fonctionnement (1310 nm et 1550 nm) :
– Une transition abrupte (Figure 6.10a) : `a cause de la faible ´epaisseur du mur, il est l´egitime d’estimer que la pr´esence de plusieurs murs fins dans une structure sub-longueur d’onde va limiter une faible d´esadaptation de mode et induire des pertes optiques limit´ees,
– Une transition sur un cˆot´e du guide (Figure 6.10b) : le mur d’oxyde est progressivement amen´e de mani`ere transverse `a la direction de propagation,
– Une transition de part et d’autre du guide (Figure 6.10c) : le mur est amen´e progressivement dans le guide des deux cˆot´es. Pour des raisons d’isolation ´electrique avec la r´egion active, il est n´ecessaire qu’`a la fin de la transition il ne reste qu’un seul cˆot´e qui soit connect´e `a la cavit´e situ´ee dans le silicium.
Guide SICAV VIABOX
Niveau de masque
a) b) c)
Figure 6.10 – Repr´esentation des diff´erentes transitions impl´ement´ees pour un guide segment´e avec les diff´erents niveaux de masque associ´es. a) Cas d’une transition abrupte, b) d’une transition progressive sur un cˆot´e, et c) d’une transition progressive de par et d’autre du guide.
Les param`etres de ces structures sont les longueurs de la transition (de 5 µm, `a 25 µm), et le nombre de transitions par motif (entre 10 et 40).
6.2.2 Pr´esentation du r´eticule
L’objectif de ce jeu de masques est de d´evelopper `a 1310 nm et `a 1550 nm les composants passifs permettant d’´evaluer les performances des guides optiques de type guide `a fente ou guide segment´e qui seront impl´ement´es dans les modulateurs capacitifs en MZI ou en anneaux r´esonants. Les motifs pr´esents sur le masque peuvent ˆetre s´epar´es en trois cat´egories :
– Les motifs de fabrication qui visent `a contrˆoler les ´etapes critiques de fabrication (lithographie, croissance du silicium, etc...),
– Les motifs passifs de la fili`ere photonique sur silicium standard au CEA-Leti, pour mesurer par exemple les pertes de propagation,
– Les nouvelles structures, `a savoir : 1) des guides ruban avec un mur d’oxyde vertical centr´e, et 2) des guides sub-longueur d’onde comprenant une suite p´eriodique de murs d’oxyde verticaux. Comme expliqu´e au chapitre 3, les zones de gravure ou d’implantation lors de la fabrication d’un composant sont d´elimit´ees ou prot´eg´ees par une couche de r´esine dont la forme est fix´ee par des masques de photolithographie. Ces masques sont r´ealis´es physiquement `a partir d’un fichier informatique, appel´e GDS, qui contient toutes les informations sur les diff´erents masques dessin´es par le concepteur. Ici, c’est le logiciel Clewin qui a ´et´e utilis´e pour cr´eer la grande majorit´e des structures. Lorsque celles-ci ´etaient trop complexes `a g´en´erer manuellement (guide segment´e courbe, ou certaines transitions), des scripts Matlab ont ´et´e utilis´es.
Pour faciliter la caract´erisation, les r´eseaux de couplage d’entr´ee et de sortie de chaque type de cellule test sont plac´es `a des distances fixes avec un ´ecart constant. L’architecture de chaque cellule est con¸cue de mani`ere `a ce que la grandeur `a caract´eriser soit observable, et que l’on puisse l’extraire `a partir des mesures. Cela passe par exemple par un choix de la longueur des guides formant les spirales, du nombre de guide courbe ou du choix du rayon de courbure, du nombre de transitions ou de MMI par cellule en fonction des pertes estim´ees, etc...
Apr`es la cr´eation des diff´erents niveaux de masque, le logiciel Cadence est utilis´e pour contrˆoler et v´erifier si des r`egles de dessin sont respect´ees. Ces r`egles sont essentielles, car elles sont associ´ees aux sp´ecifications des ´equipements de fabrication. Elles font le lien entre l’´equipe de fabrication, et l’´equipe de conception. Certaines dimensions ou motifs sont donc interdits, et il faut en tenir compte lors de la conception des diff´erents composants [167].
Lorsque les diff´erents motifs sont cr´e´es, ils sont plac´es et organis´es sur une surface pr´ed´etermin´ee. Pour ce jeu de masques, c’est une surface de 10x10 mm2 qui est utilis´ee, dont 1/4 a ´et´e attribu´ee `a l’IEF. Les guides segment´es associ´es aux structures passives de l’IEF ont une p´eriode de 120/120 nm [152]. Les diff´erents motifs propre au CEA-Leti sont r´esum´es Tableau (6.1).
En tout, plus de 50 % du masque est d´edi´e `a la caract´erisation de nouvelles structures, et environ 1/3 du masque est consacr´e `a des mesures de composants standards. La moiti´e des motifs fonctionnent `
a 1550 nm, et l’autre moiti´e `a 1310 nm. Apr`es assemblage des diff´erents composants, le r´eticule est relativement bien optimis´e, avec seulement 10% d’espace vide (voir Figure 6.11).
Cellule de contrˆole des ´etapes de fabrication
Pour ce lot, une cellule d´edi´ee `a la caract´erisation des ´etapes de fabrication a ´et´e incluse. Cette cellule est constitu´ee d’un ensemble de motifs comportant des r´eseaux de lignes/espaces de diff´erentes dimensions pour les masques SICAV ou VIABOX, allant de 120/120 nm `a 400/400 nm. Cette cellule permet de v´erifier les principaux points de fabrication, `a savoir de d´eterminer :
– les conditions de lithographie permettant de r´ealiser des r´eseaux 120/120 nm, 200/200 nm, et 175/325 nm lors de la cr´eation des cavit´es d’environ 300 nm dans le silicium.
– si une largeur de tranch´ee dans le BOX de 0.8 µm est suffisante pour permettre la croissance du silicium `a partir du substrat,
Type de motif Description
Fabrication Contrˆole des ´etapes de lithographie caract´erisation pendant la fabrication. Spirales Mesure des pertes de propagation pour diff´erents
types de guides (voir section 3.3.2) Guides Mesure des pertes par courbure de diff´erents
courbes types de guides
Mesure des pertes d’une transition entre un guide Transitions ruban et un guide `a fente ou guide segment´e.
Plusieurs variantes sont test´ees. MMI 1x2 Mesure des pertes du MMI et de l’´equilibre
entre les deux bras de sortie du composant Couplage Extrait des coefficients de couplages en fonction guide/anneau de la distance entre un guide droit et un anneau
Mach Zehnder sym´etriques et asym´etriques `a base de MZI guides `a fente ou segment´es, comportant les transitions
et les MMI.
Anneaux Matrice d’anneaux `a fentes ou segment´es avec diff´erents rayons et diff´erents coefficients de couplage.
Tableau 6.1 – Liste des diff´erents motifs impl´ement´es dans le jeu de masques d´edi´e aux composants passifs sp´ecifiques aux modulateurs capacitifs propos´es dans cette th`ese.
Spirales millimétriques Guides ruban courbes Transitions n°3 Fab Guides segmenté ou à fente courbes Transitions n°1 Transitions n°2 Transitions n°4 Guide seg. Couplages
Figure 6.11 – Vue d’ensemble d’un masque 10x10 mm2 r´ealis´e pendant la th`ese avec les diff´erentes zones d´edi´ees.
– la distance maximale que peut parcourir le silicium durant l’´epate d’´epitaxie. Pour ce masque, la distance entre les tranch´ees et le bord des cavit´es est de 1.25 µm pour la plupart des motifs du CEA-Leti, et de 3 `a 4 µm pour certains motifs de l’IEF,
– de connaˆıtre les conditions physiques optimales d’´epitaxie de silicium.