4.2 Élaboration et caractérisation des mono-couches poreuses
4.2.1 Conditions expérimentales
Lors de cette étude, les couches de silicium poreux sont réalisées par anodisation électrochimique en appliquant une densité de courant J pendant un certain temps, sur un substrat de silicium. Le substrat utilisé a une épaisseur de l’ordre de 250 µm, une orientation cristalline <100> et est de type P+ fortement dopé avec des atomes de Bore,
avec une résistivité ρ comprise entre 1 et 5 mΩ.cm.
La cellule électrolytique utilisée pour l’anodisation électrochimique et schématisée sur la figure 4.6, est réalisée en Téflon, matériau qui résiste à l’attaque corrosive du HF. L’anode est le substrat de silicium et la cathode en platine peut être soit placée sur le côté, soit parallèlement à la surface du substrat de silicium.
Figure 4.6 – Schéma de la cellule d’anodisation électrochimique en configuration (a) "cathode sur le côté" et "cathode au-dessus".
Un agitateur est placé au-dessus du substrat de silicium afin de renouveler l’électrolyte au contact du substrat de silicium au cours de l’anodisation électrochimique.
Le substrat est mis en contact avec l’électrolyte à travers un masque d’anodisation électrochimique. Deux masques sont disponibles et représentés sur la figure 4.7 ; l’un ayant une ouverture de surface égale à 3,54 cm2, l’autre égale à 11 cm2.
Figure 4.7 – Photographies de masques d’ouverture de surface égale à : 3,54 cm2 (a) et 11 cm2. (b)
L’électrolyte est constitué d’une solution aqueuse d’acide fluorhydrique et d’éthanol dans les proportions volumiques suivantes : HF (50 % ) - eau - éthanol : 2 - 1 - 2. La concentration en acide fluorhydrique obtenue est alors de 20 %.
A la fin de l’anodisation électrochimique, les échantillons sont rincés à l’eau désionisée et séchés à l’azote.
Selon la position de l’électrode en platine, la couche poreuse est plus ou moins homo- gène en épaisseur et en porosité. En plaçant l’électrode parallèlement au substrat, la zone homogène est plus grande que lorsque l’électrode est placée sur le côté, comme l’illustre la figure 4.8.
Figure 4.8 – Profils d’épaisseur de la couche poreuse pour une ouverture de masque de 3.54 cm2 en fonction de la position de l’électrode (a) sur le côté et (b) au-dessus, à 1 cm
du substrat, pour une ouverture de 3,54 cm2.
Celle-ci est encore plus importante lorsque l’ouverture du masque utilisé a une surface de 11 cm2. La zone homogène est estimée à 20 % quelque soit la surface de l’ouverture
La position de l’électrode influe sur les lignes de courant et donc sur l’homogénéité de la porosité, de la vitesse d’anodisation et de l’épaisseur de la couche de silicium poreux. Il convient donc d’étalonner la porosité et l’épaisseur de la couche de silicium poreux formée dès lors que la configuration de l’électrode est modifiée.
4.2.1.1 Paramètres expérimentaux - configuration électrode "sur le côté" Dans les études précédents ces travaux, l’électrode était placée en configuration "sur le côté". Afin d’augmenter et de centrer la zone homogène, la configuration "au-dessus" a été adoptée au cours de la thèse. Ainsi, comme nous le verrons, des premiers micro- résonateurs en silice poreuse sont réalisés dans la configuration "sur le côté" avec des indices de réfraction bien connus.
Pour la réalisation de guides d’onde, deux couches sont nécessaires, l’une constituant la couche de cœur et l’autre la couche de confinement inférieur. Ainsi nous donnons ci-après dans le tableau 4.2 les conditions expérimentales et les indices de réfraction de chacune des couches.
Tableau 4.2 – Paramètres d’anodisation électrochimique et caractéristiques des couches de silicium poreux étudiées - configuration "sur le côté".
Densité de courant J (mA/cm2) Durée t (s) Épaisseur e (µm) Vitesse v (nm/s) Porosité p (%) Indice de réfraction n 50 130 4,4 ± 0,1 34 ± 1 62 ± 2 1,78 ± 0,06 100 90 5,4 ± 0,1 60 ± 1 74 ± 2 1,53 ± 0,06
Ces couches sont ensuite totalement oxydées dans un four Pyrox à chauffage par effet Joule. L’oxydation des couches de silicium poreux réalisées se déroule en deux étapes :
— une pré-oxydation à 300◦C pendant une heure, permettant de stabiliser la structure.
— une oxydation à 960◦C pendant une heure et demie afin d’obtenir de la silice
poreuse.
Les différentes étapes d’oxydation sont effectuées dans un four dans lequel circule de l’oxygène et qui comprend cinq zones chauffantes contrôlées chacune par un thermocouple. Les échantillons sont placés dans un tube en quartz systématiquement dans la même zone. La température de cette zone est commandée par un programmateur de consigne. Le système de régulation permet de définir des paliers et des rampes de température jusqu’à 960◦C avec une précision de ± 5◦C.
Au terme de l’oxydation thermique, nous obtenons des couches de silice poreuse. Le tableau 4.3 résume les caractéristiques finales des couches poreuses.
Tableau 4.3 – Paramètres d’anodisation électrochimique et caractéristiques des couches de silice poreuse étudiées.
Densité de courant J
(mA/cm2) Épaisseur e (µm) Porosité p (%) Indice de réfraction n
50 6 ± 0,1 32 ± 2 1,30 ± 0,01
100 4,9 ± 0,1 50 ± 2 1,22 ± 0,01
La mise au point de la réalisation technologique des guides d’onde ridges en silice poreuse constituant le micro-résonateur sera effectuée dans la suite à partir de ces deux couches poreuses bien définies.
4.2.1.2 Paramètres expérimentaux - configuration électrode "au-dessus" La nouvelle configuration "au-dessus" a été utilisée au cours de la thèse après la mise au point du procédé technologique afin d’obtenir une zone homogène plus centrée et plus grande. Par ailleurs, dans le but de déterminer la gamme d’indice qu’il est possible d’ob- tenir à partir de la nouvelle configuration d’électrode, différentes densités de courant et différents traitements thermiques nécessaires à la stabilisation du silicium poreux et en- gendrant une oxydation partielle ou totale des couches poreuses ont été étudiées.
Cette nouvelle configuration a nécessité le ré-étalonnage des indices de réfraction des mono-couches.
Ainsi, des densités de courant de 30, 50, 70 et 100 mA/cm2 sont étudiées avec une
durée d’anodisation paramétrée de façon à obtenir des mono-couches poreuses autour de 2 ou 5 µm d’épaisseur.
Ces échantillons sont ensuite soumis à différents traitements thermiques répertoriés dans le tableau 4.4. Comme nous l’avons vu, il est important d’effectuer une première étape de pré-oxydation à 300◦C pendant une heure afin de stabiliser la couche poreuse ; aussi, tous les traitements étudiés comportent cette étape 1. La seconde étape d’oxydation, hormis le traitement n◦1, se réalise quant à elle à plus haute température variant de 500 à 960◦C, soit sous air, soit sous oxygène.
Tableau 4.4 – Les étapes des différents traitements thermiques d’oxydation.
Traitement n◦ 1 2 3 4 5 6
Etape n◦ 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
Température T (◦C) 300 - 300 500 300 750 300 750 300 850 300 960
Temps (min) 60 - 60 5 60 5 60 5 60 5 60 90