Dépôt de la sous-couche conductrice

La réalisation de microdispositifs par voie électrolytique nécessite au préalable une couche d’amorçage conductrice de faible résistivité (quelques µΩ.cm) d’une centaine de nanomètres d’épaisseur. Le choix d’utiliser le cuivre est motivé par sa faible résistivité, son faible coût, sa bonne sélectivité de gravure avec le nickel et son utilisation en tant que matériau sacrificiel. Une sous-couche de titane d’une dizaine de nanomètres est nécessaire pour assurer l’adhérence de la couche de cuivre sur le verre [Russell, 1995].

III.4.2.2. Principe de la pulvérisation cathodique

La pulvérisation cathodique est une technique de dépôt qui se base sur le phénomène d’éjection d’atomes de la surface d’un matériau (communément appelée la cible ou cathode) à partir du bombardement d’espèces chargées. Pour cela, une polarisation négative est appliquée sur la cible en présence d’une atmosphère raréfiée d’argon (Figure III.14(i)). Ceci conduit à la création d’un plasma froid. Les ions Ar+ présents dans le plasma sont accélérés dans la gaine cathodique et acquièrent une énergie cinétique qu’ils libèrent lors de leur collision avec la surface de la cible. Cette collision peut entrainer l’éjection d’un atome dont l’énergie cinétique moyenne est de l’ordre de 1 eV. Les atomes sont ensuite projetés vers le substrat, formant une couche mince. La collision entre les ions Ar+ et la cible peut être également à l’origine d’autres phénomènes tels que l’implantation de l’ion incident, sa réflexion après neutralisation par transfert de charge ou l’émission d’électrons. Ces derniers permettent d’entretenir le plasma en transférant une partie de leur énergie aux atomes qui peuvent s’ioniser. Les électrons rétrodiffusés, très énergétiques, peuvent aussi générer de nombreux sites de nucléations. Les films ainsi formés sont généralement très adhérents et très compacts.

III.4.2.3. Paramètres de dépôt

Avant le dépôt de la sous-couche conductrice, les substrats sont nettoyés par trempages successifs d’une durée de 3 min chacun dans de l’acétone, de l’éthanol, un mélange piranha H2S04 :H202 (3 :1) et enfin de l’eau déionisée. Finalement le substrat est nettoyé sous flux d’azote.

Les dépôts ont été effectués dans le bâti Denton Sputtering System Explorer 14 composé de trois cathodes équipées d’un système de pulvérisation magnétron (avec champ intense sur la cathode n°2). La pulvérisation magnétron consiste en un système d’aimants permanents de polarité magnétique différente, placés sous la cible afin de créer un champ magnétique intense au niveau de la cathode, ce qui permet d’augmenter la probabilité que des électrons rencontrent des atomes d’argon et les ionisent.

Chapitre III :

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Il en résulte une vitesse de dépôt plus élevée (Figure III.14(ii)). Les paramètres de dépôts finaux sont indiqués dans le Tableau III.14.

(i) (ii)

Figure III.14 : Le principe de la pulvérisation cathodique. (i) schéma du bâti (ii) principe de la pulvérisation magnétron.

Tableau III.3 : Paramètres du dépôt de la bi-couche titane/cuivre par pulvérisation cathodique. Avant dépôt la pression résiduelle de l’enceinte est de 2.10-6 mbar. Le plateau tourne à une vitesse de 2 tours/min (30%). Métal _Cathode ^N° _{décapage (s)} ^{Temps de Temps de} _{dépôt (s)} ^{Intensité DC} _(mA) ^Puissance _(W) Pression Epaisseur

Ti 1 600 200 200 ≈70 8 µbar ≈ 20 nm

Cu 2 250 250 400 ≈150 2 µbar

(optimisée §

III.4.2.4). ^{≈ 150 nm}

III.4.2.4. Etude des contraintes de la sous-couche

Afin d’anticiper les problèmes de contraintes liés à la superposition de couches de différents matériaux, nous avons cherché à réduire la contrainte résiduelle des dépôts de Ti/Cu. La contrainte dans le film 𝜎_{𝑓𝑖𝑙𝑚} peut être approximée par la relation de Stoney (III.2), où 𝐸_{𝑠𝑢𝑏𝑠} est le Module d’Young du substrat, 𝜈_{𝑠𝑢𝑏𝑠} est le coefficient de Poisson du substrat, ℎ_{𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡} est l’épaisseur du substrat, ℎ_{𝑓𝑖𝑙𝑚} est l’épaisseur de la couche mince, 𝑅 est le rayon de courbure après dépôt, 𝑅₀ est le rayon de courbure avant dépôt. 𝜎𝑓𝑖𝑙𝑚=¹ 6^∙ ℎ_{𝑠𝑢𝑏𝑠}² ℎ𝑓𝑖𝑙𝑚 ∙ (¹ 𝑅⁻ 1 𝑅0 ) ∙ ^{𝐸𝑠𝑢𝑏𝑠} (1 − 𝜈_{𝑠𝑢𝑏𝑠}) (III.2)

Le rayon de courbure avant et après dépôt a été mesuré par balayage laser (FSM 8800, Frontier Semiconduteur Measurements). Les mesures de contrainte ont été réalisées sur des substrats de 2 pouces de diamètre afin de préserver des conditions de croissances identiques à celles du développement des dispositifs. L’épaisseur de la couche mince ℎ_{𝑓𝑖𝑙𝑚} a été mesurée par profilométrie optique (Microsurf 3D, Fogale Nanotech). Les échantillons sont disposés dans la chambre comme indiqué sur la Figure III.15.

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Figure III.15 : Schéma de positionnement des substrats. Les méplats sont dirigés vers l’intérieur.

Le principal paramètre connu pour influencer la contrainte d’une couche mince par pulvérisation cathodique est la pression du gaz d’argon au cours du dépôt. Nous avons fait varier cette pression entre 2 µbar (0,2 Pa) et 8 µbar (0,8 Pa). En dessous de 2 µbar, le plasma n’est pas stable ce qui se traduit par un clignotement lumineux.

En augmentant la pression de dépôt dans la chambre on observe plusieurs phénomènes:

- Une légère décroissance de la vitesse de dépôt : elle est de 34 nm/min à 8 µbar contre 40 nm/min à 2 µbar. En augmentant la pression d’argon lors du dépôt, le libre parcours moyen des atomes est réduit ce qui induit une diminution de l’énergie cinétique des ions Ar+. - Une diminution de la puissance sur la cible : elle est de 122 W à 8 µbar et de 152 W à 2 µbar. - Une augmentation de la contrainte : sur des substrats de silicium dont la surface est oxydée sur

100 nm, le film est d’abord en compression, puis en tension (Figure III.16). Lorsque le substrat est positionné au centre de la chambre (par exemple lorsque l’on effectue un dépôt sur un substrat 4 pouces), la contrainte augmente également mais est toujours en tension. Ces résultats, en accord avec les tendances issues de la littérature [Pletea, 2005], nous permettent d’en déduire qu’il est préférable d’effectuer des dépôts en limite de plasma (2 µbar).

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III.4.2.5. Etude de la résistivité de la couche

Nous avons observé que la résistivité de la couche de cuivre augmentait légèrement avec l’augmentation de la pression d’argon. Pour un substrat en verre, la résistivité est de 5,0 µΩ.cm lorsque la couche est déposée à 2 µbar tandis qu’elle est de 6,8 µΩ.cm lorsque la couche est déposée à 8 µbar. La résistivité obtenue est par ailleurs supérieure à la résistivité du cuivre massif (1,7 µΩ.cm, [Gieck, 1986]). Cet écart de résistivité entre les couches minces et le matériau massif est habituel et n’est pas critique pour notre étude. Elle est attribuée à la diffusion des électrons due aux défauts de type dislocation entre les grains [Johnson, 1990].

(i) (ii)

Figure III.16 : Etude de la contrainte en fonction de la pression d’argon pour des dépôts de films de Cu sur substrats de silicium (i) Résultats expérimentaux obtenus. Chaque point correspond à un échantillon différent

(ii) Résultats de [Pletea, 2005] sur des films de cuivre de 300 nm déposés à une vitesse de 0,1nm/s.

Figure III.17 : Etude de la résistivité en fonction de la pression d’argon pour des substrats en verre et des substrats en silicium dont la surface est oxydée sur 100 nm.

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III.4.2.6. Gravure des croix de référence

L’alignement des différentes couches composant le microsystème est nécessaire à l’empilement de couches. Pour cela, on aligne des motifs présents sur le masque de photolithographie (appelés croix d’alignement par la suite) à des motifs complémentaires présents sur le substrat (appelés croix de références par la suite).

Au départ, nous avions opté pour la gravure des croix de références sur le substrat de verre. Cependant, les faibles vitesses de gravure (< 7 nm/min) [Thiénot, 2006] et la non répétabilité des gravures ioniques réactives nous a finalement poussé à exclure cette solution. L’autre voie commune de gravure du verre en milieu liquide, à base d’une solution tampon d’acide fluorhydrique (HF) et de fluorure d’ammonium (NH4F), ne permet pas d’avoir des croix de résolutions suffisantes à l’alignement de dizaines de couches. Nous avons donc opté pour la structuration des croix de référence dans la sous-couche conductrice.

On peut envisager deux méthodes : la structuration des croix par technique de « lift-off » ou la gravure humide des croix de référence dans la sous-couche (Figure III.18). Dans le premier cas, la photolithographie est effectuée avant le dépôt tandis que dans le second elle est réalisée après le dépôt

Nous avons opté pour la deuxième solution (Figure III.18(ii)) pour plusieurs raisons :

- L’adhérence de la couche Ti/Cu. Nous avons observé des décollements au niveau de la sous-couche pendant le polissage lorsque la sous-sous-couche était déposée par lift-off. Par ailleurs, plusieurs tests d’adhérence effectués sur les couches Ti/Cu avec un adhésif (Scotch Crystal, 3M) ont montré que celle-ci était très bonne, à condition que le substrat soit nettoyé et sec. En choisissant d’effectuer une gravure humide, on maintient le substrat propre entre l’étape de nettoyage des substrats et l’étape de dépôt.

- L’adhérence des croix sur le verre. Pour s’en assurer, le procédé est plus long et plus fastidieux. En effet, l’étape de lift-off nécessite un recuit du substrat de 15 minutes à 200 °C, un traitement par plasma O2 et l’ajout d’une couche d’adhérence HMDS avant de déposer la résine réversible AZ5214 pour le lift-off. Par ailleurs, un séchage délicat sous faible flux d’azote après développement de la résine est nécessaire.

Après la gravure humide du cuivre, il reste la couche de titane. Cette dernière ne pose pas de problème pour la suite de la fabrication.

La Figure III.19 montre un substrat avec gravure des croix de référence. On peut également voir sur cette photo trois cercles gravés correspondant aux références de polissage et qui seront abordées plus

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loin (§ III.4.5.3). L’emplacement des croix d’alignement a été choisi de manière à permettre un alignement en face avant et en face arrière.

(i)

(ii)

Figure III.18 : Procédés de structuration des croix de référence de la sous-couche (i) Structuration par « lift-off » (ii) Structuration par gravure humide.

(ii) (iii)

Figure III.19 : Gravure des croix de référence (i) Photographie de l’emplacement des croix sur le substrat. La référence de polissage sera abordée par la suite (ii) Image par Microscopie optique d’une croix d’alignement.

Nous profitons également de cette étape de gravure pour enlever la sous-couche métallique présente sur les flancs de l’échantillon. En effet, il résulte de la présence de la sous-couche un dépôt électrolytique de nickel et de cuivre sur les flancs, se prolongeant jusqu’à la face arrière et supprimant la bonne planéité du substrat (Figure III.20). Celle-ci est nécessaire pour l’utilisation de la plupart de l’instrumentation nécessitant une aspiration sous vide (polissage, enrésinement, alignement).

(i) (ii)

Figure III.20 : Conséquence de la pulvérisation cathodique sur les flancs du substrat (i) après pulvérisation cathodique (ii) Après plusieurs croissances électrolytiques on observe un dépôt en face arrière.

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