Fabrication de guides à faibles pertes

Mode fondamental TM0 d'ordre supérieur Région où Région multimode Zone de coupure

Mode fondamental TE0

TE0 et TM0 coexistent

Premier mode

Figure 1.29 – Suivi des modes fondamentaux quasi-TE et quasi-TM et des différentes zones de fonctionnement en fonction de la longueur d’onde et de la largeur du guide.

1.4.3 Fabrication de guides à faibles pertes

Choix du type de substrat et croissance des couches

Pour minimiser les pertes matériaux se résumant principalement aux pertes d’ab-sorption par porteurs libres, la population de porteurs libres et par conséquent le dopage des couches semi-conductrices doivent être minimisés. Le choix de la qualité du substrat est aussi important que celle des matériaux des couches supérieures. La croissance des LCQ est réalisée sur substrat d’InP dopé soufre ou étain, apportant un dopage de type n et des électrons supplémentaires dans la maille cristalline. Le dopage est typiquement de 10¹⁷− 1018 cm⁻³ en fonction de la longueur d’onde visée et de la contrainte résultante apportée par la composition des puits et des barrières. Les porteurs présents introduisent des pertes par absorption de porteurs libres. Dans le cas de composants actifs, ces pertes sont largement négligeables devant le gain du

1.4. Développement d’une filière III-V pour guide passif

laser. Cependant, pour un composant passif, ces pertes ne sont pas compensées et limitent les performances des fonctions passives. Pour éliminer ces porteurs libres, il est possible de créer des états dans la bande interdite captant les électrons et vidant la bande de conduction. Le dopage par des atomes de fer réalise bien cette fonction en créant des états profonds dans le gap, les niveaux dominants de stockage des électrons et des trous se trouvant à 0,20 eV et à 1,12 eV respectivement de la bande de conduction. L’ion Fe²⁺ occupant un site d’indium cationique dans le réseau InP joue le rôle de piège à un électron. La concentration en porteurs libres chute à seulement 109cm⁻³ et la résistivité augmente à 1 − 3 · 107 Ω.cm à température ambiante pour rendre l’InP semi-isolant [86–88]. Nous avons mesuré le spectre de transmission d’un substrat aminci d’InP dopé fer (figure 1.30). La transmission est relativement constante entre 2 et 12 µm sans montrer de hausse caractéristique de l’absorption par porteurs libres à hautes longueurs d’onde. La présence de pics au-tour de 10 µm est attribuée aux premières absorptions faisant intervenir plusieurs phonons optiques et acoustiques [89].

Longueur d'onde (µm) 3 6 9 12 15 18 21 24 Transmission 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Figure 1.30 – Spectre de transmission de l’InP dopé fer en fonction de la longueur d’onde entre 2 et 25 µm mesuré à 20^◦C.

La croissance des couches suivantes est réalisée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM). Les éléments à déposer sont amenés sous forme d’organométalliquues et permettent la croissance rapide et reproductible de couches semi-conductrices d’épaisseurs plus élevées. Les couches sont mono-cristallines et suivent l’orientation donnée par le substrat. Les substrats après croissance sont compatibles avec la croissance de zone active pour LCQ. Le dopage résiduel présent dans le bâti de EPVOM est proche de 10¹⁴cm⁻3. Les pertes par porteurs libres dans le substrat et dans les couches sont ainsi limitées.

Gravure humide

La gravure humide consiste à maitriser une réaction chimique impliquant le pro-duit gravant et le matériau gravé. Les profils de gravure sont généralement isotropes, donnant des parois très lisses mais des cotes difficiles à respecter. La différence de sélectivité de la gravure entre les matériaux favorise l’apparition de plan cristallin. Il est également difficile de suivre le profil et l’épaisseur atteinte pendant la gravure car

les conditions exactes de gravure (température, renouvellement des espèces, vieillis-sement de la solution) sont difficiles à contrôler.

Le procédé de fabrication présenté sur la figure 1.31 est composé de quatre étapes. Une enduction d’une résine photosensible est réalisée. Cette résine est exposée à de la lumière UV à travers un masque définissant des guides d’onde de plusieurs largeurs. L’échantillon est plongé dans une solution basique de développement pour retirer la résine exposée seulement au niveau des motifs de tranchées. La troisième étape consiste en la gravure des couches semi-conductrices par une solution chimique com-posée d’acide nitrique, d’acide bromhydrique et d’eau dans les proportions 1/1/10 pour une une vitesse de gravure d’environ 800 nm/min. La résine n’est pas attaquée pendant l’attaque chimique. Le suivi de gravure peut se faire par suivi au profilo-mètre mécanique de la profondeur de gravure ou par suivi de la largeur du guide au microscope optique. La méthode la plus précise mais destructive consiste à cliver le guide et à mesurer à la facette la profondeur gravée au microscope. Le retrait de la résine est réalisé dans un bain d’acétone, suivi d’un rinçage à l’iso-propanol. Un nettoyage par plasma d’oxygène est utilisé en fin de procédé pour éliminer les dernières traces de résine.

(a) (b) (c) (d)

Résine

Figure 1.31 – Procédé de fabrication des guides d’onde par gravure chimique. (a) Résinage, (b) insolation et développement, (c) gravure chimique, (d) retrait de la résine.

Le profil semi-sphérique classique de la gravure chimique est observé sur la figure 1.32(a). Un renfoncement au niveau de l’InGaAs est présent, lié à des vitesses de gravure différentes selon les matériaux. Néanmoins, le profil reste invariant dans la direction de propagation et est a priori peu dommageable pour la propagation du mode. Nous observons une légère rugosité sur les flancs (figure 1.32(b)) moindre que dans le cas de la gravure sèche. Il est toutefois difficile de contrôler avec précision la géométrie des guides, et de ce fait l’indice effectif.

20µm 4µm

(b)

(a)

Figure 1.32 – Photos MEB du profil de guide après gravure chimique de 8 minutes dans un bain de HNO₃/HBr/H₂O en proportions 1/1/10.

1.4. Développement d’une filière III-V pour guide passif

Gravure sèche

Le procédé de fabrication par gravure sèche de la figure 1.33 comporte six étapes. A partir du substrat comportant les couches de semi-conducteurs, un masque dur est déposé en prévision d’une gravure physique profonde. Les résines ne sont pas assez résistantes pour conserver les côtes de départ et être facilement enlevées après gravure. Il faut alors choisir un masque dur dont la vitesse de gravure sera plus faible que la vitesse de gravure des matériaux semi-conducteurs du guide. Un masque dur de silice déposé par PECVD et d’une épaisseur de 1 µm assure cette fonction. Le matériau du masque doit alors être retiré sélectivement en gardant à l’esprit que la rugosité des flancs du guide est fortement dépendante de la qualité du masque. Un masquage en résine pour l’ouverture de la silice nous donne lors de nos premiers tests une rugosité trop importante. Nous avons utilisé à la place un masque de Ti/Pt défini par un lift-off. Des essais sur des masques en Ti seul et sur différents épaisseurs de platine pour le couple Ti/Pt ont été réalisés. La compatibilité avec le programme d’ouverture de la silice, nous a conduit aux épaisseurs suivantes. Après un premier masquage en résine, un dépôt anisotrope d’une couche de Ti de 10 nm suivi d’une couche de Pt de 50 nm est réalisé. Le passage dans l’acétone enlève alors le métal aux endroits que nous voulons graver. Le matériau du masque dur est alors gravé par gravure RIE en CHF₃. Un bon procédé d’ouverture du masque dur est aussi obligatoire. Le guide est ensuite gravé dans un bati ICP. Le masque métallique ne résiste pas à la gravure ICP et aucune trace de métal n’est présente en fin de gravure. La dernière étape consiste à retirer le masque de SiO₂ absorbant fortement au dessus de 3,8 µm, par gravure chimique dans un bain d’acide fluorhydrique ou encore par gravure physique en RIE en gaz CHF₃.

(b) (f) (a) Silice (e) (c) Ti/Pt (d)

Figure 1.33 – Procédé de fabrication de guides d’onde par gravure sèche. (a) Dépôt du masque dur, (b) résinage, insolation et développement, (c) dépôt du masque métallique, (d) lift-off et ouverture du masque dur, (e) gravure ICP et (f) retrait du masque dur.

La gravure sèche de la surface précédemment définie et ouverte se fait par bom-bardement d’ions dans un bâti de gravure ICP. L’application d’un champ électrique entre deux électrodes de tailles différentes entraînent le déplacement des ions à l’in-térieur de la chambre du réacteur. Sous l’effet de l’impact, deux mécanismes de gravure ont lieu à la surface du semi-conducteur : l’attaque par les radicaux libres et par bombardement ionique. Les radicaux libres présents dans le gaz sont des es-pèces chimiques ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons lors de la création du plasma. La présence de liaisons incomplètes rend la molécule très réactive. Elle

interagit avec la surface pour la graver chimiquement et former des produits de ré-action volatiles qu’il faut ensuite évacuer. Le deuxième mécanisme permet d’obtenir l’anisotropie de la gravure en apportant de l’énergie au fond de la tranchée. Par ap-plication d’une différence de potentiel, les ions présents dans le gaz sont accélérés et impactent la surface de l’échantillon. Il y a alors gravure physique par pulvérisation des espèces en surface pour donner un profil vertical.

La gravure par ICP de tranchées profondes a été étudiée pour la réalisation de circuits photoniques à 1,55 µm. Différents mélanges de gaz présentent des carac-téristiques propres. Par exemple, la gravure à base de Cl₂/N₂ permet de passiver la surface après gravure mais reste lente et peu sélective. Le mélange Cl₂/CH₄/H₂ entraîne la formation de polymère et de composés carbonés sur la surface gravée qui doivent être retirés régulièrement pendant la gravure à l’aide de plasma d’O₂. Le mélange donnant les meilleurs résultats est sans doute le Cl₂/Ar/H₂. La gravure anisotrope est atteinte par l’équilibre entre la gravure chimique du couple Cl₂/H₂ et la gravure physique provenant du bombardements d’ions Ar [90]. En utilisant le même procédé que pour la gravure des rubans LCQ, nous obtenons des profils très arrondis semblables à ceux obtenus lors d’une gravure chimique. Nous attribuons cette différence par l’emploi de substrats dopés fer, à comparer aux substrats des LCQ, généralement dopés à l’étain ou au soufre. La présence de fer rend l’InP semi-isolant et l’évacuation des charges et le plasma généré par le champ électrique en sont affectés. Une adaptation du procédé de gravure est nécessaire.

Nous avons choisi de graver l’InP avec un plasma composé d’ions chlorés Cl₂ réagissant activement avec l’indium et le phosphure des couches III-V. Le plasma forme des radicaux chlorés pour créer les espèces volatiles InCl_x et PCl_x. Cette ré-action est en autre exothermique. Un chauffage du substrat est nécessaire pour que la réaction chimique soit efficace. Une augmentation de la puissance ICP pour as-sister la désorption par bombardement ionique est parfois nécessaire à l’activation de cette réaction [91]. Le plus souvent, le substrat est chauffé pour rendre plus vola-tiles les radicaux libres produits en début de gravure, comme l’InCl₃. Les produits de la réaction résidant à la surface passent alors d’InCl₃ en majorité à un mélange d’InCl₂, d’InCl et d’halogénures In_xCl_y. Ces composés se désorbent plus facilement que l’InCl₃. De plus, la vitesse de gravure augmente en fonction de l’augmentation de la volatilité des halogénures à haute température. De façon similaire, une baisse de la pression dans la chambre aura pour conséquence de baisser la pression de vapeur saturante pour l’InCl₃ et d’augmenter sa volatilité [92]. Les sous-produits du phos-phore PCl_x sont quant à eux volatiles à température ambiante et sont rapidement évacués pendant la gravure.

Les gravures ont été réalisées sur le bâti ICP RIE Alcatel présent au III-V Lab. Bien que réduisant la rugosité et augmentant la vitesse de gravure, une température élevée ne peut pas être imposée au porte-substrat en silicium pendant la gravure. Un système de régulation impose au porte-substrat une température de 20^◦C. Plusieurs tests ont été réalisés pour la gravure de l’InP : Fe (tableau 1.4). Nous avons com-mencé par un plasma composé de H₂/Ar/Cl₂ dans des proportions de 3,4/9,9/1,5 sccm (Standard Cubib Centimeter/Minute) pour une source ICP de 1200W, une source RIE de 250 W pour une tension résultante de 50 V. La pression dans la chambre est maintenue à 0,15 mTorr. Une gravure de dix minutes est réalisée sur l’ensemble des échantillons de cette section. Le premier résultat de gravure est

mon-1.4. Développement d’une filière III-V pour guide passif

tré sur la figure 1.34(a). La gravure est peu rapide et le fond de la tranchée a une rugosité élevée. Le deuxième test consiste en une réduction de l’argon pour diminuer la composante physique de la gravure et augmenter la vitesse de gravure par réaction chimique. En augmentant la proportion d’ions chlorés dans le plasma, la présence de plus de radicaux libres dans la chambre augmente la composante de gravure chi-mique. Nous constatons une amélioration en terme de profondeur de gravure (figure 1.34(b)).

6µm 10µm

(a) (b)

10µm

(c)

Figure 1.34 – Images MEB des guides d’onde après 10 min de gravure en utilisant (a) le procédé 1, (b) le procédé 2, (c) 1 min du procédé 1 suivi de 9 min du procédé 2.

Il reste cependant une forte rugosité de fond de tranchée, couplée à l’apparition de piliers. Ces piliers sont attribuées à la présence en trop grande quantité de pro-duits de réaction. Comme mentionné précédemment, la température de la chambre ne peut être régulée qu’à 20^◦C. La pression de vapeur saturante de l’InCl₃ étant trop importante, il faut amener plus d’énergie en début de gravure pour éliminer rapidement ce sous-produit. C’est ce que nous avons fait lors de la troisième gravure en utilisant un programme mêlant les deux précédents. La gravure commence par une minute de gravure physique afin d’activer par bombardement ionique la gravure et de remplacer les halogénures HCl₃ à la surface par des produits HCl₂ et HCl plus volatiles. La deuxième étape reprend une concentration de 4,9 sccm d’argon et de 3,4 sccm de chlore possédant une composante de gravure plus chimique. Le fond de gravure est maintenant très propre (figure 1.34(d)). Le profil est vertical avec un léger pied de gravure se trouvant éloigné de la couche guidante et donc interagissant de façon limitée avec le mode optique. Ce procédé sera conservé pour la gravure de tous les guides InP de ce manuscrit. La vitesse de gravure déterminée à partir de l’analyse du suivi par interférométrie est estimée à 960 nm/min dans l’InP et à 1080 nm/sec dans l’InGaAs, pour une sélectivité InP : SiO₂ proche de 12.

Procédé H₂/Ar/Cl₂(sccm) P_{ICP −RIE} (W) Tension (V) P (mTorr)

1 3,4 / 9,9 / 1,5 1200-250 50 0,15 2 3,4 / 4,9 / 1,5 1200-250 50 0,15

Tableau 1.4 – Description des deux procédés utilisés pour la gravure des guides III-V sur substrat d’InP dopé fer.