Gravure humide assistée par laser

Cette technique combine l’irradiation laser UV avec une attaque chimique. Elle a été appliquée sur des matériaux technologiquement importants tels que le Si [137] et le GaN [138-140]. Le matériau est plongé dans une cellule, entouré par un acide tel que KOH, HCl, ou HF, puis exposé à une combinaison d’un champ électrique et de la lumière. La gravure se produit préférentiellement dans les zones exposées à la lumière.

Tous les travaux sur la gravure photoélectrochimique indiquent que l’action de la lumière permet de faciliter et de renforcer le processus de gravure. Cependant, I.E. Barry et al. [141] ont observé un effet opposé sur un échantillon de LiNbO3 dopé Fe. L’exposition de la face Z^- à une lumière @ 488 nm bloque plutôt la gravure de cette face. Le matériau à l’extérieur de la zone illuminée est attaqué par l’acide. Ce comportement nouveau a donné naissance à une autre technique de gravure qui s’appelle résistance à la gravure induite par irradiation laser ’’Light Induced Frustration of Etching’’ (LIFE).

Plusieurs travaux ont utilisé cette technique pour réaliser des structures sur le niobate de lithium. L’illumination peut se faire en mode continu, avec l’attaque chimique en même temps [141, 142] ou après l’exposition [143, 144], ou bien en mode pulsé [145-148]. Elle peut également être faite à travers un masque ou directement sur le cristal. Plusieurs lasers UV ont été employés pour la structuration du niobate de lithium : des lasers pulsés et des laser continus. La puissance du laser doit être inférieure au seuil d’ablation du matériau illuminé. L’attaque chimique du LiNbO3 se fait généralement avec l’acide fluorhydrique HF ou mélangé avec l’acide nitrique HF:HNO3 (1:2 par volume). Sur la figure 2.13-a est représenté la cellule utilisée pour la gravure du niobate de lithium dans le cas où l’illumination du cristal se fait parallèlement à l’attaque chimique.

L’explication du phénomène de gravure par la technique LIFE a été proposée par plusieurs auteurs [141, 142, 145, 149] : la lumière incidente libère les porteurs de charges (électrons) par interaction photoréfractive. Ces charges migrent vers la zone sombre du cristal par effet photovoltaïque. La densité de charges accumulée est présumée favoriser l’attaque de l’acide dans ces zones et la bloquer dans les zones illuminées. Le dopage du LiNbO3 par des atomes de Fer est souvent utilisé pour augmenter le nombre des porteurs de charges et l’absorption du cristal à la longueur d’onde utilisé [141, 142].

Camera CCD Lentille Echantillon Solution acide Laser UV Camera CCD Lentille Echantillon Solution acide Laser UV

Figure 2.13 : (a) Cellule utilisé pour la gravure LIFE (illumination + acide). (b) Photographie MEB des trois régions obtenues lors d’une gravure LIFE d’un cristal de LiNbO3 [141].

Le principal défaut de cette technique est lié à la présence d’une zone de gravure partielle, zone (B) sur la figure 2.13-b [141]. Cette zone constitue les parois du motif gravé et s’étend à quelques dizaines de micromètre. La taille de cette zone est fonction de la concentration en dopant, du temps de l’attaque acide et de la taille du spot laser ainsi que son intensité [142]. Dans sa configuration actuelle la technique LIFE n’est pas bien adaptée à la fabrication des structures submicromètriques.

Une autre variante de cette technique utilise l’illumination continue suivie de l’attaque acide. La face à graver est directement illuminée. S. Mailis et al. [143] ont utilisé le montage présenté sur la figure 2.14-a pour réaliser des lignes sur la surface d’un cristal de LiNbO3 non dopé. Un laser Ar⁺ doublé en fréquence @ 244 nm est utilisé pour l’irradiation du cristal, sa puissance varie antre 20 et 50 mW. Les lignes sont gravées avec une vitesse constante 3000 mm/min. L’attaque chimique est réalisée avec l’acide HF (~50%). D’après les images MEB prises pour ces structures (fig. 2.14-b), on remarque que la surface exposée à l’attaque chimique présente une rugosité élevée. Cette technique n’est pas encore applicable pour des structures submicromètriques.

B.T. Brown et al. [145] ont mené une étude comparative sur l’influence des paramètres d’irradiation : la longueur d’onde, l’intensité du laser et aussi sur l’influence de la face du cristal à graver. Ils ont utilisé différentes sources laser UV (248, 308, et 355 nm) fonctionnant en mode pulsé avec une durée de pulse de 15 ns.

(a) _(b) Zone non gravée Zone partiellement gravée

lentille Plateau contrôlé par ordinateur Laser Ar+doublé en fréquence lentille Plateau contrôlé par ordinateur Laser Ar+doublé en fréquence (a) (b)

Figure 2.14 : (a) Montage expérimental utilisé par Mailis. (b) Image MEB d’un réseau de lignes gravées sur la surface z- d’un cristal de LiNbO3

L’illumination du cristal de LiNbO3 (x-cut et z-cut) est réalisée à travers un masque sous forme de grille de Microscope Electronique à Transmission (TEM) (fig. 2.15-a). L’irradiation des deux faces z⁺-face et x-face a donné des résultats similaires. Les zones exposées à la lumière sont gravées après attaque chimique dans un bain d’acide HF:HNO3 (fig. 2.15-b).

Cristal LiNbO₃ Lentille cylindrique

Laser UV pulsé

Grille (MET) adhérée à la surface du cristal

Cristal LiNbO₃ Lentille cylindrique

Laser UV pulsé

Grille (MET) adhérée à la surface du cristal

(a) (b)

Figure 2.15 : (a) Montage expérimental utilisé par Brown. (b) Les reliefs obtenus sur la surface z+ et z- du cristal LiNbO3 avec les mêmes conditions d’exposition : 1000 tirs à 248 nm et 5h de gravure dans un bain

de HF:HNO3.

Une profondeur maximale de 0.7 µm a été obtenu sur la face x pour la longueur d’onde 308 nm. Zone exposée

Zone exposée Face-Z

ne sont pas bien définis. Ceci est du aux imperfections du masque et aux effets de diffraction du faisceau laser

Zone modifiée par la gravure

Zone non-irradiée

Zone modifiée par la gravure

Zone non-irradiée

Figure 2.16 : Reliefs d’une surface obtenus sur la face (z^-) [145]

D’après ces résultats, on peut en conclure que la technique « LIFE » n’est pas encore bien adaptée pour la réalisation des structures submicromètriques.