b Gravure ICP-RIE du diamant

La gravure ionique par plasma à couplage inductif ou Inductively Coupled Plasma Reactive Ion

Etching (ICP-RIE) est une méthode de gravure sèche qui associe les deux mécanismes

élémentaires de gravure : la gravure chimique où l’attaque de la surface se fait par des espèces chimiquement réactives, en général isotrope, et la gravure physique due au bombardement d’ions, en général anisotrope.

29 Le schéma d’un bâti de gravure ICP-RIE est représenté sur la Figure I.6. Un plasma est généré par une source RF via un couplage inductif (source ICP) dans une enceinte à basse pression et un dispositif d’introduction des gaz permet d’ajouter les espèces à un débit contrôlé. Une deuxième source RF permet de polariser le substrat afin d’accélérer les espèces ioniques vers l’échantillon à graver. L’électrode sur laquelle est fixé l’échantillon à graver est contrôlée en température.

Figure I.6 Schéma du bâti de gravure ICP-RIE

Les critères permettant de juger de la qualité d’un procédé de gravure RIE sont :

• La vitesse de gravure vg définie par le rapport de la profondeur gravée et du temps de

gravure :

𝑣_{_} =𝑃𝑟𝑜𝑓𝑜𝑛𝑑𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑢𝑟𝑒

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑢𝑟𝑒 (µm/min)

Équation I.5

• La sélectivité S :

La gravure localisée d’un matériau implique le masquage des zones à ne pas graver par un autre matériau qui servira de couche de protection. La sélectivité du procédé de gravure décrit sa capacité à graver de manière préférentielle le matériau par rapport au masque choisi. Cette sélectivité est estimée par une série de trois mesures. On mesure d’abord la hauteur du masque avant gravure (A), puis la hauteur du masque après gravure + profondeur de gravure (B), et enfin la profondeur de gravure après avoir enlevé le restant du masque (C). Ces hauteurs sont représentées sur le schéma de la Figure I.7.

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Figure I.7 Schéma d'un échantillon à graver et de son masque a) avant gravure, b) après gravure, c) après enlèvement du masque

On peut alors calculer la sélectivité en utilisant l’Équation I.6.

𝑆 = 𝐶

𝐴 − (𝐵 − 𝐶)

Équation I.6

• Le profil de gravure :

Selon le caractère isotrope ou anisotrope de la gravure, les flancs des ouvertures réalisées sont caractérisés par une pente plus ou moins verticale dont on peut mesurer l’angle.

Outre le profil des flancs, il est possible d’observer et de mesurer un effet de creusement intempestif au pied de gravure (aussi appelé trenching) comme illustré sur la Figure I.8.

Figure I.8 a) Échantillon avec son masque b) échantillon après la gravure avec une sur-gravure au pied de gravure et c) Photo MEB du phénomène de trenching

• La rugosité de surface :

Des irrégularités de surface peuvent apparaitre lors de la gravure, en fonction de la capacité du procédé à attaquer un matériau préférentiellement selon certaines orientations cristallines ou défauts cristallins (dislocations par exemple). Ceci va altérer la rugosité de surface du matériau. De plus, un effet de micro-masquage peut également entrer en jeu si des particules de matériau de masquage se redéposent sur la surface de l’échantillon pendant la gravure. Ce phénomène va également altérer la rugosité de surface du matériau.

Ces paramètres sont donc à prendre en compte pour évaluer les différents types de gravure ICP- RIE utilisés sur les échantillons de diamant. Ces gravures font généralement intervenir de l’oxygène qui va réagir avec le carbone pour former du COX. On distingue alors plusieurs

chimies de gravure :

31 La gravure au dioxygène ne permettait jusqu’à récemment que d’obtenir des vitesses de gravure lentes (de l’ordre de 45nm/min [Wade06]). Cependant, une étude récente de [Toros18] démontre qu’il est possible d’atteindre des vitesses de gravure de l’ordre de 0,5µm/min avec un plasma O2 à haute intensité (puissance ICP de 2000W, polarisation du substrat de 200W et

100sccm d’O2). La sélectivité avec le masque en Al/SiO2 est de 1:50, les profils de gravure

présentent un angle entre 82° et 93° et la rugosité de surface est inférieure à 200nm.

• La gravure CF4/O2 :

L’ajout de CF4 semble diminuer la rugosité de surface après gravure du diamant d’après

[Ando02], comme on peut le voir sur la Figure I.9 où les morphologies de surface du diamant gravé avec différents rapports de flux de CF4/O2 sont représentées. La structure en L non gravée

est le masque en aluminium. La surface de diamant gravée par plasma d'O2 pur est extrêmement

rugueuse, comme le montre la Figure I.9.a. Cependant, lors d’une faible addition de CF4 au

plasma O2, la morphologie de la surface gravée est passée d’une forme poreuse à une forme

semblable à celle d’une aiguille (Figure I.9. b, c). Une addition supplémentaire de CF4 a donné

une surface lisse, bien que le masque en aluminium ait également été attaqué (Figure I.9.d, e). Cet effet est expliqué par la diminution du micro-masquage grâce à la gravure des particules contaminantes par le CF4. Cependant, cet ajout a aussi pour conséquence de diminuer la

sélectivité du procédé avec un masque d’aluminium comme c’est le cas sur les travaux de [Ando02]. De plus, d’après [Thion12], l’anisotropie de la gravure se trouve également fortement dégradée. Les profils de gravure ne sont plus droits après ajout d’un gaz fluoré au mélange.

Figure I.9 Photos MEB d'échantillons de diamant gravés par RIE avec différents ratios de CF4/O2 d’après [Ando02]

• La gravure Cl2/O2 :

Une étude de [Zheng19] montre l’intérêt de l’ajout de Cl2 lors de la gravure du diamant comparé

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de micro-aiguilles (visibles à la Figure I.9.b/c) tout en gardant une vitesse de gravure élevée de 2µm/min.

• La gravure Ar/O2 :

L’ajout d’argon permet d’envisager la gravure de couches épaisses de diamant. En effet, selon [Kone11], une vitesse de 0,14µm/min a été atteinte avec 20% d’argon (8sccm d’argon contre 40sccm de dioxygène), une puissance ICP de 600W et une polarisation RF de 100W. La sélectivité du masque aluminium est assez bonne (1:28).

Cependant, l’augmentation de la concentration d’argon a un effet néfaste sur la rugosité de surface d’après l’étude de [Civrac09]. Pour des gravures à 5% d’argon (8sccm d’argon contre 40sccm d’oxygène), une puissance ICP de 100W et une polarisation de 500W, une vitesse de 0,12µm/min a été mesurée pour une rugosité très faible (Rq=0,4nm).

• La gravure en alternance Ar/O2 et CF4/O2 :

L’étude de [Thion12] a permis de montrer les avantages de l’utilisation d’une succession d’étapes Ar/O2 et CF4/O2. Le but est de combiner la vitesse de gravure élevée de la gravure

Ar/O2 avec l’état de surface amélioré de la gravure CF4/O2, sans dégrader le caractère

anisotrope. La recette utilisée est la suivante :

Première étape : Ar/O2 – Puissance ICP = 600 W – Polarisation du substrat = 100 W – Ar/O2 :

8/40 sccm – durée 10 min

Deuxième étape : CF4 /O2 : – Puissance ICP = 600 W – Polarisation du substrat = 50 W – CF4

/O2 : 4/40 sccm – durée 1 min

Avec cette technique, une vitesse de gravure de 0,12µm/min est mesurée, pour une sélectivité avec un masque aluminium de 27. La rugosité après gravure est de Rq=0,408nm. Cependant, un effet de « trenching » est observé avec cette gravure.

C’est cette méthode de gravure qui a été retenue dans les travaux de thèse présentés dans ce mémoire puisqu’elle allie une vitesse de gravure raisonnablement rapide et une anisotropie permettant de réaliser des flancs droits.