La gravure ionique réactive permet de transférer dans la couche de silicium amorphe le motif présent dans la résine. Le bâti de gravure CCP-RIE1 (Nextral NE100) fonctionne de manière très similaire à celui du dépôt RF-PECVD : l’échantillon est posé à plat sur une électrode puis enfermé dans une enceinte mise sous vide et dans laquelle des gaz réactifs sont injectés. Un plasma est créé de manière capacitive, en appliquant une tension alternative haute fréquence entre les électrodes. Les molécules des gaz réactifs sont ionisées et projetées à la surface de l’échantillon. La gravure résulte de procédés physico-chimiques de surface complexes [172]. La composante « physique » est liée à un simple effet mécanique : la surface de l’échantillon est gravée par pulvérisation, à cause du bombardement ionique. Elle dépend principalement de la puissance du plasma (i.e. du bias
voltage, la tension appliquée entre les électrodes). Simultanément, les radicaux ioniques
créés dans le plasma peuvent être chimisorbés pour former des composés volatils avec les atomes de surface, qui seront finalement désorbés. En général, une gravure fortement physique sera bien verticale, mais également peu sélective et susceptible de dégrader la surface gravée, tandis qu’une gravure chimique sera plus isotrope et sélective par rapport au masque utilisé. Notons que dans le cas de la gravure RIE-CCP, ces deux aspects ne sont pas
indépendants, et plusieurs conditions de gravure doivent généralement être testées pour obtenir une géométrie anisotrope et une surface non-dégradée.
Les procédés industriels de gravure de gravure du silicium cristallin utilisent un mélange SF6/O2 dans le cas d’un masque de gravure en silice. Nous utilisons directement la résine PMMA comme masque, or celle-ci est fortement par l’oxygène. Nous avons donc développé un procédé utilisant plutôt un mélange gazeux SF6/CHF3. Plusieurs conditions de gravure ont été testées avant de converger vers un résultat satisfaisant. Nous avons également veillé à ce que la vitesse de gravure soit assez faible pour contrôler avec précision la profondeur finale des trous.
Les conditions de gravure finalement retenues sont les suivantes :
Puissance Bias Voltage Pression Débit SF6 Débit CHF3
20 W -230 V 10 mTorr 5 sccm 10 sccm
Après cela, le masque de PMMA est entièrement enlevé par une seconde gravure chimiquement sélective, avec un plasma réactif à oxygène :
Puissance Bias Voltage Pression Débit O2
30 W -230 V 10 mTorr 30 sccm
Au cours de cette étape, l’épaisseur de résine restante est surveillée in situ par interférométrie laser. Cela nous permet d’arrêter la gravure à la surface du silicium amorphe. Bien qu’il ne soit pas réellement gravé par le plasma oxygène, sa surface pourrait être dégradée par une exposition inutilement trop longue.
b
a
Figure IV.3.2-1
Mesures AFM (a) et SEM (b) des réseaux après gravure. L’image SEM est celle d’un réseau fabriqué sur un wafer de silicium pour pouvoir être clivé.
Calibration
Pour obtenir des trous dont le diamètre et la profondeur sont conformes aux simulations, il est nécessaire de calibrer la dose électronique envoyée sur la résine lors de la lithographie électronique, ainsi que la durée de la gravure RIE. La première modifie le diamètre des trous dans le masque de résine, et par conséquent celui des trous dans le silicium amorphe. La seconde change leur profondeur. La dose adéquate est déterminée sur un échantillon de calibration où plusieurs doses différentes sont testées en même temps. Le diamètre des trous est mesurés après gravure RIE (pour prendre en compte une éventuelle gravure latérale), avec un microscope électronique à balayage. De même, nous testons plusieurs durée de gravure RIE sur des échantillons de test et mesurons les profondeurs de trous obtenues avec un microscope à force atomique. La durée de gravure qui correspond à la profondeur souhaitée en est déduite par interpolation linéaire.
IV.3.3. Planarisation
Nos réseaux résonnants sont conçus pour faire de l’imagerie de surface, sur un plan. Par conséquent, nous devons enterrer le réseau de trous obtenu après l’étape de gravure, pour obtenir une surface plane. Un nouveau dépôt de diélectrique, telle que de la silice, n’est pas une solution satisfaisante pour cela : lors du dépôt par PECVD d’une nouvelle couche, le réseau de trous est dégradé par le bombardement ionique du plasma. De plus, la nouvelle couche suit grossièrement la topographie du réseau sur laquelle elle est déposée. L’effet d’ondulation s’estompe avec l’épaisseur du dépôt, mais cela nécessite de déposer plus d’une centaine de nanomètres pour obtenir une surface à peu près plane, et nous souhaitons
100 nm
a b
Figure IV.3.2-2
Calibration de la profondeur de gravure avec mesure AFM (a) et calibration du diamètre des trous avec mesure SEM (b).
obtenir une couche de moins de 30nm d’épaisseur. En effet, l’onde correspondant au mode résonnant du réseau est évanescente dans la résine (𝛼mode⁄ > 𝑛𝑘0 SiO2). Elle serait donc trop fortement atténuée à la surface d’une couche plus épaisse, et l’échantillon serait éclairé par le champ latéralement homogène créé par la seule onde incidente (i.e. l’ordre 0 de diffraction).
Après plusieurs essais de résines, nous avons opté pour une résine ultra-fluide (« AMONIL », AMO GmbH), initialement développée pour les procédés de nano-impression assistée par ultraviolets (UV-NIL), déposée par spin-coating. Destinée à épouser parfaitement la forme de tampons aux motifs nanométriques, elle permet de remplir de manière homogène le réseau de trous. Une fois réticulée par insolation UV, elle est parfaitement rigide, très faiblement absorbante (𝑘 ≈ 0,02) et son indice optique (mesuré pas ellipsométrie) est proche de celui du verre (n ≈ 1,5). En collaboration avec Vincent Rouger et Sébastien Mailfert du Centre d’immunologie de Marseille Luminy, nous avons testé sa compatibilité avec des cellules vivantes (cellules fibroblastes COS-7, issues de reins de singe). Celles-ci ont été cultivées sur des lamelles recouvertes d’Amonil réticulée, nettoyées et stérilisées à l’éthanol et par irradiation UV. Trois heures après l’ensemencement, les cellules ont montré une bonne accroche à la surface de la résine. Après vingt-quatre heures, celles-ci avaient proliféré de manière identique à ce que l’on peut observer dans des flasques de culture ou des boites de pétri après la même durée, démontrant la parfait biocompatibilité de l’Amonil réticulé.
a b
Figure IV.3.3-1
Cellules cultivées sur une surface d’Amonil réticulé, après 24h. Grandissements x5 (a) et x20 (b)