2.4 Principes généraux de microfabrication
2.4.3 Gravure
L’étape suivant la lithographie consiste à attaquer localement le substrat ou le dépôt (s’il y en a) à travers la zone ouverte dans la résine. Le dépôt sur le substrat ou le substrat est attaqué soit par une solution chimique, soit par un plasma. Durant l’attaque, certaines zones sont protégées par le dépôt de résine encore présent. Cette étape est la gravure.
La gravure (en anglais ’etching’) consiste à enlever une ou plusieurs couches de matériaux à la surface d’un wafer. Chaque wafer peut subir plusieurs étapes de gravure. Pour chaque étape de gravure, une partie du wafer est protégée de la gravure par une couche protectrice dont la vitesse d’attaque est très nettement inférieure à la vitesse d’attaque de la partie non protégée (sélectivité). Dans certains cas, la résine restée après la photolithographie suffit à constituer la couche protectrice. D’autres gravures demandent une couche plus résistante ou qui a une meilleure sélectivité, (par exemple un dépôt de nitrure de silicium).
2.4. PRINCIPES GÉNÉRAUX DE MICROFABRICATION
gravures sèches. La gravure est soit isotrope soit anisotrope. Les différentes formes sont indiquées dans la figure 2.5. La gravure isotrope attaque dans toutes les directions du substrat. La gravure anisotrope ((b) et (c)) va être discutée plus en détail dans la partie « gravure sèche », la forme (d) va être discutée dans la partie « gravure humide –K OH gravure ».
(a) (b) (c) (d)
FIGURE2.5:Type de gravure. (a) Gravure isotrope ; (b-d) Gravure anisotrope.
Gravure sèche
On distingue la gravure sèche physique et la gravure sèche physicochimique (RIE ou DRIE). La gravure sèche physique utilise des faisceaux d’ions pour bombarder la surface du matériau. Presque tous les matériaux peuvent être gravés par cette méthode, mais la vitesse de gravure est très lente et la sélectivité est relativement faible car les ions attaquent tous les matériaux et peuvent carboniser la résine photosensible.
L’attaque ionique réactive, dite RIE (reactive ionic etching en anglais), se déroule dans un bâti où un gaz ou un mélange gazeux (SF6, CHF3, O2 par exemple) est ionisé et forme un plasma. Des espèces chimiquement réactives avec les matériaux à graver (S i3N4,S iO2, Si, résine) sont créées et attirées vers le substrat par un champ électromagnétique. Les produits volatils de la réaction sont ensuite évacués. Le bombardement ionique est assisté par l’activation de réactions chimiques avec le substrat. Les ions attaquent toutes les directions, mais grâce au champ magnétique il y a beaucoup plus d’ions qui attaquent le fond de la gravure que la paroi. Les tranches d’attaque ne sont pas verticales, la section en haut est exposée au plasma et aux ions plus longtemps que la section en bas. Par conséquent, la tranche en haut est plus large que celle en bas, ce qui fait une gravure anisotrope comme indiqué sur la figure 2.5(b).
Par exemple, la résine photosensible et d’autres couches organiques peuvent être éliminées en gravure sèche chimique, par un plasma d’oxygène. Nous allons maintenant présenter en détail de la gravure sèche physico-chimique : attaque ionique réactive (RIE) et attaque ionique réactive profonde (DRIE). La RIE cause une attaque faiblement anisotrope. Afin d’atteindre un grand rapport d’aspect et d’obtenir une paroi verticale pour la gravure du silicium, la paroi doit être protégée pendant la gravure. L’attaque ionique réactive profonde (DRIE) peut faire une gravure anisotrope comme indiqué sur la figure 2.5(c). Pour l’attaque du silicium, la méthode utilisée la plus fréquente est le procédé
CHAPITRE 2. ÉCOULEMENTS MONOPHASIQUES ET CAVITANTS ’SUR PUCE’
« Bosch » qui a été inventé et patenté par Robert Bosch GmbH3. Cette technique comporte deux étapes consécutives : une étape de gravure et une étape de passivation. Pendant l’étape de gravure, le silicium est gravé par le plasmaSF6, la profondeur gravée dans le silicium peut atteindre jusqu’à 2-3 µm. Pendant l’étape de passivation, le gaz C4F8 produit un film de polymère fluorocarboné d’épaisseur 50nmdéposé sur les parois gravées. Pendant le cycle suivant, le polymère sur le fond est arraché par le bombardement ionique des ions du plasmaSF6, tandis que les parois verticales restent protégées par le polymère. En répétant le cycle, la gravure avance dans le silicium dans une direction verticale avec une vitesse comprise entre 2 et 20µm/min, et aboutit à une gravure anisotrope comme représenté sur la figure 2.5(c).
Gravure humide
La gravure humide est l’attaque d’un substrat solide dans une solution chimique. Le substrat est immergé dans un bain de solution chimique. La solution va attaquer chimiquement la surface du wafer non protégée. L’avantage de la gravure humide est :
– Une sélectivité élevée ;
– Une surface gravée relativement lisse ;
– Une vitesse d’attaque contrôlable par la concentration de solution.
L’attaque humide est souvent utilisée pour enlever une couche épaisse grâce à sa grande vitesse d’attaque. On distingue des attaques en solution acide et en solution basique. Concernant notre application, on ne discutera par la suite que le cas de l’attaque du silicium dans une solution deK OH. Contrairement aux procédés de gravure humide isotropes (ex : attaqueHF/H NO3+H2O), les gravures anisotropes (ex : attaqueK OH) permettent de contrôler précisément les dimensions des structures. Vue la structure cristalline du silicium, la densité de liaison sur le plan <111> est plus élevée que celle sur le plan <100>, ce qui rend difficile l’attaque du plan <111> par la solutionK OH. La vitesse d’attaque du plan <100> par la solutionK OHest jusqu’à 1000 fois plus élevée que celle du plan <111>. Généralement, la concentration enK OH, la température et la concentration en dopant influencent la vitesse d’attaque. Pour une solution avec une concentration de 40 - 50% en masse, la vitesse d’attaque pour le plan <100> est 1 - 2µm/min, pour le plan <111> , elle est de 2,5 - 5nm/min.
Les gravures sont obtenues à partir d’un substrat orienté <100> recouvert par une couche de masquage (S i3N4) d’environ 100 nm d’épaisseur, dont la vitesse de gravure (0,23 nm/min) est beaucoup plus faible que celle des plans <100> et <111> du silicium. On obtient un profil de gravure comme indiqué sur la figure 2.5(d). Selon l’indice de miller, l’angleαentre le plan <111> et le plan <100> est de 54,74° (figure 2.6). La relation entre la largeur en hautWhet la largeur en basWbet la
2.4. PRINCIPES GÉNÉRAUX DE MICROFABRICATION
FIGURE2.6:Structure de gravure de silicium par une solution deK OH.
(2.32) Wh=p2H+Wb