Eliminer directement les résidus au sein des puits n’est pas envisageable : selon l’épaisseur des résidus, une gravure du SiO2 endommagerait le masque de croissance. De plus, cela engendrerait une surface rugueuse sur le Si. Pour éliminer ces résidus, il est plus pertinent de s’attaquer à leur origine. Nous supposons que ces résidus de SiO2 sont transférés par des résidus de PMMA présents lors de la gravure. Cela n’a pu être vérifié par observation au MEB (Figure II-30) car la structure d’une résine électronique induit un phénomène de charge lors de l’observation au microscope électronique, nuisant grandement à la résolution. Comme la PMMA est éliminée par un plasma O2 contrairement au SiO2, il nous est possible d’effectuer une gravure sélective des résidus. Cependant, afin de conserver le masque en PMMA après cette gravure, l’épaisseur initiale de PMMA a été augmentée à 135 nm après enduction. Après le développement de la PMMA, l’échantillon est introduit dans la chambre de gravure. Une gravure par plasma O2 à faible puissance (20 W) est réalisée pendant 80 s. Le suivi interférométrique de la gravure nous a permis de mesurer la vitesse de gravure du PMMA à 50 nm/min sur un échantillon témoin soit une gravure de 70 nm en 80 s. La gravure du SiO2 ainsi que l’élimination du PMMA restent inchangées.
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Figure II-33 : Images MEB des puits de croissance réalisés à l’aide du procédé optimisé en deux gravures. On note l’absence de résidus après gravure du masque SiO2.
Grâce à ce procédé, l’absence de résidus a été constatée sur trois substrats distincts (Figure II-33). L’hypothèse de résidus de PMMA transférés est donc validée et le procédé en deux gravures permet de s’affranchir de ce problème. Cependant, on observe une augmentation des dimensions de 30 % sur chaque échantillon due à la première gravure par plasma oxygène fortement réactive, donc isotrope. Afin de retrouver les diamètres visés, une réduction des dimensions lors de l’insolation par lithographie électronique ou bien une gravure de la PMMA moins longues sont envisageables.
Un masque SiO2 sur substrat Si(111) a été développé à l’aide d’une lithographie électronique et de deux étapes de gravures plasma. Aucun résidu n’est observé à la surface des puits après optimisation du procédé. Ces substrats sont donc prêts pour la croissance de nanofils d’InAs.
2. Croissance de nanofils verticaux d’InAs
Contrairement aux résultats présentés dans la partie revue bibliographique, la croissance de nanofils est effectuée par épitaxie par jet moléculaire (MBE). Dans un bâti de MBE, les flux de gaz proviennent de creusets chauffés à haute température. L’ultravide (10-9 Pa) est maintenu dans la chambre pendant le procédé. Grâce à cela, la pureté des couches effectuées par MBE est très grande. De plus, les épitaxies sont très lentes, pouvant atteindre 0.01 monocouche/s, permettant ainsi un excellent contrôle de la vitesse de croissance. Ces bâtis sont généralement équipés de différents modules de caractérisation permettant une meilleure compréhension des phénomènes entrant en jeu dans la chambre. Afin de ne pas avoir de matière résiduelle au sommet des nanofils, la croissance des nanofils suivra un mécanisme dit « Vapeur-Solide (VS) » qui diffère légèrement du mécanisme classique à base de catalyseurs dit « Vapeur-Liquide-Solide (VLS) ».
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i - Mécanismes de croissance
La force motrice des mécanismes VLS et VS est le potentiel chimique µ, qui représente les variations d’énergies liées à la modification de composition d’un système. Dans le cadre de ces croissances, les atomes de gaz s’adsorbent à la surface et ainsi deviennent des « adatomes ». Ces adatomes ne sont énergétiquement pas favorables et, pour réduire leur énergie, vont se mouvoir par diffusion et s’associer pour former une bille. Dans le cadre d’un mécanisme VLS (Figure II-34), cette bille sera en phase liquide. Dans le cadre de la croissance de matériaux III-V, la bille sera nécessairement constituée de l’élément III car l’adsorption des éléments V sur la surface n’est énergétiquement pas favorable et ceux-ci se libèreront sous forme gazeuse. Une fois la bille formée, les atomes présents dans la chambre s’y incorporent désormais car le potentiel chimique de l’incorporation en phase liquide est plus faible que celui de l’adsorption en surface. Suite à ces incorporations, la bille sera alors en sursaturation de matériaux III-V : elle devra alors éliminer ces éléments en surplus. Pour cela, elle peut soit les relâcher sous forme gazeuse à l’interface liquide-gaz, soit sous forme solide à l’interface liquide/solide (le substrat). Il est énergétiquement plus favorable de créer une phase solide car, dans le cas contraire, le gaz ne se serait pas incorporé dans la bille. Dans le cadre des matériaux III-V étudiés, la création de la phase solide est énergétiquement favorisée au niveau du substrat pour les premières couches, puis au niveau du fil pour les couches suivantes. Cela mène donc à la croissance du nanofil, avec la bille présente au sommet et dont le diamètre sera directement dépendant de la taille initiale de la bille.
Figure II-34 : Schéma du mécanisme de croissance VLS de matériaux III-V. La sursaturation dans la bille liquide conduit à la formation d’une phase III-V solide à la base de la goutte. Les étapes 2 et 3 se répètent ainsi et mènent à la croissance d’un
nanofil.
Dans le cas du mécanisme VS (Figure II-35), il n’y a pas de bille liquide après la phase d’adsorption. Une monocouche cristalline se forme : le nucléus. La collection des atomes sur ce nucleus sera également contrôlée par le potentiel chimique : le potentiel chimique de la collection des atomes dépend de la
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face cristalline sur laquelle elle s’effectue : si la face orientée verticalement est favorisée, la direction de croissance sera également dirigée vers le haut. Cela permet d’éviter la présence de matériaux étrangers au sommet du nanofil au prix d’une croissance latérale qui aura lieu à une vitesse plus faible que la croissance verticale. Le diamètre du nanofil n’est donc pas contrôlable avant la croissance du nanofil par l’étape de nucléation ou par le dépôt de catalyseurs métalliques : les conditions expérimentales de la croissance détermineront le diamètre du nanofil.
Figure II-35 : Schéma du mécanisme de croissance VS de matériaux III-V. Le nucléus étant une monocouche d’élément III, la seconde couche sera formée d’élément V et le nucléus sera de même nature que le nanofil.