Fig. II.11 Photographie d'un porte-échantillon 3 pouces, montrant le plan de
focalisation, la cage de faraday et la vis micrométrique permettant l'alignement des
marques de repérages
8 µm de côté) sont donc réalisés lors de la première lithographie. Ensuite, il faut
aligner ces marques avec un microscope optique avec une erreur maximum de 0,1°
pour que le nanomasqueur arrive à corriger les erreurs de rotation. Pour repérer ces
marques, le nanomasqueur est utilisé comme un microscope électronique à balayage,
avec une détection des électrons rétro-diusés. Avec ce nanomasqueur, l'alignement
des diérents niveaux se fait en principe à± 30 nm près.
Une fois la résine insolée et révélée comme nous le verrons dans le chapitre
3, le transfert du masque au substrat peut avoir lieu soit par gravure, soit par
métallisation. Nous allons donc voir maintenant le principe de la gravure ionique
réactive, puis le principe de la métallisation.
II.4 La gravure plasma par ionisation réactive (RIE)
II.4.1 Introduction
La gravure plasma est une technique de gravure sèche (par opposition à la gravure
humide) dans laquelle interviennent les eets de bombardement par des ions et la
réaction chimique. Il s'agit donc d'une gravure à la fois physique et chimique que
l'on appelle RIE pour Reactive Ion Etching en anglais.
Elle a initialement été inventée dans les années 60, dans le but d'éliminer des
couches de matériaux, par exemple pour supprimer les couches de résines
photo-sensibles par un plasma d'oxygène. Une autre utilisation consiste à transférer des
motifs de résine dans le substrat. Celle-ci n'a été développée que dans le milieu des
années 70, avec l'apparition du nitrure de silicium comme couche de passivation [18].
Ainsi, la gravure humide du nitrure dans des bains de H
3P O
4portés à hautes
tem-pératures (140°C-200°C) qui attaquait trop sévèrement les résines a été remplacée
par une gravure plasma. Le mélange de tétrauorométhane (CF
4) et de dioxygène
(O
2) a montré les premiers résultats encourageants pour la gravure des couches de
CHAPITRE II. OUTILS DE FABRICATION ET DE
CARACTÉRISATION DE STRUCTURES NANOMÉTRIQUES
nitrure [18].
Le bâti de gravure utilisé lors de cette étude est le modèle Plasmalab 80 Plus
d'Oxford Instruments. Une photographie de ce bâti est présentée en gure II.12.
Fig. II.12 Photographie du bâti de plasma RIE
Pour que la gravure fonctionne correctement, deux étapes sont nécessaires. Tout
d'abord, il y a la formation du plasma par un champ électromagnétique, et ensuite,
la gravure du matériau de façon physico-chimique.
II.4.2 Génération du plasma
Le schéma d'un bâti de gravure RIE est donné en gure II.13.
Fig. II.13 Schéma d'un bâti de plasma RIE
Plusieurs lignes de gaz sont prévues pour permettre de les mélanger selon le type
de matériau et de gravure à eectuer. L'enceinte est amenée à basse pression, entre 5
II.4 La gravure plasma par ionisation réactive (RIE)
mTorr et 1 Torr, en ajustant la position de la vanne située juste avant la pompe. Le
plasma est obtenu dans le système en appliquant un fort champ électromagnétique
sur l'électrode sur laquelle se trouve le substrat. Le champ est à une fréquence de
13.56 MHz et la puissance appliquée varie de quelques dizaines à quelques centaines
de Watts. Le champ électrique oscillant vient dissocier et ioniser les molécules du
gaz en leur arrachant des électrons, ce qui crée le plasma.
Au cours de ce processus, un gaz moléculaire (prenons l'exemple du chlore : Cl
2)
se transforme d'abord en espèce atomique (dissociationCl
•, éq. II.2) puis est ensuite
ionisé (ionisationCl
+, éq. II.3) lorsque les collisions entre les atomes sont en mesure
de libérer les électrons les plus extérieurs.
Dissociation : e
−+Cl
2→2Cl
•+e
−(II.2)
Le phénomène de dissociation qui intervient pour des énergies d'électrons faibles,
entraîne l'apparition de radicaux libresCl
•. Ces espèces très réactives interviennent
dans le processus de gravure chimique.
Ionisation : e
−+Cl
•→Cl
++ 2e
−(II.3)
La réaction d'ionisation forme des ions Cl
+qui vont agir lors de la gravure
physique.
Le plasma résultant consiste alors en un mélange de plusieurs espèces chimiques
hautement réactives : particules neutres, ions positifs (atomes ou molécules qui ont
perdu un ou plusieurs électrons) et électrons, qui peuvent ensuite réagir avec la
surface du substrat pour former des produits volatiles qui sont évacués par le système
de pompage.
II.4.3 Les mécanismes de gravure RIE
Comme nous venons de le voir, le plasma généré contient des espèces très
réac-tives qui vont réagir chimiquement avec la surface de l'échantillon, mais également
des particules ionisées qui donneront lieu à une attaque physique de la surface par
bombardement ionique. Le réglage des diérents paramètres (pression, puissance,
température, polarisation, chimie) permet de donner plus ou moins d'importance à
l'un ou l'autre des processus de gravure.
II.4.3.1 Gravure chimique
Le principe du procédé de gravure chimique est présenté sur la gure II.14. Ce
procédé commence comme nous l'avons vu dans le paragraphe précédent (II.4.2) par
la génération (1) des radicaux libres pouvant attaquer chimiquement la couche puis
la diusion (2) de ces espèces réactives vers la surface de la couche à graver. Ensuite,
ces particules viennent s'adsorber à la surface (3) et réagissent chimiquement avec
le matériau de surface (4). Le matériau produit par la réaction doit être volatile
pour pouvoir quitter la surface. Enn, les deux dernières étapes, la désorption et la
diusion (5), permettent d'évacuer les composés volatiles à l'extérieur du matériau,
puis de l'enceinte.
Ces réactions chimiques, entre le gaz et l'échantillon produisent donc une gravure
sélective et isotrope.
CHAPITRE II. OUTILS DE FABRICATION ET DE
CARACTÉRISATION DE STRUCTURES NANOMÉTRIQUES
Fig. II.14 Mécanismes chimiques ayant lieu lors d'une gravure plasma RIE
II.4.3.2 Gravure physique
La gravure physique est quant à elle issue de l'interaction mécanico-physique
entres les ions formés par le plasma et la surface du matériau. Dans chaque cycle
du champ, les électrons sont électriquement accélérés vers le haut et vers le bas de
la chambre, touchant quelque fois l'enceinte de la chambre ou l'électrode de support
de l'échantillon. Comme l'enceinte de la chambre est à la masse, si les électrons
arrivent sur celle-ci, ils retournent simplement à la masse, n'aectant pas l'état
électronique du système. Cependant, l'électrode inférieure étant isolée électriquement
pour le niveau continu, les électrons qui s'y absorbent y créent une charge négative
(typiquement autour de quelques centaines de volts). Comme les ions créés dans
le plasma sont plus lourds, ils bougent relativement moins en réponse au champ
électrique, et de ce fait, le plasma développe une charge positive [19, 20].
A cause de cette diérence de tension, les ions positifs sont accélérés et
bom-bardent la surface de l'échantillon avec une énergie cinétique élevée. Une partie de
cette énergie est transférée aux atomes de surface de l'échantillon entraînant la
gra-vure du matériau.
La gravure physique n'est donc pas sélective, mais elle est anisotrope (des ancs
parfaitement verticaux peuvent être obtenus en privilégiant cette gravure
méca-nique).
II.4.3.3 Diérences entre la gravure chimique et la gravure physique
Comme nous venons de le voir, la gravure chimique est isotrope et sélective, alors
que la gravure physique est anisotrope et non sélective. Cela va donc se traduire par
une sous-gravure importante si la gravure est plutôt chimique ( II.15a), et par la
gravure de tous les matériaux, y compris de la résine protectrice pour la gravure
physique( II.15b).
Ainsi, une forte pression et une température élevée favorisent le processus
chi-mique. En eet, le libre parcours moyen des particules est directement liée à la
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Fabrication top-down, caractérisation et applications de nanofils silicium
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