Lithographie et gravure

Le processus de fabrication commence par une oxydation thermique de 3 µm d'épaisseur d'un substrat de silicium de 200 mm de diamètre. Ensuite, une couche de nitrure de silicium de 800 nm d’épaisseur (Si3N4) est déposée par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression selon une méthode de dépôt publiée dans [18], [19], qui minimise la teneur en hydrogène et empêche la Si3N4 déposé de la fissuration, comme indiqué sur les Fig. 1 (a) et (b).

En ce qui concerne les motifs en Si3N4, une lithographie à UV profonds de 248 nm est ensuite réalisée avec une résine de 820 nm d'épaisseur après un revêtement anti-reflet de fond de 49 nm d'épaisseur, [Fig. 1 (c)]. Avant la gravure du Si3N4, les motifs de résine photosensible sont durcis avec un plasma de HBr afin d'augmenter leur résistance au plasma de gravure, et ainsi d'améliorer la sélectivité de la gravure [20]. La couche BARC est d'abord ouverte avec un procédé au plasma Ar / Cl2 / O2,

puis le Si3N4 est gravé avec un plasma CF4 / CHF3 / Ar dans un réacteur à couplage inductif (ICP). La sélectivité de gravure entre le Si3N4 et la résine durcie est de 1,2. Le masque de la résine et les polymères fluorocarbonés présents sur les parois latérales de Si3N4 après la gravure sont ensuite éliminés par un procédé au plasma à O2 réalisé dans un réacteur de gravure ionique réactive améliorée magnétiquement connecté au réacteur ICP par une chambre de transfert sous vide. Après le plasma, les surfaces de Si3N4 sont nettoyées avec une solution humide H2SO5. La Fig. 1 (d) met en évidence la bonne qualité du processus de structuration au plasma développé dans cette étude, qui permet d'obtenir des profils anisotropes bien formés, sans résidus, du guide d'ondes.

Il est à noter que dans nos travaux précédents [18], le procédé au plasma CF4 / CH2F2 / O2 utilisé pour structurer le guide d’ondes Si3N4 entraîne systématiquement la présence de résidus de polymères sur les flancs de nitrure de silicium. Les résidus de polymères entraînent alors inévitablement une augmentation de la rugosité du bord du guide [21], [22] et une contamination organique dans les régions critiques de ces architectures. Une solution proposée a été d'augmenter le débit d'oxygène pour réduire l'épaisseur des polymères [22]. Cependant, dans ce cas, l'oxygène diluerait la résine photosensible, entraînant une diminution de la sélectivité, ce qui augmenterait la rugosité des parois latérales. Ceci imposerait également des profils de guide d'onde trapézoïdaux d'épaisseur de guide d'ondes sub-micrométriques limités, entraînant ainsi l'imprévisibilité du taux de perte extrinsèque kc (c'est-à-dire la perte de la puissance optique du résonateur au guide d'ondes de bus). Le plasma CF4 / CH2F2 / O2 présentant certaines limitations du procédé, une chimie du plasma moins polymérisant utilisant CHF 3 au lieu de CH2F2 est avantageusement utilisée dans ce travail.

Figure 1. Schémas du processus de recuit physico-chimique par rotation et croissance en plusieurs étapes pour les guides d’ondes à faibles pertes. a) Une oxydation thermique de 3 µm d'épaisseur d'une plaque de Si de 200 mm est suivie d'un dépôt par torsion et croissance de films de Si3N4 jusqu'à ce que l'épaisseur de film souhaitée soit adaptée (800 nm). b) Images de films Si3N4 avec et sans utilisation de cette approche. c) gravure sèche à base de

fluorocarbone et compensation de la contrainte de la plaque d) réduction de la rugosité supérieure du guide d'ondes à des niveaux inférieurs à Angstrom par CMP sur les films après déposition. e) Exemple d’un guide d'ondes Si3N4 d'une largeur de 1,6 µm et d'une épaisseur de 800 nm utilisant le procédé de gravure plasma à la

CMP et au fluorocarbone, avec un angle d'inclinaison des parois latérales inférieur à 2 °. f) Recuit in situ en plusieurs étapes H2 / O2 / N2 de guides d'ondes Si3N4. g) Encapsulation en plusieurs étapes avec de dioxyde de

silicium à basse température avant l'encapsulation de silice plasma à haute densité.

Après la gravure, la plaque a une contrainte assez élevé de 230 µm qu’il faut compenser pour lui permettre de poursuivre le processus de fabrication. La contrainte est due à la présence de Si3N4 en traction à l'arrière de la plaque. Souvent analysés avec soin, l’impact de la contrainte sur la plaque tout au long du procès de fabrication est crucial, en particulier sur les grandes plates-formes de traitement utilisant principalement des plaques de 200 et 300 mm. L'accumulation de contraintes de compression (typiques pour le SiO2 thermique) et de traction du film de Si3N4 provoque de fortes déformations des substrats porteurs de silicium. Une telle contrainte des plaques, qui peut atteindre 250-350 µm, peut endommager le film, mais aussi créer des fissures sous-micrométriques invisibles pour les yeux le long des guides d’ondes après structuration. Comme le montre la figure 1 (c), ceci peut être facilement géré par un retrait sélectif du film de Si3N4 restant sur la face arrière de la plaque après gravure face avant du nitrure de silicium. Cela garantira une plaque presque parfaitement plate, avec une contrainte réduite à quelques

microns seulement (contrainte mesuré ~ 7 µm sur une moyenne de la plaque croisée), ouvrant également des perspectives intéressantes pour la co-intégration photonique Si3N4 par collage des plaques.

Dans une approximation au premier ordre, le coefficient d'atténuation (, exprimé en dB / m) d'un guide d'ondes dépend des deux côtés, de la rugosité supérieure et inférieure du guide d'ondes [25]. En fait, avant définir les motifs, nous avons utilisé un microscope à force atomique (AFM) pour mesurer la rugosité de surface des films déposés. Les mesures AFM ont révélé une rugosité de surface de 0,4 nm des films de Si3N4 sans aucun traitement. Afin de réduire cette rugosité de surface à une amplitude inférieure à Angstrom, un CMP en pleine plaque de 10 nm de profondeur est réalisé sur les plaques avant lithographie. Comme le montre la figure 1 (e), la rugosité de la surface est maintenant réduite de 0,4 nm à seulement 0,09 nm (ou 0,9 Å) par la seule action bénéfique du CMP. Les guides d’ondes Si3N4 gravés présentent une rugosité moyenne des flancs gauche / droite carrée dans la plage de 1,2 à 1,3 nm, confirmée par les observations morphologiques AFM et CD-SEM.

2.3 Recuit physico-chimique en plusieurs étapes de guides d'ondes Si3N4