Méthode par surexposition contrôlée

Comme évoqué en conclusion de la section précédente, notre étude s’est ensuite portée sur l’influence du réglage de focalisation associé à la dose d’exposition. En effet nous avons émis l’hypothèse que ce paramètre pouvait être la cause des épaisseurs anormales, et des problèmes d’adhésion et de déformations des guides observés précédemment. Afin d’optimiser ce couple dose d’exposition/réglage de focalisation, les étapes de réalisation des couches de SU-8 demeurent ici identiques à celles utilisées dans la section précédente. Conjointement à ce réglage de focalisation, et afin d’étudier la possibilité d’obtenir des gaps entre les guides rectilignes et l’anneau aux dimensions souhaitées, nous avons fabriqué un second réticule, référencé n°52, sur lequel nous avons utilisé deux champs dont les caractéristiques sont décrites à la figure 4.16.

Figure 4.16 – Représentation des champs du réticule n°52 utilisé pour la méthode de surex-position contrôlée. Les deux champs sont identiques, à l’exception des terminaisons des guides repérées sur la figure par des zones entourées en pointillés. Le champ 1 du réticule n°52 possède des terminaisons classiques avec une largeur de SI500nm, tandis que le champ 2 possède des terminaisons coniques dites taper dont les dimensions sont données sur la figure.

Les deux champs sont globalement identiques, à l’exception des terminaisons, qui sont rec-tilignes sur le champ 1 et coniques (tapers) sur le champ 2. L’ensemble des guides possède une

largeur de 500 nm (à l’exception des parties tapers du champ 2), et tous les anneaux possèdent un rayon de 100 µm . En revanche, les valeurs de gap diffèrent pour chacun des motifs de façon incrémentale, allant de 300 nm à 600 nm par pas de 300 nm, ce en vue de caractériser l’effet de la surexposition contrôlée.

Ce nouveau réticule diffère du premier par plusieurs aspects. La différence principale est qu’ici, l’ensemble des motifs est réalisé en une seule étape d’exposition, à l’aide d’un seul niveau de masque. Contrairement à la méthode précédente, avec laquelle nous avons tenté de contourner la limite de résolution du stepper par une exposition à deux niveaux de masquage des motifs adjacents (guides puis anneaux), afin d’éviter les phénomènes de réticulation non-souhaités par effets de proximité au niveau du gap, la présente méthode consiste à augmenter les dimensions du gap sur le masque, et jouer sur ces effets de proximité des motifs pour combler ce dernier jusqu’aux valeurs souhaitées, allant de 100 à 300 nm. Pour ce faire, les valeurs d’espacement guides/anneaux sont augmentées pour atteindre des valeurs qui s’échelonnent de 360 nm à 600 nm, dans le but d’exploiter la diffusion latérale de la lumière liée à la diffraction pour diminuer le gap et l’amener à la valeur effective souhaitée. Cette méthode de surexposition contrôlée a notamment été utilisée dans les travaux de Allen Yang et David Erickson [196]. Nous nous sommes également intéressés pour cela à étudier l’influence du réglage de focalisation afin de confirmer ou infirmer notre hypothèse sur ce paramètre.

Les différences avec le réticule précédent (référencé n°43) consistent également en la création d’extrémités de guides coniques, communément appelés par le terme anglophone tapers sur le champ 2, avec pour double objectif (i) d’augmenter la surface de contact substrat/SU-8 afin de limiter les décollements et déformations observées précédemment en améliorant l’ancrage des guides et (ii) de faciliter l’injection de lumière ultérieure par la tranche avec une largeur de facette en entrée/sortie de 15 µm.

Nous avons ainsi procédé à un essai sur un empilement verre/SU-8 500 nm réalisé comme décrit précédemment, en utilisant ce nouveau réticule. Tous les champs ont été exposés avec les mêmes motifs, et les réglages suivant ont été adoptés : (i) Variation de la dose d’exposition par colonne, de 900 J/m2 (colonne A) à 2200 J/m2 (colonne J). (ii) Variation du réglage de focalisation par ligne, de 300 nm (ligne 1) à 800 nm(ligne 10).

Après exposition, nous avons procédé à une observation qualitative par microscopie optique suivie d’une mesure d’épaisseur sur les champs semblant les plus fonctionnels. Ces mesures de hauteur ont été faites conjointement sur les guides d’onde ainsi que les motifs d’alignement. Des mesures de largeurs au niveau des guides d’onde de 500 nm et des cônes de 15 µm ont également effectuées.

Nous avons ainsi constaté que pour une même dose d’exposition, de fortes variations de l’épaisseur apparaissent en fonction du réglage de focalisation. Les épaisseurs mesurées au niveau des guides pour une même colonne d’exposition augmentent avec la diminution de focus, et nous atteignons les épaisseurs attendues de 500 nm au niveau des guides pour des réglages de focalisation de l’ordre de 500 nm. Pour les champs exposés avec ces réglages de focalisation, les épaisseurs des motifs d’alignement étaient identiques à l’épaisseur des guides, confirmant que l’exposition était plus efficace qu’avec les réglages utilisés à la section précédente.

Cette observation nous a ainsi permis de déterminer les paramètres optimums conduisant à la fois à une bonne adhésion (pas de décollements ni de déformations apparentes) et des épaisseurs de guides d’onde de l’ordre de 500 nm. Pour une épaisseur de résine de 500 nm, les meilleurs résultats ont été obtenus avec un réglage de focalisation de 500 nm, pour une dose d’exposition de 1600 J/m2. Si cette dose nous avait paru conduire à une sous-exposition durant les essais précédents en exposition à deux niveaux, avec des largeurs de guides légèrement inférieures aux valeurs attendues, la sous-exposition apparente était en fait liée à une focalisation inadaptée. Ces observations montrent une des différences fondamentales de fonctionnement entre le stepper et la photolithographie classique qui ne nécessite pas de réglage de focalisation, et que ce paramètre joue un rôle tout aussi important que celui de la dose d’exposition.

Un recuit final (Hard Bake) a été effectué avec les rampes de température fidèles au profil représenté sur la figure4.3. La mesure d’épaisseur par profilomètre à stylet de la SU-8 effectuée après ce recuit a confirmé une hauteur moyenne de 500 nm conforme à l’épaisseur ciblée, aussi bien au niveau des guides d’ondes que des motifs d’alignements. Les observations MEB réalisées avant découpe illustrent la forme satisfaisante des guides obtenues avec ces réglages, comme présenté à la figure 4.17, montrant ainsi les progrès réalisés sur la maitrise du procédé de fabrication par stepper de façon nettement visible comparativement aux figures 4.9et4.12.

Figure 4.17 – a) Image MEB d’un microrésonateur optique de 200 µm de diamètre, obtenu avec un réglage de focalisation de 500 nm et une dose d’exposition de 1600 J/m2. b) Vues désaxées mettant en évidence la section des guides d’ondes obtenus avec ces réglages.

Si l’aspect général des guides de la figure 4.17-b est satisfaisant, les extrémités obtenues ne sont en revanche pas conformes à nos attentes, et forment des sections elliptiques. Une observa-tion attentive montre également que les arêtes supérieures des guides sont légèrement arrondies, et ne se présentent pas sous la forme d’arêtes vives comme attendues. Ces défauts risquent d’en-trainer d’une part de fortes difficultés pour l’injection latérale via les facettes constituées par les extrémités des guides, et d’autre part des effets non-désirés en terme de propagation et de couplage guide/anneau en raison des arêtes arrondies. Si il s’avère délicat de réaliser des fa-cettes présentant des flancs abrupts et réguliers à ces niveaux de résolution avec le stepper, nous décrirons cependant des propositions dans la suite de ce manuscrit pour améliorer ce point.

L’utilisation de la méthode de correction optique de proximité (ou OPC, pour Optical Proxi-mity Correction), pourra sans doute être mise à profit pour modifier le réticule, en ajoutant notamment des polygones aux extrémités. La plateforme technologique du LAAS s’équipera d’ici peu d’un outil puissant de simulation des procédés de lithographie, dénommé GenISys Lab, et qui sera mis à profit pour optimiser le design des réticules en vue d’obtenir une meilleure reproduction des motifs désirés. Ce logiciel intègre une base de données contenant les paramètres du stepper utilisé par la plateforme technologique du LAAS, et permettra également de prendre en compte les effets de diffraction particuliers liés à l’utilisation de substrats de verre.

Si les profils des guides obtenus demeurent plus satisfaisants que lors de nos premiers essais grâce à l’optimisation du réglage de focalisation, un autre problème a été observé : certains

guides présentaient en effet de légères discontinuités dans la longueur. Nous avons procédé à une observation du réticule utilisé, le n°52 (figure4.16), et pu observé un problème lié aux raccords de champs, inhérents à la technologie DWL utilisée dans la fabrication des photomasques et dont le principe est présenté dans l’Annexe. En effet, pour le premier réticule (n°43), fabriqué en 2014, les raccords de champs étaient parfaitement alignés (< 0,1 µm). À l’observation du second réticule (n°52), fabriqué en 2015, nos observations ont révélé des décalages dans les raccords de champs supérieurs à 0,1 µm au niveau du réticule. Ces raccords de champs, présents à un intervalle de 40µm de surface parcourue après fabrication au niveau du réticule, entrainent après la réduction X5 du stepper des décalages de 200 nm au niveau des champs exposés, ce qui représente un décalage tout à fait significatif ramené aux 500 nm de largeur des guides, comme illustré à la figure4.18.

Figure 4.18 – Traitement des observations effectuées sur les défauts de raccords de champs de l’instrument DWL 200, nos réticules sont les numéros 34 et 52. Nous constatons un rapport de 10 entre les défauts des deux réticules.

Une étude comparative menée sur les 12 derniers réticules fabriqués avec l’instrument DWL 200, incluant nos deux réticules n°43 et n°52, a révélé des erreurs de raccords de champs aléatoires, comprises entre 0,1 et 1 µm. Ces problèmes de raccords de champs peuvent être imputés à des problèmes de régulation de température de l’instrument, qui doit se maintenir à 22 C ± 0, 1 pour garantir une bonne précision, ou plus généralement à des dysfonctionnements subis par l’électronique lors de l’écriture. Par manque de temps pour investiguer ce problème plus en profondeur, nous avons choisi de continuer à utiliser le réticule n°52, en dépit des défauts de raccords de champs importants, afin de bénéficier des tapers présents aux extrémités de certains guides en vue de faciliter les étapes ultérieures d’injection, et de tenter d’optimiser les paramètres relatifs à la surexposition pour l’obtention du gap de 100 à 300 nm.

Bien entendu, ces distorsions sont à éviter pour la réalisation de dispositifs fonctionnels en optique, et imposent donc de limiter les raccords de champ et d’effectuer un contrôle permanent

des paramètres de l’instrument de lithographie laser. L’utilisation de machines plus performantes et extérieures à la centrale technologique du LAAS sera envisagée par la suite si des erreurs aussi importantes sur les raccords de champs persistent.