Masque en nitrure de silicium

Nous avons vu précédemment que la gravure sèche par plasma d’oxygène est la technique qui semble la plus adaptée à la gravure du diamant. Compte tenu du fait que les résines électroniques sont des polymères, elles ne résistent pas à ce type de plasma. Leur utilisation seule ne permet donc pas de transférer les motifs dans la couche de diamant. Il faut donc choisir un matériau intermédiaire. En tenant compte de la résistance et l’adhésion nécessaire du masque destiné à la réalisation des gravures, il était possible de choisir un masque en silice, en nitrure de silicium ou encore un masque métallique. Cette dernière option n’a pas été envisagée car plus difficile à mettre en œuvre, notamment parce que la gravure du masque et du diamant ne pouvait pas se faire successivement dans le bâti ICP. Une autre possibilité aurait consisté à réaliser un lift-off pour éviter d’avoir à graver le métal, cependant la question de contamination du bâti de gravure se pose toujours.

Les premiers cristaux photoniques ont été réalisés par l’équipe avec un masque de 110 nm de silice déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD, pour Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) [226]. Cette silice est en effet plus dense que la silice obtenue à partir de la XR ou la FOx® et donc plus

résistante à la gravure. Une sélectivité silice/diamant supérieure à 1 pour 10 a pu être obtenue avec ce masque. Cependant, il a été observé que la résine utilisée pour la gravure du masque en silice résiste peu au procédé de gravure par RIE. De ce fait, sous l’effet de la gravure, celle-ci se redépose et forme un micro-masquage résultant de l’apparition de stries sur les bords des trous [227]. L’utilisation d’une autre résine plus résistante a été envisagée (UV3) mais elle présente une moins bonne résolution que la ZEP. A priori plus résistant que la silice, le nitrure de silicium Si3N4 (ou autre dérivé SixNy), offre quant à lui l’opportunité de pouvoir déposer des couches plus fines sur le diamant. Sous réserve de garder une bonne sélectivité lors de la gravure entre la résine électronique et le dérivé de nitrure de silicium, une plus grande résolution est envisageable. Par ailleurs, il est prouvé que l’utilisation de SixNy réduit la contribution par les électrons rétrodiffusés sur la résine lors de l’étape de lithographie électronique [228]. Ce matériau a donc été utilisé comme masque pour la réalisation des cristaux photoniques en diamant.

Gravure du masque en nitrure

Le dérivé de nitrure de silicium est déposé sur le diamant lissé par PECVD à partir d’un mélange gazeux de silane SiH4 et d’ammoniac NH3. En comparant les vitesses de gravure d’une couche d’un tel matériau et celle de la silice lors d’une gravure plasma dédiée au diamant, on remarque que le SixNyest plus résistant que la silice d’un facteur 1.5 environ.

Par ailleurs, afin d’augmenter la sélectivité entre le dérivé de nitrure et le diamant lors de la gravure, la densité des films de SixNy a cherché à être augmentée pour durcir le matériau. La première solution envisagée a été de tester différents recuits des couches de SixNy. Dans la mesure où il n’est pas possible d’atteindre des températures de 700 °C sans commencer à graphitiser légèrement le diamant, les recuits n’ont pas rendu le matériau beaucoup plus résistant : des vitesses de gravure similaires ont été obtenues. La deuxième solution envisagée a été de jouer sur les paramètres de la PECVD pour modifier les conditions de dépôt des films de SixNy. Des études ont montré [229, 230] que l’un des paramètres PECVD les plus significatifs pour augmenter la densité de films de nitrure de silicium est la composition chimique des gaz injectés. L’augmentation de la quantité de silane injecté a permis d’obtenir un film de SixNy enrichi en silicium. Les paramètres du dépôt PECVD de SiN sont présentés dans le tableau 3.4.

En fonction des étapes de gravure ultérieures, l’épaisseur de la couche de nitrure de silicium a été ajustée afin d’obtenir une gravure des trous qui soit la plus verticale possible tout en ayant une bonne sélectivité par rapport à la ZEP. Typiquement, un masque de nitrure de silicium d’environ 65 à 70 nm a été utilisé pour graver une

Paramètres Valeurs Flux de gaz SiH4/NH3 sccm 3000/20

Puissance W 60 Pression mTorr 550 Température °C 300

Table 3.4 – Paramètres de dépôt PECVD du masque en nitrure de silicium épaisseur de 360 nm de diamant (cf figure 3.20). Une sélectivité supérieure à 1 pour 16 a été obtenue avec ce masque.

Figure 3.20 – masque de 65 nm de nitrure de silicium enrichi sur 330 nm de diamant

Dans la mesure où le masque utilisé est enrichi en silicium, une recette de gravure ICP optimisée à partir de la recette développée par Zheng Han pour la gravure du silicium [181] a été utilisée pour obtenir des trous verticaux. Les paramètres de la gravure sont regroupés dans le tableau 3.5.

Paramètres Valeurs Température °C 10 Flux de gaz SF6/C4F8 sccm 200 / 200 Puissancecoil W 2200 Puissanceplaten W 60 Durée de la gravure s 14

Table 3.5 – Paramètres de gravure ICP pour le masque en nitrure de silicium

La figure 3.21 présente des images prises au microscope électronique à balayage avant et après gravure du masque. On remarque que la résine résiste bien à la gravure

(a)

(b)

Figure 3.21 – (a) Image MEB du masque de nitrure de silicium recouvert de ZEP sur une couche de diamant polycristallin. Vue à 45 degrés. (b) Vue en coupe des trous réalisés. La gravure est verticale et ne présente pas de stries à la surface des trous.

du nitrure de silicium et que la verticalité des trous obtenus est largement satisfaisante.