Masques et étapes de fabrication de la 1 ère génération

La Figure IV-11 présente une vue générale des 6 niveaux de masques de fabrication que nous avons conçus pour un wafer de 2 pouces, ainsi qu’une vue zoomée des motifs définis sur un quart de wafer et sur un composant individuel, sur lequel on retrouve les anodes et l’anneau de guidage diélectrique. L’enchainement des étapes de fabrication correspondant à ces 6 niveaux de photolithographie UV et à une gravure localisée par FIB est détaillé dans le Tableau 6.

Les composants sont arrangés par matrices de 5 ou de 8 dans des microcellules carrées espacées de 4 mm (soit 9 cellules par quart de wafer, avec un niveau de masque identique à celui utilisé dans les chapitres précédents). L’écart entre VCSELs d’une même matrice a été fixé à 1 mm, pour correspondre au cahier des charges de l’imageur DOCT-VCSEL. Les

750 800 850 900 950 1000 0.0 0.5 1.0 R é fle ct ivi té Longueur d'onde (nm) Réflectivité calculée Réflectivité A637

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contacts métalliques sont déportés vers l’extérieur des microcellules grâce à des pistes en aluminium. Le procédé est réalisé sur deux pouces et l’échantillon est clivé en quatre quarts juste après la fabrication des murs en DF-1005. On procède ensuite au scellement et au remplissage des CL.

Nous allons maintenant détailler les étapes successives du process et en particulier celles qui ont nécessité des développements ou des adaptations particulières (soulignées dans le tableau). Les étapes de fabrication de la partie III-V sont des étapes classiques pour un VCSEL à diaphragme d’oxyde, à l’exception de la gravure localisée du cap en GaAs, de la gravure du deuxième mesa et de la définition de l’anneau en SiON. La partie microcellule à CL est reprise des travaux décrits dans le chapitre 2.

Figure IV-11 : (a) Vue générale des masques de fabrication sur plaque ½-VCSEL de deux pouces de diamètre, (b) Zoom sur un quart du masque correspondant à la taille finale de la matrice de VCSELs

et sur la zone d’émission d’un composant individuel comportant un anneau diélectrique guidant

6 niveaux de photolithographie et une étape de gravure localisée par FIB :

• L0 : Dépôt métal anode

• L1 : Gravure mesa AlOx

• L2 : Gravure mesa cavité

• L3 : Ouverture anneau SiO_xN_y

• L4 : Métal final

• L5 : Mur microcellule DF-1005 • Capotage/remplissage CL

(a)

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Étapes de fabrication procédé de 1ère _{génération Niveau}

Masque Partie III-V :

- Épitaxie

- Dépôt cathode AuGe/Ni/Au (contact N face AR)

- Dépôt et ouverture anode Ti/Au par lift-off (contact P face AV) - Gravure humide du cap GaAs

- Gravure ICP-RIE mesa 1 - Gravure ICP-RIE mesa 2

- Oxydation thermique sélective (AlOx) et recuit du contact AR - DépôtSiOxNy par ICPECVD et ouvertures contact et guide annulaire

- Dépôt aluminium et ouverture contact métallique par gravure humide

- - L0 - L1 L2 - L3 L4 Partie µ-cellule à CL :

- Transfert thermique doux DF1005 et photolithographie des murs cellules - Clivage en 4 du wafer

- Fabrication localisée réseau d’alignement sur le ½ VCSEL (FIB) - Traitement de surface du réseau d’alignement (uniformité) - Dépôt couche de scellement SU-8 sur le capot

- Scellement par impression thermique du capot sur le ½ VCSEL - Remplissage CL à chaud sous vide

L5 - - - - - -

Tableau 6 : Listes des étapes du procédé complet de première génération et des niveaux de photolithographie correspondants

i. Contacts métalliques de type N et P

La première étape du procédé de fabrication consiste en la réalisation de la cathode commune de type N en face arrière du substrat, avec le dépôt par évaporation sous vide d’une séquence AuGe (220 nm) puis de Ni(50 nm)/Au(150 nm). Ce contact sera allié lors de l’étape d’oxydation enterrée à 420 °C pour le rendre ohmique.

Une fois le contact face arrière réalisé, on dépose en face avant de la résine photosensible négative n-LOF d’une épaisseur d’environ 2,5 µm pour définir les anodes par la méthode de lift-off (niveau L0). Les paramètres d’insolation, de recuit et de développement de la résine permettent d’avoir des flancs inclinés rentrants pour la résine, ce qui est nécessaire pour le lift- off.

Nous avons testé deux motifs d’anode différents, un motif annulaire classique et un motif formant une gorge autour du futur mesa, comme on peut le voir sur la Figure IV-12. L’utilisation de ce motif prospectif a été motivée par la recherche d’une meilleure uniformité de l’oxyde enterré et par l’objectif à plus long terme de passer à une technologie totalement planaire. Elle nous a permis de vérifier l’impact du design du mesa sur la vitesse et l’uniformité de l’oxydation sélective (cf. paragraphe sur l’oxydation).

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Figure IV-12 : Motifs de définition des anodes (a) de type "gorge" et (b) de type "mesa"

Le diamètre extérieur des anodes est égal soit à 36 µm soit à 38 µm, et le diamètre intérieur mesure 12 µm dans les deux cas. Nous avons en effet prévu deux tailles de diamètre extérieur d’anode, car c’est l’anode qui va servir de masque de gravure sèche pour le premier mesa et ainsi assurer un auto-centrage du centre du mesa avec la zone d’émission. En prévoyant deux tailles de composants, on aura deux tailles d’ouvertures d’oxyde enterrées, et ainsi on maximisera nos chances d’obtenir des composants fonctionnels et monomodes.

On procède ensuite au dépôt par évaporation d’une bicouche Ti/Au (50 nm/150 nm), le titane servant de couche d’accroche sur le GaAs. On peut voir sur la Figure IV-13 une représentation du wafer en cours de fabrication après le dépôt métallique des anodes et avant le lift-off. On voit bien les flancs inclinés qui permettent un bon accès du solvant pour dissoudre la résine (Figure IV-13(a)) et l’échantillon après lift-off, avec le métal qui ne reste comme prévu qu’au niveau des anodes (Figure IV-13(b)).

Figure IV-13 : Schéma du wafer après le dépôt métallique Ti/Au avant le lift-off (a) et après (b)