Mesures Raman en incidence normale

La caractérisation en incidence normale selon z’ a été effectuée avec un spectro-mètre Raman de Horiba Jobin Yvon, équipé d’un réseau de 1800 l/mm et du détec-teur "sincerity". La mesure consiste en une série de points d’acquisitions disposés le long d’une ligne transverse au guide et séparées de 0,1 µm. Un premier laser hélium-néon à λ = 632.81 nm est utilisé pour calibrer le spectromètre (réseau + détecteur) car il possède une excellente stabilité spectrale d’émission. Le deuxième laser à λ = 473 nm est utilisé pour la mesure car il permet une meilleure résolu-tion spatiale, essentielle pour caractériser des structures larges de 400 nm et hautes de 260 nm. La résolution est estimée au premier ordre par la limite de diffraction d = 0, 61λ/N A où N A = 0, 9 est l’ouverture numérique de l’objectif x100 utilisé. Dans le cas du laser à λ=473, elle est de l’ordre de d=320 nm.

De plus, la profondeur de pénétration dans le silicium est de l’ordre de 400 nm pour le laser λ = 473 nm alors qu’elle est de 1 µm pour le laser λ = 632.81 nm [9]. Il est donc préférable d’utiliser le laser à λ =473 nm pour la caractérisation des guides d’onde de 260 nm considérés.

Nous rappelons (cf section 4.3.1) que deux échantillons ont été caractérisés :

l’échantillon 1 de référence et l’échantillon 2 couvert de 700 nm de nitrure de si-licium (SiN) contraint.

CHAPITRE 4. CARACTÉRISATION DES CONTRAINTES INDUITES

FIGURE 4.5 – a) Représentation 3D du banc expérimental de spectroscopie Raman utilisé pour la caractérisation des contraintes dans les guides d’onde silicium. Une longueur d’onde de λ=473 nm est utilisée en rétrodiffusion selon z’ le long de la ligne d’acquisition perpen-diculaire au guide en pointillés bleus. Une longueur d’onde de λ= 1335 nm est utilisée en transmission selon y’ dans le guide en pointillés rouges. Le laser Hélium-Néon λ = 632, 81 nm permet de calibrer le spectromètre avant les mesures. b) Représentation transverse des deux échantillons caractérisés : l’échantillon 1 de référence et l’échantillon 2 recouvert de 700 nm de SiN contraint.

CHAPITRE 4. CARACTÉRISATION DES CONTRAINTES INDUITES

FIGURE 4.6 – Position relative des modes Raman en fonction de la puissance du laser en incidence normale selon z’ pour l’échantillon 1 sans SiN et l’échantillon 2 avec SiN. La puis-sance du laser à 100 % est de 30 mW. Sur le SOI massif, le pic Raman se décale à partir de 25% alors que sur un guide c’est à partir de 5%.

Échauffement de l’échantillon avec la puissance du laser

Les premiers tests ont permis de mettre en évidence l’échauffement du SOI avec la puissance du laser, responsable d’un décalage vers le rouge et de l’élargissement du pic Raman en configuration d’incidence normale selon z’. Cet effet est connu pour être plus important sur des structures de petites dimensions comme les guides d’onde et sur les substrats de SOI où la chaleur se dissipe peu en profondeur à cause de la barrière thermique formée par la silice enterrée [30]. La position relative du pic Raman,∆qi = qi−_{q0 en Rcm}⁻1 (Relative cm⁻¹) avec q0 = 520, 7cm⁻¹ est tracée fi-gure4.6 en fonction de la puissance du laser pour les échantillons 1 sans SiN (noir) et l’échantillon 2 avec SiN (rouge). Deux cas ont été traités sur chaque échantillon, lorsque le laser est positionné sur le silicium massif et lorsqu’il est positionné sur un guide.

Sur le silicium massif, la position du pic Raman se décale légèrement à partir de 25% pour les deux échantillons 1 et 2. Sur les guides, la position commence à changer dès 5% et atteint même -5 Rcm⁻¹ à 100 % du laser. Les structures sont en effet totalement gravées et ne peuvent donc plus dissiper la chaleur. Les mesures classiques que nous présenterons affichent des décalages de l’ordre de 1 à 4 Rcm⁻¹, il nous faut donc travailler à moins de 5% ('1, 5 mW) pour éviter les perturbations dues à l’échauffement des structures.

Caractérisations des guides en incidence normale

Les résultats de caractérisation des échantillons 1 et 2, en incidence normale et avec une polarisation libre, sont présentés figure4.7.

Nous remarquons que pour les deux échantillons, l’intensité augmente aux in-terfaces de gravure, sur le guide et aux bords des deux tranchées indiqués par des

CHAPITRE 4. CARACTÉRISATION DES CONTRAINTES INDUITES flèches rouges figure 4.7 b) et d). L’origine de ce phénomène, qui a déjà été ob-servé dans de nombreuses études, ne trouve cependant pas d’explications claires [30]. Cette augmentation d’intensité aux interfaces s’accompagne également d’un élargissement, voire d’un décalage vers le rouge pour l’échantillon 2 contraint qui traduisent un niveau et une distribution des contraintes exacerbées. Ce résultat est en accord avec les distributions de contraintes simulées figure 4.4 dans lesquelles les gradients de contraintes et le cisaillement sont très importants dans les coins du guide.

FIGURE4.7 – Acquisition Raman en rétrodiffusion selon z’. a) Spectre Raman enregistré sur le guide d’onde et b) acquisition complète effectuée le long d’une ligne transverse au guide d’onde de l’échantillon 1 de référence. c) Spectre Raman enregistré sur le guide d’onde et d) acquisition complète effectuée le long d’une ligne transverse au guide d’onde de l’échan-tillon 2 contraint. La représentation schématique b) de la structure permet de repérer sur les acquisitions les positions du guide d’onde et des interfaces de gravure représentées par les flèches rouges.

Les spectres Raman acquis lorsque le laser est positionné sur le guide sont re-présentés figure4.7a) et c). Leur décomposition par des fonctions Voigt permet une lecture précise de leur position, largeur et intensité.

CHAPITRE 4. CARACTÉRISATION DES CONTRAINTES INDUITES

•Dans le cas de l’échantillon de référence, un seul pic est observé dont la position est de -0,25 Rcm⁻¹figure4.7a). D’après une simple estimation faite avec un modèle uniaxial [31] tel que

∆q3(Rcm⁻¹) ' 2·10⁻⁹σ(Pa), (4.42) La contrainte correspondante est de l’ordre de +100 MPa (tension), en accord avec les résultats présents dans la littérature [32]. Cet état de contrainte serait induit dans le silicium lors des différentes étapes de fabrication des substrats SOI.

•Pour l’échantillon 2, couvert par la couche de SiN contraint, nous remarquons un dédoublement du pic Raman. Les positions relevées sont de +1,32 et +3,87 Rcm⁻¹, en accord avec la contrainte en compression appliquée par la couche de SiN (équa-tion4.33 ou4.40). Comme nous l’avons décrit précédemment, seul un cisaillement dans la direction de z’ peut être responsable d’une telle levée de dégénérescence des pics Raman sur le guide. Parmi les deux modèles biaxiaux que nous avons présen-tés précédemment, seul le modèle 13 est donc capable d’expliquer l’apparition de ce deuxième mode Raman sur le guide.

Pour confirmer ce résultat, nous avons étudié les variations d’intensité des deux composantes du pic Raman le long de la ligne d’acquisition. Ces intensités sont tracées figure4.8a) en fonction de la position du laser dans la direction x’. Nous re-marquons que la composante positionnée en 3,87 Rcm⁻¹en rouge n’apparait qu’aux interfaces marquées d’une flèche rouge, là où la contrainte est maximale. La compo-sante positionnée en 1,32 Rcm⁻¹est par contre présente partout.

D’après les résultats du modèle 13 tableau4.2, la composante qui n’apparait que pour les états de fortes contraintes correspond au mode Raman 1. Le pic situé à 3,87 Rcm⁻¹peut donc être assimilé au mode 1, et le pic à 1,32 Rcm⁻¹au mode 3.

Nous avons également tracé figure4.8 b) les intensités de chaque composante, normalisées par l’intensité totale du pic Raman tel que I₁^norm = I₁/(I₁+I₃)par exemple pour l’intensité normalisée I₁^norm du mode 1. Cette figure permet de mieux appré-cier l’échange d’intensité entre les deux modes Raman mesurés qui confirme notre association du mode 1 avec la composante à 3,87 Rcm⁻¹ et du mode 3 avec celle à 1,32 Rcm⁻¹.

Nous avons vu que seul un cisaillement dans la direction 3 pouvait être respon-sable d’un dédoublement du pic Raman en incidence normale selon z’. Le guide doit donc présenter un fort cisaillement dans cette direction. Parmi les deux modèles que nous avons développés, seul le modèle 13 comporte ce type de cisaillement. Il est donc plus approprié dans ce cas.

D’autre part, l’identification et la mesure des positions des modes Raman 1 et 3, permise par la caractérisation en incidence normale, nous facilitera considérable-ment l’analyse des spectres acquis en transmission selon y’. Cette dernière configu-ration est nécessaire, car à la différence de l’incidence normale, elle nous permet de mesurer la position des trois modes Raman (tableau4.1,4.2ou4.3).