CHAPITRE III : DEVELOPPEMENT D’UN PROCEDE DE GRAVURE A FORT
IV.2 Mise en place d’une stratégie de masquage
IV.2.1
Sélection des masques
Afin de déterminer notre stratégie de masquage, nous avons sélectionné différents types de matériaux disponibles au laboratoire : les résines électrosensibles PMMA et ZEP 520 A, le SiO2 déposé en PECVD, le chrome.
Le choix du diélectrique a délibérément privilégié l’utilisation de la silice plutôt que celle du nitrure de silicium, en raison d’une meilleure résistance à la gravure chlorée.
Pour le choix du métal, le chrome a été préféré au nickel, jusqu’alors utilisé au laboratoire, pour deux raisons. La première est qu’il a été observé un phénomène d’autocatalyse dégradant la qualité du masque après exposition du masque de nickel à l’air ambiant. La seconde est que nous avions la possibilité, dans le cas du chrome, de définir des motifs de taille submicronique soit par lift-off, soit par gravure sèche, alors que le lift-off est la seule voie possible pour le nickel.
Pour comparer la tenue de ces matériaux au plasma, nous avons défini la sélectivité S comme le rapport entre la vitesse de gravure du matériau et la vitesse de gravure du masque. Pour des
temps de gravure et des tailles de motifs identiques, cela équivaut au rapport entre l’épaisseur du matériau gravée par rapport à l’épaisseur du masque gravée.
S = vmatériau/vmasque= ematériau/emasque
Si S > 1, alors le procédé est sélectif. Au contraire, si S < 1, le procédé n’est pas sélectif et l’érosion du masque est prépondérante par rapport à la gravure du matériau.
Pour chaque matériau, nous avons déterminé la sélectivité de gravure pour des trous de 200 nm de diamètre par rapport au procédé de gravure chlorée décrit dans le Tableau III-2 pour la filière GaAs, et par rapport à un procédé de gravure fluoré de la silice développé lors de la réalisation d’un filtre à réseaux résonants [36]. Les conditions de gravure des deux procédés sont rappelées dans le Tableau III-4.
Matériaux Gaz utilisé/Flux (sccm) Puissance source (W) Puissance de polarisation (W) Pression (mTorr) Température du porte- échantillon (°C) AlGaAs/GaAs Cl80/10 2/N2 500 60 5.5 30 SiO2 CHF3/50 500 60 5 20
Tableau III-4: Procédés de gravure chlorée et fluorée constituant notre point de départ
Les résultats sur la sélectivité des matériaux sont résumés dans le Tableau III-5. Comme on pouvait le prévoir, la sélectivité des résines électrosensibles est bien trop faible pour que ces résines soient utilisées seules en tant que masque. Néanmoins, la lithographie électronique étant une étape indispensable, ces résines interviendront dans la définition du masque final. Pour la suite, nous choisirons d’utiliser la résine commerciale ZEP 520A plutôt que le PMMA comme polymère électrosensible, en raison de sa plus grande sélectivité.
Procédé de gravure ICP-
RIE
Masque
PMMA ZEP520A SiO2 Cr
GaAs avec
Cl2/N2 0.5 0.7 4 16
SiO2 avec
CHF3 <0.5 0.5 - 50
Tableau III-5: Tableau des sélectivités de gravure
Cette étude montre que la silice et surtout le chrome sont d’excellents candidats pour constituer le masque. Une épaisseur de silice de 650 nm environ, ou une couche de 150nm de chrome serait nécessaire pour des gravures de trous de 200 nm de diamètre sur une profondeur de 2.5 µm. Le chrome semble le mieux adapté puisqu’il limite le facteur de forme. Cependant, il est particulièrement difficile de définir les cristaux photoniques (et de façon plus générale des motifs nanométriques) pour des épaisseurs de chrome supérieures à 150 nm. De surcroît, la rugosité des flancs inhérente aux couches métalliques peut se transférer dans l’hétérostructure et nuire à la qualité optique des flancs.
- la première concerne le rapport de forme du masque qui va limiter la profondeur de gravure des motifs.
- la seconde, mise en exergue dans la littérature, porte sur le défi d’ouvrir 650 nm de silice à partir d’un masque composé seulement par des résines électrosensibles. Pour réussir, il faut développer un procédé de gravure ayant une grande sélectivité entre la résine et la silice, ce qui est délicat avec des réacteurs de plasma à haute densité de type ICP-RIE. Dans la littérature, un procédé de gravure RIE par couplage capacitif a montré la possibilité d’utiliser une faible couche de PMMA pour graver 600 nm de silice. Ce procédé original, basé sur une succession de cycles de gravure, augmente la sélectivité de la PMMA, mais ceci au détriment de la verticalité des flancs [30].
IV.2.2
Mise en œuvre
Dans nos travaux, nous avons choisi d’utiliser une couche de 500 nm de silice. En raison de la faible sélectivité de la résine lors du procédé permettant d’ouvrir la silice, une couche intermédiaire supplémentaire de 50 nm de chrome est déposée. Ainsi, nous avons retenu un masque tricouche, composé d’une couche de silice de 500 nm d’épaisseur, recouverte d’une couche de 50 nm de chrome, elle-même recouverte d’une résine électrosensible.
Nous réalisons la calibration de la dose d’électrons. Nous effectuons les tests de gravure proprement dits. Les échantillons sont amincis puis clivés, afin de pouvoir caractériser au MEB les flancs de gravure.
Nous avons défini un ensemble de motifs tests de taille micrométrique ou submicronique. Il contient un rectangle de 100 µm x 75 µm, quatre lignes de différentes largeurs (2.5 µm, 500 nm, 200 nm, et 100 nm) et des motifs à cristaux photoniques ayant des paramètres de maille et des facteurs de remplissage variés. Chacun de ces réseaux est répété deux fois. Des marques de repères ont aussi été ajoutées pour faciliter la caractérisation des échantillons (Figure III-7).
Rectangle de 100 µm x 75µm 4 lignes isolées de 2.5 µm, 500 nm, 200 nm et 100 nm de largeur (motifs tranchées) R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
Motifs pour cristaux photoniques
Figure III-7: Ensemble de motifs tests
Les paramètres des cristaux photoniques (période du réseau et diamètre des trous) sont décrits Tableau III-6. Nom du réseau R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Paramètre de maille (nm) 350 250 350 250 350 250 350 250 Diamètre des trous codés (nm) 220 160 200 150 190 140 165 120
Tableau III-6: Paramètres caractéristiques des cristaux photoniques