A.2.1 Les outils de base
– Substrat silicium : sous forme de plaquettes de silicium, d’orientation cristallographique <100> la plupart du temps ;
– Masque en verre avec motifs en chrome : le dessin du masque est effectu´e sous le lo- giciel Cadence et la fabrication du masque se fait au laboratoire d’optique de Besan¸con (LOPMD).
A.2.2 Les diff´erentes ´etapes
1. Couche de protection
Afin de graver s´electivement les motifs dessin´es sur le masque, il est n´ecessaire d’utiliser une couche de protection du silicium. Celle-ci peut se pr´esenter sous la forme d’une couche de silice (SiO2) obtenue par oxydation thermique dans un four `a 1000˚C sous flux d’oxyg`ene
et/ou vapeur d’eau. Afin d’avoir une id´ee de la vitesse d’oxydation en utilisant ces deux flux (O2 et H2O), une couche d’environ 1,4 µm d’oxyde (largement suffisante pour la
protection) est obtenue en 6 heures. On peut aussi utiliser le nitrure de silicium (Si3N4)
obtenu par d´epˆot `a 350˚C dans un bˆati PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Cette couche prot`ege plus efficacement le silicium car elle a une vitesse de gravure plus lente dans la solution utilis´ee pour la gravure du silicium mais elle apporte plus de contraintes au silicium. Une couche m´etallique telle qu’une couche chrome - or est aussi une solution pour prot´eger les zones que l’on ne d´esire pas graver.
A.2. OUTILS, ´ETAPES, VITESSES DE GRAVURE SELON LES PLANS CRISTALLINS
On d´epose sur la plaquette prot´eg´ee une r´esine photosensible (rotation `a grande vitesse sur une tournette et recuit sur une plaque chauffante afin d’obtenir une ´epaisseur homog`ene de r´esine sur toute la surface) ; ensuite a lieu la reproduction sur cette r´esine du dessin du masque par une insolation aux ultraviolets, la couche de r´esine insol´ee est ensuite ´elimin´ee dans un solvant (phase de r´ev´elation) laissant `a nu la couche de protection aux endroits d´esir´es pour la gravure.
3. Retrait de la couche de protection
La couche de protection est retir´ee aux endroits `a nu par une solution de BHF (bifluorure d’ammonium : 7 vol. de NH4F (40%) + 1 vol. de HF (50%)).
Couche de protection SiO2 Si3N4
Vitesse d’attaque dans le BHF (˚A/min) 1000 300
Tab. A.1: Vitesses d’attaque du SiO2 et Si3N4 dans une solution de BHF
4. Le silicium est ensuite rinc´e (eau d´eionis´ee) et la r´esine restante est retir´ee dans l’ac´etone. 5. Gravure chimique
La gravure chimique humide du silicium peut alors commencer : elle correspond `a une attaque anisotrope du silicium. L’usinage anisotrope est r´ealis´e dans une solution d’hy- droxyde de potassium (KOH) `a 10 mol./l pour une temp´erature variant entre 55 et 85˚C. Ces conditions permettent de conserver l’´etat de surface de d´epart de la plaquette tout en offrant une vitesse d’attaque suffisamment lente pour obtenir des ´epaisseurs de gravure pr´ecises et reproductibles (la gravure est contrˆol´ee par chronom´etrage).
Temp´erature du Vitesse d’attaque Vitesse d’attaque Vitesse d’attaque Vitesse d’attaque bain de KOH (˚C) du plan (100) du plan (110) du plan (111) de la silice
(µm/min) (µm/min) (µm/min) (µm/h)
55 0,26 0,5 0,006 0,03
70 0,67 1,3 0,12
85 1,53 3,2 0,42
Tab. A.2: Vitesses de gravure du silicium et de la silice selon les plans cristallins du silicium et selon la temp´erature du bain de KOH.
Selon l’orientation des motifs inscrits par photolithographie sur la plaquette de silicium orient´ee <100>, la gravure a lieu soit perpendiculairement `a la surface de la plaquette (motifs `a 45˚du m´eplat), soit selon le plan <111> avec un angle d’inclinaison de 54,7˚par rapport `a la surface de la plaquette (figureA.3).
Fig. A.3: Influence de l’orientation des motifs sur la gravure de la plaquette de silicium.
Remarque : L’attaque isotrope du silicium est aussi possible. Elle permet d’usiner tous les plans `a la mˆeme vitesse. La solution utilis´ee pour cet usinage est un m´elange (HNO3/HF/CH3COOH).
Dans ce cas, une couche de protection Si3N4 est pr´ef´erable `a une couche d’oxyde thermique.
A.2.3 R´esolution atteinte
L’´etape critique se situe en fait au moment de la photolithographie et non au moment de la gravure : en effet, si l’alignement entre masque et plaquette n’est pas r´ealis´e, la plaquette ne s’usinera pas correctement par la suite. La pr´ecision maximale atteinte lors de l’alignement est 0,5 µm. Une ´etape pr´eliminaire de pr´egravure permet de mieux orienter la plaquette au moment de cet alignement.
Annexe B
Formation, caract´eristiques et
param`etres influents du silicium
poreux
B.1
Introduction
Les premi`eres ´etudes et obtentions de silicium `a l’´etat poreux datent de la fin des ann´ees 1950 : Ulhir [1] en 1956 puis Turner [2] en 1958 obtiennent du silicium poreux (SP) par anodisation du silicium dans des solutions d’acide fluorhydrique (HF) aqueuses ou ´ethano¨ıques. Depuis ces exp´eriences historiques, le SP avait ´et´e ´etudi´e mais sans qu’on lui trouve une r´eelle utilit´e.
Un regain d’int´erˆet pour ce mat´eriau est n´e avec la publication des travaux de Leigh Canham en 1990 [3]. En effet, il a montr´e que le SP poss`ede des propri´et´es de photoluminescence visible ce qui a relanc´e radicalement les recherches dans le domaine.
Ces recherches se focalisent essentiellement sur les propri´et´es de photoluminescence (visible, UV, IR) et d’´electroluminescence mais des applications en micro´electronique (isolation par SP oxyd´e) [4], en optique (multicouche avec indice de r´efraction qui d´epend de la porosit´e) [5], en opto´electronique (Light-emitted devices, photod´etecteurs) [6] entre autres sont aussi `a noter.
Ces propri´et´es n’´etant pas l’objet d’´etude de cette th`ese, nous ne d´ecrirons pas par la suite ces diff´erents ph´enom`enes et nous nous bornerons `a d´efinir les m´ethodes de fabrication et de caract´erisation du silicium poreux.