Solution apportée par le carbone amorphe hydrogéné . 99

Nous avons développé une technique de dépôt d'un lm de carbone amorphe hydrogéné (dénoté génériquement a−C : H). Ce lm de structure proche du dia-mant, s'obtient à partir d'un précurseur hydrocarboné (type méthane, butane. . .) soumis à des champs électriques dans une enceinte plasma à faible température[6]. Les dépôts de carbone amorphe que nous avons eectués dans la cadre de cette thèse, ont été réalisés dans une enceinte plasma MRC51. Nous utilisons du méthane (CH4) comme précurseur gazeux. Les paramètres de dépôt qui ont été optimisés sont respectivement en termes de puissance du générateur, temps de dépôt, et pression dans l'enceinte : 100W , 15min et 100mT orr. L'épaisseur du lm de carbone déposée est de l'ordre de ∼ 200 nm.

Ouverture de la surface à graver

Une fois le dépôt carbone réalisé, un masque métallique est déposé et aligné sur la face arrière pour dénir les surfaces qui seront gravées par la suite. Nous disposons de diérentes formes de motifs (carrées ou rectangulaires) avec des ouvertures qui sont comprises entre 0, 1 mm2 et 1 mm2. Les échantillons masqués sont ensuite traités sous plasma oxygène. Les paramètres de gravure ont été

Chapitre 4. Technologie de fabrication de membranes en silicium

optimisés à 100W , pendant 6min à 200mT orr pour enlever la couche de carbone sur les zones non masquées et pour libérer le silicium (voir Figure 4.4).

Figure 4.4  Image de la face arrière d'un échantillon après ouverture de zones à graver dans le masque de carbone.

Pour nir, un dernier plasma oxygène très bref va être appliqué sur la surface entière (i.e. sans le masque) pour rendre la surface totalement hydrophile. Nous avons constaté que cette opération limitait l'accumulation de bulles au niveau de la zone gravée durant la gravure KOH.

Protocole de nettoyage

La qualité de la couche d'accroche du lm de carbone va dépendre de la propreté de la surface du substrat. C'est pour cela qu'avant chaque procédé de dépôt, nous prenons une attention particulière à nettoyer nos échantillons en silicium en respectant les procédés standards utilisés en salle blanche. Dans nos protocoles nous incluons des nettoyages piranha (mélange H2O2/H2SO4 dans un rapport 2 : 1) pour éliminer les composés organiques. Après un rinçage intense à l'eau désionisée, la face arrière est trempée dans un bain d'acide uorhydrique à 5% pour éliminer la présence d'oxyde natif sur la surface. En eet, nous avons constaté expérimentalement que le carbone n'accrochait pas sur une surface de SiO2.

Accroche du carbone pendant la gravure

Lors de l'étape de gravure KOH, il apparait généralement après plusieurs heures une dégradation de la couche de carbone (voir Figure 4.5.a). Cette dé-térioration peut être attribuée au mauvais état de surface de la face arrière du silicium. An d'améliorer la qualité d'accroche du carbone, nous avons ciblé deux étapes dans le procédé de fabrication complet pouvant causer la détérioration de 100

4.1. Technologies et verrous autour de l'ouverture des réseaux de pores la surface arrière du silicum :

• Etape de lithographie (cf. Annexe A) : Lors d'une étape de transfert des motifs dans la couche de SiO2par procédé plasma, les plaquettes de silicium de 100mm sont collées avec du Fomblin sur des substrats plus larges de 300mm(8′′). Malgré un nettoyage chimique de cette couche de colle (avec du Galden notamment), la face arrière du silicium ne retrouve jamais son aspect poli-optique du départ.

• Etape de fabrication des pyramides inversées (cf. Section 3.1.1) : Lorsque les échantillons sont plongés dans un bain de KOH pendant 90s, la face arrière est gravée car elle n'est pas protégée. Cette gravure courte augmente la rugosité et la présence d'aspérités à la surface.

Figure 4.5  Images de l'état de surface du masque de carbone après plusieurs heures de gravure KOH. (a)Dégradation de la couche due à un mauvais état de surface du silicium(b) résistance de la couche oxydée après 6H de gravure KOH. Les aspérités présentes à la surface sont dues à une mauvaise adhérence du carbone pendant la gravure.

Ces deux étapes sont incluses dans le procédé global de fabrication des struc-tures sub-micrométriques. Pour protéger au maximum la face arrière, nous oxy-dons en amont les plaquettes de silicium sur les deux faces (réalisée au CIME, Centre Interuniversitaire de Micro-Électronique ). Ces oxydations sont réalisées par plasma PECVD (pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ). L'oxy-dation de la face avant sert de masque de transfert lors de l'étape de lithographie (cf. Annexe A). L'oxydation de la face arrière a pour but de protéger au maxi-mum la surface lors des deux étapes critiques citées précédemment.

L'attention qui a été portée pour protéger la face arrière, couplée à un pro-tocole de nettoyage strict, a considérablement limité la dégradation de la couche de carbone durant la gravure KOH (voir Figure 4.5.b). En revanche, il subsiste

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toujours en n de procédé des zones ou le carbone n'a pas parfaitement accroché. Dans la plupart de nos gravures, cette dégradation reste localisée sur certaines zones mortes de la surface et n'est pas critique pour la suite du procédé.

4.1.6 Instabilité de la gravure KOH proche du réseau de

pores

Comme mentionné dans la Section 4.1, le but nal de cette étape est de libé-rer les calottes d'oxydes au niveau de la face arrière. Il faut néanmoins prendre des précautions pour éviter de surgraver le silicium entre les pores. Expérimenta-lement, les faibles surfaces que nous gravons permettent dicilement d'observer l'ouverture du réseau de pores. C'est pour cette raison qu'il est important de connaitre la vitesse de dissolution du silicium à un instant t et la profondeur L − e restante à graver.

Malgré des mesures régulières de la profondeur gravée au prolomètre méca-nique (Dektak 150de chez Bruker), il subsiste toujours une erreur sur l'instant précis d'ouverture du réseau de pores. Dans le cas ou le KOH a commencé à gra-ver entre les structures, les pores recougra-verts de SiO2 sont libérés du silicium sous forme de nanols. La Figure 4.6.a est une vue de la face arrière d'une membrane surgravée.

Figure 4.6  Images MEB de la face arrière de membranes témoignant des in-stabilités de la gravure KOH. (a) Surgravure du silicium au niveau du réseau de pores permettant la libération des calottes d'oxydes. (b) Zone de fracturation mi-crométrique à la surface d'une membrane, observable après l'étape de dissolution du SiO2.

Cependant, la fragilité mécanique intrinsèque des membranes sub-micrométriques est sans aucun doute le facteur qui nous a causé le plus de pro-blèmes. En eet, il est courant d'obtenir en n de procédé des zones perforées 102

4.1. Technologies et verrous autour de l'ouverture des réseaux de pores dans les coins de la membrane. Ces véritables fractures sont en général obser-vables à l'÷il nu. A échelle moindre, mais tout aussi néfaste pour la membrane, il faut faire attention à la présence de trous isolés de dimensions micrométriques. On observe plus facilement ces défauts lors de l'étape de dissolution du SiO2

dans un bain d'acide uorhydrique à 5% (voir Figure 4.6.b).

La gravure KOH est une attaque chimique qui est très utilisée dans la fabri-cation de membranes pleines (i.e. sans structures). La densité élevée de pores de nos réseaux sub-micrométriques semble aaiblir considérablement la résistance mécanique des membranes. De plus, le mauvais contrôle de l'arrêt de gravure augmente les probabilités de détérioration de la membrane. Nous avons alors envisagé des stratégies parallèles qui permettent de mieux contrôler l'étape d'ou-verture des pores.

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4.2 Optimiser l'étape de libération des structures