Utilisation d’un masque physique

L’utilisation d’un masque physique est tr`es semblable au masquage lors d’une gravure s`eche ou humide : on d´epose la couche de masquage sur laquelle on grave le motif par pho- tolithographie et ensuite on effectue la porosification `a travers les zones ouvertes dans le masque (fig. 4.1). De mani`ere g´en´erale les principaux probl`emes qui se pr´esentent sont des inhomog´en´eit´es de l’´epaisseur de la couche aux bords du masque, la dissolution ou le d´e- collement du masque, et une forte porosification sous le masque, semblable `a la surgravure pr´esente lors des gravures humides.

Les mat´eriaux de masquage les plus commun´ement employ´es et leurs propri´et´es sont d´ecrits ci-dessous. On verra par la suite que ces mat´eriaux peuvent ´egalement ˆetre combin´es afin d’am´eliorer les masques.

SiO2 : ce mat´eriau utilis´e seul est rapidement grav´e par l’acide fluorhydrique, il est donc

r´eserv´e `a la fabrication de couches poreuses de faible ´epaisseur.

Si3N4 : r´esiste mieux `a l’acide fluorhydrique que le SiO2. Il est pr´ef´erable d’utiliser du

Si3N4 d´epos´e par LPCVD [38] ou par PECVD recuit ensuite par RTA [27], car ce

(a) D´epˆot du mat´eriau de masquage en couche mince.

(b) Photolithographie et gravure des motifs.

(c) Porosification.

Figure 4.1 Proc´ed´e g´en´eral pour la porosification masqu´ee.

sont les types de nitrure qui r´esistent le mieux `a l’acide fluorhydrique. Le d´esavantage

est qu’il peut ˆetre sous contraintes, ce qui peut causer des inhomog´en´eit´es de gravure

aux bords du masque ou des fissures dans la couche poreuse, mais ces contraintes

peuvent ˆetre r´eduites par le d´epˆot d’une couche tr`es fine (15 nm) de SiO2 sous le

masque de Si3N4 [38].

SiC : r´esiste tr`es bien `a l’acide fluorhydrique mais contient de fortes contraintes, pouvant

aller jusqu’`a l’apparition de fissures dans le masque [64].

Cr/Au : l’or adh`ere mal au silicium donc on d´epose au pr´ealable une fine couche de

chrome, qui a le d´esavantage d’ˆetre attaqu´e par l’acide fluorhydrique.

Photor´esine : facile `a mettre en oeuvre mais r´esiste peu longtemps car elle est d´ecoll´ee facilement.

Polysilicium : ce mat´eriau est quasiment inerte vis `a vis de l’acide fluorhydrique, d’autant

plus s’il a un dopage contraire `a celui du substrat. Toutefois, il laisse passer le courant

ce qui cause de la porosification sous le masque.

Les principales causes du d´ecollement des couches de photor´esine sont leur faible adh´erence

au silicium [26] et leur faible r´esistance m´ecanique, qui font que les bulles d’hydrog`ene

d´egag´ees par la r´eaction d’anodisation les d´ecollent facilement, mais l’attaque chimique

du masque semble ˆetre un facteur moins important [27]. L’or a ´egalement une mauvaise

Aux bords des masques on observe souvent des inhomog´en´eit´es : l’´epaisseur de la couche poreuse et sa porosit´e y sont plus ´elev´ees (v. fig. 4.2). Ceci est caus´e par une augmentation locale de la densit´e de courant aux bords du masque puisque les lignes de courant doivent se resserer pour passer `a travers le masque. Cet effet est toutefois att´enu´e par un dopage plus ´elev´e du substrat ; en effet pour un substrat p+ on n’observe quasiment plus ces inhomog´en´eit´es [58, 27].

Figure 4.2 Inhomog´en´eit´e de profondeur lors de la porosification masqu´ee [58].

Plusieurs facteurs expliquent la surgravure forte ; on peut distinguer deux types : une surgravure “primaire” de forme isotrope et une surgravure “secondaire” en “bec d’oiseau” qui peut s’´etendre assez loin sous le masque [26] (fig. 4.3b). Une des causes de la surgravure secondaire est le d´ecollement des masques. L’autre cause est l’augmentation locale de la densit´e de courant. La surgravure secondaire peut ´egalement ˆetre ´elimin´ee en augmentant le dopage [58] (dans les substrats faiblement dop´es on peut obtenir une couche d’inversion des porteurs ´electriques en-dessous du masque). On peut aussi la r´eduire en utilisant des masques qui ne sont pas des isolants ´electriques. La surgravure primaire est caus´ee par un resserrement des lignes de courant `a la fronti`ere entre l’´electrolyte et le masque, qui se dispersent de nouveau dans le susbtrat, ce qui entraˆıne une porosification isotrope `a la limite du masque. Le silicium poreux form´e ici est radial, puisqu’il suit les lignes de courant (v. fig. 4.3a). Cette surgravure ou “surporosification” paraˆıt ˆetre une limitation fondamentale du proc´ed´e de porosification localis´ee, lorsqu’on utilise des couches minces. Ainsi, dans le meilleur des cas on a une gravure isotrope et donc l’´etendue lat´erale d’un motif ne peut ˆetre inf´erieure au double de l’´epaisseur de la couche de silicium poreux. D’autres masques plus ´elabor´es existent ´egalement. Une des solutions les plus utilis´ees pour les couches ´epaisses est l’empilement Si3N4/poly-Si ou SiO2/poly-Si [23]. Le poly-silicium

seul est travers´e par le courant entraˆınant la porosification du substrat sous le masque, mais la couche di´electrique en-dessous l’isole ´electriquement. Afin d’am´eliorer sa passivation on peut ´egalement le doper du type contraire au substrat. Ces masques peuvent supporter des gravures de plusieurs heures sans probl`eme. Il peut toutefois y avoir de la surgravure `

(a) Grossissement du silicium poreux form´e sous le masque.

(b) Surporosification primaire et secondaire.

Figure 4.3 Effets de porosification en-dessous du masque [58].

S’il y a trop de contraintes dans la couche de Si3N4 on peut les r´eduire en d´eposant une

couche tr`es fine de SiO2 en-dessous.

Duttagupta et al. ont utilis´e un masque compos´e de 3 couches : Si3N4 (100 nm) et deux

couches de photor´esine (5 µm et 1 µm) [16]. L’avantage de cette m´ethode est que la couche de nitrure assure une bonne adh´erence alors que la couche de photor´esine augmente la dur´ee de vie du masque et de plus, ils ont observ´e que le rapport entre l’´epaisseur du masque et la largeur du motif a un effet important sur la surporosification lat´erale. Ainsi pour un rapport 3:1 ils n’observent aucune surporosification lors de la porosification de substrats de type p. Cependant, ils n’indiquent pas l’´epaisseur de la couche fabriqu´ee ainsi, mais l’´etude ´etant ax´ee sur la luminescence du silicium poreux donc on peut supposer que les couches ´etaient relativement minces.

La r´esine SU-8 a ´et´e ´etudi´ee comme masque pour la fabrication de silicium nano-poreux [52, 25, 12], m´esoporeux [25] et macro-poreux [52, 57, 25]. De mˆeme qu’avec de la pho- tor´esine classique, une gravure isotrope a ´et´e obtenue pour les 3 morphologies [57, 25], mais le masque montre une bonne r´esistance `a l’attaque chimique bien qu’il soit d´ecoll´e facilement. En optimisant la recette de la r´esine afin qu’elle ne se d´ecolle pas pendant la porosification, des couches macroporeuses d’une ´epaisseur de 100µm avec des flancs parfaitement verticaux et sans surgravure ont ´et´e obtenues [57]. La part d’influence de l’adh´erence du masque et de l’´epaisseur du masque (37 µm) sur l’absence de surporosifi- cation n’a cependant pas ´et´e ´etudi´ee dans cet article. Cette recette optimis´ee n’a pas ´et´e test´ee sur du silicium m´esoporeux et on peut ´egalement se poser la question de l’enl`eve- ment du masque apr`es porosification. La question est peu ´evoqu´ee, seul un article y fait

r´ef´erence et le masque est enlev´e dans un bain `a ultrasons [57], mais ce n’est pas sˆur que le silicium m´esoporeux r´esiste `a ce traitement.

Des essais ont ´et´e effectu´es en imposant soit un courant ou une tension au masque. La circulation d’un courant, envrion deux fois plus ´elev´e que le courant d’anodisation, dans un masque m´etallique sur un substrat faiblement dop´e a fortement r´eduit les inhomog´en´eit´es aux bords du masque [27] (mais pas la surgravure). Il a ´et´e sugg´er´e que le fait d’appliquer une tension au masque pour r´eduire le nombre de porteurs majoritaires proche du masque afin de r´eduire la surgravure secondaire [26].