Post on 31-Jul-2020
1
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Centrale de Technologie du LPNDépôts/Gravures
Laurence FERLAZZOlaurence.ferlazzo@lpn.cnrs.fr
LPN/CNRS route de Nozay –91460 Marcoussis
2
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Sommaire
Introduction
Le LPN et sa centrale de technologie
Les différentes techniques de dépôt
Les différents techniques de gravures
Conclusion
3
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
Marcoussis (91)
Effectif:~120 personnes dont 43 chercheurs et 40 ITA
Thématiques:
•Optique quantique et non linéaire•Composants microélectroniques et photoniques•Physique et élaboration des hétérostructures•Nanostructures et électronique de spin•Microfluidique, nanostructures ( chimie et biologie)
Organisation :8 groupes+ 4 services (Administration, Informatique, Atelier Mécanique, Service de Technologie)
Présentation LPN
4
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Centrale Techno
1) Epitaxie(matériaux III.V)(groupe Elphyse)
2) Service de technologie
(14 ITA)
+ 3)Caractérisation : diffractionX, TEM(groupe Elphyse)
1000m2
+150m2 (gris)
sas d’entrée
Centrale de TechnologieCentrale de Technologie
Demande de projets exogènes : centrale-techno@lpn.cnrs.fr
5
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
sas d’entrée
zones grises (pompage, chillers, ..)
dépôt métallisation
dépôt diélectrique gravure sèche litho électronique (2)
caractérisation libre service
(profilomètre, AFM, ...)
microscopie à balayage (4MEB)
FIB(recherche)Recuits thermiques
salle de chimie(électrochim.)
caractérisation « simple » litho optique (4)
Service de TechnologieService de Technologie
Salle Blanche :Classe 100Régulée :en température à 20°C+/-5°Cen humidité à 45%+/-5%
6
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Techniques de dépôt
Couche mince = film dont l’épaisseur est voisine du micromètre
Processus chimique CVD
Processus Physique PVD
Laser CVDPlasma CVDCVD Pulvérisation cathodique
RF Triode
DC Triode
RF DiodeDC Diode
EJM
Ablation Laser
Implantation d’ions
Canon à électrons&
Effet Joule
Processus Thermique
Méthodes générales de dépôt de couches minces sous vide :
Oxydation thermique
7
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
C.V.D (Chemical Vapor Deposition )Les constituants d'une phase gazeuse réagissent pour former un film solide
déposé sur un substrat.Réaction chimique entre la phase vapeur et le substrat chauffé :ensemble de réactions chimiques, processus thermodynamique et cinétique, phénomène de transport.
P.E.C.V.D : variante de la CVD où le plasma va jouer le rôle de « catalyseur »L.P.C.V.D : CVD basse pression,….
DC
Injecteur de gaz
Substrat
Four
Vanne de régulation
Pompes
Jauge Baratron
RF
Processus Chimique
PECVD (SiH4, NH3, N2O)SiO2, S3N4
(=>2µm/40min)
8
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
450400---1100
2 GeI2 Ge + GeI4Décomposition de GeH4 T°
Ge
3 AuCl2 Au + AuCl6Au
10003 AlCl 2 Al + AlCl3Al
Température °CMéthode CVDMatériaux
400—700600 — 700350 — 600
WF6 + H2WCl6+ H2décomposition de W(CO)6 par chauff.
W
1100 — 14001200 — 1500
TiCl4 + H2Décomposition deTiI4 T°
Ti
Matériaux métalliques
Processus Chimique
9
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
1100 — 1300Mo + SiCl2MoSi
800 — 1300AlCl3 + CO2 + H2Al2O3
900 — 10501000 — 1500
SiH4+ NH3SiCl4+ NH3
Si3N4
Température °CMéthode CVDMatériaux
900—1500CH4 + H2Graphène
900—1100900—1100
TiCl4 + CH4+ H2TiCl4 + C+ H2
TiC
1900 — 2000100
SiCl4 + CH4SiCl4 + CH4+He (BF110 KHz)
SiC
1400 — 1600WCl3 + BBr3WB
Matériaux diélectriques
Processus Chimique
10
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Avantages : - Facilité d'obtenir un assez grand nombre d'éléments ou de composés chimiques Flexibilité
- On obtient une bonne qualité des couches, un excellent recouvrement des marches
Inconvénients : -Les films sont peu denses, peuvent être contaminés par des gaz très réactifs issus de la réaction chimique (hydrogène, fluor, chlore...).
-Utilisation de gaz toxiques
Processus Chimique
11
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Évaporation thermique (Effet Joule)
Vide résiduel ~10-6mbarPropreté de l’interface non approprié aux contacts (Ohmiques,…)Température du substrat < 100°C Élaboration de multicouches difficile à mettre en œuvreÉquipement peu onéreux (~100 K€)Épaisseurs contrôlés de 10 nm 500 nm
DC
porte substratQuartz
Dépôt en phase vapeur
dépôt (1)Sn, Pb, SnPb(2) Al, Ag, In, Sn,
SiO
12
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Vide résiduel ~10-7mbarPureté des matériaux obtenusPropreté de l’interface qualité des contactsTempérature du substrat < 100°C lift-offÉlaboration de multicouches contacts électriques type n et pÉquipement coûteux (~300 K€!)Épaisseurs contrôlées : 10 nm 1 µm
Évaporation par canon à électrons
Porte substrat
Balance à quartz
Dépôt en phase vapeur
dépôt de (1)Ti, Au, Ge, Ni (2) Ti, Au, Pt, Cr(3) Ti, Au, Ge, Ni, Al, Cr
13
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
RF adaptée aux diélectriques
Pulvérisation RF
14
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Génération des ions dirigés vers la cible .Pulvérisation des atomes de la cible par les ions : transfert d’énergie cinétique.Transport des atomes éjectés sur le substrat.Condensation des atomes et formation du film mince.
Pulvérisation RF
Processus
dépôt SiO2, SiCSi3N4, Al2O3, pyrex
dépôt W, WSi2, Pt, Nb
15
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Influence des paramètres de dépôt sur la structure cristalline/contraintePression, Température, Puissance RF
Pulvérisation RF
16
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Etudes structurales sur matériaux amorphes SiC, Si3N4,SiO2,…
Film SiC 100 nm Rq=0.3nmFilm SiC 100 nm Rq=3nmDiode Magnétron Diode
Influence des paramètres de dépôt sur la rugosité de surfaceMode de sputtering, distance inter-cathodes
Ellipsomètrie , Spectromètrie Infrarouge
Pulvérisation RF
17
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Croissance d’une couche mince de silice (SiO2) sur une plaque de silicium selon lesréactions chimiques suivantes à une temperature élevée entre 700oC - 1300oC :Si + O2 ⇒ SiO2 (Oxyde sec)Si + 2H2O ⇒ SiO2 +2H2 (Oxyde humide)
Oxydation thermique
SiSi
SiO2 XoxXSiXSi ≈ 0.5 Xox
SiO2 thermique240nm/45min
Croissance lente mais grande qualité de silice et d’interface SiO2/Si
Entrée de gaz oxydantSortie de gaz
Brûleur H2-O2
18
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Croissance électrolytique
e-
cathoderéduction
anodeoxydation
Mn+
I
V Cas d’un métal :à la cathode : réduction des ions Mn+
Mn+ + ne- Mn dépôt du métal
à l’anode : oxydation du métalMn Mn+ + ne-
Electrode trempée dans un bain électrolytique se met au Potentiel de Nernst :EeqMn/Mn+ = EoMn/Mn+ + kTnF ln(a(Mn)/a(Mn+))
potentiel d’équilibre potentiel standard activité
échantillon
Thermodynamique
Quand on impose un potentiel E> Eq: oxydation, E< Eq: réduction
On appelle surtension : η = E-Eeq
19
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Etapes technologiques de la croissance
Nécessité de fabrication d’un moule (résine ou autre isolant) à flancs droits, résistant au bain de croissance.
Cas standard : dépôt d’une base de croissance conductrice pour fermer le circuit électrique. Contact à la cathode sur cette base.
Dépôt d’un métal comme base de croissance
Substrat
Résine
litho U.V ou ebeam
Gravure ionique de la base
Lithographiedéfinition du moule
Croissance Retrait du moule
IBE
Croissance électrolytique
20
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Co= 0.1mol/lCo= 1mol/l
Croissance du Ni : influence de la concentrationmotifs microniques
Lentilles de Fresnel en nickel,
Lmin=120nm, h=500nmInfluence de la largeur de
trait sur l’épaisseur
Influence du bain, de la concentration, de la température, des électrodes, de la base de croissance, de la tension appliquée sur la qualité du dépôt et la vitesse de croissance...
Intérêt de ce type de dépôt : épaisseur de métal déposée très importante (qq10µm) (seulement limitée par la hauteur du moule), peu de contraintes
Dépôt électrolytique LPN : sur ¼ de 2’’ , Ni : 1µm/h , Au : >20µm/h
Bain de Watts (croissance du Nickel)
Croissance électrolytique : quelques résultats
21
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Gravure sèche
Gravure ioniqueBombardement de la surface avec des ions non réactifs--> Effet physique
Gravure Ionique Réactive (RIE : Reactive Ion Etching)
Espèces réactives et bombardement ionique --> assistance par la chimieGravure en plusieurs étapes : 1) Génération d’espèces actives2) Diffusion des espèces vers la surface3) Adsorption des espèces sur la surface de façon non dissociative4) Réaction de surface pour former le produit adsorbé5) Désorption du produit volatil6) Diffusion des espèces loin de la surface
Génération du plasma :
Couplage Capacitif : réacteur de type diode (CCP)Couplage Inductif : Couplage via une antenne, une bobine ...(ICP)Couplage Microonde : mode ECR, DECR, microonde simple
Types de gravure: plasma
22
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Paramètres à optimiser
Anisotropie : critiqueA = 1-∆l/h Cas ideal : A = 1 (100%) ∆l=0Importance du facteur d’aspect: Fa = h/l(h:hauteur, l:largeur du motif ou de l’ouverture)
Sélectivité : critique S = vgfilm/vgmasqueS= vgfilm/vgsous-couche cas idéal S=∞(couche-d’arrêt)
Reproductibilité: (<5%)
Uniformité
Défauts : structuraux, électriques, optiques + rugosité de flancs, de fond
Contamination
Vitesse de gravure: de qq10nm jusqu’à qq µm/min
Critères
l
h
23
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Profils type de la gravure
Rapport des flux d’ions et de neutresΦi/Φntrop faible
FacetingIsotrope
Consommation du masqueEnergie des ions trop forte
Trenching
Réflexion des ions sur les paroisEnergie des ions trop importante
Anisotrope
Rapport Φi/Φn optimiséPassivation des flancs
Passivation
Aide à la l’anisotropiePassivation en excés = augmentation de côte
SUBSTRAT
Passivation des flancs
Dépôt
Profils
24
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Quelques Exemples
Gravure RIE NEXTRAL NE100Gaz disponibles : SiCl4, CH4, H2, Ar, O2Suivi de la gravure : réflectométrie laser Jobin Yvon
Gravure ICP-RIE SENTECH SI500Gaz disponibles : Cl2, BCl3, HBr, CH4, SF6, O2, Ar, N2, H2, HeSuivi de la gravure : réflectométrie laser JobinYvon
Plasma réactif
Bombardement ionique I+ (anisotrope)
Electrode porte substrat
RF
Désorption de produits de réaction
Pulvérisation
Plateau alumine
Antenne
Désorption de produits de réaction
Pulvérisation
RF
e- I+I-
n
Plasma réactife- I+
I-
n
VbiasRF
Couplage capacitif Couplage inductif
Caractérisations plasma-surfaceassociées aux études :sondes électrostatiques, spectroscopie d’émission, spectrométrie de masse.
Equipements pour la gravure III.V au LPN
25
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Quelques Exemples
Matériaux III.V
Ternaires Quaternaires NitruresGaxAl1-xAs InGaAsP GaNInGaAs InGaAlAs AlNInAlAs GaAlN
GaAsInPAlAs+ GaSb …
III V
Applications Photonique, Telecoms
GaAs et dérivés (GaAlAs) : émission à 1µmInP et dérivés (GaInAsP) : émission à 1.3 et 1.55µmGaN : émission 450nm
Microélectronique
26
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Résultats
Micropiliers
Zone active GaAs entre deux miroirs de Bragg GaAs/AlAs
Gravure RIE SiCl4+O2Masque de résine ou Si3N4Grande anisotropie Passivation des flancs par l’oxygène (dépôt de SiO2)
Léger crantage pertes optiques par diffraction sur les flancs
Gravure RIE SiCl4
Problème avec les composés à forte concentration d’Al : forte oxydation à l’air et dégradation de la couche.Problème de vitesses de gravure (et de sous gravure) différentes dans les empilements GaAs/GaAlAs à fort taux d’Al => crantage
Si passivation pas de qualité
Pb oxydation non contrôlée de l’AlAsDésagrégation des motifs au contact
de l’air
27
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Suivi laser
Interférométrie laser sur micropiliers GaAs/AlAs
Laser lInterférences
e2e1,n1
e3
Période des oscillations = l/2n1
temps
d
DI laser
trou de 55µm
spot
Intensité
Oxide natif à retirer => « retard au démarrage »Arrêt précis dans une couche
28
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Problèmes
Passivation trop importanteEffet de facetteConsommation du masque
Gravure RIE SiCl4+O2 : Quelques problèmes rencontrés
Utilisation de masques bicouche (métal /diélectrique)
MicropiliersGravure RIE SiCl4
29
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Résultats
ICP Cl2/H2 – T=190°C• vitesse de gravure : 0.9-1.3 µm/min• grande sélectivité (InP:Si3N4) ~ 24:1-25-1• grand facteur d’aspect : 10 (InP),13 (InGaAsP/InP)• faible rugosité du fond et des parois
Bonne efficacité en photoluminescence des puitsquantiques dans des rubans gravés de 0.85µm de largeurInfluence de la concentration en H2 sur la vitesse de gravure
Influence de la puissance ICP (la température)sur la vitesse de gravure, ne et I+
S.Guilet et al., JVST B24(5) p2381 Sep/Oct 2006 Le mode ICP apparait à 200W
Ech collé
Ech non collé
Guides d’onde InPGravure ICP
30
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Equipements pour les autres gravures au LPN et ailleursGravure RIE (gaz fluorés, oxygène)
Gaz disponibles : SF6, CHF3, O2
Matériaux gravés : Si, SiO2, Si3N4, SiC, W, Ti, Ge, Nb, résines, polyimide, polymères…+ tout matériau prospectif
gravure anisotrope SiO2 et Si3N4
Procédé Bosch (standard: SF6/C4F8))
ESI
EE
Gravure profonde du Si
ICP-RIE IEF
Quelques Exemples
LPN
-83°CSF6/SiF4-O2
L=4µm h=40µm
Procédé CryogéniqueSiO2:L=30nm h=400nm
ICP-RIE GREMI
Au LPN : gravure profonde du GaAs, peu profonde (<10µm) du Si, des diélectriques, métaux, oxydes …. Pas de gravure profonde du Si
31
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Effet de chargeQuand la taille des trous ou des tranchées diminue la profondeur gravée diminue car les réactants ont plus de mal à pénétrer et les produits volatils à être évacués.
Quelques Exemples
ICP BCl3/Cl2/ArΦ=200nm, profondeur=1.2µmSaturation de la gravure
CP 2D en membraneRIE SiCl4/O2Thèse S.Laurent
Exemple : Cristaux photoniques GaAlAs/GaAs
32
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
IBE/RIBE Roth & RauGaz disponibles : Ar, CH4, H2, O2 +HeMatériaux gravés : tous les métaux, des oxydes de différentes natures (ITO, BiFeO, Al2O3, SiO2, etc.) ou des matériaux plus spécifiques comme le YBaCuO, LaSrMnO, HgCdTe, etc. Suivi de la gravure : spectrométrie de masse Hiden Analytical
S.G
uile
tLP
N
Source à grillesµonde-ECR
=> Equipement identique à l’IEF
Equipements pour les autres gravures au LPN et ailleurs (suite)
33
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Gravure par faisceaux d’ions
Argon Gaz réactif Argon
Gazréactif
IBE: Faisceauénergétique pour
matériaux difficilesà graver
RIBE: Améliorer la sélectivité et les
vitesses de gravure
CAIBE: faisceau faiblementénergétique pour diminuer
les défauts
L’influence de l’angle d’incidence est différente suivant les matériaux
34
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Résultats
0° 20° 30°
Masque résine NLOF 2020
Masque résine AZ 5214
Influence du profil de la résine et de l’angle d’incidence sur le profil de gravure (InP)
Gravure IBE
35
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Bilan
Pour la réalisation de microplasmas
Outre la lithographie
1) dépôt de diélectrique : silice thermique, PECVD ou pulvérisation1) dépôt de métal comme base de croissance : méthode PVD2) croissance épaisse de métal : bain electrolytique3) gravure IBE de la base4) gravure ionique réactive (plasma ICP) du semiconducteur
36
Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009
Résultats
W: L=25nm h=300nm
SiO2: L=30nm h=400nm
masque diélectrique Si3N4
Φ=400nm h=7µmGaAS/AlGaAs
ridgesInP et al. CP InP sur mbrane
CP GaAs sur mbrane
CP GaAs