Chapitre III

Ab actu ad potentiamChapitre III.

Fabrication du systme en couches minces:

Application aux dtecteurs SPRTable des matires

154Introduction

155Dpt des couches minces

155Proprits des couches minces relles

157Contraintes internes et leur origine

160Inter- diffusion et ractions chimiques

161Rugosit des couches minces

162Technique de dpt de couches minces

163vaporation thermique

166Pulvrisation ionique

169Rsum sur les techniques du dpt sous vide

172Dpt par dformation dune couche liquide

173Technique du vide

178Nettoyage et traitement du substrat

179Gravure des couches minces

183Gravure humide

183Gravure humide dune couche sacrificielle

185Schage

187Gravure sche

189Dispositif exprimental de gravure en plasma.

190Fabrication dun dtecteur micromcanique

196Fabrication du gap par micro-usinage en surface

198Gaufrette de dpart

200Aspects particuliers de fabrication

213Description dtaille du procd de micro-fabrication

219Fabrication des rseaux de diffraction

221Caractrisation des couches minces

221Caractrisation durant le dpt

221Caractrisation aprs le dpt

223Dispositifs de caractrisation employs

224Ellipsomtre spectroscopique.

226Profilomtrie interfromtrique.

230Conclusion

231Abrviations, terminologie et notation

232Table des illustrations

234Bibliographie

Introduction

Ce chapitre est consacr la mise au point des squences technologiques de fabrication dun dtecteur micromcanique effet SPR. Son orientation est essentiellement qualitative, laspect quantitatif sera abord dans les chapitres consacrs au travail exprimental.Dans une premire partie, on expose brivement les diffrents dispositifs exprimentaux utiliss dans la fabrication des multicouches, en explicitant leurs intrts et dfauts. On dcrit les conditions physiques, sous lesquelles les tapes essentielles de la fabrication doivent tre ralises. On discute, de plus, les principales difficults quon pourrait rencontrer lors la fabrication dun dtecteur effet SPR.Notons que lobjectif essentiel de cette tape de llaboration du concept est de dmontrer sa faisabilit. Alors, on na recherch que des solutions technologiques les plus faciles et les moins coteuses. Par consquent, il sagissait, tout dabord, dadapter nos besoins les processus de routine de technologies de micro-usinage existantes et, surtout, tant disponibles au CSL, telles que lvaporation thermique, la pulvrisation ionique (angl., sputtering), la gravure (angl., etching) sche/humide.

Ensuite, nous allons prsenter les mthodes de caractrisation des couches mince. Cette tape est essentielle pour interprter plus tard les rsultats exprimentaux.Dpt des couches mincesProprits des couches minces relles

Une couche dite mince est un objet dont lune des dimensions gomtriques est trs faible (de quelques dizaines nanomtres quelques micromtres). Cela explique un rle essentiel des interactions surfaciques dans ltablissement des proprits physiques de ces objets. Dailleurs, c'est la raison principale pour laquelle les proprits physiques des couches minces diffrent de manire significative de celles des corps massiques. Laire totale de grains cristallins est suprieure celle des deux faces dune couche mince. Par consquent, gnralement, leffet de frontires de grains cristallins sur les proprits dune couche mince prvaut sur celui de ses faces. Ainsi, les proprits physiques dune couche mince dpendent essentiellement de sa morphologie interne.En gnral, les couches minces utilises dans les applications optiques sont poly-cristallines; leur tat est mtastable, hors de lquilibre et loign du minimum nergique. Dun point de vue microscopique, elles se composent des grains cristallins enrichis par des dfauts, qui sont spars par des zones enrichies par des impurets (Fig.1). Les dimensions des grains cristallins sont du mme ordre de grandeur que lpaisseur de la couche mince, [1]. II ressort de ltude bibliographique que les couches minces prsentent une micro structure en forme de colonnes de diamtres variant de 10 30 nm. Lorientation des grains cristallins varie en fonction de langle entre le plan du substrat et le flux de molcules lors du dpt.La microstructure des couches minces est extrmement sensible aux proprits chimiques et physiques de tout matriau mis en jeu lors de sa croissance, ainsi que des conditions physiques de dpt chaque tape dvolution de la couche mince (Tableau 1). En particulier, les proprits dune couche mince sont trs sensibles la nature du substrat, sur lequel elle se situe. Cela explique, par exemple, pourquoi les couches dun mme matriau et dune mme paisseur peuvent prsenter des proprits physiques essentiellement diffrentes sur les substrats de nature diffrente.

Fig. 1. Structure des couches minces : a) thorique ; b) relle.

Tableau 1. volution dune couche mince lors du dpttapeProcessusStructurepaisseur

NuclationApparition sur la surface du substrat des petites les dadatomes.

20 nm

(Lpaisseur de percolation, au-del de laquelle les lots coalescent et la couche mince devient continue, varie suivant la nature du matriau, la vitesse du dpt, la temprature du substrat, ladhrence de sa surface etc., [1, 7]. Typiquement, elle vaut de 10 nm 20 nm.Contraintes internes et leur origine

Comme on la not prcdemment, les molcules du rseau cristallin dune couche mince se trouvent cartes de l'tat d'quilibre primitif. De ce fait, pratiquement toutes les couches minces prsentent des contraintes mcaniques internes, qui tendent faire revenir le rseau cristallin l'tat d'quilibre.

Dune manire gnrale, on peut identifier deux catgories de contraintes internes:

les contraintes extrinsques apparues dues la diffrence entre les coefficients de dilatation thermique des couches minces et du substrat (contraintes thermiques);

les contraintes intrinsques spcifiques au matriau.

Les contraintes totales sont donc une superposition des contraintes extrinsques avec celles intrinsques.Il faut noter que si lors du dpt Ts/TF51018 cm-3), par exemple.

Couche plasmoniqueRaliser les conditions ncessaires pour lexcitation rsonante des SPsAu; Ag

Couche pizolectriqueCompenser leffet ngatif des forces de rappel lastiques agissant dans les lments suspendus sur la gomtrie du pixelSuivant le cas

Absorbeur du rayonnement, des particules, soit une couche- matrice chimique Modifier les paramtres optiques du systme plasmonique proportionnellement limportance du stimulus externeSuivant le cas

Dans ce qui suit, on expose brivement les mthodes envisageables de micro-usinage de ces couches minces, en essayant de dgager leurs principaux avantages et inconvnients.

Le gap entre le cantilever et le substrat est lun des objectifs les plus importants de la technologie laborer. Lune des parois du gap doit tre mtallique (la surface de la couche plasmonique) et lautre peut tre soit dilectrique, soit aussi mtallique (le cantilever).

Remarque: la prcision de fabrication du gap exige par notre concept de dtection varie en fonction de la longueur donde du faisceau de lecture, ainsi que de la structure du multicouche plasmonique. Les simulations numriques montrent que leffet ngatif dun dfaut ventuel de fabrication du gap peut tre corrig, tout simplement par un choix adquat de langle dobservation. Autrement dit, pour compenser une erreur de dpt de la couche sacrificielle, on peut pivoter le prisme d'un petit angle. Il sagit, donc dune mthode de correction macroscopique, sans modifier la microstructure fabrique.En ce qui concerne le choix de la longueur donde du faisceau de lecture, notons que son augmentation affaiblit leffet ngatif des dfauts ventuels de fabrication du gap sur la performance du dtecteur et, par consquent simplifie sa fabrication. Cependant, cela conduit, dautre part, une augmentation de la longueur de propagation des SPs et, par consquent, une baisse de la rsolution du systme de lecture au plan du pixel (voir le Chapitre II), qui exige une augmentation des dimensions latrales du pixel. Ceci peut inciter, finalement, une amplification du bruit thermomcanique du transducteur. Un compromis entre le cot de fabrication et le rapport signal/bruit du dtecteur doit donc tre trouv lors de loptimisation de la longueur donde de lecture.

En ce qui concerne des limitations sur lpaisseur du gap, rappelons que (voir le Chapitre II): lpaisseur minimale doit tre suprieure 200 nm, dans le cas dun dtecteur thermique, et 100 nm, pour les autres types de capteurs; lpaisseur maximale varie en fonction de la longueur londe du faisceau de lecture dans une gamme allant de 800 nm (=0,633m) 2 m (=1,2m).Deux mthodes de fabrication du gap sont envisageables: une gravure dune couche sacrificielle et un scellement de deux substrats prfabriqus.La premire, dit micro-usinage en surface, permet de former tous les lments du transducteur sur une seule pice de dpart, tandis que dans le second cas, le gap est obtenu par un scellement de deux pices prfabriques sparment (Fig.16) laide dune pression mcanique, dun rchauffement, dun champ lectrique intense etc.

Les avantages potentiels de la technique de scellement ont stimul, au dbut de ce travail, notre intrt aux recherches dans cette direction. On a construit, alors, un dispositif assez simple pour le but de vrifier le principe de fonctionnement du dtecteur propos (en configuration dOtto). Cependant, on laisse cette technique examiner pour le futur, car elle exige des recherches trs coteuses (il sagit, principalement, dune optimisation des matriaux sceller).

Fig. 16. Organigramme de fabrication du gap par scellement (pour un capteur SPR en configuration de Kretchmann-Raether).Remarque: pour viter une destruction du sandwich multicouche par les forces mcaniques appliques lors du scellement, les plaques de dpart doivent tre suffisamment paisses. Par consquent, ltape ultime de fabrication consistera lamincissement et la structuration planaire du pixel par une gravure anisotrope.Fabrication du gap par micro-usinage en surfaceDans le cadre de cette recherche technologique, on a concentr les efforts sur la technique de microusinage par couche sacrificielle qui est la plus facile dvelopper sur lquipement disponible. La squence de fabrication se base, donc sur la gravure isotrope dune couche sacrificielle.Les tapes principales de fabrication dun gap sont:

prfabrication dune gaufrette de dpart couche sacrificielle (Fig.17), qui comprend une srie des dpts des couches (ultra-) minces;

SHAPE \* MERGEFORMAT

Fig. 17. Gaufrettes de dpart couche sacrificielle: a) dun dtecteur micromcanique; b) dun dtecteur thermo-optique (dOtto) usinage de cette gaufrette, qui comporte deux tapes principales: une gravure sche anisotrope de la couche structurelle pour former la structure planaire (le prototypage 2) du pixel, ainsi que et des trous daccs, et une gravure sche isotrope pour retirer le matriau de la couche sacrificielle.

Les squences de micro- usinage choisies titre dexemple sont prsentes sur les Fig.18-19 et 26.

Remarque: la rsolution latrale du dispositif de lecture SPR est limite par la longueur de propagation des SPs. La prcision du prototypage 2D du pixel peut tre, par consquent, relativement petite; ce qui permet de raliser le prototypage 2D uniquement par une srie de dpts conscutifs de matriaux au travers de masques (autrement, sans gravure anisotrope). SHAPE \* MERGEFORMAT

Fig. 18. Organigramme gnralis de fabrication du dtecteur thermo- optique matriciel (prototypage par gravure anisotrope).

Fig. 19. Organigramme gnralis de fabrication dune dtectrice matricielle micromcanique (prototypage par la gravure anisotrope).Notons, enfin, que les squences de fabrication mentionnes ci-dessus peuvent tre compltes ventuellement par une srie des processus optimisant la performance du fonctionnement du dtecteur (lamincissement ultime des cantilevers, les dpts de couches ultraminces daccrochage, danticorrosion etc.).Gaufrette de dpart

Les techniques de fabrication des gaufrettes de dpart couche sacrificielle, les plus utilises sont le scellement (SOI, par exemple,), la dformation dun liquide (Spin/Dip-coating) et le dpt de vapeur chimique et/ou physique.Dans ce travail on se limite aux procds de dpt de vapeur physique. Nanmoins, en futur, il faudra rorienter la recherche vers la technique de dpt de vapeur chimique (CVD, LPCVD, LTCVD et PECVD [33]). En effet, le dpt de ce type se droule aux tempratures rduites par rapport aux dpts physiques (par exemple, TPECVD200C) et aux faibles nergies des adatomes. Cela permet de rduire considrablement la fois les contraintes internes aux couches minces et la profondeur de pntration des adatomes au matriau du substrat.

En ce qui concerne les mthodes de dpt par dformation de liquides, en prsentant nombreux avantages, elles ncessitent une recherche technologique approfondie (pour le but de rduire linhomognit de lpaisseur de couches dposes lie aux ondes viscolastiques). Pour cette raison, on les laisse pour examiner en futur.

En ce qui concerne la technique de scellement, elle prsente lavantage de pouvoir fabriquer des gaufrettes couche sacrificielle aux tempratures rduites par rapport au dpt de vapeur physique (par exemple, dans le cas du scellement anodique, le procd se droule la temprature T200C, [40]). Tout comme dans le cas prcdent, cela permet de rduire les contraintes internes aux couches minces.Un exemple classique dune structure obtenue par le scellement est une gaufrette couche sacrificielle SOI qui, lheure actuelle, est un lment cl de la technologie MOEMS/MEMS, [40]. Cette gaufrette comporte une couche sacrificielle de SiO2 dpose par LPCVD sur le substrat du Si monocristallin et une couche structurelle du silicium mono/poly-cristallin. La plus petite lpaisseur de la couche sacrificielle (et, donc du gap) des plaques SOI, accessible, actuellement au marche, est 1.2m et de la couche structurelle est 1.5m. Malheureusement, les gaufrettes couche sacrificielle SOI existant au march actuel MOEMS/MEMS ne peuvent pas tre utilises directement pour la fabrication du dtecteur micromcanique effet SPR (car elles ne contiennent pas de couche plasmonique). Llaboration dune technique de scellement adapte nos besoins ncessite des recherches technologiques approfondies et, donc coteuses. Pour cette raison, on laisse cette technique trs prometteuse pour examen dans le futur.Aspects particuliers de fabrication1. Dpt dune couche structurelle: cette couche reprsente llment de dpart du transducteur micromcanique du dtecteur (un cantilever, par exemple). Dans le cas dun dtecteur du rayonnement, cette couche comporte:

un absorbeur dun rayonnement incident;

un multicouche deux ou plusieurs matriaux, qui prsentent une diffrence de coefficients de dilatation thermique;

une couche mtallique plasmonique (ventuellement);

des points dancrage au substrat.Il est vident que le choix de la mthode et des paramtres du dpt de ces lments doit minimiser les contraintes thermiques, assurer une bonne adhsion aux points dancrage et rduire le risque de formation incontrle des alliages entre les matriaux dposs. Enfin, les matriaux de cette couche doivent montrer une bonne rsistance chimique lespce ractive utilise dans la gravure de la couche sacrificielle.

La formation des couches minces structurelles met en vidence un problme particulier:

- d'une part, afin damliorer ladhsion entre des couches minces, il faut utiliser lune des techniques de dpt haute nergie des adatomes, par exemple la pulvrisation ionique;

- dautre part, afin de rduire les contraintes thermomcaniques, il faut utiliser lune des techniques de dpt basse nergie des adatomes, par exemple le dpt par PECVD.

Lune des solutions de ce problme consiste composer la couche structurelle de deux couches minces du mme matriau chimique, mais dposes par deux techniques de dpt diffrentes: par exemple, dposer une premire couche ultra- mince par pulvrisation ionique et, ensuite, dposer le reste de la couche structurelle jusqu lpaisseur prdtermine par PECVD.

Enfin, en ce qui concerne lpaisseur maximale de la couche structurelle, elle est limite par limportance du gradient de contraintes internes et, par consquent, elle varie en fonction de la technique de dpt de cette couche. Dans notre tude, lpaisseur maximale tait, typiquement, dans une gamme de 500 nm 1000 nm (suivant la nature du matriau).Dans ce travail, la technique principale de dpt des couches structurelles tait la pulvrisation ionique.

En ce qui concerne lpaisseur minimale de la couche structurelle, elle est limite par la profondeur de pntration de londe vanescente dans le matriau de la couche mince. Par consquent, elle varie en fonction de la nature du matriau dans une gamme de 30 nm, pour des mtaux, jusqu 100 nm, pour des milieux dilectriques (voir le Chapitre II).

Notons que la couche structurelle dun dtecteur chimique peut tre plus paisse que celle dun dtecteur thermique.

1.1. Gravure de la couche structurelle: la prcision de ce procd, comme on la note prcdemment, doit tre de lordre de la longueur de propagation des SPs (