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Atelier microplasmas - GREMI – 26 novembre 2009

Centrale de Technologie du LPNDépôts/Gravures

Laurence [email protected]

LPN/CNRS route de Nozay –91460 Marcoussis

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Sommaire

Introduction

Le LPN et sa centrale de technologie

Les différentes techniques de dépôt

Les différents techniques de gravures

Conclusion

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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

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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 : [email protected]

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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%

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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RF adaptée aux diélectriques

Pulvérisation RF

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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

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Influence des paramètres de dépôt sur la structure cristalline/contraintePression, Température, Puissance RF

Pulvérisation RF

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Problèmes

Passivation trop importanteEffet de facetteConsommation du masque

Gravure RIE SiCl4+O2 : Quelques problèmes rencontrés

Utilisation de masques bicouche (métal /diélectrique)

MicropiliersGravure RIE SiCl4

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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