1 - Les matériaux diélectriques, Élaboration, Structuration
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Nanophotonique des structures périodiques : Techniques et méthodes de fabrication 1 - Les matériaux diélectriques, Élaboration,Structuration 2 - Lithographie : techniques, résolution 3 - Gravure sèche 4 - La non perfection de la fabrication, son impact sur les performances des dispositifs Anne Talneau Domaine de recherche : Cristaux photoniques, Nano structuration en optique intégrée Octobre 2012 Laboratoire de Photonique et de Nanostructures 1 Laboratoire de Photonique et de Nanostructures Optique non-linéaire Optique quantique Nouveaux dispositifs pour l'Opto-électronique Mémoire optique, Contrôle de l'émission spontanée, Couplage fort, Information quantique, Optique non-linéaire Sources haut-débit, Photodétection,Micro-electronique Traitement optique du signal Matériaux semiconducteurs Technologie Nouveaux matériaux III-V, Physique de la croissance, Études structurales, Technologie des semi-conducteurs www.lpn.cnrs.fr Nanostructures Nanofabrication Transport quantique, Spectroscopie (STM, UHV/LT), Nanomagnétisme, Nouvelles techniques de fabrication, Micro-fluidique Laboratoire de Photonique et de Nanostructures 2 Laboratoire de Photonique et de 3 Nanostructures Nanotechnology facilities Nanoimprint 4 Bibliographie -Semiconductor devices, Physics and technology, S.M.Sze, Editor : John Wiley&sons -Physics of Optoelectronic devices, Shun Lien Chuang, Wiley editor. Nanotechnology, éditeur: G. Timp, Springer-Verlag, New York (1998)- ISBN: 0-387-98334-1 -Semiconductor Lasers, Past Present and Future Editor Govind P.Agrawal -Les matériaux à bandes interdites photoniques, Images de la physique, 2001 -Les cristaux photoniques ou la lumière en cage, Lavoisier, Paris 2003 -Photonic Crystals, Molding the flow of light , Princeton University press, 1995 -La nanophotonique, Hermes Lavoisier, 2005 5 Nanophotonique des structures périodiques : Techniques et méthodes de fabrication 1 - Les matériaux diélectriques, Élaboration,Structuration 2 - Lithographie : techniques, résolution 3 - Gravure sèche 4 - La non perfection de la fabrication, son impact sur les performances des dispositifs Octobre 2012 Laboratoire de Photonique et de Nanostructures 6 1 - Les matériaux diélectriques, Élaboration, Structuration Élaboration des matériaux en couches minces: - Les matériaux diélectriques utilisés en photonique et en microélectronique - Technique de dépôt de matériaux amorphes : évaporation, PECVD, PLD, ALD - Suivi du dépôt : in-situ • reflectométrie • ellipsométrie , ajustement en temps réel de l’épaisseur des couches pour fiter un gabarit Adhérence des couches, traitement de surface, multi-couches Qualification des couches • Structurale TEM, AFM • indice, cœfficient d’absorption: par ellispométrie • optique: interférométrie de Fizeau, FTIR, réflectivité d’un miroir de Bragg, cœfficient de surtension d’une cavité Structuration 2D des couches minces de matériau diélectrique • Lithographie optique : définition d’un masque • Gravure chimique en milieu humide • Gravure sèche : gravure par les ions, gravure par des neutres chimiquement actifs 7 Élaboration des matériaux en couches minces Le matériau peut servir - soit de couche optique Exigences sur indice, absorption,, homogénéité, contrainte, rugosité, adhérence - soit de couches pour un dispositif donné Exigence en fonction de la fonctionnalité - soit de couche pour la technologie (masque): Exigences sur : densité, contrainte, adhérence, contamination Matériaux diélectriques amorphes Oxyde Al2O3, SiO2, TiO2, Ta2O5, HfO2 Nitrure Si3N4 http://opticadd.free.fr/antireflet.htm 8 Matériaux UV (250nm-400nm) HfO2 n=2.00 SiO2 n=1.50 Ta2O5 n=2.33 Visible-NIR (400nm-2000nm) HfO2 n=2.00 YF3 n=1.43 SiO2 n=1.46 Al2O3 n=1.62 TiO2 n=2.35 CaF2 n=1.43 Ta2O5 n=2.25 MgO n=1.61 ZnS n=2.35 MgF2 n=1.38 Si3N4 =1.95 NIR/MIR (2µm-12µm) YF3 n=1.40 ZnS n=2.20 Ge n=4.21 a:Si-H n=3.53 Contraintes pour le choix des matériaux -Faible absorption (k=0 ou proche de 0) -Les moyens d’élaboration doivent être compatibles avec les échantillons (films souples, couches épitaxiées, Compatible lift-off, patternable) 9 Multi-couches: moyens d’étude Conception: Logiciel de simulation et d’ajustement Matériaux diélectriques amorphes : Oxyde Al2O3, SiO2, TiO2, Ta2O5, HfO2 Nitrure Si3N4 Techniques d’élaboration: -Pulvérisation cathodique (sputtering) -Evaporation -Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition PECVD -Pulsed laser Deposition PLD -Atomic Layer Deposition ALD Suivi, Contrôle du dépôt in-situ 10 Pulvérisation cathodique Il est également possible d'effectuer un usinage ionique de la surface de l'échantillon avant dépôt pour améliorer l'accrochage des couches. 11 Electron Beam Deposition Couches minces diélectriques par évaporation sous vide par canon à électrons. On peut ajouter un canon à ions (Ar, O2), qui permettent d'obtenir des couches plus denses (Ar) et stoechiométriques (O2) pour les oxydes. 12 Pulsed Laser Deposition 13 14 Exemple: cycle de dépôt pour Al2O3 *N 15 ALD + Dépôts contrôlés couche par couche + Dépôts conformes à très fort rapport de forme 16 ALD : Dépôts conformes Scanning electron microscope (SEM) image of a slot structure fabricated on silicon and coated by an ALD nanolaminate. The used ALD processes were Al2O3 from TMA and water and TiO2 from TiCl4 and water at 120 C. The target film structure was 10 x (5 nm x Al2O3 + 5 nm x TiO2) Tapani Alasaarela, Doctoral dissertation, 2011 17 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Equipment Plasma parameters -Reactive gaz -Flow rates -Total pressure -Power Parameters of the plasma chamber -Geometry / material of the chamber -Geometry / material of the electrode -Pumping rate Parameters of the surface to be etched -Temperature -Biasing -Chemistry of the sample 18 Nécessité du monitoring optique Ellipsométrie Réflectométrie Epi Détection du signal transmis Esi Epr Verre test Φ0 Esr Onde p: E // au plan d’incidence Onde s : E Fibre source et détection du signal réfléchi au plan d’incidence rapport des modules différence des phases 19 Nécessité du monitoring optique Ellipsométrie in-situ Echantillon 50 kHz Polariseur Sortie Spectromètre Modulateur Photo-élastique Analyseur Sortie 32 λ 32 Photo Multiplicateurs Source Blanche (Xe 75W) X.Lafosse, LPN 20 Adhérence Le guide optique • Principe 4 µm 4 µm AlyGa1-yAs y=77.5% AlxGa1-xAs x=79.5% GaAs substrate [J.C. Harmand, LPN] 21 Propagation losses • Mesure de la finesse de la cavité formée par un guide limité par deux faces clivées comportant un traitement HR L Dielectric mirrors on both ends (3 to 6 pairs ZnS/YF3) [Xavier Lafosse, LPN] 22 Qualification structurale des couches : TEM Transmission Electron Microscope The ray is first focused by a condenser. It then passes through the object, where it is partially deflected. The degree of deflection 23 depends on the electron density of the object. The greater the mass of the atoms, the greater is the degree of deflection. Projet MESMIR Multi-couches Olivier Parriaux , Laboratoire H. Curien, Université de Saint-Etienne Miroirs apériodiques gravés HfO2/SiO2 Les couches SiO2 sont amorphes alors que les couches HfO2 sont cristallisées (phase monoclinique avec des grains de structure colonnaire) G.Patriarche, LPN 24 Qualification structurale des couches Atomic Force Microscope AFM : principle Operation: an optical beam is reflected from the mirrored surface on the back side of the cantilever onto a position-sensitive photodetector (4 quadrants) The cantilever is typically silicon or silicon nitride with a tip radius of curvature on the order of nanometers. 25 Vertical resolution: 0.1nm vertical resolution Atomic steps are visible Silicium amorphe par PECVD 1er procédé Procédé optimisé 26 Qualification optique des couches Ellipsométrie : indice, absorption Réflectométrie : réflectivité –miroirs, cavités Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier: FTIR permet via la détection des vibrations caractéristiques des liaisons chimiques, d'effectuer l'analyse des fonctions chimiques présentes dans le matériau. 27 Fourier Transformed InfraRed spectroscopy FTIR 28 Structuration d’une surface Les étapes Préparation du substrat Enduction d’une résine Définition de motifs: lithographie Développement Gravure Retrait du masque 29 Lithographie 30 Lithographie 31 Enduction de la résine Spin-coating Par immersion Paramètres - Compatibilité chimique - Épaisseur déposée - Homogénéité de l’épaisseur - Adhérence 32 Lithographie Principe: l’énergie d’une radiation détruit des liaisons bien particulières d’un composé sensible Le produit après insolation est soluble dans le développeur Résine positive : ce qui est insolé est soluble, part au développement Radiation (UV line, electron beam) 33 Lithographie : définition d’un motif dans un masque Résine négative : ce qui est insolé n’est pas soluble, c’est ce qui n’est pas insolé qui part au développement, Ce qui est insolé reste Radiation (UV line, electron beam) 34 Lithographie optique 360nm Par contact Le masque est plaqué contre la résine Le dimension limite que l’on peut insoler par cette méthode est de l’ordre de la longueur d’onde, au-delà les bords des motifs ne sont plus bien définis à cause de la diffraction Avec des sources au Hg, on ne définit pas mieux que 0.5µm Actuellement, on étudie des sources Xe , λ=196nm MAIS, il faut que toute l’optique suive… 35 Lithographie par interférométrie Argon laser UV line 363nm λ Λ = 2sin(θ ) L’interférence des 2 faisceaux crée des franges lumineuses. On peut enregistrer ces franges dans une résine photosensible placée sur l’échantillon. La période Λ des franges dépend de la longueur d’onde avec laquelle on éclaire, 36 et de l’angle d’incidence Lithographie par interférométrie λ Λ = 2sin(θ ) Avec λ=363nm, on peut, quand θ= 60°, réaliser des traits de 90nm ++ grande surface, faible coût Pour diminuer encore les dimensions réalisées, il vaut travailler avec des radiations de longueurs d’onde plus courtes, cad plus énergétiques les électrons, les ions ou les rayons X 37 Gravure : Transfert des motifs du masque dans le matériau Gravure par voie humide : c’est une gravure chimique Selon les espèces présentes en solution, des réactions chimiques spécifiques ont lieu avec les atomes du matériau. Ces réactions dépendent de l’environnement électronique des atomes, donc des plans cristallographiques. 38 Gravure chimique En milieu humide, souvent basée sur des réactions rédox Pour un matériau cristallin, révèle certains plans Pour un matériau amorphe : gravure isotrope Paramètres - Concentration des espèces - Température - Agitation - Taille des échantillons - Tenue du masque -intéressante pour des motifs bien particulier Plutôt du décapage sélectif de couches: ex: HF pour retirer les SiO2, SiN ++ très souvent, peu de rugosité - reproductibilité, inhomogénéité sur une surface donnée (accès des espèces) 39 Gravure électrochimique 40 Gravure par voie sèche : gravure physique et chimique Reactive Ion Etching RIE Plasma neutrals Positive ions Electrons Negative ions wafer Dans le plasma, ont lieu: • gravure physique par l’énergie cinétique des ions qui bombardent la surface et • gravure chimique par les espèces actives –neutres- créées in situ 41
