Développement de matériaux déposés par PECVD pour les

N° d’ordre 2006 ISAL 0042
Année 2006
Thèse
Développement de matériaux déposés par
PECVD pour les interconnexions optiques
dans les circuits intégrés par une approche
"back-end".
présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir
le grade de docteur
Ecole doctorale : Matériaux de Lyon
…………………………………………
Spécialité : Surfaces, interfaces, physique de la matière condensée
par
Simon Jeannot
Soutenue le 21 juillet 2006 devant la Commission d’examen
Jury
Benech Pierre
Guillot Gérard
Parriaux Olivier
Taha Benyattou
Orobtchouk Régis
Raynaud Patrice
Professeur
Professeur
Professeur
Chargé de recherhes
Maître de conférences
Chargé de recherches
Rapporteur
Directeur de thèse
Co-Directeur de thèse
Rapporteur
Table des matières
Table des matières
Introduction Générale………..………………………………………….....................7
Chapitre 1 : Interconnexions optiques, une alternative aux
interconnexions électriques ……….........................................................................11
Introduction………...……………………………………………………………...............13
1. De la microélectronique aux interconnexions optiques……………………...13
1.1.
Fonctionnement d’un circuit intégré.........................................................................13
1.2.
Solutions alternatives ...............................................................................................17
1.3.
Interconnexions optiques ..........................................................................................18
2.Différents types d’interconnexion optiques : Intégration de circuits
photoniques sur circuits intégrés…….……………………………………………….22
2.1.
Sources .....................................................................................................................23
2.3.
Détecteurs ................................................................................................................26
2.4.
Couplage ...................................................................................................................28
2.5.
Guides d’ondes..........................................................................................................30
2.6.
Intégration de composants optique au sein de circuits..............................................35
2.7.
Approche Back End ou « above IC »........................................................................37
3. Description du sujet ………………………………………………………………...39
Bibliographie du chapitre 1…….……………………………………………………...43
Chapitre 2 : Dépôt par plasma, dispositif expérimental et
caractérisation des matériaux. ……………………………………………….…48
Introduction :.........................................................................................................................50
1.Développement de matériaux à propriétés optiques en couches minces
………………………………………………………………………………………...50
1.1.
Dépôt par plasma ......................................................................................................50
1.2.
Conditions expérimentales........................................................................................57
1.3.
Techniques de caractérisation de couches minces ...................................................58
1
Table des matières
1.4.
Mesure de pertes optiques par mlines-METRICONTM. ............................................65
1.5.
Conclusion ................................................................................................................69
2. Techniques de simulation et de caractérisation de composants d’optique
intégrée……………………………………………………………………………………...70
2.1.
Guide d’ondes : .........................................................................................................70
2.2.
Guides d’ondes 2D :..................................................................................................73
2.3.
Outils de conception .................................................................................................74
2.4.
Caractérisation de composants d’optique intégrée ...................................................82
Bibliographie du chapitre 2
………………………………………………………...89
Préambule aux chapitres 3 et 4 : Propriétés de la silice utilisée
comme matériau de gaine et cahier des charge pour le matériau de
coeur……………………………………………………….……………………………….93
1. Cahier des charges
………………………………………………………………...95
1.1.
Matériau de gaine et de recouvrement .....................................................................95
1.2.
Cahier des charges pour le matériau de cœur. ..........................................................97
Chapitre 3 : Propriétés optiques du carbone amorphe déposé par
PECVD……………………………………………………………………………………99
1. Le carbone amorphe …………………………………………………………….... 101
1.1.
Intérêt du carbone amorphe. ...................................................................................103
1.2.
Propriétés optiques du carbone amorphe : ..............................................................105
1.3.
Démarche de l'étude................................................................................................105
2. Influence des paramètres de dépôt …………...…………………………………106
2.1.
Signature Infra rouge de la structure des films .......................................................106
2.2.
Influence de la pression ..........................................................................................109
2.3.
Effet du flux de précurseur .....................................................................................110
2.4.
Influence de la puissance radiofréquence ...............................................................111
2.5.
Influence de la puissance basse fréquence..............................................................113
2.6.
Influence de la température de dépôt ......................................................................116
2.7.
Propriétés mécaniques ............................................................................................119
2
Table des matières
2.8.
Conclusion ..............................................................................................................120
3. Propriétés structurales …………………………………………………………….121
3.1.
Etude de la composition chimique des couches .....................................................122
3.2.
Etude de la densité des couches par réflectométrie des rayons X à incidence
rasante ................................................................................................................................123
3.3.
Etude de la structure des films ................................................................................125
3.4.
Discussion ..............................................................................................................127
4. Propriétés optiques des couches ……………………………………………….131
4.1.
Mesure de pertes intrinsèques :...............................................................................131
4.2.
Origine des pertes optiques.....................................................................................132
4.3.
Discussion. ..............................................................................................................137
5. Conclusion……………………………………………………………………………..137
Bibliographie du chapitre 3…….………………………………………………...…..139
Chapitre 4 : Propriétés optiques du Nitrure de Silicium et du
Silicium Amorphe déposé par PECVD………………………………….143
Introduction :.................................................................................................................145
1. Le nitrure de silicium ……………………………………………………………….145
1.1.
Propriétés optiques de nitrure de silicium déposé par PECVD ..............................146
1.2.
Origine des pertes optiques.....................................................................................157
1.3.
Conclusion . ............................................................................................................166
2. Le silicium amorphe……………………………………………………………...…167
2.2.
Propriétés optiques de silicium amorphe déposé par PECVD................................169
2.3.
Conclusion . ............................................................................................................171
Bibliographie du chapitre 4………………………………………………………….175
Chapitre 5 : Composants pour la réalisation de liens optiques au
dessus de circuits intégrés………………………..………………………………177
Introduction : .................................................................................................................179
3
Table des matières
1 Guide d'onde……………………...………...………………………………………….179
1.1
Conception des guides d'ondes ...............................................................................179
1.2
Etude des guides d'ondes ........................................................................................183
1.3
Résultats..................................................................................................................187
1.4
Conclusion ..............................................................................................................187
2 Etude des micro-courbures…………………..…………………………………….195
2.1
Sources de pertes des micro-courbures et courbure continues ...............................197
2.2
Caractérisation des microcourbures........................................................................199
2.3
Résultats éxpérimentaux .........................................................................................200
2.4
Conclusion ..............................................................................................................202
3 Diviseurs de faisceaux :
……………………………………………………….204
3.1
Jonctions Y..............................................................................................................206
3.2
Diviseur de faisceau de type MMI..........................................................................208
3.3
Conclusion .............................................................................................................215
4Comparaison avec la littérature…….……………………………………..……....217
7 Conclusion………………………..…………………………………………………….218
Bibliographie du chapitre 5…………………………………………………………..219
Conclusion Générale……………………………………………………….............223
Annexes……………………………………………………………………………….…...231
Annexe1 : Réflectométrie de rayons X à incidence rasante ………………………...............233
Annexe2 : Spectroscopie des photoélectrons X ou XPS…………………………………….234
Annexe 3 : Analyse de couches de carbone amorphe par résonance magnétique
nucléaire……………………………………………………………………………………..239
Annexe 4: Etude de couches de carbone amorphe par spectrophotométrie………………...243
Annexe 5 : Etude de couches de carbone amorphe par résonance paramagnétique
électronique…………………………………………………………………………………246
Annexe6 : Etapes technologiques de la réalisation des composants d’optique intégrée.
Etude de couches de carbone amorphe par spectrophotométrie…………………………...249
4
Table des matières
5
Table des matières
6
Introduction générale
Introduction générale
5
Introduction générale
6
Introduction générale
Depuis plus de 60 ans, le transistor est entré dans la vie quotidienne, et son influence
n’a fait que s’accroître au rythme de la réduction de ses dimensions et de l’augmentation de
ses performances. Le doublement de la densité d’intégration et des performances tous les 18
mois, prédit par Gordon Moore en 1975 ne s’est jamais démenti. Il ouvre à la
microélectronique des fonctions toujours plus complexes et variées ; offrant par là- même de
nouveaux marchés à cette industrie.
Les composants actuels possèdent plus d‘un milliard de transistors, ont des fréquences
d’horloges proche de 4 GHZ et possèdent plus de 12 niveaux de métallisation. Dans ce
contexte, l’ajout de fonctionnalités optiques aux circuits intégrés répond à une double visée :
-
L’augmentation de la fréquence de travail entraîne l’apparition de limitations
technologiques parmi lesquelles celles liées aux interconnexions métalliques. Les
liens globaux risquent de ne pouvoir fournir les performances nécessaires aux
prochaines générations de composants et des solutions alternatives doivent être
trouvées. Parmi celles-ci, les interconnexions optiques apparaissent comme une
des alternatives les plus intéressantes. Celles-ci nécessitent l’intégration de liens
optiques complets au sein de circuits intégrés.
-
Poussé par son besoin grandissant en bande passante, le domaine des
télécommunications requiert de nouveaux composants optiques à faibles coûts et à
fortes fonctionnalités ajoutées. La co-intégration avec des circuits intégrés
permettrait d’ajouter des fonctions logiques plus complexes aux systèmes optiques
et de bénéficier des forts rendements et des bas coûts associés à cette industrie.
Différentes solutions sont possibles pour penser et réaliser des fonctions optiques au sein de
circuits intégrés. Les systèmes envisagés doivent répondre à un cahier des charges
contraignant:
-
forte compacité pour permettre la réalisation de liens optiques complexes dans les
dimensions de circuits intégrés,
-
faibles pertes énergétiques, ce qui suppose de faibles pertes optiques dans les
composants passifs,
-
compatibilité des différents éléments avec les technologies microélectroniques.
Différents systèmes ont déjà été proposés, basés sur le report de couche optique ou
l'intégration de composants optiques au niveau des transistors. Néanmoins, leur réalisation
parait aujourd’hui difficile, pour des raisons de coût d’intégration ou de compatibilité avec la
technologie de fabrication et le dessin des transistors.
7
Introduction générale
La solution étudiée dans ce travail est celle d’une intégration des composants optiques
au dessus des circuits intégrés. Le signal optique infra rouge est guidé dans des composants
compacts au niveau des lignes de métallisation supérieures. L’avantage est de pouvoir réaliser
directement les composants optiques sans modifier le cœur de l’architecture des circuits. Cette
intégration nécessite la mise au point de matériaux présentant de bonnes caractéristiques
optiques (fort contraste d’indice de réfraction, faibles pertes intrinsèques) et de faibles
températures de dépôt. Dans notre travail sont utilisés des matériaux déposés par Dépôt
Chimique Phase Vapeur Assisté par Plasma (PECVD). Trois différents matériaux sont étudiés
pour le milieu guidant : carbone amorphe, nitrure de silicium et silicium amorphe. L’oxyde de
silicium sert de matériau de gaine. En utilisant ces matériaux, des composants optiques
élémentaires permettant d’effectuer des liens au sein de circuits peuvent être réalisés : guides
d’ondes, changement de directions et diviseurs de faisceaux.
Ce manuscrit est subdivisé en cinq chapitres. Le premier chapitre situe le contexte de
l’intégration de liens optiques au dessus de circuits électroniques. La limitation intrinsèque
des interconnexions métalliques et les avantages des liens optiques sera exposée, suivie d’un
état de l’art des différentes technologies possibles pour les réaliser. Nous évoquerons les
différents types de composants passifs reportés dans la littérature, mais également les sources
et détecteurs possibles, pour envisager la réalisation de liens complets. Les différentes
solutions seront décrites et
comparées en terme de compatibilité avec des circuits
microélectroniques. Enfin, le schéma d’intégration choisi sera détaillé et le choix de la
méthode de dépôt et des matériaux explicité.
Le deuxième chapitre sera consacré aux techniques de caractérisation et à la
description des prés requis nécessaires à la mise au point de matériaux déposés par plasma et
à la réalisation d’éléments d’optique intégrée. Une première partie centrée sur la mise au point
de couches minces de qualité optique décrira le principe du dépôt PECVD et les techniques de
caractérisation des matériaux utilisées. Spectroscopie d’absorption à transformée de Fourier,
ellipsométrie spectroscopique ainsi que mesures de pertes en guide plan par la méthode des
M-Lines seront décrites. Une deuxième partie traitera du principe du guidage de la lumière et
des méthodes utilisées pour concevoir et caractériser des composants d'optique integrée.
Après un rappel théorique, les méthodes de simulation mises en oeuvre et développées au
8
Introduction générale
cours de ce travail seront décrites, suivies de la description du banc de caractérisation optique
utilisé.
Le troisième et le quatrième chapitre porteront sur la mise au point de matériaux
déposés par PECVD présentant de faibles pertes optiques, un fort contraste d’indice et des
propriétés mécaniques compatibles avec une intégration microélectronique. Un court
préambule décrira les propriétés de la silice utilisée comme matériau de gaine. Le chapitre 3
exposera ensuite les études réalisées sur le carbone amorphe. Après une description de ses
propriétés et des études réalisées dans la littérature, l’influence des différents paramètres de
dépôt sera analysée, suivie de la description des propriétés structurales des couches. Les
propriétés optiques du carbone amorphe seront ensuite étudiées de manière à identifier
l’origine des pertes optiques. Enfin, une conclusion quant aux applications possibles du
matériau développé sera avancée.
Dans le chapitre quatre, nous décrirons les études effectuées sur le nitrure de silicium
déposé par PECVD ainsi que les propriétés du silicium amorphe déposé par PECVD. La mise
au point de matériaux présentant un fort indice de réfraction et de faibles pertes dans le
domaine infra rouge sera exposée en étudiant l’influence des différents paramètres de dépôt
sur les propriétés physiques et optiques des couches. Nous étudierons ensuite l’origine des
pertes optiques grâce à différentes techniques de caractérisations optiques et physiques. Une
explication sera avancée pour les pertes à 1,55µm, une hypothèse émise pour les pertes à
1,3µm. A la suite de cette étude, deux recettes types sont proposées pour réaliser des
composants d’optique intégrée.
Les propriétés du silicium amorphe déposé par PECVD seront ensuite décrites. Les
caractéristiques et les potentialités de ce matériau pour nos applications seront exposées,
suivies des propriétés optiques de la recette utilisée pour réaliser des composants intégrés.
L’influence de la rugosité des interfaces sur les pertes en guide plan sera ensuite analysée.
Le chapitre 5 sera dédié à la mise au point et à la caractérisation des composants
d’optique intégrée. Après un court descriptif du processus de fabrication, nous détaillerons
les différentes études effectuées sur la mise au point de composants réalisés à partir des trois
filières technologiques décrites dans le chapitres précédents. La conception, les motifs de test
et la caractérisation seront exposés pour chaque composants: coupleurs par réseau de
diffraction, guides d'onde, micro courbures et diviseurs de faisceaux. Un comparatif
9
Introduction générale
récapitulera ensuite les performances globales de chaque filière et une étude bibliographique
les situera par rapport aux travaux déjà effectués sur le sujet.
Enfin, nous terminerons par une conclusion générale dans laquelle les principaux
résultats de cette thèse seront résumés et les perspectives de cette étude détaillées.
10
Chap. I
Interconnexions optiques
Chapitre 1 : Interconnexions optiques, une
alternative aux interconnexions électriques.
11
Chap. I
Interconnexions optiques
12
Chap. I
Interconnexions optiques
Introduction
La première partie de ce chapitre est consacrée à la problématique des
interconnexions des circuits intégrés, leurs limitations et les raisons qui sont à l’origine des
travaux menés sur les interconnexions optiques. Dans la deuxième partie, nous dresserons un
état de l’art des différentes solutions envisagées pour intégrer des liens complets au sein de
microcircuits. Les briques élémentaires que sont source(s), photodetecteurs et guides d’ondes
seront évoqués. Les différentes approches seront alors comparées en terme d’intégration
technologique dans un procédé de fabrication microélectronique. Cette étude préliminaire
nous permettra alors de définir l'orientation choisie dans ce travail : la mise au point de
composants optiques élémentaires utilisant des matériaux déposés par PECVD pouvant être
réalisés au dessus de composants microélectroniques.
1. De la microélectronique aux interconnexions optiques
1.1. Fonctionnement d’un circuit intégré.
En 1947, John Bardeen et Walter Brattain découvrent le premier effet transistor sur
semi-conducteur. Ceci leur vaudra le prix Nobel en 1956 et ouvrira un large champ de
recherche, la microélectronique. Un transistor est un composant possédant trois contacts, la
source, le drain et la grille. La tension aux bornes de la grille contrôle le passage -ou non- du
courant entre source et drain. En combinant N portes logiques élémentaires, il est alors
possible d’effectuer toutes sortes de fonctions: de l’inverseur au microprocesseur. Un circuit
intégré est formé par un ensemble de transistors disposés sur un même substrat, reliés entre
eux par des canaux qui permettent des échanges d’information.
1.1.1. Interconnexions électriques :
Les interconnexions entre transistors sont réalisées par des lignes conductrices
métalliques isolées par un matériau diélectrique. Dans un circuit intégré, on définit une zone
«Front end », où sont définis les transistors, et une zone « back-end », située au dessus, où
sont définies les lignes d’interconnexions (Voir figure 1-1b). La densité d’intégration des
composants augmentant avec la diminution de la taille des transistors, les interconnexions
sont de plus en plus complexes et les circuits actuels possèdent plus de 12 niveaux
métal/diélectrique.
13
Chap. I
Interconnexions optiques
Zone Back End
Zone Front END
a).
b)
Figure 1-1 : a) Photographie au microscope électronique a balayage d’interconnexions sur plusieurs
niveaux, l’oxyde d’isolation a été retiré afin de mettre les lignes de métal en valeur [IBM research center].
b) Schéma d’une vue en coupe.
Les liaisons électriques sont réparties en trois classes, en fonction de leur longueur.
Les plus nombreuses sont les liaisons locales, (90% sur une puce), d’une longueur inférieure
au millimètre, puis viennent les liaisons moyennes (entre 1 et 3 mm) pour environ 9%. Les
liaisons globales peuvent atteindre plusieurs centimètres de long et se différencient par leur
rôle. Elles servent à alimenter chaque point du circuit, à distribuer le signal d’horloge ou à
véhiculer des signaux entres blocs éloignés.
Depuis trente ans, la fréquence d’horloge des microprocesseurs les plus rapides double tous
les trente deux mois, et le nombre de composants par cm2 suit approximativement le même
rythme. Les composants actuels possèdent plus de 200 millions de transistors et fonctionnent
à des fréquences d’environ 4GHz. La conduction dans les lignes métalliques à ces fréquences
est alors influencée par la résistance et l’inductance des lignes, ainsi que par la capacité
associée aux empilements métal/diélectrique. Ainsi, si en microélectronique les performances
en vitesse étaient autrefois simplement déterminées par les transistors, les interconnexions
longues apparaissent aujourd’hui comme le facteur limitant au niveau du temps de transport et
de la consommation énergétique.
Délai des interconnexions
La densité accrue d’interconnexions tend à faire augmenter la résistivité des lignes
ainsi que la capacité due aux empilements metal-dielectrique [Gaburro02]. Ainsi, en 1980, le
temps de commutation d’un transistor MOS(délai) était d’environ 20 ps, alors que le temps de
14
Chap. I
Interconnexions optiques
transport associé à une interconnexion typique de 1mm de long en technologie SiO2/
Aluminium était d’environ 6ps. Si l’on en croit les prédictions établies par les industriels de la
microélectronique (ITRS pour Internationnal Roadmap for Semiconductor[ITRS03]), pour le
nœud 35nm (prévu autour de 2012), le délai d’un transistor sera alors proche de 2,5ps, la
latence associée aux interconnexions passant elle à 250ps [Meindl02 ] [Meindl03]. Ceci est
principalement du aux effets RC. La figure1-2 montre l’évolution du délai des transistors et
du temps de latence associé aux interconnexions, et met
en évidence le problème
technologique que posent celles ci.
Composantes du délai
temps (en ps)
50
temps lié aux
interconnexions
temps lié aux
transistors
délai
40
30
20
10
0
650
500
350
250
180
130
90 taille de la grille (en nm)
Figure 1-2 : Evolution des contributions responsables du délai des interconnexions [ITRS2003].
Dissipation énergétique
L’augmentation de la résistivité et de la capacité des lignes entraîne une plus grande
consommation énergétique des circuits d’interconnexions, principalement par effet Joule.
Comme le montre le tableau 1-1, la part d’énergie dissipée par un système intégré est
principalement due aux interconnexions, cette tendance s’aggravant avec le degré
d’intégration.
Génération
technologique
Energie de changement
d’état d’un MOS (U.A)
Energie associée aux
interconnexions (U.A)
Fréquence d’horloge
1µm
100 nm
35 nm
≈ 300
≈2
≈ 0.1
≈ 400
≈ 10
≈3
≈ 30 MHz
≈ 1-3.5 GHz
≈ 3.6-13.5 GHz
Tableau 1-1 : Comparaison théorique entre l’énergie dissipée pour une simple opération par un MOSFET
et par une interconnexion de 1mm de long, d’après [Meindl02].
15
Chap. I
Interconnexions optiques
Cependant, tous les liens ne sont pas équivalents dans un processeur, et les liens les
plus affectés sont ceux qui travaillent à plus fort débit et sur les distances les plus longues. En
plus des contraintes citées précédemment, ceux-ci subissent l’augmentation de l’effet de peau,
qui limite la surface efficace de transport du courant et augmente ainsi la résistance effective.
Ainsi, les liens globaux tels que les liaisons entre blocs et la distribution du signal d’horloge
sont les plus dispendieux au sein d’un circuit. La consommation de la distribution d’horloge
peut représenter de 50 à 70% de la consommation d’un
Skew : ou décalage variation du retard
circuit (PENTIUM 4 0,13µm à 3,06GHz—Conso= 80W).
de l'arrivée du signal d’horloge sur
Par ailleurs, l'augmentation relative du temps de retard de la
l'entrée d'une bascule, en fonction de
transmission par rapport à la période de l'horloge conduit au
la position géographique de celle-ci
phénomène de latence, et à celui, sans doute plus pénalisant
encore, de décalage ("skew") (voir ci contre). Enfin,
l'augmentation
de
la
densité
des
interconnexions
sur le circuit. Il se définit pour un
régime statique.
Jitter ou jigue : Variation du retard de
l’arrivée d’un signal en fonction du
métalliques conduit à des phénomènes de diaphonie, i.e. de
temps.
perturbations électromagnétiques du signal d’une ligne à
dynamique, à la suite de phénomènes
l’autre ainsi qu’au phénomène de jigue du signal.
Les solutions à l'œuvre pour repousser ces limites dans les
Il
se
définit
en
régime
d’interférences électromagnétiques ou
de bruit.
technologies actuelles concernent :
-
l’introduction de matériaux à plus faible
résistivité comme conducteurs, tels que le cuivre,
-
l’introduction de matériaux à plus faible constante diélectrique dits low k et
ultra low k,
-
l’adaptation des architectures avec l’augmentation des tailles des lignes
conductrices supérieures.
Néanmoins, ces approches sont intrinsèquement limitées : par les propriétés physiques des
matériaux (comment descendre en dessous de k=1 de l’air) , ou par l’architecture des
systèmes (trop de niveaux de métallisation). Sur la feuille de route de la microélectronique,
l’ITRS met en lumière le besoin de nouvelles technologies « alternatives » pour la réalisation
de systèmes d’interconnexions pour les noeuds technologiques inférieurs à 45nm [ITRS03].
16
Chap. I
Interconnexions optiques
1.2. Solutions alternatives
Différentes solutions sont aujourd’hui à l’étude, parmi lesquels les interconnexions optiques.
1.2.1. Interconnexions par nano tubes de carbone
Les nanotubes de carbone sont des structures de type « graphite enroulé » qui
possèdent de nombreuses caractéristiques physiques intéressantes, parmi lesquelles des
propriétés de transport électronique très prometteuses. En effet, selon la chiralité des tubes
(empilement des atomes), la fonction d’onde des électrons est quantifiée en une dimension,
rendant une conduction balistique possible à l’intérieur du tube [Hoeinlein04]. Ces structures
permettraient de remplacer les vias d'interconnexions. Du fait de leur très faible taille,
l’utilisation de nano tubes pourrait apporter un gain en terme de densité de courant et donc de
diminution de la résistance effective (voir figure1-3 ) [Kreupl04]. Cependant, malgré un
démarrage des études sur la croissance des nano tubes à des températures compatibles avec
une intégration microélectronique, les résistances de contact entre le métal et les tubes doivent
encore être largement améliorées pour que cette option soit intéressante. D’autre part,
l’utilisation de nano tubes n’est pour l’instant pas envisageable pour une application autre que
les vias, leur croissance autre que verticale n’étant pas maîtrisée.
a)
b)
Figure 1-3 : Intégration de nanotubes de carbones comme « Via » conducteur, avec des
tubes
« monomur » ( a) ou « multimurs »(b) [Kreupl 04].
1.2.2. Interconnexions 3D
Une solution envisagée pour limiter les désagréments liés aux interconnexions consiste
à réduire leurs proportions, ceci en « empilant » les composants, de manière à pouvoir les
relier entre eux avec une dimension supplémentaire. Les strates de wafer sont rapportées les
unes sur les autres, par des techniques séquentielles de collage de surface active et de retrait
17
Chap. I
Interconnexions optiques
des substrats. Le collage peut être effectué par wafer bonding, collage métallique ou assisté
par polymère [Lindner02]. Cette solution permet de travailler avec moins de niveaux
métalliques et de limiter le chemin électrique et ainsi le délai lié aux interconnexions.
Cependant, les avantages d’une telle architecture sont contrastés et doivent être discutés selon
le type de circuits utilisés. Ainsi, des simulations récentes effectuées pour des noeuds de 45
nm montrent que pour un mêmes nombre de composants, la réalisation d’interconnexion 3D,
sur 2 ou 3 strates n’apporte pas d’avantages en terme de délai ou même d’énergie dépensée
dans les lignes, et ceci sans prendre en compte les éventuels problèmes de dissipation de la
chaleur, encore plus cruciaux dans cette configuration [Nguyen05].
1.2.3. Interconnexions RadioFréquences (RF)
La distribution de signal par Radio Fréquence est en fait la continuité des
interconnexions métalliques, le signal n’étant plus alors traité dans l’approximation
stationnaire, mais comme une onde électromagnétique. Deux solutions sont possibles : la
propagation en ondes guidées ou en espace libre. Dans le premier cas, l’onde est guidée à
travers le substrat en silicium et les niveaux d’interconnexions. Un avantage de cette
technique est son intégration facile, les divers éléments étant réalisables avec les technologies
actuelles (Cuivre/ SiO-C). Des systèmes de distribution d’horloge ont été proposés [Floyd00].
Un des intérêts est que l’augmentation de fréquence diminue la taille des antennes et les rend
intégrables. Récemment, des résultats expérimentaux ont été obtenus sur des structures tests
démontrant des niveaux d’atténuation comparables à des distributions électriques actuelles
[Tryantafillou04]. La dimension des antennes est de l’ordre de 2 mm de long par 10 µm de
large, espacées de 2,7cm. Des signaux de 10 à 30 GHZ sont transmis avec une perte de l’ordre
de -20 dB entre l’émetteur et le récepteur. Cependant, ces transmissions nécessitent la création
de zones d’exclusion sur toute l’épaisseur de l’empilement back-end autour des antennes, et
sont très dépendantes des propriétés du substrat silicium (épaisseur, résistivité).
1.3. Interconnexions optiques
L’utilisation de lumière plutôt que d’électricité pour la transmissions de signaux
possède des avantages physiques certains. Historiquement, Goodman [Goodman84] puis
David A. Miller ([Miller97], [Miller99], [Miller00]) furent les premiers à mettre en éxergue
les avantages du lien lumineux par rapport au lien électrique pour la microélectronique. En
effet, si les signaux optiques ou électriques sont des ondes électromagnétiques, la différence
entre
les
deux
provient
de
leur
fréquence
18
d’oscillation,
respectivement
entre
Chap. I
Interconnexions optiques
1014Hz<fopt<1015Hz pour l’optique et autour de 1011Hz pour le signal électrique, entraînant
de nombreux avantages pour l’optique :
-
une plus grande bande passante (la fréquence des signaux transportés est de l’ordre
de la dizaine ou centaine de GHz, loin des possibilités des transmissions
électriques),
-
aucune adaptation de la ligne au signal transporté (du fait de leur impédance, les
interconnexions électriques doivent être conçues pour travailler à une certaine
fréquence. A contrario, le design d’interconnections optiques est indépendant de la
fréquence transportée, car la fréquence de modulation est très faible par rapport à
celle de la porteuse),
-
une plus faible propension à la diaphonie (bruit entre lignes), due à la plus faible
longueur d’onde des signaux de 500nm à 2µm pour l’optique contre environ 3cm
pour l’électrique),
-
consommation électrique réduite par absence d’effet joule dans les guides
optiques,
-
pas de génération de bruit sur le fonctionnement du circuit par le lien optique,
-
les guides d’ondes étant constitués de matériaux diélectriques, aucune « dérive »
en tension ne se produit le long d’un composant,
-
possibilité d’utiliser des impulsions optiques très courtes pour limiter le skew et le
jitter [Keeler03],
-
possibilité d’utiliser plusieurs longueurs d’onde sur un même canal.
Pour toutes ces raisons, les communications optiques ont remplacé les communications
électriques pour les communications longues distances. Avec la montée en fréquence des
bandes passantes des processeurs utilisés dans les objets de consommation courante
(ordinateur, modem, Internet), remplacer les liaisons électriques par des liaisons optiques à
courte portée devient bénéfique. Ainsi, les liaisons optiques entre ordinateurs sont aujourd’hui
disponibles dans le commerce, et des démonstrations de distribution optique entre processeurs
[Chen97] ou entre niveaux de processeur et de mémoire [Han03] ont été réalisées. Ces
liaisons de type inter puces sont actuellement l’objet d’une compétition électrique-optique. En
ce qui concerne plus particulièrement le niveau d’intégration que représentent les connections
d’une puce, de nombreuses études comparent les liens optiques (émetteur- milieu guidantrécepteur) aux liens électriques. Par simulation, elles analysent les avantages et inconvénients
des deux techniques en terme de délai et de consommation énergétique. Ainsi, en 2002 Kapur
19
Chap. I
Interconnexions optiques
et Saraswat ont comparé les interconnexions optiques et électriques pour effectuer la
distribution d’horloge [Kapur01] ou des liaisons sur une puce [Kapur02]. Leurs études
montrent que la distribution d’horloge optique est intéressante au niveau énergétique pour des
noeuds technologiques de 100nm, et que la distance limite au dessus de laquelle l’optique
devient plus avantageuse pour les liens point à point est inférieure à la taille d’un circuit pour
le noeuds 50nm. En 2001 déjà, des travaux [Kyriadis01] comparent liens électriques et
optiques pour les technologies alors utilisées (transistors largeur de grille= 0,25 et 0,8µm).
Leurs simulations montrent que pour des transmissions de 3GHz, l’optique est plus efficace
en terme de délai pour des distances supérieures à 0,6cm.
En 2004, Ian O' Connor et al. [OConnor04] ont comparé une distribution du signal d’horloge
optique avec une distribution classique, de type électrique. Ils utilisent pour cela un schéma
utilisant une source et des détecteurs en matériaux III-V rapporté sur des guides de types SOI.
En travaillant avec des caractéristiques technologiques associées au nœud 70 nm, ils montrent
que l’utilisation du système optique est d’ores et déjà plus intéressante que la distribution
électrique, faisant gagner un facteur 5 en terme de consommation énergétique pour une
fréquence de travail de 5,6GHz. Cette tendance s’amplifie avec la montée en fréquence du
système (Voir Figure).
Figure 1-4 : Comparaison de la dissipation énergétique dans un système de distribution d’horloge
électrique ou optique pour différentes fréquences d’horloge (noeuds 70nm, 400 mm2, 256 sorties).
En 2004, Cho et al.[Cho04] comparent lien optique et électrique pour les liaisons haut
débit, pour des noeuds technologiques de 50 ou 100nm. Ils utilisent pour le calcul des pertes
énergétiques dues au système optique une configuration utilisant un modulateur à puits
quantiques et un photodétecteur issu de la technologie silicium, qu’ils comparent aux
interconnexions électriques à l’état de l’art. Leurs calculs les amènent à déterminer une
longueur critique au dessus de laquelle les interconnexions optiques sont énergétiquement
20
Chap. I
Interconnexions optiques
plus intéressantes. En utilisant les caractéristiques d’un modulateur idéal, ils trouvent une
longueur critique de l’ordre de 40cm pour 6GHz. Si cette valeur est élevée, en contradiction
avec leurs études précédentes, ils montrent que la distance critique varie très fortement avec la
capacité du photodétecteur ainsi qu’avec les pertes de couplage (voir figure1-5). En outre, la
valeur utilisée ici pour la capacité du détecteur (250fF) parait être largement surestimée d’un
facteur 10 [Rouviere 04].
Figure1-5 : Distance critique optique/électrique en fonction des pertes de couplage dans des guides, pour
différentes capacités de détecteurs associés [Cho04].
Ainsi, de nombreux auteurs ont démontré l’intérêt de l’utilisation de liens optiques pour
remplacer des liens électriques dans l’architecture des circuits intégrés, d’abord pour la
distribution du signal d’horloge, puis certainement dans un deuxième temps pour la réalisation
de liens haut débit au sein des circuits. Les distances critiques de rentabilité du remplacement
électrique/optique sont toujours débattues. Néanmoins, les auteurs s’accordent sur l’avantage
majeur que possède l’optique par rapport à l’électrique vis a vis de la montée en fréquence et
en degré d’intégration des circuits intégrés, à savoir que les performances des systèmes
optiques sont limitées par les composants optoélectroniques associés, dont les caractéristiques
s’améliorent avec le degré d’intégration, là ou les transmissions électriques pâtissent du degré
d’intégration. D’autre part, la possibilité de réaliser un multiplexage en longueur d’onde
apparaît pour de nombreux auteurs comme une «rupture» positive dans la comparaison
électrique-optique. Cependant, une première démonstration de lien optique complet reste à
prouver et permettra de quantifier le gain de l’optique en donnant les premières
caractéristiques réelles des différents composants (sources-guides-photodétecteurs).
D’autre part, une tendance de la microélectronique moderne est d’intégrer de plus en plus de
fonctions différentes sur une puce, afin d’y réaliser un système complet (SOC pour System
21
Chap. I
Interconnexions optiques
On Chip). Dans ce sens, l’ajout d’éléments optiques au sein des circuits représente un vrai
challenge pour la réalisation de fonctionnalités telles que la compatibilité avec les réseaux
fibrés, les communications haut débit entre puces, etc… La figure 1-6 représente ainsi un
exemple de fonctions optiques rapportées sur une puce microélectronique.
A
δ
δ
β
δ
B
δ
β
α
γ
β
α
β
α
α
Figure 1-6: Exemple d’intégration de fonctionnalités optique sur puce microélectronique. Des liaisons
entre différents composants utilisant différentes longueur d’ondes sont représentées (A), ainsi qu’une
connexion à un réseau fibré extérieur, utilisant différentes longueur d’onde (B). Ce type de schéma utilise
des sources (α), des détecteurs (β), des multiplexeurs ( γ) et Demultiplexeurs (δ) ainsi que des guides
d’ondes intégrés
2. Différents types d’interconnexion optiques : Intégration
de circuits photoniques sur circuits intégrés.
La réalisation de liens optiques au sein de microcircuits se trouve à la croisée de
nombreux chemins technologiques, mêlant des domaines variés tels que les lasers, l’optique
intégrée, l’optronique et enfin la microélectronique. Réaliser un lien complet au sein d’une
même puce nécessite d’assembler une source, un système de guidage, et un détecteur, le tout
avec un schéma compatible avec la réalisation de transistors. Comme nous allons le voir, les
recherches menées actuellement s’orientent dans différentes voies. Or, la réalisation
d’éléments d’optique intégrée dépend très fortement de l’approche globale utilisée, et
notamment des éléments optoélectroniques. Dans cette partie, nous nous proposons de dresser
un panorama des technologies aujourd’hui disponibles pour réaliser des liens optiques. Nous
22
Chap. I
Interconnexions optiques
évaluerons les sources disponibles, les détecteurs et enfin les différentes voies pour réaliser
des composants passifs. Dans un deuxième temps, nous analyserons plus précisément la
compatibilité des systèmes optiques avec les procédés microélectroniques, pour enfin
comparer les différents schémas complets et situer le sujet de cette thèse.
2.1. Sources :
Comme nous l’avons vu précédemment, l’emploi d’éléments optiques est intéressant
pour les communications hautes fréquences. Les sources optiques doivent donc présenter des
fréquences de travail très élevées, avec si possible de faibles largeurs spectrales. L’utilisation
d’émission laser parait donc nécessaire. Deux approches sont aujourd’hui envisagées :
- une source extérieure au circuit, dont le signal peut ensuite être modulé,
- des sources « intrinsèques » aux composants.
2.1.1. Systèmes à source extérieure
Deux solutions sont alors possibles: utiliser un laser à modes bloqués pour produire
des impulsions courtes ([Delfyett91], [Keeler03]), ou bien se servir d’un laser exterieur
continu associé à un modulateur réalisé sur la puce.
Des modulateurs composés d’un interféromètre Mach –Zhender couplé à un dispositif
électroréfractif ont déjà été rapportés. L’effet électroréfractif est réalisé par injection de
porteurs dans des hétérostructures Si/SiGe [Marris04] ou des structures MOS. Récemment,
des modulations de 10GHz ont été demontrées sur ce type composants [Liao05]. De manière
plus compacte, des modulateurs utilisant des systèmes résonnants (anneaux, cavités) sont
possibles. De premières réalisations ont montré des modulations de l’ordre du GHZ pour des
composants de l’ordre de la dizaine de microns [Xu05].
Une autre possibilité est d’absorber directement l’intensité dans les guides. Des systèmes
utilisant l’injection de porteurs ([Scuito04], [Ching03]) ou bien la désertion de puits
quantiques [Elkurdi03] ont ainsi été proposés, des fréquences de modulation de 1GHz étant
attendues.
2.1.2. Sources Intrinsèques
Si l’utilisation de sources extérieures peut convenir à certaines applications, le
développement de liens complets sur des puces nécessite des sources laser intégrables aux
composants.
23
Chap. I
Interconnexions optiques
2.1.3. Technologie silicium
Du fait du gap indirect du silicium, l’émission électroluminescente directe à
température ambiante est impossible et des processus plus complexes doivent être mis en jeu.
De nombreux travaux portent sur la luminescence de nanostrucures de silicium de type
silicium poreux ([Canham90], [Chan01]), nanocristaux de silicium dans SiO2, ou boîtes
quantiques de Ge dans Si [David03]. Ces structures présentent des luminescences variées,
néanmoins leur efficacité est très faible.
Une solution plus prometteuse est d’utiliser la luminescence d’éléments extérieurs
dopant les composants, tel que l’erbium (raie à λ=1,54µm) associé à des nanocristaux qui
permettent d'exciter plus fortement la luminescence de l'erbium. Des efficacités quantiques
proches de 20% ont été démontrées avec de l’erbium, même si des problèmes de
vieillissement semblent limiter la durée de vie des diodes fabriquées ([Kik00], [Castagna03],
[Ossicini04], [Chen98]).
Laser RAMAN
Le premier laser en technologie silicium a récemment été démontré par des équipes
d’Intel [Rong05]. Il utilise l’effet Raman du silicium, où un laser pompe à 1,55µm excite
l’émission Raman décalée à 1,63µm. Si ce phénomène paraît intéressant, ses applications
comme source intrinsèque paraissent limitées par la taille du composant (4,8cm) et son
pompage optique nécessaire.
2.1.4. Technologie III-V :
L’utilisation de matériaux à gap direct est aujourd’hui la voie la plus évidente pour
réaliser des lasers. Ainsi, les technologies III-V sont depuis longtemps développées dans le
domaine des télécoms, et plus récemment pour réaliser des sources intégrées à base de
substrat InP ou GaAs. Les milieux électroluminescents sont constitués d’alliages ternaires ou
quaternaires de type GaAlAs ou GaxAlyInAs de paramètres de mailles compatibles avec les
substrats. L’utilisation de dispositifs à confinement quantique (puits, boîtes) permet de jouer
sur les niveaux énergétiques et les longueurs d’ondes d’émission des composants en obtenant
des effets laser pour des faibles courants de seuil. Les technologies « GaAs » émettent
traditionnellement dans la gamme de longueur d’onde 850nm à 980nm. L’émission infra
rouge est plus difficile à obtenir et n’a été démontré que récemment [Ramakrishnan02]. La
technologie InP est plus adaptée a l’émission infra rouge, et couvre la gamme 0,92-1,6µm. Du
point de vue des architectures, ces lasers peuvent être réalisés dans une configuration plane,
24
Chap. I
Interconnexions optiques
où la cavité est obtenue entre des faces clivées ou des miroirs de Bragg, ou bien dans une
configuration verticale (dite VCSEL pour Vertical Cavity Emiting Laser) où des miroirs de
Bragg sont utilisés pour la cavité. Les lasers plans sont aujourd’hui bien maîtrisés et possèdent
des dimensions de l’ordre de 250µm à 850µm
Pour les architectures verticales, des VCSELS GaAs à 850nm sont aujourd’hui
commercialisés. Leurs tailles sont de l’ordre de 20 par 50µm avec des fréquences de travail
intéressantes pour nos applications (40GHz.). En infra rouge, si des VCSELs GaAs émettant à
1,3µm ont déjà été réalisés en laboratoire [Pessa03], leur commercialisation n’est pas encore à
l’ordre du jour. Enfin, des VCSELs en technologie InP ont également été démontrés. Leur
application est pour l’instant restreinte à des domaines tels que les capteurs, peu dépendant de
la fréquence de travail.
Nanostructures InP
Dans la voie de la miniaturisation, de nouvelles structures encore plus adaptées aux
applications d’optique intégrée sont aujourd’hui proposées. Elles reposent sur la fabrication
de micro lasers à base de micro résonateurs. Pour obtenir un fort confinement des photons,
des microcavités utilisant des micro disques, ou des micro-structures à base de cristaux
photoniques sont aujourd’hui proposées [Seassal05]. Grâce au fort contraste d’indice de
réfraction entre InP et Oxyde (ou InP et air pour les dispositifs expérimentaux), des micro
disques de dimensions très compactes (R = 4 à 10µm) ont déjà été réalisés. Les premiers
effets lasers associés à un couplage dans un guide d’onde ont récemment été réalisés (voir
figure 1-8) [Hattori05]. Plus récemment, l'effet laser a été obtenu en pompage électrique sur
des microdisques de diamètre 8 µm [Rojo05].
Figure 1-7 : Schéma de fonctionnement d’un microdisque Laser InP rapporté sur guide SOI d’après
[Hattori05].
L’introduction de cristaux photoniques ouvre elle aussi de nouvelles voies, avec la réalisation
de microcavités ou bien l’utilisation directe des propriétés résonnantes de ces structures. Elles
25
Chap. I
Interconnexions optiques
peuvent présenter des émissions par effet laser tres localisés (2x3µm dans les travaux de
[Seassal05]), et ce dans le plan ou perpendiculairement au plan des couches [Ryu02] pour des
cristaux photonique à deux dimensions.
Ce type de micro sources présente de nombreuses potentialités: compacité, efficacité,
couplage aisé vers des guides compacts et technologie similaire à la technologie
microélectronique (épitaxies, gravure plasma…). L’enjeu est aujourd’hui d’obtenir un effet
laser. Pour l’instant seule l’émission électroluminescente a été rapportée.
2.2. Détecteurs :
Dans le cas de la détection de lumière, le fait d’avoir un gap indirect est moins
problématique pour effectuer la transition optique-électrique. Le gap des matériaux détermine
simplement la longueur d’onde à laquelle ils peuvent fonctionner (voir figure1-8).
Figure 1-8 : Absorption de différents matériaux en fonctions de la longueur d’onde.
2.2.1. Filière Silicium et composés IV-IV
Dans cette approche, le silicium est utilisé pour réaliser des photodétecteurs de l'ultra
violet au visible, voir même dans le proche infrarouge (780m) malgré un coefficient
d’absorption assez faible. Ainsi, des détecteurs très rapides ont déjà été démontrés en UV
[Chou92] et dans le domaine visible [Alexandru94]. La plus faible absorption du silicium à
780nm peut être contrebalancée par l’utilisation de structures fines, permettant d’obtenir des
détecteurs rapides (140GHz [Liu94]) ou en nano structurant le silicium pour augmenter son
absorption [Sharma02].
26
Chap. I
Interconnexions optiques
Si l’on veut travailler dans le domaine infrarouge, le silicium est transparent et il est alors
nécessaire d’utiliser des matériaux type Ge/ Si-Ge voir InGaAs (voir figure 1-8).
Le Germanium permet d'obtenir des photodétecteurs compatibles avec des
technologies silicium. Son introduction permet de diminuer le gap effectif de l’alliage obtenu
et ainsi d’atteindre les longueurs d’ondes du domaine des télécommunications optiques (850,
1300 et 1550 nm). Différentes solutions existent, utilisant des multi puits quantiques Si
x)Gex/Si,
(1-
des boîtes quantiques Ge dans Si ou bien du Germanium pur. L’utilisation de puits
quantiques permet d’atteindre des longueurs d’onde autour de 1,3µm, et avec des structures
optimisées, des réponses impulsionnelles très rapides autour de 15ps [Temkin86] ont été
rapportées. Néanmoins, ces structures possèdent des absorptions relativement faibles et
nécessitent une intégration le long d’un guide d’ondes de grande dimension (500µm). De la
même manière, des recherches sur les boîtes quantiques Si1-xGex ont montré qu’il était
possible d’obtenir des photodétecteurs rapides (temps de réponse de 16 ps) [Buca02].
Cependant, ici aussi, l’absorption de ces matériaux est faible, menant à des dimensions de
dispositifs de l’ordre du mm.
L’emploi de germanium pur présente l’avantage d’avoir un très fort coefficient
d’absorption à 1,3µm et également à 1,55µm lorsque le matériau est contraint. Cela permet de
réaliser des dispositifs très compacts avec des fréquences de travail très élevées. Ainsi des
photodétecteurs intégrés en bout de guides d’onde ont déjà été proposés. Ils présentent
l’intérêt d’absorber très rapidement la lumière (en moins de 4 µm) [Rouviere04], permettant
ainsi d’envisager la réalisation de structures compactes et rapides. La limitation intrinsèque du
matériau en terme de temps de recombinaison semble en outre ne pas poser de problème. Des
photodétecteurs verticaux travaillant à 35Ghz ont été réalisés avec ces matériaux
[Rouviere05].
Cependant, il est important de noter que la technologie Germanium ici décrite nécessite des
étapes technologiques d'épitaxies réalisées à haute température. Une autre voie moins
contraignante est celle de Masini et al. [Masini03] où le détecteur est réalisé en Ge
polycristallin déposé à basse température (300°C).
2.2.2. Filière III-V
Rapporter des détecteurs utilisant des matériaux III-V du type de ceux décrit à la
section 2.2 de ce même chapitre sur le circuit photonique offre une solution plus simple, et
très efficace. Les photodétecteurs utilisent des structures dites PIN (avec une jonction dopage
P-Intrinseque-dopageP) ou MSM ( pour Métal Semiconducteur Métal). Des structures très
27
Chap. I
Interconnexions optiques
rapides ont déjà été réalisées avec éclairement vertical. Ainsi, des équipes ont démontré que
des reports de pastilles d’InGaAs (100 x 150µm) couplées à des guides d’ondes pouvaient
atteindre des fréquences de l’ordre de 150 GHz [Cho02].
2.3. Couplage
Pour coupler les émetteurs ou les récepteurs aux guides d’ondes, deux solutions sont
possibles: le couplage réfractif ou évanescent.
2.3.1. Couplage réfractif
Le couplage réfractif est fondé sur des dispositifs permettant à la lumière de changer
de direction, pour passer par exemple d’une émission (et/ou réception) verticale à des guides
horizontaux. Deux types de couplage génériques sont utilisés : par micro miroirs ou par
utilisation de réseaux de diffraction. Le principe des micro-miroirs repose sur la fabrication
d’un miroir intégré incliné à 45° par rapport au substrat. L’avantage de cette technique est une
faible sensibilité aux longueurs d’onde et une grande facilité de fabrication. Ces structures
conviennent bien à des guides d’ondes de dimensions moyennes, où l’on ne voit pas de
diffraction trop importante après la réflexion. La réflexion totale nécessite un fort contraste
d’indice entre le guide et le milieu extérieur. Cette technique est notamment utilisée avec des
guides polymères, en faisant jouer le contraste d’indice de réfraction avec l’air ([Liu01],
[Mederer 02]).
2.3.2. Couplage par réseau de diffraction
Une autre solution vient des coupleurs par réseaux de diffraction. La lumière est
diffractée par un réseau de pas inférieur à la longueur d’onde, et injectée dans un guide pour
un angle correspondant à des interférences constructives, selon la relation de Bragg (voir
figure 1-9).
28
Chap. I
Interconnexions optiques
Lumière
Transition adiabatique
n1
θι
n
Relation de Bragg
n 1 sinθ i = n sinθ d ± k
λ
Λ
Réseau de pas Γ
Figure 1-9 : principe du couplage par réseau de diffraction. La lumière est diffractée par un réseau de pas
Γ inférieur à la longueur d’onde, et injectée dans un guide pour un angle correspondant à des
interférences constructives, selon la relation de Bragg.
Cette technique permet de coupler un rayon incident à des guides et d’avoir de très bonnes
efficacités de couplage pour des guides très compacts. Elle est notamment utilisée pour
injecter de la lumière dans des guides SOI [Lardenois03]. Avec des structures adaptées, des
efficacités de l’ordre de 80% sont possibles [Orobtchouk00]. D’autre part, l’utilisation de
réseaux complexes (biaisés, etc..) permet d’envisager un couplage à 90°. Une autre
généralisation possible de ce type de coupleurs est de réaliser des réseaux tridimensionnels, de
type holographique.
2.3.3. Couplage évanescent
Le couplage évanescent utilise l’effet tunnel optique pour coupler de la lumière entre
deux structures guidantes coplanaires. Le champ évanescent passe à travers une couche de
plus faible indice, et si les constantes de propagation sont accordées, il est possible de
transférer tout le champ électromagnétique d’un guide à l’autre. Ce type de couplage présente
des efficacités théoriques très importantes (proche de 100%). Il est par exemple utilisé pour
coupler des sources III-V à des guides submicroniques (voir figure1-10) [Roelkens04]. Dans
ce cas, comme l’absorption se fait dans le plan de la couche photodétectrice, l’efficacité de
détection est maximisée.
29
Chap. I
Interconnexions optiques
Figure 1-10 : Exemple de coupleur évanescent entre un guide III-V et un micro guide silicium. La
dimension du guide III-V est réduite progressivement de manière à ce que l’indice effectif du mode guidé
dans le matériau III-V devienne inférieur à celui guidé dans le Silicium, d’après [Roelkens04].
2.4. Guides d’ondes
Nous allons ici décrire les principales solutions possibles pour réaliser des éléments
passifs. Différentes technologies sont aujourd’hui développées pour guider la lumière.
2.4.1. Filière silice dopée
Pour les applications de type télécoms, des technologies de guides d’ondes utilisant de
la silice dopée ont largement été développées. Ces guides d’onde ont des tailles de modes
comparable à l’ouverture des fibres optiques, et utilisent des dopages Phosphore ou
Germanium avec des matériaux déposés par PECVD et des recuits à haute température (>
1000°C), conduisant à des écarts d’indice de réfraction de l’ordre de 10-2. Les pertes obtenues
dans ces guides d’ondes sont très faibles (<0,01dB/cm) et les dimensions des guides sont de
l’ordre de la dizaine de microns. Le faible écart d’indice de réfraction limite les rayons de
courbures à des valeurs de l’ordre de quelques centimètres [Hibino03] ce qui limite ces
technologies à de grands circuits où sont hybridés les composants actifs.
2.4.2. Filière nitrure de silicium
De manière à augmenter la compacité des circuits, de nombreuses filières
technologiques font usage du nitrure de silicium, dans le domaine du visible (850nm), puis
dans l’infra rouge (1,3 et 1,55µm). Les alliages sont alors du type SiON. L’indice de
30
Chap. I
Interconnexions optiques
réfraction de l’alliage est alors variable selon la concentration entre 1,45 (SiO2 ) et 1,98
(Si3N4) à 633nm.
Ainsi, Ollfrein et Bona ( [Bona03], [Ollfrein04]) utilisent des guides ayant comme
coeur un SiON d’indice de réfraction de 1,5 entouré de silice thermique (n=1,45). Les guides
font 3µm x 1,3µm et montrent des pertes très faibles (<0,1dB/cm). Ce contraste d’indice de
réfraction permet d’autre part d’obtenir des virages sans pertes pour des rayons de courbures
de 800µm. De manière plus compacte, des technologies utilisant du Si3N4 permettent
d’obtenir des guides de dimensions submicroniques (0,6 x 1µm [Phillipp04]) qui présentent
toujours de faibles pertes (<1,3dB/cm). Le fort contraste d’indice de réfraction entre l’oxyde
et le nitrure permet d’autre part de réaliser des courbures à très faibles pertes pour des rayons
de l’ordre de 25µm.
La technologie nitrure ou oxynitrure aujourd’hui d’usage dans les différents
laboratoires utilise des procédés haute température, le matériau étant déposé soit par CVD
(T>=780° [Pandey04]) ou LPCVD (T>=780°C [Modreanu99]), soit par PECVD recuit à une
température supérieure à 1000°C pour densifier les couches et diminuer la proportion
d’hydrogène incorporé. En effet, les harmoniques des vibrations de la liaison N - H entraînent
une absorption située autour de 1,50µm défavorable si l’on travaille à cette longueur d’onde
(voir figure1-11).
Figure1-11 : Concentration en hydrogène et pertes optiques autour de 1,55 µm de guides d’oxynitrure
d’indice de réfraction
1,48 obtenus par PECVD en fonction de la température de recuit, d’après
[Worhoff99].
Très peu d’études ont été menées sur des procédés basse température : seuls Kobrinsky et al.
[Kobrinsky04] ont démontré des pertes de 3dB/cm à 850nm pour des guides de 0,3µm par 0,3
µm réalisés en PECVD (T dépôt =400°C) non recuit.
31
Chap. I
Interconnexions optiques
2.4.3. Little optics :
Une société fondée en 2000, a mis au point depuis 2003 un procédé de type dépôt
d’oxyde permettant de réaliser des structures à relativement fort contraste d’indice de
réfraction (jusqu’a 20%) avec de très faibles pertes. Le contraste d’indice de réfraction
maximum est de l’ordre de 0,3. Il permet de réaliser des guides de dimensions microniques et
d’atteindre des courbures sans pertes pour des rayons de 30µm. Le matériau est déposé par
CVD
à
des
températures
annoncées
comme
compatible
avec
des
structures
microélectroniques. La température n’est pas précisée. Le matériau est breveté et dénommé
HydexTM. Sa composition exacte n’est pas communiquée. Il présente l’avantage de ne pas
présenter de pertes intrinsèques importantes à 850nm, 1,3µm ou 1,55µm, ceci sans nécessiter
de recuit (voir figure1-12).
Figure 1-12 : Comparaison des pertes optiques intrinsèques de couches d’oxyniture et de nitrure comparé
au matériau Hydex d'après [Little03] .
En utilisant ces matériaux, des filtres à anneaux résonnants de rayon de courbures de 36µm
ont été rapportés [Little05]. Les pertes des anneaux ne sont pas précisées.
2.4.4. Polymères
Avec l’arrivée des communications optiques dans le domaine des liens moyennes et
courtes distances où la durabilité n’est plus le facteur prépondérant, les technologies d’optique
intégrée basées sur les polymères se sont largement développées. Ces technologies possèdent
de nombreux avantages tels que le faible coût et la très grande versatilité des composés dont
on contrôle facilement la formulation. On peut ainsi jouer facilement sur les propriétés
électro-optiques ou non linéaires des films, ainsi que sur leur indice de réfraction.
32
Chap. I
Interconnexions optiques
Les matériaux constitués de chaînes aliphatiques et contenant du fluor ont des faibles indices
de réfraction, ceux qui contiennent beaucoup de doubles liaisons, de chaînes aromatiques
et/ou de chlore ont de forts indices de réfraction [Zhou02]. Aujourd’hui des matériaux qui
présentent des indices de réfraction allant de 1,28 à 1,72 à la longueur d'onde de 1,55µm sont
disponibles, permettant la réalisation de guides optiques submicroniques (0,5µm x 0,5µm)
avec de faibles rayons de courbures (10µm) [Eldada05]. Ces matériaux offrent d’autre part
une très bonne transparence, avec des pertes inférieures à 0,1dB/cm dans toutes les fenêtres
des télécommunications optiques (850nm, 1,3µm, 1,55µm). Les procédés de dépôts par spin
coating ou deep coating utilisés sont peu coûteux, et la réalisation des guides s’effectue par
photopolymérisation ou par gravure ionique selon la nature des polymères [Eldada02].
Cependant, la tenue en température des polymères peut poser problème. Si les
matériaux à l’état de l’art peuvent supporter des températures de 200°C, très peu de matériaux
supportent des températures supérieures à 300°C :
- les matériaux fluorés type perfuorocycbobutane ( N≈1,3),
- le BCB ou benzo cyclobutane (1.48<N<1,55),
- les polyimides ( N ≈1,55) [Ma02].
Le contraste d’indice de réfraction entre le milieu guidant et le milieu de gaine pour des
systèmes évoluant à forte température est ainsi beaucoup plus faible.
Ainsi, si de nombreux éléments d’optique intégrée ont été réalisés en polymère, les
composants aujourd’hui utilisés sont toujours de dimensions microniques (6µm x 7µm au
minimum pour [Choi02]).
2.4.5. Filière SOI :
Un large champ de recherche s’est depuis quelques années développé autour de la
filière SOI (Silicon On Insulator soit silicium sur isolant). Le principe est ici de guider la
lumière infra rouge dans un film de silicium monocristallin isolé du substrat silicium par une
couche d’oxyde. Le très fort contraste d’indice de réfraction entre le silicium ( N≈3,505 à
1,3µm) et l’oxyde de silicium( N≈1,467 à 1,3µm) permet de fortement confiner le champ
électromagnétique, et ainsi d’utiliser des composants très compacts. Les dimensions des
guides d’ondes sont typiquement de 0,3µm x 0,3µm ou 0,2µm x 0,5µm, et des courbures sans
pertes radiatives peuvent être obtenues pour des rayons très faibles de 5µm voir 2 µm.
Par contre, le très fort écart d’indice de réfraction entre le matériau guidant et le matériau de
gaine entraîne une très forte sensibilité aux rugosités d’interfaces, les pertes de propagation
des modes guidés étant proportionnelles à (∆Ν)2 en première approximation[Agarwal99]. Il
33
Chap. I
Interconnexions optiques
est très difficile d’obtenir des guides d’ondes de dimension compactes à faibles pertes. Si des
guides d’ondes faiblement confinés de type arête (faiblement gravés) présentent des pertes de
0.4 dB/cm [Lardenois04], les meilleures guides totalement gravés de type ruban présentent
des valeurs de pertes de 2.5 dB/cm pour des guides non recouverts ([Dumon05],[Vlasov04])
et 5dB/cm pour des guides recouverts [Orobtchouk05].
Cette technologie a l’avantage d’utiliser un matériau aujourd’hui bien connu en
microélectronique et peut donc bénéficier de procédés de gravure ou de dépôt standard dans
ce domaine. Cependant, pour ne pas avoir de pertes électromagnétiques importantes dans le
substrat, il est nécessaire de travailler avec des oxydes enterrés d’épaisseur importante
(>700nm) ce qui peut poser des problèmes d’intégration avec des composants de
microélectroniques.
2.4.6. Silicium déposé
Pour pouvoir réaliser des composants optiques présentant le même contraste d’indice
de réfraction élevé, mais susceptibles d’être utilisés sur d’autres types de substrats, l’emploi
de silicium déposé comme couche guidante a été envisagée.
L’équipe de Kimmerling et al. [Liao00] a notamment beaucoup travaillé sur l’utilisation de
silicium polycristallin, déposé par LPCVD ou par PECVD puis recuit pour recristalliser les
couches. Malgré les différents procédés mis en oeuvre pour réduire les pertes optiques, tel que
le polissage mécano-chimique, l'hydrogénation des couches ou des recuits à haute température
(jusqu’à 1100°C pendant 16h), ces dépôts ne permettent pas d’obtenir de faibles niveaux de
pertes optiques. Les meilleurs guides d’ondes réalisés
avec du silicium polycristallin
présentent encore de très fortes pertes optiques de 13,5dB/cm à 1,54µm [Agarwal96].
Quelques auteurs ont également travaillé sur l’emploi de silicium amorphe hydrogéné,
déposé par PECVD. Ce matériau ne possède pas de joint de grain et des pertes inférieures
à 0,5 dB/cm ont été obtenues en guide plan ([Cocorullo96], [Harke05]). En l’associant à du aSiC :H comme matériau de gaine; Cocorullo et al. ont eux obtenus des pertes de 0,7 dB/cm à
1,3 et 1,55 µm pour des guides multimodes de 15µm de large [Cocorullo98]. Harke et al.
l’ont utilisé dans des guides d’ondes monomodes faiblement gravés de 1,1 µm de large qui
présentent des pertes de 5dB/cm à 1, 3µm et 2dB/cm à 1,55µm [Harke05]. Outres ces faibles
pertes, ce matériau possède l’avantage d’être déposé basse température (<300°C) et d’être
compatible avec les procédés microélectroniques.
34
Chap. I
Interconnexions optiques
De nombreuses technologies sont donc aujourd’hui mises en oeuvre dans le
domaine optique, permettant de réaliser, ou d’envisager la réalisation de liens optiques
complets. Cependant, l’intégration de ces liens optiques à des circuits microélectroniques
n’est pas évidente, et nous allons ici détailler les contraintes et les différentes options
envisagées.
2.5. Intégration de composants optique au sein de circuits
La réalisation de liens optique au sein même d’une puce (liens dits « Intrachip »)
nécessite de penser son intégration en terme de compatibilité intime avec les procédés
microélectroniques.
Un circuit intégré est fabriqué par succession d’étapes de dépôt, lithographie et gravure de
matériaux. Comme nous l’avons vu (voir chap 1.1.1), deux zones sont différenciées dans
l’empilement des transistors et des lignes de métallisation :le front end et le back end pour
front end of the line ou back end of the line technology process. Dans la zone front end, les
transistors et le premier niveau de métallisation sont définis. Les procédés sont très variés :
épitaxie, dépôt CVD, recuit, gravure RIE, et nécessitent des températures élevées et des
budgets thermiques importants. Les seules contraintes technologiques sont de ne pas
introduire de dopants du silicium ou d’éléments qui pourraient gêner le fonctionnement des
transistors.
Dans la zone back-end sont définies les interconnexions. Les matériaux déposés sont
des diélectriques et du cuivre pour réaliser les métallisations. Le cuivre ayant une température
de fusion relativement faible, les procédés utilisés dans la zone back-end doivent présenter un
budget thermique limité. Ainsi, s’il est difficile aujourd’hui de définir un budget thermique
exact, les technologies pouvant varier d’un fabricant à l’autre, il parait raisonnable de prendre
une limite de température de 400°C. D’autre part, le cuivre nécessite un recuit d’activation en
fin de procédé autour de 350°C. Les matériaux utilisés doivent donc supporter ces
températures.
A la lumière de ces données, la compatibilité des différents types de sources-detecteurs-guides
peut être examinées (voir Tableau 1.2 à 1.4).
35
Chap. I
Interconnexions optiques
Sources et intégration :
Type de source
Front end
Back end
Commentaires
Modulateur C-MOS
OUI
NON
Modulateur Si-Ge
OUI
NON
Laser RAMAN
NON
NON
Trop grand
Nanostrucures Si et Si+Er
OUI
NON
efficacité faible
Laser InP
NON car pollution P
NON sauf report
Microsources InP ( 2D,
NON car pollution P
NON sauf report
3D, etc..)
Tableau 1.2 : Sources optiques et technologie microélectronique.
Détecteurs et intégration :
Type de détecteur
Front end
Back end
Commentaires
Silicium
OUI
NON
λ<780nm
Silicium-Germanium
OUI
NON
Germanium
OUI
NON
monocristallin
Germanium polycristallin
Epitaxie
haute
température
OUI
OUI
Basse
température
de
dépôt
Détecteurs InGaAs
NON
NON sauf report
Tableau 1.3 : Détecteurs optiques et technologie microélectronique.
Guides d’ondes et intégration :
Type de guides
Front end
Back end
Commentaires
Silice dopée
OUI
NON
Procédés
température
haute
mais
trop
grandes dimensions
SiON LPCVD ou recuit
OUI
NON
SiN PECVD
NON
OUI
Peu d’études
Polymères
NON
OUI ( BCB, poly imides)
Matériaux
doivent
résister à T=350°C
Little optics
OUI
OUI (annoncé)
SOI
OUI
NON sauf report
Si polycristallin
OUI
NON
Si amorphe
OUI
OUI
Peu d’études
Tableau 1.4 : Guides d’ondes et technologie microélectronique
A la lumière de ces résultats, différentes approches peuvent être envisagées.
36
Chap. I
Interconnexions optiques
2.5.1. Approche Front END :
Afin d’ajouter des fonctions optiques, on peut s’orienter vers une stratégie « frontend », où les guides d’ondes et les éléments optoélectroniques sont réalisés avant ou en même
temps que les transistors. Cette approche permet de travailler avec des technologies très
variées, nécessitant de très fortes températures ou des procédés tel que l’épitaxie. Les
composants optiques sont alors intégrés «à côté» des composants électroniques, dans des
zones spécifiques, modifiant ainsi la conception des composants. Ce type d’approche est
principalement envisagé avec des technologies SOI (voir section 2-2-5), où le faisceau
optique est isolé du substrat par la couche de silice enterrée. Les travaux réalisés aujourd’hui
ont déjà démontré des circuits de distribution d’horloge optique de 1 vers 16 [Lardenois04];
cette distribution utilise des guides en arête et des miroirs totalement gravés pour les
changements de direction. La détection avec du germanium pur paraît ici très prometteuse, et
seules des sources optiques dans ces technologies ne sont pas encore envisageables, ce qui
implique le recours à une source extérieure.
Néanmoins, ce type d’approche nécessite de repenser totalement l’architecture des circuits,
en consacrant une partie de la superficie de la puce à la partie optique ce qui signifie une
perte de surface pour les transistors.
D’autre part, l’épaisseur de silice nécessaire à l’obtention de composants optiques à faibles
pertes est de l’ordre du micron, ce qui paraît peu compatible avec les évolutions envisagées
pour les composants électroniques sur SOI, où la couche d’oxyde tend à diminuer.
2.6. Approche Back End ou « above IC »
Ici, les composants optiques sont réalisés, ou rapportés, au dessus des composants
électroniques. Nous distinguerons alors deux types de réalisation, par plaque optique ou
«réalisation directe».
2.6.1. Plaque optique pour fonctions rapportées :
Le principe est de venir rapporter une plaque contenant les fonctions optiques au
dessus des premiers niveaux d’interconnections. Cette plaque peut contenir tout le système
optique (sources, guides et photodétecteurs) ou une partie seulement.
Ainsi, dans une revue de 1997 sur la distribution optique, Tewksbubry et Hornak
[Tewksbubry97] décrivent plusieurs systèmes utilisant des hologrammes ou des réseaux de
diffraction réalisés dans une plaque rapportée au dessus de la puce. La différence avec
37
Chap. I
Interconnexions optiques
l’optique en espace libre réside dans le contact possible avec la puce. En comparaison avec les
techniques monolithiques ou hybrides, l’intégration polylithique implique l’utilisation de
circuits CMOS et d’élément optiques ou optoélectroniques réalisés séparément, pouvant ainsi
bénéficier de technologies totalement indépendantes.
Par exemple, dans le projet MEL-ARIS [Neefs00], source et détecteurs sont rapportés sur la
puce, tandis que des hologrammes sont réalisés dans une plaque en verre rapportée.
En 2003 Mule et al.[Mule03] ont également rapporté des premiers résultats expérimentaux sur
la réalisation de guides rapportés utilisant la différence d’écart d’indice de réfraction entre un
polymère et l’air pour guider la lumière dans des guides microniques de 2µm de large. Ici, la
lumière est injectée par une source extérieure dans une structure guidante, située au niveau
des interconnections, puis couplée à la plaque rapportée ou se situe les photodétecteurs grâce
à des réseaux de diffraction volumiques. Malheureusement, ces techniques supposent un très
grand nombre d’étapes technologiques pour la réalisation du circuit optique.
Du point de vue de la compacité, une approche plus intéressante est certainement d’utiliser les
apports de la photonique SOI, mais en utilisant des techniques de report. Dans cette approche,
un circuit optique peut être fabriqué sur un substrat SOI. Il peut comprendre des guides, des
détecteurs de type SiGe ou Ge, ou bien des éléments en technologie III-V rapportés. L’étape
suivante consiste à coller la plaque optique au dessus des circuits intégrés, puis à retirer leur
substrat de la plaque optique. Si ces approches sont intéressantes, une solution plus simple
serait de réaliser les interconnections optiques directement au dessus des composants intégrés,
avec des procédés compatibles avec la microélectronique.
C’est l’approche envisagée dans le travail de thèse présenté ici.
2.6.2. Interconnexion optiques intra chip en back end :
Très peu de travaux ont aujourd’hui été rapportés dans ce contexte. En effet, si des
systèmes d’interconnexions optiques intégrés au dessus de circuits électroniques ont déjà été
démontrés, il s’agit pour l’instant de communications interchip réalisées en polymère. Ces
liaisons sont utilisées pour des bus de données et utilisent des lasers de Type III-V (GaAs) et
des guides d’ondes faiblement confinés (6µm x 7µm pour [Choi02], 200µm x 250µm pour
[Mederer02]).
38
Chap. I
Interconnexions optiques
3. Description du sujet :
Le but de ce travail de thèse est de mettre au point des matériaux et des composants
basiques permettant la réalisation de liens optiques au sein d’un microcircuit au dessus de
composants microélectroniques.
Figure1-13 : Schéma de principe d’une intégration de composants optiques au dessus de composants
électroniques, d’après [OConnor05].
Notre approche se situe donc dans une problématique d’intégration « back end », où les
circuits optiques sont réalisés au-dessus des interconnections métalliques. Comme nous
l’avons vu précédemment, ces composants peuvent être combinés à des détecteurs de type
polygermanium déposés à basse température, ou bien à des détecteurs III-V rapportés au
dessus des circuits. Au niveau des sources, les éléments III-V semblent être la solution la plus
intéressante et la plus mature technologiquement. Notre schéma d’intégration est détaillé dans
la figure 1-14.
Figure1-14 : Schéma d’intégration de guides optiques dans une approche back end. Le report de
composants III-V est ici également représenté.
39
Chap. I
Interconnexions optiques
Notre recherche se concentre sur la partie passive de la réalisation de liens optiques.
L’objectif est ici de réaliser des éléments basiques nécessaires à la distribution d’un signal
optique, à savoir :
- Guides d’ondes,
- Coupleur de lumière dans des guides,
- Changements de direction compacts,
- Diviseurs de faisceaux.
Le but du travail développé ici est de proposer une plateforme technologique présentant de
faibles pertes optiques, une intégration facile dans un schéma microélectronique, et une
compacité permettant la réalisation de distribution optique ou de liens intra puce.
3.1.1. Choix de la longueur d’onde :
Dans le cadre d’une intégration « intime » entre composants optiques et transistors, la
lumière infra-rouge est préférable. Le silicium étant ainsi transparent à ces longueurs d’ondes,
le fonctionnement des transistors ne pourra pas être altéré par une éventuelle « fuite » de
lumière dans les circuits. Dans ce travail, les longueurs d’onde envisagées sont de 1,3 ou
1,55µm.
3.1.2. Choix des matériaux :
Les contraintes technologiques sont celles du back end (voir ci dessus), et le besoin de
compacité se traduit par la recherche de couples de matériaux guidants présentant un fort
contraste d’indice de réfraction. Dans cette étude, la recherche de dimensions micrométriques
nécessite de travailler avec des systèmes présentant un écart d’indice de réfraction important,
de l’ordre de 0,5. Comme nous l’avons vu précédemment, peu de matériaux développés pour
l’optique présentent des caractéristiques intéressantes avec des dépôts à basse température. Si
certains polymères pourraient convenir, leur tenue en température-dans le cas de couples de
matériaux à fort écart d’indice de réfraction- n’est pas satisfaisante. D’un autre coté, le dépôt
de matériaux cristallins est impossible à ces températures.
Les matériaux déposés par PECVD présentent eux des caractéristiques intéressantes pour ces
applications :
- faible température de dépôt,
- large uniformité de dépôt,
- bonnes propriétés mécaniques des films,
- bonne tenue thermique,
40
Chap. I
Interconnexions optiques
- compatibilité avec les procédés microélectroniques [Martinu00].
Notre travail de thèse s’est ainsi orienté vers l’utilisation de matériaux déposés par PECVD.
La silice a été utilisée comme matériau de gaine des composants, quant trois matériaux
différents ont été utilisés comme matériaux de cœur :
- Le premier est le carbone amorphe hydrogéné, polymère plasma déposé à partir de
précurseurs organiques. Le carbone amorphe est un matériau aujourd’hui largement étudié et
aux propriétés intéressantes dans de nombreux domaines (mécanique, etc…). Il présente en
outre la particularité d’être transparent dans l’infra rouge et d’avoir un indice de réfraction
variable selon les conditions de dépôt entre 1,6 et 2,2. Si son utilisation comme guide optique
n’a jamais été reporté, ses propriétés optiques ont déjà été étudiées, notamment en vue de son
application comme couche anti réflective où comme couche de protection transparente
([Joo99], [Baydogan04]) D’autre part, ce matériau se grave facilement avec des plasmas
oxygénés, rendant son intégration à des procédés microélectronique intéressante [Grill99].
-Le deuxième est le nitrure de silicium déposé par PECVD à basse température. Le
nitrure de silicium est un matériau bien connu dans le domaine de la microélectronique, où il a
servi à de nombreuses applications (barrière, etc…). Son indice de réfraction est de 1,98 à
633nm dans sa forme stoechiométrique et peut varier légèrement autour de cette valeur selon
les conditions de dépôt. Comme nous l’avons vu précédemment, ce matériau a déjà été
longuement étudié dans sa forme mono ou polycristalline pour des applications optiques,
notamment des guides d’onde. Il présente alors une très bonne transparence et de nombreux
systèmes montrant de très faibles pertes intrinsèques ont été démontrés. Néanmoins, le nitrure
de silicium amorphe déposé par plasma n’a été que très peu étudié pour des applications de
guides optiques, seulement par [Kobrinsky04], alors qu’il présente des propriétés
d’intégration (faible température de dépôt) et optique (N proche de 2, large gamme de
transparence) intéressantes. De plus le dépôt de ce type de matériaux et maîtrisé depuis
longtemps dans le laboratoire où a été réalisé ce travail.
-Enfin, le dernier matériau développé dans ce travail est le silicium amorphe
hydrogéné. Bien que très peu d’études de ses propriétés optiques aient été rapportées
([Cocorullo98], [Cocorullo96],[Harke05]) il possède également des propriétés optiques très
intéressantes (faibles pertes intrinsèques dans l’Infra rouge, N≈3,5), ceci avec toujours une
température de dépôt compatible avec une intégration Back-end.
41
Chap. I
Interconnexions optiques
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Chap. I
Interconnexions optiques
48
Chap. II
Techniques de caractérisation
Chapitre 2 : Dépôt par plasma, dispositif
expérimental et caractérisation des matériaux.
49
Chap. II
Techniques de caractérisation
50
Chap. II
Techniques de caractérisation
Introduction :
Ce chapitre est consacré aux techniques de caractérisation et à la description des présrequis nécessaires à la mise au point de matériaux déposés par plasma et à la réalisation
d’éléments d’optique intégrée.
Pour réaliser des composants optiques au dessus de circuits électroniques, la première
étape à maîtriser est le dépôt de couches minces possédant de bonnes propriétés optiques
(transparence, indice de réfraction). Pour cela, nous décrirons dans une première partie le
principe du dépôt PECVD et les techniques de caractérisation physiques et optiques mises en
oeuvre pour mettre au point les matériaux.
Une fois un couple de matériaux de qualité optique obtenu, la seconde étape consiste à
mettre au point des composants élémentaires d’optique intégrée (guides d’ondes, virages,
diviseurs de faisceaux). Dans cet esprit, nous présenterons dans une deuxième partie le
principe du guidage de la lumière et les méthodes utilisées pour concevoir et caractériser des
composants.
1. Développement de matériaux à propriétés optiques en
couches minces
Les pré-requis concernant le dépôt et la caractérisation de couches optiques sont ici
exposés. Les principaux mécanismes du dépôt par plasma sont d’abords présentés, suivis de la
description du dispositif expérimental. Ensuite, les méthodes de caractérisation les plus
utilisées dans cette étude seront décrites :
-L’Infra Rouge à Transformée de Fourier (IRTF) permet de caractériser les liaisons
chimiques présentes dans les matériaux.
-L’ellipsometrie spectroscopique permet de déterminer l’indice optique des couches en
fonction de la longueur d’onde.
-La mesure de pertes optiques par lignes noires de type METRICONtm a été utilisée
pour mesurer les pertes optiques des couches.
1.1. Dépôt par plasma
Dans notre travail, différents matériaux déposés par plasma ont été développés :le
carbone amorphe, l’oxyde de silicium (SiO2), le nitrure de silicium (SiNx) et le silicium
amorphe. Nous détaillons ici les mécanismes du dépôt par plasma, et plus particulièrement par
plasma froid
(faiblement ionisé). La majeure partie du travail de recherche ayant été
51
Chap. II
Techniques de caractérisation
effectuée sur le carbone amorphe, nous décrirons particulièrement les mécanismes de plasma
liés au dépôt de matériaux organiques. Cependant, les mécanismes de dépôt de matériaux
inorganiques, du type nitrure de silicium ou silicium amorphe, obéissent aux mêmes
principes.
1.1.1. Définition d’un plasma
Les plasmas sont des gaz partiellement ionisés composés d’électrons, de particules
ioniques chargées positivement ou négativement, d’atomes neutres et de molécules.
L’ensemble est électriquement neutre. Les plasmas sont considérés comme un état matériel
plus actif que les états solide, liquide ou gaz, et sont souvent assimilés au quatrième état de la
matière . On distingue les plasmas chauds, où les gaz sont majoritairement ionisés, des
plasmas froids, possédant un faible taux d’ionisation, de l’ordre de 10-4. Un plasma peut être
généré en soumettant un gaz à un champ électrique alternatif. Les électrons libres sont alors
accélérés et acquièrent de l’énergie. Au cours de leurs déplacements, ils entrent en collision
(élastique ou inélastique) avec des molécules ou des atomes. Les chocs inélastiques
provoquent l’ionisation des molécules de gaz. Le gaz passe alors d’un état d’isolant électrique
à un état de conducteur par production d’espèces libres chargées. L’apparition d’espèces
ionisées et excitées initie un grand nombre de phénomènes réactionnels complexes
(ionisation,
dissociation,
émission,
recombinaison,
neutralisation,
désexcitation,
attachement…), permettant l’observation d’un phénomène de décharge luminescente
[Yasuda75].
Température électronique et ionique
Un plasma est un milieu de type gazeux hors équilibre thermodynamique. Les énergies
des électrons, ions et molécules excitées étant différentes, il n’existe pas de température
thermodynamique pour le plasma comme on peut la définir pour un gaz neutre. La valeur des
énergies des espèces présentes dans le plasma suit cependant une loi de distribution statistique
de type Maxwell-Blotzmann [Lieberman94] et l’on peut ainsi définir la température
statistique des différents éléments en utilisant l’équation 2-1.
Ec =
1 2 3
mv = k b T
2
2
Équation 2-1
Où Ec est l’énergie cinétique, m la masse de la particule, v la vitesse quadratique moyenne, T
la température en Kelvin et kb la constante de Boltzmann (1,38.10-23 J.K-1).
52
Chap. II
Techniques de caractérisation
On définit trois températures : Te pour les électrons, Ti pour les ions et Tn pour les espèces
neutres. Les masses des ions et des molécules étant proches, leurs températures sont voisines
et de l’ordre de la température ambiante. Par contre, la température électronique est beaucoup
plus élevée (Te # 20 000 K et Ti # Tn < 500 K).
Degré d’ionisation et de dissociation
Dans un plasma réactif, on définit la densité électronique comme le nombre
d’électrons par cm-3, la densité des électrons et des ions est de l’ordre de 108- 1012 cm-3. La
concentration en radicaux libres est beaucoup plus importante (103 à 105 fois plus élevée). Les
collisions les plus probables se font donc entre électrons et espèces neutres et non entre
espèces chargées. Seuls les électrons de la queue de distribution de la fonction maxwellienne
ont une énergie suffisante (10 eV) pour contribuer aux processus d’ionisation et de
dissociation dans le plasma.
Potentiel plasma et gaine du plasma
Lorsqu’un élément vient perturber le plasma (substrat, paroi…), il reçoit au cours du
régime transitoire une quantité plus importante d’électrons que d’ions car les électrons ont une
mobilité plus élevée. Cet élément se charge donc négativement par rapport au plasma. Un état
stationnaire est atteint lorsque la charge négative, attirant les ions positifs et repoussant les
électrons, permet d’équilibrer les flux d’ions et d’électrons. L’élément venant perturber le
plasma se place ainsi à un potentiel flottant Vf. La zone neutre du plasma acquiert un certain
potentiel électrostatique appelé potentiel plasma Vp, légèrement supérieur à Vf. Une barrière
de potentiel se forme, et seuls les électrons les plus énergétiques peuvent la franchir. Cette
barrière de potentiel a deux conséquences :
- Les électrons étant repoussés par la charge de l’élément, la densité électronique
proche de celui-ci est très faible et il y a donc très peu de luminescence. L’élément est
entouré d’un espace sombre appelé la gaine .
- La différence de potentiel Vf-Vp accélère les ions positifs qui vont se déposer sur les
éléments au potentiel Vf.
La gaine électrostatique joue un rôle d’écran entre le plasma et l’élément flottant, et supporte
la différence de potentel Vf-Vp. La neutralité électrostatique n’est effective qu’au delà d’une
distance minimale appelée longueur de Debye λDe définie par la relation
⎛ k .T .ε ⎞
λ De = ⎜⎜ b e 2 0 ⎟⎟
⎝ ne .e ⎠
Équation 2-2: Longueur de Debye
53
Chap. II
Techniques de caractérisation
Où ne est la densité du plasma, Te la température électronique et e la charge élémentaire
(1,6.10-19 C).
1.1.2. Réactions en phase gazeuse
Dans la phase
plasma, de nombreux processus d’excitation, d’ionisation et de
dissociation ont lieu, principalement dus à des collisions électrons-molécules dans les plasmas
froids [Segui85]. Parmi ces processus, on fait la distinction entre réactions primaires, (entre
électrons et particules neutres stables), réactions secondaires (qui font intervenir des espèces
instables) et enfin réactions entre particules lourdes. Les interactions entre les différents
composés du plasma donnent lieu à des réactions nombreuses et variées (dissociation,
ionisation, recombinaison, transfert, attachement…). Nous ne ferons pas ici leur description
complète, elles sont détaillées dans [Remiat03].
1.1.3. Réaction de surface
Lorsqu’une particule entre en collision avec une surface, elle est soit réfléchie, soit
adsorbée. Cette adsorption peut être due soit à de la physisorption, soit à de la chimiesorption.
La physisorption met en jeu des forces de Van der Waals d’energie assez faibles qui rendent
la désorption ou la diffusion de surface possible. La chimiesorption présente des énergies plus
importantes (comparables à celles des liaisons chimiques). Elle peut aboutir à la dissociation
de la molécule adsorbée.
Selon le type d’interaction entre la particule incidente et la surface, quatre réactions sont
possibles : gravure, greffage, réticulation ou dépôt.
Gravure chimique – La réaction de gravure se produit lorsqu’ une espèce réactive du plasma
interagit avec un atome de la surface et aboutit à la formation d’une espèce volatile (qui
rejoint la phase gazeuse). Exemple : gravure de matériaux carbonés par l’emploi d’oxygène
(formation de CO2 volatile).
Greffage – La réaction de greffage est décrite par la fixation d’une espèce réactive de la phase
gazeuse sur un site actif de la surface.
Réticulation – Sous l’influence du plasma, des liaisons situées en surface du matériau sont
ouvertes, et peuvent alors se réorganiser.
Dépôt – Il se produit lorsque les réactions des espèces du plasma (entre elles ou avec d’autres
molécules) avec la surface exposée aboutissent à la formation d’un film. Ces réactions
peuvent être précédées par des réactions en phase gazeuse.
54
Chap. II
Techniques de caractérisation
1.1.4. Procédé de dépôt par plasma
Principe de dépôt par plasma – Lorsqu’un matériau (substrat) est en contact avec un
plasma froid contenant une ou plusieurs espèces condensables, un film se forme à sa surface.
Par l’intermédiaire de réactions entre les espèces présentes dans le plasma et à la surface, les
molécules de la phase gazeuse forment un film qui recouvre le substrat. Par analogie avec la
polymérisation par voie chimique, on nomme monomère (ou précurseur) les molécules
présentes dans la phase gazeuse et à l’origine de la formation du film.
Plusieurs phénomènes interviennent dans la formation des dépôts ; si de nombreux modèles
existent pour expliquer la formation de films de polymères hydrocarbonés avec des plasmas,
la plupart mettent en jeu les phénomènes suivants :
- Adsorption à la surface par physisorption [Catherine86],[Deutsh88],[Möller93].
-Création de sites radicalaires en surface (par ex. par mécanisme ionique [Fourches94],
[Mantzaris96]).
- Mobilité des espèces en surface (fonction de la température).
- Dépôt par chimisorption de radicaux de type CnHy sur les sites radicalaires.
- Passivation des radicaux par des atomes H [Godet98].
- Réticulation par liaisons entre deux radicaux… [Godet98]
Le dépôt est donc le siège d’une compétition entre différents phénomènes (création de
radicaux et passivation) qui peut mener a des régimes de croissances distincts, variables selon
les paramètres plasma. La figure 2-1 représente schématiquement les différents processus
possibles.
Figure 2-1 : Différentes réactions du plasma.
Les paramètres importants
Le plasma de dépôt est généré dans une enceinte sous vide en appliquant un champ
électrique variable à un mélange gazeux contenant une ou plusieurs espèces condensables. Le
55
Chap. II
Techniques de caractérisation
matériau sur lequel le film doit être déposé (substrat) est mis en contact avec le plasma.
Plusieurs paramètres peuvent alors être ajustés : le volume et la forme de l’enceinte, la
puissance du champ électrique, sa fréquence, la nature et la quantité du (ou des) précurseur(s)
injecté(s), la pression dans l’enceinte, la nature du substrat, sa température et sa position par
rapport au plasma. La composition, la structure et par conséquent les propriétés du film formé
par plasma dépendent du précurseur choisi mais surtout des conditions dans lesquelles le
plasma est généré.
Géométrie de l’enceinte : Le volume de l’enceinte, sa forme, la position du substrat par
rapport au plasma et la zone d’introduction du précurseur modifient les paramètres de
transport des espèces intervenant dans le processus de dépôt [Yasuda76].
Plasma haute et basse fréquence : Le comportement des ions et des électrons dans un plasma
dépend de la fréquence excitatrice appliquée par le générateur. On définit une fréquence
d’oscillation plasma électronique ou ionique comme la fréquence à laquelle oscille un
électron (respectivement un ion) autour de sa position d’équilibre lorsqu’il est soumis à une
perturbation (ici un champ électrique).
F pk =
1
2π
nk e 2
avec k=e pour l’électron ou i pour l’ion.
mk ε 0
Équation 2-3
Ces fréquences, appelées fréquences de gel des porteurs, rendent compte de la capacité des
entités chargées à suivre -ou non- les variations périodiques du champ électrique appliqué par
le générateur. Au delà de Fpk, l’entité ne peut plus répondre instantanément aux variations de
potentiel, elle reste immobile par rapport au champ. Pour une densité moyenne ne de 1010cm-3,
fpe est de l’ordre de 1GHz, alors que fpi est de l’orde de 1MHz. On distingue alors trois types
de plasma selon la fréquence excitatrice :
-
Les plasmas basse fréquence (f<fpi<fpe) dans la gamme 25-450kHz, pour lesquels
les ions et les électrons suivent instantanément les variations du champ.
-
Les plasmas radiofréquence (fpi<f<fpe) dans la gamme 1 MHz-0,5GHZ, pour
lesquels seuls les électrons peuvent suivre les variations du champ.
-
Les plasmas hyperfréquence (fpi<fpe<f) dans lesquels les ions et les électrons ne
peuvent plus suivre le champ.
Selon la fréquence utilisée, il est possible de favoriser le bombardement ionique sur le
substrat [Wrobel80]. On modifie ainsi la densité du film, sa structure, sa vitesse de formation.
La nature et la quantité des espèces activées sont aussi influencées par la fréquence
excitatrice.
56
Chap. II
Techniques de caractérisation
Puissance : Le dépôt par plasma est un processus dépendant des mécanismes de
fragmentation des précurseurs dans la phase gazeuse. Une augmentation de la puissance du
champ excitateur revient à accentuer le phénomène de dissociation et donc à augmenter la
quantité d’espèces réactives. Dans la compétition entre dépôt et gravure, la puissance est un
paramètre important qui peut rendre prédominant l’un ou l’autre des phénomènes.
[Yasuda76].
Température du substrat : Elle influence principalement les réactions intervenant à la surface
du substrat. Une hausse de la température du substrat favorise la mobilité de surface et la
désorption des espèces adsorbées. Ceci conduit à une diminution de la vitesse de croissance et
augmente en général la réticulation des matériaux [Robertson02].
Pression : La pression de travail doit être suffisamment élevée pour favoriser les réactions en
phase gazeuse et limiter le bombardement ionique. Elle ne doit cependant pas être trop
importante pour éviter la formation de poudre par nucléation en phase gazeuse.
Paramètre de Yasuda W/FM – Le dépôt par plasma est basé sur les réactions entre les
espèces réactives présentes dans un plasma. Ces dernières sont formées lors de l’activation du
précurseur et au cours des réactions de recombinaison et sont dépendantes de la fragmentation
du précurseur. Elles sont contrôlées par l’énergie apportée (représentée par la puissance W en
J.s-1) et la quantité de molécules se partageant cette énergie pour se fragmenter (représentée
par la masse molaire M du précurseur (en g.mol-1) et son flux F (en mol.min-1). Le paramètre
W/FM est introduit par Yasuda en 1975 [Yasuda75] et représente la quantité d’énergie
apportée par unité de masse du précurseur. Les dépôts obtenus par plasma sont souvent
largement dépendants du facteur W/ FM et l’on distingue souvent trois types de régime :
-W/FM faible, où le plasma est caractérisé par un déficit d’énergie. Les molécules de
précurseur sont peu fragmentées dans le plasma et la structure du précurseur est souvent
largement conservée.
-W/FM fort, où le plasma est caractérisé par un déficit en précurseur. La molécule de
précurseur est fortement fragmentée et les dépôts obtenus dans ces conditions sont en général
très peu hydrogénés.
-W/FM intermédiaire, où il y a équilibre entre puissance fournie et quantité de
précurseur injecté, les propriétés des matériaux sont relativement stables dans toute cette
zone.
57
Chap. II
Techniques de caractérisation
1.2. Conditions expérimentales
Dans cette étude, la compatibilité avec les procédés de la microélectronique moderne
est indispensable. Ainsi, la mise au point des matériaux s’est effectuée dans un bâti de type
industriel situé dans la salle blanche du laboratoire LETI du CEA Grenoble. Cet équipement a
été spécialement adapté pour permettre l’utilisation de précurseurs liquides durant le travail de
thèse, avec l’adjonction d’un système de bullage dédié.
1.2.1. Réacteur industriel
L’équipement utilisé est un appareil commercialisé par la société Applied Materials
sous le nom de CENTURA 5200Dxz. Il s’agit d’un équipement multichambre possédant 3
réacteurs adaptés à différentes applications. Il est constitué de deux sas de
chargement/déchargement, d’un buffer permettant de transférer les plaques jusqu’au
chambres de dépôt ainsi que d’une chambre de refroidissement (voir figure 2-2).
2
chargeurs
Chambre
de wafers
de
refroidissement
Chambre C
Robot
de
transfert
Chambre A
Chambre B
Figure 2-2 : Vue arrière de la Centura 5200D.
Les sas permettent de charger 25 plaquettes de silicium 200 mm. Le vide est ensuite fait dans
le sas. Un robot vient prendre une plaque et la déposer dans la chambre de dépôt. Celle-ci est
alors isolée du buffer pour permettre le dépôt. Après dépôt, le robot sort la plaque et la
transfère dans la chambre de refroidissement pendant qu’une recette de nettoyage est
effectuée dans la chambre de dépôt.
Les dépôts de carbone amorphe ont été réalisés dans la chambre A. Il s’agit d’une chambre de
dépôt PECVD utilisant un couplage capacitif. Un système d’injection spécifique permet
l’emploi de précurseurs liquides. De l’helium vient buller dans une ampoule contenant le
précurseur liquide. Un débitmètre situé après l’ampoule contrôle la quantité d’hélium et de
précurseur injecté. Classiquement équipée d’un générateur radiofréquence de 13,56 MHz, la
58
Chap. II
Techniques de caractérisation
chambre de dépôt a été adaptée pour recevoir un générateur basse fréquence 50KHz pour nos
besoins. La pression de travail peut être ajustée entre 0,5 et quelques torrs. Les puissances
disponibles varient de 30 à 1200 W pour chaque fréquence et l’écartement du substrat et de
l’électrode peut varier entre 1 et 2 cm environ. Dans notre étude, cet écartement a été fixé à 2
cm. Le porte substrat de cette chambre est chauffé, la température de dépôt peut ainsi être
régulée en température entre 100 et 550°C.
Les dépôts de nitrure de silicium et de silicium amorphe ont été réalisés dans la chambre
B. Il s’agit également d’une chambre de dépôt PECVD utilisant un couplage capacitif. Elle
possède un générateur radiofréquence de 13,56MHz pouvant délivrer une puissance comprise
entre 30 et 1200W. La pression de travail est régulée entre 0,5 et quelques torrs.
La figure 2-3 présente un schéma simplifié d’une chambre de dépôt de la Centura
5200D. Elle est composée de deux électrodes : une électrode de puissance (reliée à la tension
RF) et une électrode de masse. La distance entre ces deux électrodes est variable. L’électrode
de masse peut ainsi se rapprocher de celle de puissance une fois l’introduction du wafer
effectuée.
Les
gaz
sont
injectés
par
l’électrode
supérieure
et
se
répartissent
perpendiculairement sur le wafer.
Tension RF
Arrivée des gaz
Pompage
Entrée des wafers
(vide)
masse
Figure 2-3 : Schéma simplifié des chambres de dépôt.
1.3. Techniques de caractérisation de couches minces
Pour caractériser les dépôts mis au point par PECVD, trois méthodes de caractérisation
ont été fréquemment mises en oeuvre : Infra Rouge à Transformée de Fourier, Ellipsometrie
Spectroscopique et mesure de pertes optiques par M-lines (lignes noires) de type
METRICONtm .
59
Chap. II
Techniques de caractérisation
1.3.1. Spectroscopie d’absorption InfraRouge à Transformée de Fourier
Principe
Un spectre IR représente les variations de transmission ou d’absorption (T ou A en %)
de l'intensité en fonction du nombre d'onde (cm-1). Les énergies utilisées en spectroscopie IR
sont peu importantes, et servent à exciter les différents modes de vibration des liaisons
contenues dans les matériaux. Sous l’effet du rayonnement, les liaisons se déforment avec une
certaine réponse élastique, entraînant des bandes d’absorption centrées sur leur fréquence de
résonance. Les vibrations peuvent être de deux types: déformation ou allongement. Cette
technique permet d’identifier les liaisons chimiques présentes dans le film : comme chaque
groupement d'atomes résonne à une fréquence spécifique, un spectre d'absorption infrarouge
permet de déceler la nature des liaisons chimiques qui composent un matériau. Pour illustrer
les différents types de déformations, nous utilisons pour l’exemple une molécule imaginaire
de type AXY, constituée de trois atomes non alignés (Voir figure 2-4).
Figure 2-4 : molécule imaginaire
Mode de vibration
On distingue deux types de vibration: les vibrations d'allongement (stretching) et les
vibrations de déformation (bending). Pour un système à trois atomes non alignés, deux modes
de vibrations d'allongement et donc 2 fréquences existent : une vibration symétrique et une
antisymétrique (voir tableau 2-1). Pour les vibrations de déformation, on distingue les
déformations dans le plan et les déformations hors du plan (tableau 2-2 et 2-3).
Vibration symétrique
(ν s)
Vibration antisymétrique(ν as)
Tableau 2-1 Vibrations d’allongements symétrique et
antisymétrique.
60
Chap. II
Techniques de caractérisation
Rotation β (rocking)
Cisaillement δ (scissoring)
Tableau 2-2: Déformations dans le plan, vibrations de
déformation β et δ.
Balancement ω (wagging)
Torsion τ (twisting)
Tableau 2-3 : Déformations hors du plan, vibrations de
déformation hors du plan.
Sachant qu'à chaque vibration correspond une bande sur le spectre, un spectre IR
devient rapidement complexe. Certaines bandes sont néanmoins atténuées ou éliminées, c’est
le cas si la vibration n'entraîne pas de variation du moment dipolaire, si les vibrations se
produisent à des fréquences trop proches ou bien encore si l'absorption est trop faible.
Appareil utilisé
L’appareil utilisé est un QS500 de la marque Biorad. Un paquet d'ondes du domaine
infra-rouge est émis. Par analyse de Fourier les signaux sont séparés et interprétés en un
spectre représentant la transmission en fonction du nombre d'ondes. La résolution de
l’appareil est de 4 cm-1. Le spectre est obtenu à partir de 64 mesures successives. Pour éviter
l’absorption d’humidité par les filtres et conserver une atmosphère stable, la chambre
d’analyse se trouve sous flux d’azote. Le spectre du matériau seul est obtenu après
soustraction du spectre du silicium et de celui de l’air du trajet optique préalablement
enregistrés. La faible épaisseur de la couche à analyser permet d’utiliser cette méthode
soustractive.
61
Chap. II
Techniques de caractérisation
1.3.2. Ellipsométrie spectroscopique :
Principe de l'ellipsométrie spectroscopique
L’ellipsométrie est une méthode d’analyse optique basée sur le changement de
polarisation de la lumière lors d’une réflexion en incidence optique sur une surface plane.
Lorsqu’on éclaire une surface avec une onde polarisée rectilignement, l’état de polarisation
est modifié (figure 2-5). Considérons une onde plane en incidence oblique sur un échantillon,
son champ électrique se décompose selon deux directions propres : une perpendiculaire au
plan d’incidence (onde Es), l’autre parallèle à ce plan (onde Ep). Après réflexion, une onde
polarisée linéairement est polarisée elliptiquement. On a:
rp =
E' p
Ep
Équation 2-4
ρ = rp / rs = tanψei∆
rs =
E 's
Es
Équation 2-5
Équation 2-6
Où Ep' et Ep représentent respectivement l'amplitude du champs électrique réfléchi et incident
pour l'onde parallèle au plan d'incidence, Es' et Es l'amplitude du champs électrique réfléchi et
incident pour l'onde perpendiculaire au plan d'incidence, rp et rs étant les coefficients de
réflexion en amplitude.
Figure 2-5: Principe de l’ellipsométrie.
62
Chap. II
Techniques de caractérisation
De la connaissance des états de polarisation, on peut déduire le rapport de Fresnel ρ.
Ce rapport étant complexe, les mesures ellipsometriques consistent en deux spectres
différents : tan Φ, relié au rapport des réflectivités selon les deux polarisations, et cos ∆, la
différence de phase induite par la réflexion. On a donc deux paramètres indépendants
déterminés. Différents cas sont alors possibles :
- Analyse d’un échantillon massif : la réponse du système est due aux deux
composantes de l’indice de réfraction complexe N(ω)=n(ω)-iκ(ω) ( k partie imaginaire de
l’indice représentant l’absorption). Les équations sont inversibles, et il est alors possible à
partir du rapport ellipsometrique ρ d’exprimer de façon univoque n et k grâce à l’équation :
2
⎛1− ρ ⎞
N = sin Φ 1 + ⎜⎜
⎟⎟ tan 2 Φ Équation 2-7
⎝1+ ρ ⎠
- Analyse d’une couche déposée sur un substrat : la réponse du système est due aux
réflexions aux interfaces couche/air et couche/substrat, ainsi qu’au trajet dans la couche (on
considère dans ce cas que le substrat est infini, il n’y a pas de réflexion à l’interface
substrat/air en face arrière. Cette assertion est largement valable pour des épaisseurs de
substrat >500µm, ce qui est le cas dans notre travail). Les paramètres influant sur la réponse
du système sont alors n, k ainsi que l’épaisseur e, sans que l’on puisse décorreler l’influence
de n et de e. Soit on connaît précisément l’épaisseur de la couche, et une transformée inverse
est alors possible (on a alors deux paramètres ; TanΦ, cos∆ pour deux inconnues n, k). Soit on
ne connaît pas l’épaisseur de la couche, on a alors un système à résoudre du type : TanΨ= f(
n, k, e) et cos ∆=f( n, k, d). Plus généralement, si l’on a un système multicouche, on aura à
résoudre un système TanΨ = f( ni, ki, ei) et cos∆=g(ni,ki,di). Ce type de problème ne peut se
résoudre en utilisant une seule longueur d’onde. La solution utilisée est d’effectuer un
enregistrement spectroscopique et de se donner des lois de variation pour les indices et les
coefficients d’absorptions des matériaux. L’optimisation du modèle et des couches est alors
effectuée par des algorithmes de minimisation non linéaires au sens des moindres carrés,
utilisant des codes Levenberg Marquard ou des méthodes simplex [Num. Rec.].
Transformée de Kramers Kronig :
La transformée de Kramers Kronig permet de lier l’indice n et le coefficient
d’absorption k d’un matériau. Si l’on considère un système linéaire et passif du type
N=n(ω) −ik(ω) on peut décrire sa réponse à une excitation comme la réponse d’une somme
d’oscillateurs amortis. De là on montre que n est relié à k par l’équation :
63
Chap. II
Techniques de caractérisation
n(ω ) =
2
π
∞
sk (ω )
ds
2
2
s
−
ω
0
P∫
Équation 2-8
où P est la partie principale de l’intégrale.
L’utilisation de cette relation pourrait permettre d’enlever une inconnue et ainsi de résoudre le
système de calcul. Or, comme nous le voyons dans l’équation 2-8, cette transformée nécessite
de connaître la réponse diélectrique d’un matériau dans toute la gamme de longueur d’onde.
Dans la pratique, cela est impossible, et la transformée de Kramers Kronig n’est donc jamais
utilisée directement. Par contre, si l’on pose un modèle décrivant l’évolution de n (ou de k)
dans toute la gamme de longueur d’onde, on pourra déduire k (resp. n).
Différents modèles de fonctions diélectriques :
L’interaction lumière échantillon est due à la polarisation de la matière par le champ
électrique. La dépendance de la constante diélectrique avec la fréquence est caractéristique
d’un matériau dans la mesure où elle prend en compte les contributions dues aux électrons et
aux atomes. L’utilisation d’ellipsométrie spectroscopique nécessite alors la connaissance de la
loi de dispersion pouvant modéliser cette variation dans le domaine spectral utilisé (ici entre
0,2 et 1,6µm).
Différents modèles sont utilisés pour décrire l’évolution de la fonction diélectrique en
fonction de la fréquence. Pour nos matériaux, trois modèles particuliers sont ici utilisés.
Modèle de Cauchy : Ce modèle considère la réponse d’un système possédant une
absorption située loin du domaine spectral étudié. Il découle en fait d’un développement
limité loin d’un maxima d’absorption. La variation d’indice est alors du type : n = n1 + n2/λ2 +
n3/λ4 et κ = k1 + k2/λ2 + k3/λ4. Ce modèle convient bien aux matériaux transparents,
notamment dans notre cas à la silice déposée, pour laquelle on se situe dans une gamme
spectrale située loin de la bande interdite. Par contre, ce modèle est inadapté pour modéliser
des matériaux absorbants et il est nécessaire de lui adjoindre un modèle d’absorption. Enfin,
des modèles ont été spécifiquement développés pour décrire la fonction diélectrique de
matériaux amorphes. Ils supposent un comportement physique, pour retirer des données
ellipsométriques les propriétés des matériaux, et notamment la bande interdite des semiconducteurs.
Modèle de Forhoui-Bloomer : Ce modèle est utilisé pour décrire le comportement de
matériaux amorphes. On considère ici, que localement, l’état électronique peut être décrit
comme une superposition élargie des états orbitaux moléculaires, menant à la création d’un
64
Chap. II
Techniques de caractérisation
gap. Le modèle de Forhoui [Forhoui86] se base sur l’analyse de l’absorption entre une bande
remplie d’états électroniques et une bande vide, les deux possédant une densité d’état variant
en racine de l’énergie, et séparés par une bande interdite Eg . L’expression trouvée est alors :
k fb =
A( E − E g ) 2
Équation 2-9
E 2 − B.E + C '
Où Eg est la bande interdite, B/2 la bande interdite entre liaisons liantes et antiliantes, A un
paramètre de fit lié à la densité d’état et C’ un paramètre de fit. L’indice du matériau est alors
tiré de l’absorption par transformée de Kramers-Kronig.
Modèle de Jellison : Il utilise le modèle de Tauc-Lorentz développé pour décrire
l’absorption d’un diélectrique amorphe près des bords de la bande interdite [Jellison96] :
k TL ( E ) = At
(E − Eg ) 2
E
Θ( E − E g )
Équation 2-10
où Eg est la largeur de bande, Θ est la fonction de Heavyside (Θ(Ε<0)=0) and (Θ(Ε>0)=1)
N l’indice de réfraction et k la partie imaginaire de l’indice N du matériau. Une fois encore,
l’indice de réfraction est déduit de l’absorption par transformée de Kramers Kronig.
Remarque : Ellipsometrie, pertes optiques et bande interdite.
L’ellipsométrie, par la mesure du coefficient d’extinction, permet de mesurer les pertes
des matériaux. Cependant, la précision de la mesure de k est limitée. En raison du faible
chemin optique parcouru dans les couches, la précision obtenue sur le coefficient d’extinction
est très faible. Typiquement, les valeurs du coefficient d’extinction obtenues par ellipsométrie
sont représentatives pour des valeurs de k ≥ 10-2 au mieux, ce qui correspond à des gammes
de pertes élevées (4.103dB/cm à 1,3µm). Ainsi, l’ellipsométrie n’est pas un outil adapté pour
caractériser les pertes optiques de matériaux transparents. Par contre cette technique est
intéressante pour déterminer l’épaisseur, l’indice de réfraction ainsi que les seuils
d’absorption des matériaux. Ainsi, la figure 2-6 compare les valeurs de bandes interdites
obtenues par ellipsométrie et par spectrophotométrie (voir annexe 4) pour différentes couches
de carbone amorphe. Les résultats obtenus avec les modèles de Forhoui et de Jellison sont
comparés à la bande interdite au sens de Tauc déterminé à partir des valeurs d’absorbance
obtenues par spectrophotométrie.
65
Chap. II
Techniques de caractérisation
3,5
Ellipsométrie Jellison
3
Ellipsometie Forhoui
Energie (eV)
2,5
Spectrophotometrie gap de
Tauc
2
1,5
1
0,5
0
0
1
2
3
Echantillon
4
5
6
Figure 2-6 : Comparaison des valeurs de bande interdite obtenues par ellipsometrie et
par spectrophotométrie. Les valeurs obtenues en ellipsometrie utilisent des lois de
variation du type Forhoui ou Jellison.
Une bonne corrélation est observée entre les valeurs obtenues par ellipsométrie et par
spectrophotométrie. Pour les différentes couches, les valeurs de bandes interdites suivent la
même tendance. Le modèle de Jellison et les mesures obtenues par spectrophotométrie sont
identiques. Par contre, le modèle de Forhoui donne un gap qui suit la même tendance, mais
décalé vers des énergies moindres. Les gaps définis par ces modèles représentent bien des
grandeurs physiques différentes. Dans notre étude, le modèle de Jellison sera utilisé.
L’ellipsometrie spectroscopique est ainsi une méthode performante pour mesurer
l’indice de réfraction ainsi que déterminer la bande interdite optique de matériaux en couches
minces. Cependant, la mesure de faibles pertes optiques n’est pas possible de manière précise
et c’est pourquoi nous nous sommes orientés vers une méthode de mesure complémentaire :
les mesures de pertes optiques par lignes noires (ou Mlines) avec un appareil spécifique : Le
METRICONTM. Cet appareil a été acquis au cours de la thèse. Par conséquent, la prise en
main et la qualification de cet outil ont fait partie intégrante de ce travail.
1.4. Mesure de pertes optiques par Mlines-METRICONTM.
Cette technique est basée sur la mesure de pertes intrinsèques à l’intérieur d’un guide
d’onde, elle permet d’accéder à deux types d’information :
-
L’indice de réfraction des couches, à travers l’indice effectif de la structure
guidante étudiée.
-
Les pertes optiques des guides plans.
66
Chap. II
Techniques de caractérisation
Principe :
Le principe de la mesure est d’injecter de la lumière dans un guide d’onde planaire à
l’aide d’un prisme de couplage et de mesurer ses pertes optiques par l’intermédiaire de
l’intensité diffractée par sa surface.
Couplage de la lumière :
Le couplage de la lumière dans le guide optique est réalisé grâce à un prisme de fort
indice de réfraction. Un schéma de cette méthode d’injection est représenté figure2-7. Un
faisceau laser est envoyé sur le prisme, il pénètre à l’intérieur et est réfléchi sur la base de ce
prisme. Le principe du couplage est d’adapter les constantes de propagation à l’interface
prisme/guide aux constantes de propagation des modes guidés en faisant varier l’angle
d’incidence (θi). Lorsque les constantes sont adaptées, le transfert d’énergie se produit par
effet tunnel optique entre le prisme et le guide d’ondes. Pour les valeurs de θn définies par
l’équation 2-11, si l’espace entre le prisme et le guide possède une valeur convenable, il y a
transfert d’énergie dans le guide d’ondes possédant les modes Neff, i .
A
Prisme
θprisme
θ
I
guide
« Espace
θc
B
I'
neffn
Substrat
Figure 2-7 : Principe du couplage par prisme.
θ i = arcsin(n prisme sin(θ prisme + arcsin(
neffi
n prisme
) − 90°)
Équation 2-11
Où θi est l’angle d’injection pour le ieme mode guidé, nprisme et θprisme l’indice de réfraction et le
demi angle du prisme, Neffi l’indice effectif du ieme mode guidé.
Mesure de l’indice de réfraction :
La détermination de l’indice de réfraction s’appuie sur les propriétés des modes des
guides d’onde. En effet, la résolution des équations de Maxwell définit les conditions de
guidage dans une structure et son indice effectif. Si l’on développe les équations de Maxwell
67
Chap. II
Techniques de caractérisation
dans un guide plan avec comme axe de propagation z, les solutions générales sont des
combinaisons linéaires des modes transverses électriques TE et transverses magnétiques TM
(pour une explication détaillée, voir partie 2 de ce chapitre). Selon le mode de polarisation les
équations de dispersion sont :
En polarisation TE :
2π
λ0
2
e n f − Ni
2
⎛ N 2 −n 2
i
c
= arctan⎜
⎜ n 2 −N 2
f
i
⎝
2
2
⎞
⎛
⎟ + arctan⎜ N i − n s
⎟
⎜ n 2 −N 2
f
i
⎠
⎝
⎞
⎟ + mπ Équation 2-12
⎟
⎠
En polarisation TM :
⎛ nf 2
2
2
e n f − N i = arctan⎜ 2
⎜n
λ0
⎝ c
2π
2
2
⎛ nf 2
N i − nc ⎞⎟
⎜
+
arctan
2
2 ⎟
⎜n 2
n f − Ni ⎠
⎝ s
2
2
N i − n s ⎞⎟
+ mπ Équation 2-13
2
2
n f − N i ⎟⎠
où e est l’épaisseur du film, λ0 la longueur d’onde de travail, nc l’indice du superstrat (air),
nf l’indice du film, ns l’indice de l’oxyde, m le numéro du mode et Nm l’indice effectif du
mode i. Ces équations ne sont pas triviales et sont résolues numériquement. D’un point de vue
pratique, pour un substrat donné, l’indice effectif dépend seulement de l’épaisseur et de
l’indice de réfraction du matériau. Ainsi, si un guide possède au moins deux modes, son
indice de réfraction et son épaisseur sont déterminés. La précision de ce type de mesure est
très élevée, l’incertitude sur l’indice de réfraction étant de l’ordre de 3.10-4, et de l’ordre de 5
Angström sur l’épaisseur. Si un guide possède plus de deux modes, ces incertitudes sont par
ailleurs calculées en évaluant les propriétés des couches à partir des couples de modes N0-N1,
N0-N2, N0-Nn… La différence entre les valeurs obtenues indique l’incertitude.
Mesure de pertes :
Les mesures de pertes utilisent l’intensité diffractée par la surface en fonction de la
distance. Cette méthode fonctionne correctement en admettant les hypothèses suivantes :
-
Le guide possède des pertes par rugosité pour diffuser la lumière qui se trouve à
l’intérieur.
-
Cette rugosité est répartie uniformément le long du guide.
Les pertes mesurées sont alors la somme des pertes intrinsèques du guide et des pertes par
dispersion (dues à la rugosité où à des particules). La mesure est effectuée grâce à une fibre
optique qui scanne la surface une fois les conditions d’injection trouvées. La décroissance du
signal est modélisée par une exponentielle décroissante de type :
I=I0exp(-αx)
Équation 2-14
68
Chap. II
Techniques de caractérisation
Où I est l’intensité, I0 une constante et α le coefficient de pertes en cm-1.
Il est possible de remonter aux pertes en dB/cm par la relation :
L(dB/cm)=α(cm-1)/0.23
Équation 2-15
Où L est le coefficient de pertes en dB/cm.
La gamme de mesures possibles va de 0,01dB/cm à 20dB/cm, et l’incertitude est comprise
entre 0,01 et 0,3 dB/cm selon la propreté et l’homogénéité du signal.
Méthodologie
L’échantillon à mesurer est amené au contact du prisme grâce à un vérin hydraulique à
tête cylindrique de manière à ce qu’un espace sépare le prisme de la couche guidante
(typiquement de l’ordre de 100-200 nm). Un photodétecteur est monté près de la surface de
sortie du prisme. Lors de l’injection dans le guide, l’intensité réfléchie sur la base du prisme
diminue et une baisse de signal est observée. L’ensemble prisme-échantillon-photodétecteur
est monté sur une table rotative automatisée pour faire varier l’angle d’incidence θ. Trois
lasers de longueurs d’ondes 0,632µm, 1,301µm et 1,548µm sont disponibles, montés en ligne
avec un polariseur TE ou TM. Un premier enregistrement est effectué en faisant varier l’angle
d’incidence, les angles d’injection sont déterminés. Les figures 2-8 et 2-9 représentent ainsi la
variation de l’intensité réfléchie en fonction de l’angle pour un guide multimode (fig.2-8) ou
monomode (fig 2-9). La largeur des bandes d’injection est inversement proportionnelle aux
Intensité (U.A)
pertes des guides.
Angle d’incidence (U.A)
Figure 2-8 : Intensité de la lumière réfléchie en fonction de l’angle d’incidence pour un
guide de type silicium amorphe sur SiO2. λ=0,632 µm.
69
Techniques de caractérisation
Intensité (U.A)
Chap. II
Angle d’incidence (U.A)
Figure 2-9 : Intensité de la lumière réfléchie en fonction de l’angle d’incidence pour un
guide de type silicium amorphe sur SiO2 λ=1,3µm.
Pour mesurer les pertes optiques, on se place ensuite à un angle d’injection. En jouant sur la
position du laser, le couplage est optimisé pour avoir le meilleur espace entre le guide et le
Intensité (U.A)
prisme. Le photodétecteur est alors retiré de manière à laisser la place à la fibre collectrice.
Distance (cm)
Figure 2-10 : Exemple de mesure de pertes optiques sur un guide de type nitrure de
silicium sur Sio2. La régression exponentielle effectuée sur les données est représentée en
trait clair.
Différent prismes sont disponibles de manière à couvrir une large gamme d’indices effectifs,
et donc une large gamme de couches possibles. Le tableau 2-4 décrit les différents prismes
utilisés ainsi que la gamme d’indice effectifs associés.
Prisme
Angle
I.R à1.3µm TE
I.R à1.3µm TM
Neffmax (Te)
Neffmin (Tm)
P1
~50°
1,938
1,938
1,0003
1,8173
P2
~45°
2,7099
2,4572
1,3396
2,3235
P3 (silicium)
~55°
3,5053
3,5053
2,3344
3,1556
Tableau 2-4 : Caractéristiques des différents prismes utilisés. Angle, indice de
réfraction et gamme de mesure.
La mesure de pertes par m-lines de type METRICON est une technique bien adaptée au
travail effectué dans cette étude. Elle permet de connaître avec précision l’indice de réfraction
70
Chap. II
Techniques de caractérisation
des matériaux développés ainsi que leur pertes optiques dans une gamme en accord avec les
spécifications visées (pertes inférieures au dB/cm). Sa versatilité permet d’étudier différents
matériaux. Il est par ailleurs possible de caractériser des échantillons de grande taille tels que
les substrats 200mm utilisés en microélectronique, rendant la caractérisation en ligne
possible.
1.5. Conclusion
Dans cette partie, les principes ainsi que le dispositif de dépôt par plasma ont été exposés,
suivis des outils de caractérisation utilisés pour mettre au point les couches guidantes.
L’absorption infra-rouge par transformée de Fourier est utilisée pour étudier la composition
des films. L’ellipsométrie spectroscopique ainsi que la mesure par m-line sont utilisés pour
caractériser l’indice de réfraction et le coefficient d’extinction des couches. Ces techniques
permettent de maîtriser la mise au point de matériaux aux propriétés optiques désirées. Dans
un deuxième temps, la conception et la caractérisation de composants optiques est nécessaire.
Pour cela, des techniques de simulation et de caractérisation ont été utilisées.
2. Techniques de simulation et de caractérisation de
composants d’optique intégrée.
Dans cette partie nous décrivons les phénomènes menant au guidage de la lumière en
milieu confiné. Nous rappelons ainsi le principe et les principales propriétés des guides
d’onde. Nous exposons ensuite les différentes méthodes utilisées pour simuler les propriétés
des structures guidantes, et ainsi concevoir des dispositifs. Enfin, nous présentons le banc de
mesure utilisé pour caractériser les composants.
2.1. Guide d’ondes :
2.1.1. Lumière dans un milieu homogène :
La lumière est une radiation électromagnétique, gouvernée par les équations de Maxwell :
∇.D = ρ
Équation 2-16
∇.B = 0
Équation 2-17
∇ ∧ E = −
∂B
∂t
71
Équation 2-18
Chap. II
Techniques de caractérisation
∇∧H =
∂D
+ j
∂t
Équation 2-19
Où D est le déplacement électrique, E le champ électrique, H le champ magnétique B
l’induction magnétique, ρ la densité de charges libres et j la densité de courant de porteurs de
charges libres. Dans le vide, ou dans un matériau Linéaire, Isotrope et Homogène ( Conditions
dites LIH ), εr, et µr sont des scalaires fonction de la fréquence. Si l’on considère des
matériaux sans dispersion, εr et µr sont alors des constantes. En l’absence de charges libres ,
ρ=0 et j=0, et l’on peut réécrire le équations sous la forme :
∇ 2 E − εµ
∂2E
= 0 Équation 2-20
∂t 2
∇ 2 B − εµ
∂2B
= 0 Équation 2-21
∂t 2
Les solutions de ces équations sont des ondes planes, se déplaçant à la vitesse v, déterminée
par la constante diélectrique ε et la permittivité magnétique µ du matériau :
v=
c1
c
1
=
=
εµ
ε r µr n
Équation 2-22
ou c est la vitesse de la lumière dans le vide, et n l’indice de réfraction du milieu. On peut
alors réécrire les équations 2-20 et 2-21 comme suit :
c2 2
∂2E
∇
E
−
=0
n2
∂t 2
Équation 2-23
c2 2
∂2B
B
∇
−
=0
n2
∂t 2
Équation 2-24
La solution générale du champ électrique pour le temps t et la position x est alors une
superposition d’ondes planes de la forme :
E ( x, t ) = Re( E 0 e jkx e − jωt ) Équation 2-25
où E0 est complexe, décrivant l’amplitude et la phase de l’onde plane. F est la fréquence de
l’onde plane, reliée à ω par
ω = 2πf .
Équation 2-26
k est le vecteur d’onde. Il indique la direction de propagation de l’onde, et il est relié a f par :
72
Chap. II
Techniques de caractérisation
ω
k
=
c
n
Équation 2-27
qui est appelée la relation de dispersion.
2.1.2. Mode guidé :
Considérons maintenant un ensemble de milieux diélectriques linéaires, isotropes, non
absorbants et non magnétiques (voir figure 2-11.); une couche d’indice n2 se trouve
x
sur un substrat semi-infini d’indice n1, recouverte d’un
superstrat d’indice n3 tel que :n2>n1>=n3
n3
Du fait de l’invariance de la structure selon y (
∂
= 0 ),
∂y
l’ensemble des solutions des équations 2-23 et 2-24 se sépare
en deux familles :
y
z
n2
n1
Figure 2-11: guide d’onde
- les ondes TE, pour lesquelles Ex=Ez=Hy=0,
- les ondes TM, pour lesquelles Hx=Hz=Ey=0.
Dans le cas des ondes TE (resp. TM), grâce à l’invariance en y, le problème se ramène alors à
l’équation d’Helmotz en Ey (resp. HY).
∂2Ey
∂x
+
2
∂2Ey
∂z
2
= −(kn j ) 2 E y j=1,2ou 3 Équation 2-28
Les solutions sont de la forme exp( +− ik jx x). exp( +− ik jz z ) ; en les injectant dans l’équation 2-28,
on obtient :
2
2
k jx + k jz = (kn j ) 2 j=1,2ou 3
Équation 2-29
Les conditions aux interfaces imposent des composantes longitudinales du vecteur d’onde
identiques dans les trois milieux :
k1 z = k 2 z = k 3 z = β
Équation 2-30
Où β est la composante de propagation suivant la direction z. On obtient alors kjx en
combinant les équations 2-29 et 2-30 :
1
k jx = (kn 2j − β 2 )2 j=1,2ou 3
Les cas varient alors selon la valeur de β:
i. β est réel :
73
Équation 2-31
Chap. II
-
Techniques de caractérisation
si β>k0n2 le champ est exponentiel dans les trois milieu et croît à l’infini, ce n’est
physiquement pas possible.
- si k0n2>β>k0n1, alors k2x est réel et k1x et k3x sont imaginaires. C'est-à-dire que
l’amplitude de la composante du champ électrique selon y, Ey varie sinusoïdalement dans le
film (milieu d’indice n2) et exponentiellement dans le substrat et le superstrat. Les valeurs de
β sont alors discrètes. La puissance lumineuse est localisée, principalement dans la couche
guidante : on a alors 1 ou des modes guidés. On définit alors un indice effectif neff=β/k0.
-si k0n1>β>k0n3, alors k1x et k2x sont réels et k3x est imaginaire. Ici la variation de Ey
est sinusoïdale dans le film et dans le substrat, et exponentielle dans le superstrat. B prend
toutes les valeurs réelles entre k0n1 et k0n3. La puissance n’est pas localisée dans le film
guidant : on a un continuum de modes de radiation, les modes du substrat.
-si k0n3> b > 0, k1x, k2x et k3x sont réels , et Ey varie sinusoïdalement dans chaque
milieu. β prend toutes les valeurs entre k0n3 et 0. La puissance lumineuse n’est pas localisée,
on a de nouveau un continuum de modes de radiation, les modes du superstrat et du substrat.
Les valeurs positives de β correspondent à des modes qui se propagent dans le sens des z
positifs. Les valeurs de β négatives correspondent à des ondes qui se propagent en sens
inverse.
ii : β est imaginaire pur. Toutes les valeurs de β sont alors possibles. On a un continuum de
modes qui s’atténuent selon z ; Ces modes ne transportent pas de puissance dans le guide.
([Marcuse72]). Les différents modes possibles sont récapitulés sur la figure 2-12.
Modes de radiation
évanescents
Im(β)
Modes guidés
Modes guidés
Re(β)
-kn2
-kn1
kn3
-kn3
kn1
kn2
Modes de radiation se
propageant
Figure 2-12 : Modes d’un guide plan en fonction de la valeur de β
74
Chap. II
Techniques de caractérisation
2.1.3.
Propriétés importantes des modes :
Pour chaque mode guidé, il existe une épaisseur de couche guidante pour laquelle β
<kn1 et où le mode n’est plus guidé et rayonne dans le substrat, sauf pour les modes
fondamentaux TE et TM d’une structure symétrique (où n1 = n2). On parle alors d’épaisseur
de coupure. Les différents modes d’une structure sont orthogonaux entre eux et forment une
base permettant la décomposition de n’importe quel champ électromagnétique ([Ebeling93],
[Vassalo85]). Ce dernier point entraîne notamment que dans une structure parfaite (sans
rugosité…), il est impossible d’avoir un couplage entre modes.
2.2. Guides d’ondes 2D :
Un guide d’ondes optique 2D est défini comme une structure de section constante selon z
dont la permittivité varie dans la section (voir figure 2-13). On
montre que les propriétés des modes optiques des guides plans
(existence, orthogonalité, coupure) sont toujours valables pour
y
des guides 2D [Kogelnik90] Cependant, dans le cas de
-z
structures confinées en 2 dimensions, il n’existe pas de mode
guidés purement TE ou TM : chaque mode guidé possède une
x
composante majoritaire (TE ou TM) et une composante
minoritaire (resp. TM ou TE), on parle alors de mode quasi TE
Figure 2-13 : guide d’onde
ou quasi TM (Voir figure 2-14).
Composante du champs H selon x (TM)
Composante du champ H selon y (TE)
Figure 2-14 : Carte de champ magnétique d’un quart de guide d’ondes de 0,4*0,8µm avec une excitation
sur le mode fondamental TE, on voit bien la composante TM sur les coins du guide.
75
Chap. II
Techniques de caractérisation
2.3. Outils de conception
Dans cette recherche, différentes méthodes de calcul ont été utilisées pour concevoir
les composants d’optique intégrée.
Un solveur utilisant la méthode RCWA développé au laboratoire nous a permis de
simuler les réseaux de diffraction pour étudier le phénomène de couplage de la lumière d’un
faisceau issu d’une fibre optique dans un guide submicrométrique [Orobtchouk00].
Pour simuler des composants en 3 Dimensions, un logiciel commercial de la société
Rsoft (Fullwave) utilisant la méthode FDTD (pour Finite Différence in Time Domain) a été
utilisé. Cette méthode permet de simuler des composants tridimensionnels, leur réponse
temporelle à une excitation et leur réponse spectrale. Elle repose sur une résolution directe des
équations de Maxwell par discrétisation dans le domaine spatial et temporel par différence
finie [Taflove95]. Le calcul utilise l’algorithme de Yee et détermine le champ en tout point
d’une structure tridimensionnelle pour chaque pas de temps. Cette méthode permet de simuler
tous types de composants de dimensions limitées. A part la discrétisation, elle ne présente pas
d’approximation et permet de simuler des effets résonnants et des systèmes compacts
(contrairement à des techniques de type BPM). Néanmoins, le fin découpage spatial et
temporel nécessite une puissance et un temps de calcul important; limitant le volume du
problème calculable. Ainsi, il est souvent intéressant de réduire les dimensions du système de
2 à 3 dimensions par la méthode de l’indice effectif. Dans notre étude, la mise au point
grossière des composants a été effectuée avec une résolution en deux dimensions à l’aide de la
méthode de l’indice effectif, la recherche des optimums étant alors effectuée en trois
dimensions (3D FDTD) .
Un solveur de mode a également été utilisé pour pallier aux manques du logiciel
Fullwave. En effet, du a des problèmes de convergence, celui-ci ne permet pas de déterminer
les limites de coupure monomode/multimode et les pertes par effet tunnel optique de guides à
fort contraste d’indice avec précision.
Le solveur de mode aux différences finies dit FVFD (pour Full Vectorial Finite Difference)
permet de connaître les caractéristiques des modes guidés qui se propagent dans un guide 2D
à fort contraste d'indice de réfraction. Il permet de simuler les caractéristiques des guides
d’ondes, et notamment leur limite monomode/multimode, les pertes par effet tunnel optique
ou bien les pertes radiatives dans des courbures à rayon constant.
76
Chap. II
Techniques de caractérisation
Le travail de mise au point d’outils de simulation a essentiellement porté sur le
développement des codes de calcul du solveur de mode FVFD. C’est pourquoi, nous
détaillons ses caractéristiques dans la partie suivante.
2.3.1. Solveur FVFD :
Le solveur FVFD est basé sur la méthode de discrétisation aux différences finies [num.
rec.]. Elle permet de simuler un guide d’onde en 2 dimensions selon sa section. Cette méthode
consiste à discrétiser un guide d’onde en un grand nombre de régions élémentaires de
permittivités homogènes (voir figure 2-15).
py(0)
ε(0,0) (1,1) ε(0,1) (1,2)
ε(1,0)
n
n
(2,1)
py(1)
ε(1,1)
(2,2)
n
n p (1) n
x
px(0)
(1,j-1)
(2,j-1)
ε(0,j-1) (1,j) ε(0,j)
n
ε(1,j-1)
(2,j)
ε(1,j)
(1,j+1)
n
(2,j+1)
n px(j-1) n px(j) n
(1,nx-1) ε(0,nx-1)
n
(2,nx-1)
ε(0,nx)
n(1,nx)
ε(1,nx)
ε(1,nx-1)
n px(nx-1) n(2,n ) px(nx)
x
y
x
(i-1,1)
(i-1,2)
n
n
n
n
py(i)
ε(i,1)
ε(i,0)
(i+1,1)
(i+1,2)
n
n
ε(ny-1,1)
ε(ny-1,0)
(ny,1)
n
ε(ny,0)
(ny-1,2)
n
ε(ny,1)
(i-1,j)
py(ny-1)
(ny,2)
n
py(ny)
N
(i-1,j+1)
n
n
n ε4
ε(i-1,j-1)
ε(i-1,j)
(i,j+1)
(i,j-1)
w (i,j) e
Wn ε2 Pns ε3 n E
(i+1,j-1)
(ny-1,j-1)
(i-1,nx-1)
ε(i,j-1)(i+1,j) ε(i,j)
nS
(i+1,j+1)
n
(ny-1,j)
n
(ny-1,j+1)
n
n
ε(ny-1,j-1) ε(ny-1,j)
(ny,j)
(ny,j+1)
(ny,j-1)
n
n
ε(ny,j-1)
n
(i-1,nx)
n
ε1
n
n
(ny-1,1)
(i-1,j-1)
n
py(i-1)
ε(i-1,0)
ε(i-1,1)
(i,2)
(i,1)
n
ε(i-1,nx-1)
(i,nx-1)
n
(i+1,nx-1)
n
(ny-1,nx-1)
n
ε(i,nx-1)
ε(i-1,nx)
n(i,nx)
ε(i,nx)
n(i+1,nx)
(ny-1,nx)
n
ε(ny-1,nx-1) ε(ny-1,nx)
(ny,nx+1)
(ny,nx)
ε(ny,j)
n
n
ε(ny,nx-1)
ε(ny,nx)
Figure2-15: Représentation schématique de la fenêtre de calcul pour la simulation d’un
guide d’onde.
La discrétisation du plan de propagation est ici effectuée grâce à des rectangles. Chaque point
est relié à ses 4 premiers voisins comme décrit dans la figure 2-16.
Figure 2-16 : Représentation du point P et de ces quatre premiers voisins pour le traitement de la méthode
aux différences finies.
77
Chap. II
Techniques de caractérisation
On considère une onde électromagnétique se déplaçant dans un milieu homogène. Elle est
décrite par l’équation d’Helmoltz :
∂2 H x ∂2 H x
+
+ (εν k 2 − β 2 ) H x = 0 Équation 2-32
2
2
∂x
∂y
où ν est le numéro du milieu( ν=1,2,3, 4).
En procédant à un développement de Taylor aux dérivées secondes, on obtient un système de
4 équations correspondant aux 4 zones de la figure 2-16 :
2 H w 2 H p 2 ∂H
− 2 +
w2
w
w ∂x
2 H w 2 H p 2 ∂H
− 2 +
w2
w
w ∂x
2 H E 2 H p 2 ∂H
− 2 −
e2
e
e ∂x
2 H E 2 H p 2 ∂H
− 2 −
e2
e
e ∂x
w
+
2 H N 2 H P 2 ∂H
− 2 −
n2
n
n ∂y
w
+
2 H S 2 H P 2 ∂H
− 2 +
S2
S
S ∂y
e
+
2 H S 2 H P 2 ∂H
− 2 +
S2
S
S ∂y
e
+
2 H S 2 H P 2 ∂H
− 2 −
n2
n
n ∂y
n
+ ε1k 2 H p = β 2 H p Équation 2-33
S
+ ε 2 k 2 H p = β 2 H p Équation 2-34
S
+ ε 3k 2 H p = β 2 H p Équation 2-35
n
+ ε 4 k 2 H p = β 2 H p Équation 2-36
Les ondes électromagnétiques qui se propagent dans les milieux homogènes vont interagir au
niveau des interfaces w, e, n et s. Ces interactions sont décrites par les conditions aux limites
suivantes :
En raison de la continuité du champs tangentiel aux interfaces, Hz et Ez sont continues dans
JJG
notre domaine, grâce à la relation divH = 0 , on a :
Hz =
1
jβ
⎪⎧ ∂H x ∂H y ⎫ Équation 2-37
+
⎨
⎬
∂y ⎭
⎪⎩ ∂x
JJG
JG
Pour la détermination de Ez nous utilisons rot H = ε jε 0ω E et nous obtenons :
Ez =
1
jε k
µ0 ⎧∂
⎪ H y ∂H x ⎫
−
⎨
⎬ Équation 2-38
∂y ⎭
ε 0 ⎩⎪ ∂x
Si nous appliquons les lois de continuité du champ H z pour une interface horizontale
semblable à celle de la figure 2-17.
78
Chap. II
Techniques de caractérisation
Figure 2-17: Représentation d'une interface horizontale en a) et verticale en b).
Nous obtenons en appliquant l’équation 2-40 :
∂H x
∂x
n
+
∂H y
∂y
n
=
∂H x
∂x
s
+
∂H y
∂y
s
Équation 2-39
De plus, à cause de l’unicité du champ le long de l’interface, les dérivées par rapport à
x sont égales dans les deux demi plans. On obtient alors :
∂H y
∂y
n
=
∂H y
∂y
s
Équation 2-40
Si nous considérons la continuité de la composante
εn
∂H x
∂y
s
− εs
∂H x
∂y
n
= (ε n − ε s )
Ez à une interface horizontale:
∂H y
∂x
Équation 2-41
En utilisant une procédure similaire pour une interface verticale nous obtenons :
Pour la continuité de H z :
∂H x
∂x
∂H x
∂x
w
=
e
= (ε e − ε w )
e
Équation 2-42
Pour la continuité de Ez :
εe
∂H y
∂x
w
− εw
∂H y
∂x
∂H x
∂y
Équation 2-43
On peut constater que les conditions aux limites des interfaces font intervenir les
dérivées premières des équations 2-35 à 2-38. En utilisant ces équations aux limites et après
quelques manipulations algébriques, on obtient le système d’équations aux différences
couplées pour Hx et Hy :
79
Chap. II
Techniques de caractérisation
axxw H xw + axxe H xe + axxn H xn + axxs H xs + axxp H xp + axyw H yw + axyp H yp + axye H ye = β 2 H xp
Équation 2-44
a yyw H yw + a yye H ye + a yyn H yn + a yys H ys + a yyp H yp + a yxn H xn + a yxp H xp + a yxs H xs = β 2 H yp
Équation 2-45
Après détermination de tous les coefficients a pour tous les points p de la structure
nous en arrivons enfin à un problème linéaire de recherche de valeurs et de vecteurs propres
de la forme :
⎛ Axx
A⋅ H = ⎜
⎝ Ayx
Axy ⎞ ⎛ H x ⎞
⎛ Hx ⎞
2
2
⎟ ⋅⎜ ⎟ = β ⎜ ⎟ = β H
Ayy ⎠ ⎝ H y ⎠
H
⎝ y⎠
Équation 2-46
où la matrice Axx contient les éléments axxi et Ayyi les éléments a yyi enfin les composantes H x
et H y sont couplées par les éléments axy et a yx des matrices Axy et Ayx .
La recherche des vecteurs et des valeurs propres de ce système d’équation est effectuée grâce
à un codage de type matrice creuse et une méthode de recherche de type Arnoldi pour la
recherche des valeurs et des vecteurs propres disponibles sous Matlab.
2.3.2. Conditions aux limites :
Conditions de symétrie
Pour réduire les dimensions des matrices de calcul, des conditions de symétrie et
d’antisymétrie ont été implémentées. En effet, si l’on considère le mode d’ordre 0 en
polarisation TE (resp TM) d’un guide d’ondes tel que définit figure 2-17, sa composante
majoritaire ( TE (resp Tm) ) est symétrique ( resp antisymétrique) par rapport à l’axe y.
Il est ainsi possible de diviser la fenêtre de calcul par deux, voir par 4 si l’on considère un
guide également symétrique par rapport à x. Les conditions de symétrie (resp. antisymétrie)
consistent à fixer comme conditions limites sur les axes : Hi-1=Hi+1 (resp. Hi-1=-Hi+1, Hi=0).
Conditions transparentes
Il est à noter que le fait de considérer une matrice carrée revient à supprimer les
éléments adjacents à la fenêtre de calcul dans la relation (2-46), ce qui revient à prendre une
condition aux limites de mur magnétique ( champs électromagnétique nul en bord de fenêtre
de calcul). Cette condition est valable si on considère un guide sans perte et que l'on éloigne
les bords de la fenêtre de calcul de la partie centrale du guide pour que la partie évanescente
du mode guidée soit suffisamment faible pour être considérée comme nulle. Dans les
80
Chap. II
Techniques de caractérisation
conditions de mur magnétique, l’énergie du mode guidée est confinée dans la fenêtre de
calcul, il est donc impossible de simuler des modes à fuites. Pour pouvoir simuler ce type de
modes, des conditions aux limites transparentes ont été implémentées.
On considère ici que les champs ont une décroissance exponentielle en dehors de notre fenêtre
de calcul ([Hadley 92],[Hadley95]). Sur les bords extérieurs, la fenêtre de champ Hx prend
alors les formes suivantes :
H ext = H b exp(− k x , y ∆x, y ) où Hext est le champs extérieur à la fenêtre de calcul, Hb le champs
sur la bordure est x ( resp y) l’axe perpendiculaire à la bordure considérée.
L’introduction de ces conditions transparentes permet de simuler des guides à fuites, le
coefficient de propagation k est alors complexe, et représente les pertes optiques de la
structure. La figure 2-18 a) représente ainsi la simulation d’un guide à perte, de type nitrure de
silicium dans SiO2 au dessus d’un substrat silicium. On voit sur la figure2-18 b) les fuites
dans le substrat : le champ n’est pas nul sur la bordure inférieure.
Si3N4, N=1,98
SiO2, N=1,45
L
H
d
Pertes dans le
substrat.
a/
b/
Si, N=3,44
Figure 2-18 : Simulation d’un guide d’ondes de type nitrure de silicium encapsulé dans de la silice et
reposant sur un substrat de silicium. Discrétisation (a) et représentation (b) de la composante Hy
(correspondnt à la polarisation TE) du guide d’onde. λ= 1.3µm, L=0,4µm, H=0,4µm, N1=1.87, N2=1,45,
N3=3,44.
Les conditions transparentes permettent également de réduire la fenêtre de calcul. En effet, il
n’est plus nécessaire d’avoir un champ électromagnétique nul aux interfaces, et l’on peut alors
réduire la taille de la fenêtre ainsi que les temps de calcul.
Ainsi, sur la figure 2-19, l’évolution de l’indice effectif d’un mode guidé en fonction de la
taille de la fenêtre de calcul utilisé pour la discrétisation a été reporté. Le guide simulé ici est
carré de section 0,4µm par 0,4µm de type Silicium (N=3.44) dans oxyde (N=1.44). En
81
Chap. II
Techniques de caractérisation
gardant un pas de discrétisation constant, on observe à partir de quelle taille de fenêtre la
valeur trouvée pour l’indice effectif du guide ne varie plus.
2,6285
Neff
2,628
2,6275
Mur magnétique
2,627
Conditions
transparentes
2,6265
2,626
0,3
0,5
0,7
Xmax, Ymax en µm
0,9
1,1
Figure 2-19: Calcul de l’indice effectif du mode guidé d’un guide de Si en fonction de la taille de la fenêtre
de calcul dans le cas des conditions aux limites de mur magnétique ou transparentes.
On peut constater que les conditions transparentes permettent d’obtenir une convergence plus
rapide et donc de réduire la taille de la fenêtre de calcul. Il est à noter que les conditions
transparentes de la forme exp(-kx∆ξ) sont exactes uniquement dans le cas d’un guide plan.
Elles constituent une approximation dans le cas d’un guide ruban. Les ondes sortantes sont
décrites par les fonctions de Hankel. Dans le cas d’un guide plan, il suffit ainsi de prendre un
point en dehors du guide pour assurer la convergence du calcul de l’indice effectif du mode
guidé. En comparaison, dans le cas d’un guide ruban, il est nécessaire que l’amplitude du
mode guidé ait décru de plus de 50% pour assurer la convergence du calcul.
Calcul des modes radiés dans les courbures
Afin de déterminer les pertes liées aux microcourbures, une transformation conforme
[Heiblum75] a été introduite dans le solveur de mode full vectoriel. La propagation de la
lumière dans un guide courbe est décrite par l'équation de Helmoltz dans le système de
coordonnées cylindriques. La transformation conforme consiste à modifier cette équation pour
obtenir celle d'un guide d'onde droit équivalent pour lequel les variations de l'indice de
réfraction et la largeur du guide sont données par les relations :
x
R2
n' (x, y ) = n(x, y) e
Équation 2-47
où R2 représente le rayon de courbure extérieure du guide, x = 0 au centre du guide courbe.
82
Chap. II
Techniques de caractérisation
⎛R ⎞
W ' = − R2 ln⎜⎜ 2 ⎟⎟
⎝ R1 ⎠
Équation 2-48
où R1 et R2 représente respectivement les rayons de courbures intérieure et extérieure du
guide courbe.
Sur la figure 2-20, nous avons reporté la carte d'indice de réfraction d'un guide courbe de
silicium amorphe de 460 nm de largeur de 2 µm de rayon de courbure, ainsi que la carte de la
composante majeure du mode quasi-TE.
b)
a)
Figure 2-20 : Cartes d'indice de réfraction a) et b) de la composante majeure du mode fondamental quasiTE d'un guide courbe de silicium amorphe de 2 µm de rayon de courbure.
Les pertes optiques sont bien visibles à l’extrémité droite de la fenêtre de calcul. Elles peuvent
être calculées grâce à la partie imaginaire de l’indice effectif obtenu. Il est à noter que ce
modèle approché n'est valable que pour des rayons de courbures grands comparés à lalargeur
du guide. Ce pendant, une comparaison entre les valeurs de pertes théoriques et
expérimentales est effectuée dans la deuxième partie du cinquième chapitre. Un bon accord
est observé.
2.4. Caractérisation de composants d’optique intégrée
La caractérisation optique de nos composants est effectuée sur un banc d’optique
intégrée, qui peut être adapté pour caractériser des dispositifs utilisant des composants
d’injection par réseaux de diffraction ou par la tranche. La caractérisation de nos composants
peut s’effectuer sur une gamme spectrale de 1,25 à 1,65µm. Cette large gamme spectrale est
obtenue grâce à l’utilisation de quatre sources super luminescentes (SLED) fibrées d’une
largeur de bande spectrale de 100nm raccordées à une même fibre optique grâce à un coupleur
de quatre vers un. Un analyseur de spectres de type HP Agilent 86140B est utilisé pour
83
Chap. II
Techniques de caractérisation
l’enregistrement des réponses spectrales des dispositifs. Un polariseur en ligne est placé entre
les sources SLEDs et la fibre d'injection de manière à contrôler la polarisation de la lumière
dans les composants d'optique intégrée.
Dans la suite de ce chapitre, nous allons décrire en détail le banc expérimental dans
ces deux configurations ainsi que la procédure d’alignement et de réglage du banc.
2.4.1. Banc d’optique intégrée: couplage par réseau de diffraction
Lorsque l'on utilise les composants d'optique intégrée munis de réseau de diffraction
pour l'injection de la lumière, le banc de caractérisation est constitué d'un module de
visualisation, d'un module dédié à la mise en forme du faisceau incident, d'un porteéchantillon et d'un module de collecte utilisé pour l'acquisition des faisceaux transmis au
niveau du réseau de diffraction en entrée ou en sortie du dispositif de test. Les figures 2-21 et
2-22 représentent respectivement une vue et une représentation schématique du banc de
caractérisation en configuration injection par réseaux de diffraction.
Visualisation du composant :
Le module de visualisation est constitué d'un Zoom Navitar sur lequel on peut adapter des
objectifs de microscope, d'une caméra infrarouge non linéaire de type Vidicon (Hamamatzu)
ou linéaire de type matrice de photodiode (Hitachi) qui permet d'observer la lumière dans les
composants de test et de faire les réglages d'alignement dans l'infrarouge. Une source de
lumière dans le visible permet de faire un repérage des composants de test sur la plaquette.
Mise en forme du faisceau :
Le module de mise en forme du faisceau incident est constitué d'un bloc Elliot Martock avec
manipulateurs trois axes en translation de débattement de 2 mm, placé sur une platine de
translation à crémaillère d'un débattement de plusieurs centimètres. Un support de connecteur
de fibres optiques monomodes FC est disposé sur le bloc Elliot Martock et une lentille Green
ou achromatique de courte focale permet d’obtenir un faisceau parallèle en sortie de la fibre
optique. Le parallélisme du faisceau est établi à l'aide des trois réglages en translation du bloc
Elliot Martock. L'axe optique de la lentille est aligné avec l'axe de propagation du faisceau
issu de la fibre optique grace au réglages X-Y. L'axe Z est ajusté pour confondre le point focal
de la lentille avec la face de sortie de la fibre optique de manière à obtenir un faisceau
parallèle.
84
Chap. II
Techniques de caractérisation
Module d'injection
de la lumière
Porte échantillon
Module de
visualisation
Module de
collecte
Figure 2-21: Banc d’optique intégrée dans la configuration d'injection de la lumière par
un réseau de diffraction.
Module de visualisation
Camera
y
θ
z
θinjection
Itransmis
x
y
z
Itransmis
x
IDecouplé
IReflechi
IDecouplé2
Module de collecte
Module d’injection
de la lumiere
Porte échantillon.
Figure 2-22 : Représentation schématique du banc de caractérisation en configuration
d’injection de la lumière par un réseau de diffraction.
La taille du Waist du faisceau incident peut être modifiée pour maximiser les conditions
d’injection dans les coupleurs réseaux. Pour cela, on utilise une deuxième lentille de plus
grande focale qui va permettre d'obtenir la taille idéale du faisceau incident et le focaliser sur
le dispositif. Le rapport des focales des deux lentilles doit être égal au rapport des waists des
faisceaux issu de la fibre optique (10µm) et injecté.
Alignement de l’échantillon
Le module porte-échantillon est constitué d'une platine de rotation munie d'un capteur
incrémental qui permet de mesurer l'angle de rotation avec une précision au millième de
85
Chap. II
Techniques de caractérisation
degré, de trois platines de translation de précision micrométrique, et du porte-échantillon en
lui-même qui possède un degré de liberté en rotation. Pour les réglages d'alignement du
module porte-échantillon, une tige verticale fixée sur la platine permet de matérialiser son axe
de rotation. On place l'axe de rotation de la platine sur l'axe de propagation du faisceau
incident. La position de ce dernier ne sera alors plus modifiée, afin de conserver l’axe de
rotation. On enlève ensuite la tige et on fixe le porte-échantillon sur la platine de rotation. Le
réglage d'auto-collimation de l'échantillon par rapport au faisceau incident est ensuite effectué
en jouant sur les deux réglages en rotation du porte-échantillon, ce qui permet de régler le
zéro de l'angle d'incidence. Pour faire coïncider la face avant de l'échantillon avec l'axe de
rotation de la platine, l'échantillon est tourné de 90° de manière à orienter sa tranche vers le
faisceau incident. On agit sur une des platines de translation pour que le faisceau incident
illumine en partie la tranche de l'échantillon sur la face avant. Ce réglage en translation ne
sera plus utilisé durant le reste des manipulations; on agira sur les deux autres réglages en
translation pour placer le faisceau incident sur un réseau de diffraction permettant l'injection
de la lumière dans un des composants de test. Le faisceau incident ne doit alors pas se
déplacer sur l'échantillon lorsque l'on change l'angle d'incidence pour ne pas modifier les
conditions d'injection de la lumière.
Collecte du signal :
Le module de collecte utilisé pour l'acquisition des faisceaux transmis au niveau du
réseau de diffraction en entrée ou en sortie du composant de test est constitué d'un block trois
axes Elliot Martock placé sur une platine de translation à crémaillère, sur lequel nous avons
placé un support de fibre optique multi-modes FC et une lentille achromatique de focale
50 mm. Celle-ci est placée en montage 2f-2f de manière à imager la lumière transmise par le
dispositif sur la fibre optique multi-modes. L'acquisition des spectres en longueur d'onde se
fait grâce à un analyseur de spectre HP relié à la fibre de sortie multi-modes.
2.4.2. Banc d’optique intégrée : couplage par la tranche
Le banc d’optique intégrée dans cette configuration est visible sur les figures 2-23 et
2-24. Il est constitué d'un module de couplage, d'un porte-échantillon, d'un module de
découplage et du même module de visualisation qui, cette fois-ci, est placé à la verticale.
Module de couplage
Le couplage par la tranche dans des guides submicroniques n’a que de très faibles
efficacités, dues au très fort contraste d’indice entre l’air et le guide et à la très petite taille des
composants, qui présentent dans notre travail des épaisseurs de 0,4 ou 0,2µm. L’intégrale de
86
Chap. II
Techniques de caractérisation
recouvrement avec le faisceau issu d’une fibre optique est ainsi très faible ( <0.3% pour une
fibre monomode de 10 µm de diamètre). Pour augmenter le recouvrement, des fibres lentillées
sont employées pour l'injection et la collecte de la lumière à l'entrée et à la sortie du
composant à étudier. Ces fibres lentillées permettent d'obtenir un faisceau circulaire de 2µm
de diamètre et une distance de travail de 7µm.
Le module de couplage est constitué d'une platine de translation à crémaillère, d'un bloc tri
axes Elliot Martock et d'un support de fibre lentillée. Le support de fibre lentillée est placé sur
un bloc tri-axe de translation Elliot Martock muni de nanopositionneurs. Compte tenu de
l'épaisseur des guides d'onde, une précision d'alignement de l'ordre du nanomètre est
nécessaire pour obtenir un couplage efficace de la lumière dans les dispositifs de test. De plus,
les problèmes de vibration doivent être évités pour effectuer des mesures précises. Le
montage optique est ainsi placé sur une table anti-vibration et la longueur de la fibre optique
non maintenue est minimisé. Le bloc tri-axes est placé sur la platine de translation à
crémaillère, ce qui permet d'avoir un débattement important et de caractériser des dispositifs
de tailles diverses.
Module de
visualisation
Porte
échantillon
Module de
collecte
Module
d'injection
Figure 2-23: Banc d’optique intégrée dans la configuration couplage par la tranche.
87
Chap. II
Techniques de caractérisation
Camera
z
Fibre multimode
y
Module de
visualisation
z
x
θ
Module de
Collecte
y
x
Fibre lentillée
Module
d’injection
φ
Porte échantillon
Figure 2-24 : Représentation schématique du banc de caractérisation en configuration
d’injection de la lumiere par la tranche.
Le module porte-échantillon est constitué d'une platine de translation à crémaillère,
d'un bloc Elliot Martock avec deux axes de rotation sur lequel on vient poser l'échantillon à
plat.
Collecte du signal
Le module de découplage est constitué d'une platine de translation à crémaillère, d'un bloc triaxes Elliot Martock, d'un support de fibre lentillée, d'une fibre lentillée, d'un polariseur en
ligne et d'une fibre monomode reliée à un analyseur de spectre Hewlett Packard.
La procédure de réglage du banc expérimental est la suivante:
1) Réglage du porte échantillon
-
Placer un échantillon sur le porte échantillon ; positionner les deux fibres lentillées
dans la configuration d'injection de lumière ; les fibres sont à une dizaine de micron
des facettes d'entrée et de sortie de l'échantillon et on observe de la lumière diffusée
sur la face supérieure de l'échantillon.
-
Enlever l'échantillon et approcher les deux fibres de manière à les mettre en contact et
à maximiser la puissance de sortie sur l'analyseur de spectre en agissant sur les
nanopositionneurs. Le seul réglage critique à ce stade est le réglage suivant l'axe Y ou
il faut agir de manière symétrique sur les deux nanopositionneurs du module
d'injection et de caractérisation.
-
Replacer l'échantillon et régler le mouvement de rotation latéral du porte échantillon
afin que la fibre lentillée d'injection soit parallèle au guides d'ondes sur le dispositif de
test.
88
Chap. II
-
Techniques de caractérisation
Régler le mouvement de rotation transversal du porte-échantillon de manière à ce que
l'on observe de la lumière diffusée sur la face supérieure de l'échantillon.
2) Réglage de l'injection de lumière dans le dispositif
-
En utilisant la lumière visible du module de visualisation, placer la fibre lentillée
d'injection en face et à une dizaine de microns du guide d'ondes d'entrée. Ensuite,
retoucher la hauteur de la fibre lentillée jusqu'à ce que l'on observe un flash de lumière
dans l'infra-rouge. Ce flash de lumière indique qu'une partie de la lumière de la fibre
lentillée est injectée dans le guide d'entrée.
-
En se déplaçant vers la sortie du dispositif de test, on doit observer des points
lumineux sur la facette de sortie qui correspondent à la lumière qui s'est propagée dans
le dispositif de test.
-
Placer la fibre lentillée de collecte en correspondance avec une des sorties du dispositif
de test.
-
Modifier le réglage en hauteur jusqu'à ce que l'on observe un signal sur l'analyseur de
spectre
-
Maximiser le signal sur l'analyseur de spectre en jouant sur les 6 nanopositionneurs
des modules d'injection et de collecte.
Pour s'affranchir des vibrations résiduelles du montage, un moyennage sur dix ou 50
spectres est effectué ce qui permet d'augmenter la précision des mesures.
3. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté les outils théoriques et pratiques nécessaires à la
réalisation de liens optiques. Dans un premier temps, nous avons abordé la mise au point de
matériaux optiques en couches minces, avec les processus mis en jeu dans les dépôts PECVD
et les techniques mises en oeuvre pour caractériser ces dépôts.
Dans un second temps, nous avons abordé le domaine de l’optique intégré. Le principe de
guidage de la lumière a ainsi été rappelé, suivi de la description des méthodes de simulation
électromagnétiques utilisées pour mettre au point des composants. A cette occasion, le solveur
de mode développé au sein du laboratoire et courant ce travail à été décrit. Il permet de
simuler rapidement et avec une grande précision les guides d’ondes en deux dimensions et a
été largement utilisé au cours de notre travail. Enfin, le banc de micro caractérisation utilisé
pour étudier les composants a été décrit.
Tous ces outils ont permis de mener à bien les études sur les matériaux et les composants
d’optique intégrés détaillées dans la suite de ce manuscrit.
89
Chap. II
Bibliographie
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Chap. II
Bibliographie
92
Chap.III.
le carbone amorphe
Chapitre 3 : Propriétés optiques du Carbone
amorphe
99
Chap.III.
le carbone amorphe
100
Chap.III.
le carbone amorphe
Introduction
Dans ce chapitre, nous détaillons les différentes études effectuées sur le carbone
amorphe dans le but de mettre au point un matériau possédant un fort indice de réfraction et
de faibles pertes optiques intrinsèques dans le domaine du proche infrarouge.
Le développement de ce nouveau matériau pour des applications optiques s’est fait en
plusieurs étapes. Une première étape a consisté à comprendre les processus de dépôt et leurs
conséquences sur les propriétés des couches, et particulièrement sur leur nature chimique et
leur indice de réfraction. Grâce à cette étude, l’effet des différents paramètres de dépôt a été
identifié, et nous avons pu contrôler l’indice de réfraction des matériaux déposés. Dans une
deuxième étape, nous avons étudié plus précisément l’évolution structurale des matériaux en
fonction de leur indice de réfraction. Pour cela, cinq échantillons références d’indice
croissants ont été définis et ont subi différentes analyses physico-chimiques. Enfin,
l’évolution des pertes optiques des matériaux en fonction de l’indice de réfraction a été
examinée à travers l'analyse optique de ces mêmes échantillons. L’origine de ces pertes a été
étudiée grâce à des analyses optiques et physiques qui ont pu être mis en rapport avec
l’évolution structurale observée auparavant.
Ce chapitre se découpe en quatre parties. Dans la première, les propriétés du carbone
amorphe sont présentées, son intérêt pour nos applications ainsi qu’un court état de l’art des
études effectuées sur ces propriétés optiques. La seconde partie traite de l’effet des différents
paramètres de dépôt. Elle est suivie de l’étude des propriétés structurales des couches puis de
leurs propriétés optiques respectivement dans les troisièmes et quatrièmes parties.
1. Le carbone amorphe
Le carbone peut former des liaisons avec différentes hybridations, sp1, sp2, sp3 et peut ainsi
exister sous une très grande variété de structures, cristallines ou désordonnées [Robertson02].
Dans la configuration sp3, chaque électron de valence du carbone se place dans une orbitale
sp3 de forme tétraédrique, formant une forte liaison σ avec les atomes adjacents. Dans le cas
de l’hydridation sp2, comme dans le graphite, 3 des 4 électrons de valence se placent dans des
orbitales sp2 disposées de façon triangulaire et forment des liaisons σ avec leurs voisins. Le
dernier électron se place alors dans une orbitale π, située perpendiculairement au plan des 3
autres orbitales, et peut alors former une plus faible liaison π avec un autre électron situé dans
le même cas.
101
Chap.III.
le carbone amorphe
Enfin, dans la configuration sp1, 2 électrons se placent dans des orbitales σ et forment des
liaisons σ selon un axe, les deux autres se plaçant en orbitales π dans le deux autres directions
(voir figure 3-1).
Figure 3-1 : Différents types d’hybridation du carbone amorphe.
Les propriétés des matériaux carbonés dépendent du type de liaisons impliquées entre les
atomes de carbone ainsi que du taux d’hydrogène lié à ceux-ci. Ainsi, des matériaux allant de
structures très hydrogénées à des structures très proches du diamant sont possibles. Les
premiers peuvent s’assimiler à des « polymères » (on parle souvent de « polymeres-plasma »
même si ces éléments se rapprochent souvent plus d’oligomères très désorganisés). Les
seconds sont dits DLC (pour « diamond-like amorphous carbon») et présentent une structure
plus proche du diamant.
Figure 3- 1: Diagramme de phase ternaire des liaisons dans les alliages amorphes carbone-hydrogène.
[Robertson02]
La figure 3-2 représente le diagramme de phase ternaire du type de composé carboné en
fonction du type de liaisons et du taux d’hydrogène dans les couches. Les deux composés
« pur » non hydrogénés sont le diamant, où tous les atomes sont liés entre eux par des liaisons
sp3, et le graphite, constitué d’atomes liés entre eux par des orbitales sp2. Entre ceux-ci et les
deux hydrocarbones (CH2)n et (CH)n définissant les limites des matériaux solides possibles, de
nombreuses phases existent , présentant des caractéristiques très variées.
102
Chap.III.
le carbone amorphe
Les principales propriétés du carbone amorphe sous ses différents états sont données dans le
tableau 3-1.
Sp3 (%)
H (%)
Diamant
Graphite
C60
« Glassy C »
100
0
0
0
0
0
0
0
C évaporé
0
C « pulvérisé »
Densité (g.cm3)
3,515
2,267
Dureté( Gpa)
1,3-1,55
Bande
interdite (eV)
5,5
0
1,6
0,01
0
1,9
0,4-0,7
3
5
0
2,2
0,5
Ta-C
a-C :H « dur »
80-88
40
0
30-40
3,1
1,6-2,2
2,5
1,1-1,7
80
10-20
a-C :H « doux »
60
40-50
1,2-1,6
1,7-4
<10
Ta-C :H
Polyéthylène
70
100
30
67
2,4
0,92
2-2,5
6
50
0,01
100
3
Tableau 3- 1 : Comparaison des principales propriétés du carbone amorphe par rapport aux matériaux
de références, diamant, graphite, C60 et polyéthylène d’après [Robertson 90].
Beaucoup de techniques de dépôt, dont le dépôt chimique phase vapeur assisté par plasma
permettent de synthétiser des matériaux du type carbone amorphe hydrogéné (dénommé aC:H, voir figure 3-2).
1.1. Intérêt du carbone amorphe
Le carbone amorphe hydrogéné possède de nombreuses propriétés physiques dignes
de considération : forte dureté,
stabilité chimique, transparence dans une large gamme
spectrale. Ce matériau est étudié pour de nombreuses applications, telle que la protection de
lentilles
ou
d’éléments
actifs
optiques
ou
comme
revêtement
antifrottement
([Piazza05],[Bruno04]). De part sa grande versatilité, ce matériau fait l’objet de nombreuses
études sur ses propriétés optoélectroniques et isolantes. Sa transparence dans une large
gamme spectrale, due à une bande interdite comprise entre 1 et 4 eV (ajustable avec les
conditions de dépôt) a conduit certains auteurs à s’intéresser à ses propriétés optiques,
notamment dans le but de développer des couches antireflets ou des couches de protection
transparentes ([Shakelford99], [Gielisse98]). D’autre part, ce matériau se grave facilement
avec des plasmas oxygénés, rendant son intégration avec des procédés microélectroniques
possibles [Grill99].
103
Chap.III.
le carbone amorphe
1.2. Propriétés optiques du carbone amorphe
Si le carbone amorphe est un matériau étudié pour de nombreuses applications, ce
n’est pas le cas pour des applications d’optique guidée. Ainsi, de nombreux travaux ont porté
sur ses propriétés optiques en tant que couches de protection et/ou couches antireflets. Dans
ces études, l’indice de réfraction ainsi que la transparence des couches sont étudiés par des
techniques de spectrophotométrie ou d’ellipsométrie. Lifshitz et al. [Lifsithz97] ont montré
qu’avec des couches de type a-CH, l’absorption n’est plus détectable en ellipsométrie pour
des longueurs d’ondes supérieures à 1 ou 1,2 µm. De la même manière, Joo et al. [Joo99] ont
montré qu’il est possible de déposer des couches transparentes dans l’infrarouge avec des
indices de réfraction compris entre 1,6 et 2 à 1,55µm.
Néanmoins, ces études portent sur la transparence de couches minces [Baydogan04], ou bien
sur l’analyse du coefficient d’absorption dans des gammes peu sujettes aux pertes optiques.
En effet, l’utilisation de matériaux en terme d’optique intégrée suppose des valeurs de pertes
de l’ordre du dB/cm, pertes non détectables en ellipsométrie ou en spectrophotométrie. Ainsi,
aucune étude n’a, à notre connaissance, portée sur la mesure de pertes intrinsèques de manière
«précise» dans le domaine infra-rouge. Par contre, ces études mettent en évidence la variation
du seuil d’absorption avec la nature des matériaux, et donc de la structure de la bande interdite
selon la composition de ceux-ci.
Structure électronique du carbone amorphe :
Les propriétés optiques du carbone amorphe dépendent de sa structure électronique.
Comme nous l’avons vu, le carbone peut former différents types d’hybridation sp1, sp2, et sp3,
menant à la formation de liaison σ ou π. La bande interdite des matériaux obtenus dépend
donc de deux contributions principales :
- La séparation entre des bandes σ et σ∗ due aux liaisons sp3, de l’ordre de 5 eV
[Robertson86].
- La séparation entre les bandes π et π∗, due aux liaisons sp2. Ces liaisons peuvent
apparaître dans des espèces isolées, qui forment alors des défauts de type p, ou bien former
des paires, créant alors des « états π » plutôt que des défauts. Enfin, elles peuvent être
présentes sous forme d’amas, dont la bande interdite varie alors en fonction de la taille
([Robertson87], [Robertson90]).
104
Chap.III.
le carbone amorphe
Spécificité des liaisons π :
Contrairement aux orbitales σ, les orbitales π peuvent être délocalisées et former un
continuum de liaisons comme par exemple dans le graphite. La bande interdite due aux
liaisons π et π* dépend alors de la taille de ces amas sp2. Ainsi, la bande interdite d’un amas
aromatique diminue avec sa taille, jusqu'à arriver à zéro pour le graphite pur, et est donné par
l’expression :
Eg ≈
2γ
M 1/ 2
Equation 3 1
Où γ est l’énergie d’interaction avec le premier voisin, et M le nombre de cycles aromatiques
[Robertson87]. Or, pour maximiser l’énergie de liaison, il est plus favorable pour les liaisons
π de former des amas que d’être isolées dans une matrice sp3 . Les matériaux carbonés
déposés contiennent dans le cas général une part non négligeable de liaisons sp2. La bande
interdite optique est de ce fait la moyenne des bandes interdites des amas. La distribution de la
taille des amas donne alors lieu à une large queue d’absorption, confirmée
expérimentalement.
Nota : Il a été démontré que les liaisons sp2 ne tendent pas à se regrouper en amas constitués
de noyaux aromatiques reliés entre eux, mais plutôt en structures un peu plus complexes de
type olifénique reliées entre elles, qui ne se situent plus seulement dans un plan
[Frauenheim93]. Néanmoins, la diminution de la bande interdite locale avec la taille de ces
amas est toujours vraie, et ce modèle schématique peut toujours être utilisé.
Dans notre étude, la transparence dans l’infra-rouge est recherchée, ce qui suppose de mettre
au point des matériaux possédant des bandes interdites supérieures à 1 eV (pour assurer une
transparence pour λ>1,25µm). De plus, la recherche de faibles pertes d’absorption nécessite
d’obtenir des matériaux possédant un faible nombre de défauts compris dans la bande
interdite.
1.3. Démarche de l’étude
Dans notre étude, les paramètres de dépôt ont été étudiées en vue de développer un
matériau présentant un fort indice de réfraction (N≥1,8) et de faibles pertes intrinsèques dans
le domaine infrarouge (< 1dB/cm). Les matériaux ont été déposés dans un bati PECVD
industriel, décrit au chapitre 2. Le gaz précurseur a été choisi à la suite d’une étude précédente
de G . Savelli et al. [Savelli02] qui ont effectué une sélection parmi CH4, C2H6, C2H2, C4H10,
C7H8 et C9H10. Le toluène a été choisi pour ses bonnes caractéristiques en terme de vitesse de
105
Chap.III.
le carbone amorphe
dépôt et de faibles contraintes internes. De plus, la forte polarisabilité introduite par les cycles
benzéniques peut être un atout pour l’obtention de couches à haut indice de réfraction [Ma02].
Généralités sur le précurseur
Toluène :
Formule brute : C7H8
Densité à 20°C : d204=0,865g/mL
Masse molaire : 92.18
Point d’ébullition :110-111°C
Indice de réfraction à 20°C :n20d=1.496
Pression de vapeur : 22mm à 20°C
Figure 3- 2 : Formule chimique développée du toluène.
Quelques études ont porté sur le dépôt de couches par PECVD à partir de toluène, pour des
applications variées telles que des couches anti-corrosion [Yu03]. Une seule étude sur les
propriétés optiques a été entreprise [Joo99]. Les auteurs ont démontré une augmentation de
l’indice de réfraction avec la puissance de dépôt.
2. Influence des paramètres de dépôt
Dans cette partie, l’effet des différents paramètres de dépôt a été étudié de manière à
comprendre les processus influant sur la structure des couches déposées et leur indice de
réfraction. Influence de la pression, de la dilution du précurseur, de la puissance
radiofréquence, de la puissance basse fréquence et de la température de dépôt ont été
examinées. La Spectroscopie IRTF et l’ellipsométrie spectroscopique ont été utilisées pour
caractériser les couches obtenues (voir Chap. 2). Les propriétés mécaniques des couches ont
également été étudiées de façon à statuer sur la compatibilité des dépôts avec les procédés
microélectroniques.
2.1. Signature Infra Rouge des films
La spectroscopie IRTF est un outil performant pour analyser la composition des
couches déposées. Les différentes contributions ont été identifiées grâce à une étude
bibliographique (voir tableau 3-2). La figure 3-4 représente une signature typique des
spectres des matériaux obtenus. Dans la suite de cette étude, les spectres présentés seront par
défaut normalisés en épaisseur.
106
Chap.III.
le carbone amorphe
Zone2
Absorbance (U.A)
Zone 1
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
n o m b re d 'o n d e (c m )
Figure 3-4 : spectres IRTF de matériaux obtenus à partir deC7H8.
Le spectre peut être décomposé en deux zones distinctes : la première, située entre 400
et 2000 cm-1 comporte majoritairement des pics liés aux vibrations de groupements
aromatiques, ainsi qu’un pic lié aux groupements alcanes-CH3
Réticulation de carbone amorphe
(Voir
Le
figure3-5).
Les
groupements
aromatiques
sont
caractéristiques du précurseur gazeux utilisé. Leur intensité
relative est ainsi représentative de la conservation de la structure
des précurseurs dans les dépôts. La deuxième zone, située entre
-1
terme
de
réticulation
est
habituellement employé dans le
domaine
des
polymères
pour
désigner le taux de liaisons entre
monomères. Nous l’utiliserons ici
2800 et 3200 cm comporte également des vibrations attribuées
de
aux
des
désigner des matériaux possédant
vibrations d’autres groupements de type Carbone (hybridé en sp2
un « réseau» de liaisons plus ou
groupements
aromatiques,
auxquelles
s’ajoutent
ou sp3) liées à de l’hydrogène et à d’autres atomes de carbone
manière
qualitative
moins développé.
(voir figure 3-5). Ces groupements sont intéressants car plus représentatifs des liaisons
intervenant dans la « réticulation » des matériaux (Voir définition ci-joint). Cependant, le fort
recouvrement des différentes contributions (Csp2-CH2, Csp3-CH3, Csp3-CH2, etc..) limite notre
analyse à un niveau qualitatif. Cette analyse est néanmoins précieuse car elle permet de voir
les grandes tendances liées aux paramètres de croissance. Enfin, il est important de noter que
les vibrations des différentes liaisons Ca-Hx n'entraînent pas d'absorption optique par
excitation d'harmonique de vibration dans la gamme de 1,3 à 1,55µm. Les analyses par IRTF
ne peuvent donc être mises en relation avec les pertes optiques des films, mais seulement avec
leur évolution physico chimique.
107
pour
Chap.III.
le carbone amorphe
Zone1
Zone2
aromatic (out of plane)
Aromatique
(en dehors du plan)
SP3 CH2 asym
sp3 CH3 asym
sp2 CH2
SP3 CH3 sym
absorbance (U.A)
Absorbance (U;A)
Aromatique C=C
Groupements alcaneCH3 (asym)
Benzenique (en dehors du plan)
(-C=C=)n
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
SP2 CH2 olifenique
SP3 CH2 sym 2850
SP2 CH2 aromatique
SP2 CH2olifenique
400
3200
-1
Nombre d'onde (cm )
3100
3000
2900
2800
-1
nombre d'onde( cm )
Figure 3-5: agrandissement de la zone 1 et de la zone 2 d’un film.
Nombre d’onde
( cm-1)
Type liaison
Type de
vibration
référence
708
Groupement
aromatique
En dehors du
plan
[Heiz98]
754
Benzène
En dehors du
plan
[Socrates]
1030
Aromatique=C-H
Dans le plan
[Socrates]
1448
1494
Alkane-CH3
Aromatique -C=C-
asymétrique
[Socrates]
[Socrates]
1600
C=C dans des
liaisons conjuguées
2340
2360
2850
2875
2925
2955
2970
3025
CO2 (gaz)
CO2 (gaz)
SP3 –CH2
Sp3 –CH3
Sp3-CH2
Sp3-CH3
Sp2-CH2
Sp2-CH2 ou SP2 –
CH olifenique
Sp2-CH2
aromatique ou CH
aromatique
Sp2-CH2 olifenique
3059
3085
« streching »
Vib.sym
Vib.asym
Vib.asym
trans
[Socrates]
[Tibitt76]
[McNamara94], [McNamara92]
[Socrates]
[Socrates]
[Heiz98]
[Heiz98]
[Heiz98]
[Heiz98]
[Socrates]
[Heiz98], [Jacob96]
[Heiz98]
[Socrates]
Tableau 3-2 : Table des principaux pics observés dans les spectres d’absorption infrarouge des matériaux
a-CH.
108
Chap.III.
le carbone amorphe
2.2. Influence de la pression
L’influence de la pression dans la chambre de dépôt a tout d’abord été analysée, les
autres paramètres de dépôt restant fixes. La figure 3-6 représente l’évolution de l’indice de
réfraction à 1,3µm des films en fonction de la pression totale dans la chambre de dépôt. Elle
est suivie des signatures IRTF des matériaux.
2500
1,95
1,9
2100
1,8
1900
1,75
1,7
1700
1,65
Vitesse de dépot (A/mn)
Indice de Refraction à 1.3 µm
2300
1,85
1500
1,6
1,55
1300
0
1
2
3
4
5
6
7
Pression (Torr)
Figure 3-6: Influence de la pression totale sur l’indice de réfraction et la vitesse de dépôt (P = 200W BF
[He] = 500 sccm [C7H8] = 100 sccm).
L’indice de réfraction du matériau diminue avec la pression. D’une valeur de 1,92 observée
pour une pression de 1 torr, celui-ci descend à 1,75 pour une pression de 6 torr. La vitesse de
dépôt montre une diminution lors du passage de 1 à 2 Torrs, suivie d’une augmentation pour
les pressions supérieures. La figure 3-7 représente l’évolution des signatures IRTF des
matériaux obtenus en fonction de la pression de travail. Une forte absorption dans la zone
2850-2970 cm-1 est observée, indiquant que ces matériaux sont fortement réticulés, ce qui
peut être attribué à la forte puissance appliquée aux bornes des électrodes. La baisse de
l’indice de réfraction des matériaux s’accompagne d’une diminution relative du signal situé
entre 2850 et 2970 cm-1, ainsi que d’une augmentation relative du pic lié aux groupements
CH3, à 1448 cm_1.
109
Chap.III.
le carbone amorphe
Absorbance Normalisée (U.A)
1 torr
2 torrs
8 torrs
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
Nombre d'onde (cm )
Figure 3-7 : Signature IRTF des dépôts obtenus aux pressions de 1, 3 et 8 torrs (P = 200W BF [He] = 700
sccm [He+C7H8] = 100 sccm T°=100°C).
L’augmentation de la pression de travail conduit ainsi à déposer des matériaux possédant une
structure plus proche des précurseurs gazeux, et présentant alors une réticulation plus faible.
Ceci peut être expliqué par la diminution du taux de dissociation consécutive à l’augmentation
de pression. La plus grande quantité d’espèces introduites dans le réacteur entraîne une
diminution de l’énergie apportée par molécule (le rapport W/FM voir chapitre 2). La
dissociation des précurseurs gazeux est ainsi plus faible. L’évolution de la vitesse de dépôt
traduit le phénomène de compétition entre cette plus faible dissociation des précurseurs et
l’augmentation du nombre d’espèces dans la chambre. Ainsi, le principal effet de la pression
de travail est ici de jouer sur la dissociation des précurseurs, et par là sur la réticulation de nos
matériaux. Les matériaux déposés présentent alors un indice de réfraction plus faible,
caractéristique d’un matériau moins dense ou possédant une structure chimique différente.
2.3. Effet du flux de précurseur
Les influences des flux d’hélium et de précurseur injectés dans la chambre ont été
étudiées. La figure 3-8 représente l’évolution de l’indice de réfraction à 1,3µm et de la vitesse
de dépôt en fonction du débit d’hélium porteur (noté [He+C7H8]). Le flux total dans la
chambre (soit [He+C7H8] +[He]) est maintenu constant à 850 sccm. Une diminution de
l’indice de réfraction des films est observée avec un flux d’hélium croissant, passant de 2,1 à
1,85 pour des forts débits de précurseur. Parallèlement, une augmentation de la vitesse de
dépôt est observée, qui traduit bien l’augmentation de quantité de précurseur dans la chambre.
Comme précédemment, la quantité d’énergie par molécule de précurseur est donc diminuée,
110
Chap.III.
le carbone amorphe
et la baisse de l’indice de réfraction peut être mise en relation avec la baisse du taux de
2,2
350
2,1
300
2
250
1,9
200
1,8
150
1,7
100
1,6
50
1,5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Vitesse de dépôt (nm/min)
à 1.3µm à 1.3µm
Indice de I.R
réfraction
dissociation.
0
0,6
0,5
[He+C7H8]/[He]
Figure 3-8 : Indice de réfraction à 1,3µm et vitesse de dépôt en fonction de la dilution du gaz porteur
([He]+[He+C7H8] = 850 sccm, P = 200W BF, Press. = 1 Torr, T°= 100°C).
L’influence de la puissance radiofréquence (13,56 MHz) appliquée au réacteur a ensuite été
examinée.
2.4. Influence de la puissance radiofréquence
La figure 3-9 représente l’évolution de l’indice de réfraction à 1,3µm et de la vitesse
de dépôt en fonction de la puissance radiofréquence. Une augmentation de l’indice de
réfraction ainsi que de la vitesse de dépôt est observée. Les matériaux formés présentent un
indice croissant compris entre 1,6 et 1,75 à 1,3 µm pour des puissances comprises entre 50 et
700W.
250
1,85
200
1,8
1,75
150
1,7
100
1,65
1,6
50
Vitesse de dépot
(nm/min)
Indice de refraction à 1.3µm
1,9
1,55
1,5
0
0
200
400
600
800
Puissance RF (W)
Figure 3-9: Indice de réfraction à 1,3µm et vitesse de dépôt en fonction de la puissance radiofréquence
([He] = 700 sccm, [He+C7H8] = 140sccm, Press. = 1 torr T° = 100°C).
111
Chap.III.
le carbone amorphe
Les spectres IRTF des dépôts renseignent plus précisément sur l’évolution des matériaux
obtenus. La figure 3-10 représente l’évolution des zones 1 et 2 avec la puissance de dépôt.
Aromatiques
alcanes CH3 (asym)
Absorbance (U.A)
Absorbance normalisée (U.A)
Aromatique C=C
SP2 CH2 olifenique
SP2 CH2 aromatique
SP2 CH2olifenique
50 W
200 W
400 W
700 W
3200
3100
3000
2900
2800
2000
1800
50 W
200 W
400 W
700W
Benzenique
(-C=C=)n
1600
1400
1200
1000
800
600
400
-1
Nombre d'onde (cm )
-1
Nombre d'onde (cm )
b)
a)
Figure 3-10 : Evolution des signatures IRTF en fonction de la puissance radiofréquence dissipée dans le
plasma.
Les composantes cycliques, indiquées en rouge sur la figure3-10 a) et rappelées sur la figure
3-10 b) sont largement conservées pour des faibles puissances de dépôt. Ceci paraît en accord
avec les énergies d’ionisation et de dissociation. Ces dernières sont rapportées dans le tableau
3-3. En effet, les énergies d’apparition des sous composés du toluène possédant des cycles
(C7H7+ et C6H5+) sont largement plus faibles que les premiers composés sans cycle (C5H5+).
De la même manière, Dinan et al. [Dinan69] ont montré que plus de 90 % des produits de
l’exposition de toluène à un plasma radiofréquence (de 28MHz dans ce cas) sont constitués de
benzène, éthyl benzène et bibenzil (toutes des molécules contenant des cycles).
Ion
C5H5+
∆Ε (eV)
autres produits de la
réaction
16.4 ± 0.2
C2H2+H
C6H5
C7H7+
[Tajima73],[Harrison65]
16.7
13.70
+
CH3
[Hoffman74],[Majer 62]
13.7 ± 0.1
10.94
10.70 ± 0.09
Référence
[Huang91],
H
[Selim82],
[McLoughlin79]
Tableau 3-3 : Energies d’apparition des sous composés du toluène.
Lorsque la puissance augmente, le taux de composés aromatiques hydrogénés dans nos films
diminue, et leurs pics caractéristiques à 708, 754, 1030 (très faible dans nos matériaux) et
112
Chap.III.
le carbone amorphe
1494 cm-1 s’atténuent jusqu'à disparaître pour des puissances supérieures ou égales à 400W.
Cette évolution, également observée dans les travaux de Yu &al. [Yu03] avec des plasmas
Radiofréquences peut être attribuée à l’augmentation du taux de dissociation W/FM,
entraînant un plus fort fractionnement des précurseurs.
Un autre facteur important dans l’évolution des propriétés des films déposés est la puissance
basse fréquence (40kHz) appliquée au réacteur de dépôt.
2.5. Influence de la puissance basse fréquence
La figure 3-11 représente l’évolution de l’indice de réfraction à 1,3µm et de la vitesse
1,95
180
1,9
160
140
1,85
120
100
1,8
80
60
1,75
1,7
40
20
1,65
1,6
Vitesse de dépot
(nm/min)
Indice de refraction à 1.3µm
de dépôt en fonction de la puissance basse fréquence (50kHz) appliquée aux électrodes.
0
0
200
400
600
Puissance Basse fréquence (W)
Figure 3-11 : Indice de réfraction à 1,3µm et vitesse de dépôt en fonction de la puissance basse fréquence
([He] = 700sccm, [He+C7H8] = 140sccm Press.= 2 Torr T°= 100°C).
La puissance basse fréquence présente un effet beaucoup plus fort que la puissance
radiofréquence sur l’indice de réfraction des films. Pour les mêmes conditions de pression, de
débit et d'écartement des électrodes, des indices de réfraction plus élevés sont obtenus, avec
des valeurs comprises entre 1,65 et 1,95. Comme le montre la figure 3-11, la vitesse de dépôt
augmente pour des puissances comprises entre 60W et 200W, puis se stabilise et enfin,
décroît légèrement pour les plus fortes valeurs de puissance. L’évolution des spectres IRTF
montre un comportement semblable à celui vu précédemment (voir figure 3-12), bien que
toujours décalé à des puissances plus faibles. On assiste à une diminution des contributions
cycliques pour des puissances comprises entre 60 et 200W, pour ne plus voir ensuite de
modifications sensibles sur les spectres.
113
Chap.III.
le carbone amorphe
SP3 CH2 asym
Absorbance Normalisée (U.A)
Absorbance Normalisée (U.A)
2955 sp3 CH3 asym
2970 sp2 CH2
SP3 CH3 sym 2875
SP3 CH2 sym 2850
SP2 CH2 olifenique
SP2 CH2 aromatique
SP2 CH2olifenique
3200
3100
60 W
100W
200 W
400 W
3000
2900
-CH3
1800
60 W
100 W
200 W
400W
Benzeniques
(-C=C-)n
2000
2800
aromatiques
Aromatique
Aromatic C=C
1600
1400
1200
1000
800
600
400
-1
Nombre d'onde (cm )
-1
Nombre d'onde ( cm )
Figure 3-12 : Evolution des spectres IRTF en fonction de la puissance BF, entre 60 et 400W.
La forte variation de la vitesse de dépôt avant 200W peut ainsi être liée au degré de
dissociation des espèces dans le plasma. Lorsque le taux maximum de dissociation dans la
décharge est atteint, la vitesse de dépôt se stabilise. Enfin, pour les puissances les plus fortes,
la diminution de la vitesse de dépôt peut être attribuée à une augmentation de la température
du substrat, qui renforce la compétition entre adsorption et désorption des radicaux.
2.5.1. Remarque : Signature IRTF et indice de réfraction
Bien que les effets de l’excitation radiofréquence ou basse fréquence soient différents,
notamment dans leur intensité, il est intéressant de remarquer que l’évolution des matériaux
déposés présente des caractéristiques semblables. Ainsi, l’évolution de l’absorption à 1494
cm-1 (attribuée aux cycles aromatiques contenus dans les matériaux) en fonction de la
puissance appliquée à la chambre de dépôt pour les deux types d’excitation est indiquée figure
3-13. En parallèle la figure 3-14 représente l’évolution de l’indice de réfraction des films
obtenus pour ces mêmes paramètres. Les comportements apparaissent liés, le décalage en
indice de réfraction se caractérisant par un décalage dans la quantité de cycles dans les
matériaux, au moins dans la gamme d’indice de réfraction ici étudiée.
114
Chap.III.
le carbone amorphe
60
Intensitée normalisée du pic 1494cm
-1
1,9
50
13,56MHz
1,85
40
13,56MHz
30
50KHz
1,8
50KHz
1,75
1,7
20
1,65
10
1,6
0
1,55
0
100
200
300
400
500
600
700
0
800
Puissance dissipée dans le plasma (W)
200
400
600
800
Puissance dissipée dans le plasm a (W)
Figure 3-13 : Evolution de la proportion de
Figure
cycles aromatiques dans les matériau en fonction
réfraction en fonction de la puissance de
de la puissance dissipée dans le plasma, avec une
dépôt, avec une excitation radio (13,56MHz)
excitation radio (13,56MHz) ou basse fréquence
ou basse fréquence (50kHz).
3-14 :
Evolution
de
l’indice
de
(50kHz).
Si l’on trace l’évolution de la hauteur du pic d’absorption à 1494 cm-1 attribué aux liaisons
C=C aromatique en fonction de l’indice de réfraction pour les deux types d’excitation, on
remarque sur la figure 3-15 que l’on a le même type de comportement en basse ou haute
fréquence.
Absorbance normalisée à 1494cm
-1
50 KHz
13,56 MHz
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
à 1.3µm à 1,3µm
Indice de I.R
réfraction
Figure 3-15 : Liaisons aromatiques des films obtenus et indice de réfraction à 1,3µm.
De manière plus globale, les signatures IRTF des matériaux obtenus ayant le même indice de
réfraction sont semblables, laissant penser que les matériaux possèdent les mêmes
caractéristiques. En effet, la forme des spectres est un bon estimateur de la composition des
115
Chap.III.
le carbone amorphe
films, et leur intensité du nombre de liaisons hydrogénées, et donc de leur concentration en
hydrogène.
Il apparaît ainsi que les caractéristiques des matériaux obtenus dans la gamme d’indice de
réfraction de 1,6 à 1,8 dépendent principalement de la dissociation des précurseurs. On
remarque en effet que malgré des excitations différentes, et notamment l’effet du
bombardement ionique du à la basse fréquence, la signature des matériaux évolue de la même
façon en fonction de l’indice de réfraction pour une excitation haute fréquence ou basse
fréquence. Les autres paramètres de dépôt, la pression et la dilution agissent en premier lieu
sur le taux de dissociation et ont alors les mêmes effets dans les gammes ici explorées.
Pour les indices de réfraction supérieurs à 1,8, bien que l’augmentation du taux de
dissociation produise des matériaux à plus fort indice de réfraction, peu de changements sont
observables en IRTF. Les vibrations de liaisons observées avec cette technique étant ici
principalement le fruit de liaisons hydrogénées, il se peut que les modifications des couches
observées à travers l’indice de réfraction n’affecte que peu les liaisons liées à l’hydrogène.
2.6. Influence de la température de dépôt
Dans cette étude, trois températures de substrats ont été testées : 100°C, 200°C et
300°C.L’effet de la température sur les processus de dépôt a été évalué pour deux conditions
de plasma présentant des conditions de dissociation très différentes :
- Une faible puissance radiofréquence de 200W, qui présente un faible taux de
dissociation.
- Une forte puissance basse fréquence de 400W, qui présente un fort taux de
dissociation.
La figure 3-16 présente l’évolution de l’indice de réfraction et de la vitesse de dépôt pour ces
deux conditions en fonction de la température du substrat.
116
Chap.III.
le carbone amorphe
140
2
120
I.R à 1,3µm
1,9
100
80
1,8
60
1,7
40
1,6
20
1,5
50
150
250
Température(°c)
Température
(°C)
0
350
vitesse de dépôt (nm/min)
160
2,1
I.R 200WRF
I.R 400 WBF
Vitesse 200WRF
Vitesse 400 WBF
Figure 3-16: Evolution de l’indice de réfraction et de la vitesse de dépôt en fonction de la température de
dépôt pour des conditions de dépôt de 200W RF et 400W BF ([He] = 700sccm, [He+C7H8] = 140 sccm,
Press. = 2 Torr T°= 100°C).
Un comportement différent selon le type de conditions de dépôt est obtenu. Dans le cas des
conditions de faible dissociation, l’indice de réfraction varie très peu avec la température du
substrat. Cette tendance est confirmée par l’analyse des signatures IRTF de nos couches, où
l’on voit peu de changements avec la température. Le caractère cyclique des films est
conservé. On observe néanmoins une baisse dans la vitesse de dépôt des films, consécutive à
une désorption d’une partie des espèces physissorbées.
Cette évolution peut être reliée à la stabilité des radicaux créés dans le plasma à faible
puissance. En effet, la température du substrat n’influe pas sur la dissociation de la phase
gazeuse, les caractéristiques du plasma (température électronique, ionique, etc…) dépendant
de ses paramètres propres : pression, puissance, débit (voir Chapitre 2). L’évolution de
l’indice de réfraction ou de la vitesse est donc ici représentative des phénomènes liés à la
surface du substrat, adsorption, diffusion et désorption. A basse puissance RF, nous avons vu
que les radicaux créés sont cycliques, et qu’ils sont largement conservés dans les dépôts. Ces
radicaux semblent être assez stables pour que la structure des films ne soit pas modifiée par la
température.
Pour les fortes conditions de plasma (400W basse fréquence), on constate une forte
augmentation de l’indice de réfraction, toujours accompagnée d’une baisse de la vitesse de
dépôt. La figure 3-17 représente l’évolution des signatures IRTF dans la zone 1 pour les
dépôts obtenus.
117
le carbone amorphe
Absorbance Normalisée (U.A)
Chap.III.
100°C
200°C
300°C
3400
3300
3200
3100
3000
2900
2800
-1
Nombre d'onde (cm )
Figure 3- 16 : Evolution des signatures IRTF en fonction de la température de dépôt (P=400W à 50KHz).
Si les spectres ne montrent pas de différences notables entre les dépôts obtenus à 100
et 200°C, on remarque une baisse de l’intensité des pics à 300°C. La diminution de la vitesse
de dépôt, supérieure à celle observée à faibles conditions de dissociation, peut être attribuée à
la nature différente des radicaux créés. En effet la vitesse de dépôt dépend des radicaux créés
dans le plasma, de leur potentielle désorption et de la gravure de la couche par les ions
incidents [voir chap.2]. En raison du faible rapport [H]/[C] introduit dans notre réacteur
(l’hydrogène introduit ne provient que de celui présent dans C7H8), on peut ici négliger l’effet
de la gravure par les ions [H], qui est habituellement le phénomène de gravure prépondérant
dans le dépôt de carbone amorphe [Godet98]. Nous avons vu au paragraphe précédent que les
fortes puissances de plasma entraînent une plus forte dissociation des précurseurs gazeux, et
notamment la rupture des cycles aromatiques. La baisse de la vitesse de dépôt observée ici
peut alors s’expliquer par une plus forte volatilité des radicaux créés dans ces fortes
conditions de plasma. D’autre part, la rupture des cycles aromatiques dans le phénomène de
dissociation donne certainement lieu à l’apparition de nombreux radicaux carbonés différents.
La baisse du taux d’hydrogène des dépôts peut alors être reliée à une plus faible stabilité
chimique des radicaux les plus riches en hydrogène, qui déssorbent plus vite que ceux plus
riches en carbone. Les dépôts effectués à 300°C semblent ainsi présenter un plus faible taux
d’hydrogène, ce qui peut être le signe d’une graphitisation des couches, tendance souvent
observée dans la littérature pour les dépôts à haute température [Capote04].
Cette étude en température met ainsi en évidence la différence des radicaux créés selon les
conditions de dissociation. Des conditions de faible dissociation entraînent la formation de
radicaux stables en température, alors que des conditions de plus forte dissociation entraînent
la formation de radicaux beaucoup plus sensibles à la désorption.
118
Chap.III.
le carbone amorphe
2.7. Propriétés mécaniques
Pour pouvoir être intégré au sein d’un circuit microélectronique, les matériaux doivent
présenter de bonnes propriétés mécaniques. C’est pourquoi, nous avons évalué l’influence des
puissances de dépôt (radio et basse fréquence) sur la contrainte interne et la stabilité en
température des couches.
Evolution de la contrainte interne
Les valeurs de contraintes ont été mesurées sur un appareil donnant le rayon de courbure
avant puis après dépôt. La figure 3-18 représente l’évolution de la contrainte interne des
matériaux en fonction de la puissance dissipée dans le plasma.
Basse fréquence
Radiofréquence
0
-20
-40
Stress (MPa)
-60
-80
-100
-120
-140
-160
-180
-200
0
100
200
300
400
500
Puissance dissipée dans le plasma (W)
Figure 3-18 : Evolution de la contrainte avec la puissance Basse fréquence ([He]= 700 sccm, [He+C7H8] =
140 sccm, Press. = 2 Torr, T° = 100°C).
Les couches déposées dans cette étude présentent toujours un stress compréssif, ayant une
valeur absolue inférieure à 200 MPa, ce qui rend le dépôt de couches d’épaisseurs supérieures
à 1,5µm possible pour toutes nos conditions de dépôt. On remarque une augmentation de la
contrainte avec la puissance dissipée, qui peut être attribuée à la plus forte énergie des ions
incidents sur la couche.
Stabilité en température
La figure 3-19 représente l’évolution de la perte massique en température des couches de
carbone amorphe déposées à basse et haute fréquence.
119
Chap.III.
le carbone amorphe
C0%
Pertes massiques (%)
0
A= 100 W Radiofréquence
-10
B
-20
B= 400W Radiofréquence
20 %
A
C= 400W Basse fréquence
-30
-40
45 %
-50
-60
0
100
200
300
400
Temperature (°C)
Figure 3-19 : Evolution de la perte massique en température de couches de carbone amorphe
([He]=700sccm [He+C7H8]=140sccm Press.=2 Torr T°= 100°C).
La tenue en température des films déposés varie très sensiblement avec les puissances
de dépôt. Pour de faibles puissances RF, les films déssorbent dès les faibles températures et de
manière continue. Cette désorption est caractéristique d’un matériau très désordonné et peu
réticulé, composé d’espèces chimiques très différentes. Ce résultat est cohérent avec les
études de Burkey et al. [Burkey03] qui trouvent des températures de décomposition très
faibles (70°C) pour des couches obtenues avec de faibles puissances de plasma
radiofréquence et des précurseurs cycliques à basse température. L’augmentation de la
puissance, et donc de la fragmentation des précurseurs parait créer un matériau plus réticulé
qui déssorbe à plus forte température. La réticulation semble augmenter avec la puissance de
dépôt jusqu'à obtenir des couches stables à 400°C pour de fortes conditions de plasma
(400WBF).
Pour être compatible avec des procédés microélectroniques, il est donc nécessaire de travailler
avec des matériaux présentant une forte réticulation, ce qui correspond ici à de forts indices de
réfraction. Pour nos applications, ceci correspond à des couches présentant un indice de
réfraction supérieur à 1,8 à 1,3µm.
2.8. Conclusion
Dans cette partie, l’effet des principaux paramètres de dépôt a été étudié. Influence de
la pression, du flux de précurseur, de la puissance radio et basse fréquence ainsi que de la
température ont été examinées. Il apparaît que les propriétés des couches sont principalement
liées au degré de dissociation des précurseurs dans le plasma. Pression, flux de précurseur et
puissance de dépôt jouent sur le taux de dissociation W/FM qui contrôle la fragmentation des
120
Chap.III.
le carbone amorphe
précurseurs. L’évolution de l’indice de réfraction des couches, comme celle de leur structure,
est directement liée à cette fragmentation et nous avons vu que des couches d'indice de
réfraction donné présente la même structure physicochimique dans la gamme ici étudiée. En
jouant sur le taux de dissociation, il est ainsi possible de déposer des couches d’indice de
réfraction compris entre 1,6 et 2 à 1,3µm. L’étude en température a confirmé la
prépondérance du taux de dissociation en mettant en évidence les différences de radicaux
formés selon le régime de plasma. Enfin, l’étude des propriétés mécaniques montre que la
réticulation des couches augmente avec le taux de dissociation et que les couches déposées de
fort indice peuvent supporter des procédées microélectroniques.
3. Propriétés structurales
Dans le but de comprendre plus précisément l’évolution des propriétés physico
chimiques et structurales des matériaux en fonction de l’indice de réfraction obtenu, une étude
plus approfondie a été menée sur une série de 5 échantillons possédant un indice de réfraction
croissant. Ces échantillons ont été déposés en utilisant des conditions menant à une
fragmentation des précurseurs croissante, de manière à obtenir un indice de réfraction de plus
en plus élevée. Pour éviter une graphitisation trop importante des couches, une température de
dépôt de 100°C a été choisie. Les conditions de dépôt sont récapitulées dans le tableau 3-4.
Ces couches ont alors subi plusieurs analyses :
- Leur composition chimique a été étudiée grâce à des mesures SIMS (Secondary Ion
Mass Spectroscopy), NRA (Analyse par Réactions Nucléaires) et ERDA (Elastic Recoil
Detection Analysis).
- L’évolution de la densité des couches a été mesurée par réflectométrie de rayons X.
- Enfin, les types de liaisons impliquées dans le matériau (sp2 ou sp3) ont été analysés
grâce à une campagne de mesure en spectrophotométrie des rayons X (XPS) et en résonance
magnétique nucléaire (RMN).
Echantillon
Température
Flux
d’hélium
Flux de C7H8
de dépôt (°C)
(sccm)
(sccm)
Puissance (Type)
Indice
1,3 µm
1 (E1)
100
500
100
50
RF
1,589
2 (E2)
100
500
100
200 RF
1,624
3 (E3)
100
500
100
400 RF
1,67
4 (E4)
100
500
100
700 RF
1,758
5 (E5)
100
990
100
400
1,81
Tableau 3-4 : Conditions de dépôt de nos échantillons références.
121
BF
à
Chap.III.
3.1.
le carbone amorphe
Etude de la composition chimique des couches
La composition chimique des films a été examinée grâce à des analyses SIMS
couplées à des analyses NRA et ERDA. Les profils de composition obtenus par SIMS
présentent des compositions constantes en carbone et hydrogène, avec un signal résiduel
d’oxygène.
1,00E+06
1,00E+05
c/s
1,00E+04
1,00E+03
1,00E+02
H
1,00E+01
C
O
1,00E+00
0
10
20
30
40
50
60
70
profondeur (nm)
Si
80
90
Figure 3-20 : Spectres SIMS de l’échantillon 1.
Pour étalonner les compositions obtenues par SIMS, les échantillons 1 et 5 ont subi une
analyse NRA pour le dosage du carbone et une analyse ERDA pour celui de l’hydrogène. Les
compositions obtenues sont indiquées dans le tableau 3-5.
SIMS normalisés par NRA/ERDA
Résultats NRA/ERDA
Ech.
[C]/([C]+[H]) (%)
[H]/([C]+[H]) (%)
[C]/([C]+[H])(%)
[H]/([C]+[H]) (%)
1 (E1)
69
31
69
31
2 (E2)
64
36
3 (E3)
65,7
34,3
4 (E4)
66,1
33,9
5 (E5)
66,7
33,3
68
32
Tableau 3-5 : Evolution de la composition des échantillons de carbone amorphe.
La composition des matériaux évolue peu avec les conditions de dépôt, le rapport C/H reste
constant à 1% près. Un matériau fortement hydrogéné est obtenu, il possède une concentration
[H] de 30%. Cette évolution est conforme aux travaux effectués sur les dépôts de types
« polymères», où il a été rapporté que dans un régime de plasma limité, le taux d’hydrogène
dans les couches reste à peu près constant, la densité des couches déposées augmentant
[godet98], [yu03].
122
Chap.III.
le carbone amorphe
3.2. Etude de la densité des couches par réflectométrie des rayons
X à incidence rasante
La réflectométrie des rayons X a été utilisée pour établir le profil de densité
électronique des échantillons. Cette technique permet de déterminer la densité électronique
de couches stratifiées à partir de la variation de réflectivité de rayons X rasants en fonction
de l’angle d’incidence [Lee00] et d’un modèle de simulation, elle est plus précisément
décrite dans l’annexe 1. Un exemple de courbes expérimentale et ajustée est présentée
figure 3-21 (la variation logarithmique de l’intensité en fonction du nombre d’onde
q=4πsinθ/λ est présentée, où θ est l’angle d’incidence et λ la longueur d'onde).
0
0, 05
0, 1
0, 15
1, E-01
0, 2
0, 25
0, 3
Echantilon 1
FIt de la couche 1
log I/I0
1, E-03
1, E-05
1, E-07
qq( (A-1)
A-1)
Figure 3-21 : Exemple de courbe de réponse en réflectométrie X de la couche 1, la courbe expérimentale et
ajustée par le modèle est représentée.
Une fois la densité électronique obtenue, la densité massique a été calculée en utilisant la
relation :
ρ m ( z ) = ρ e ( z ) N a r0 ∑
i
c j .Z
j
c j .A j
Équation 3-1
Où Na (mol-1) est le nombre d’ Avogadro, r0 (m3) le rayon électronique, cj la fraction de
chacune des espèces j dans la formule chimique, Zj son numéro atomique et Aj sa masse
atomique. Les compositions chimiques utilisées sont celles obtenues par NRA/ERDA. Les
résultats obtenus sont donnés dans le tableau 3-6.
123
Chap.III.
Ech.
1
2
3
4
5
(E1)
(E2)
(E3)
(E4)
(E5)
le carbone amorphe
Densité électronique de
la couche (e.Å-3)
(+/-0.01)
0,38
0,372
0,397
0,442
Rugosité de la
couche (Å)
(+/-3)
3
10
7
8
Epaisseur de la
zone de surface
(Å) (+/-3)
4
5
4
7
0,45
4
4
Densité massique
(g.cm-3) (+/-5%)
1,21
1,19
1,27
1,41
1,44
Tableau 3-6 : Epaisseur des couches, densité électronique et rugosité obtenues par simulation des couches
déposées.
Une augmentation de la densité massique avec la puissance de dépôt est observée, conforme
aux observations faites par d’autres auteurs [Godet98],[Yu03]. La densité massique est liée à
l’indice de réfraction, comme l’indique la relation approximée de Glastone-Dale,
ρ = k1 (n − 1)
Équation 3-3
Où k1 est une constante liée au matériau, ρ la densité et n l’indice de réfraction. Cependant,
cette relation suppose une composition -et notamment une polarisabilité- constante du
matériau. Nous verrons que ce n’est pas le cas ici et que l’augmentation d’indice ne peut être
seulement attribuée à l’augmentation de la densité.
3.3. Etude de la structure des films
La structure des films a été caractérisée grâce à deux techniques : l’XPS et la RMN.
Spectroscopie de photoélectrons X
Comme nous l’avons abordé dans la partie 1 de ce chapitre, les propriétés du carbone
amorphe dépendent du type de liaisons impliquées dans le matériau. De manière à quantifier
les proportions et le type de ces liaisons (π ou σ), une étude en XPS a été effectuée sur nos
dépôts. L’XPS (pour X-ray Photoelectron spectroscopie ou spectroscopie des photoélectrons
X) est une technique qui permet de déterminer et de quantifier la nature de l’environnement
chimique et le type de liaisons de certains éléments [Hollinger86] ; la méthodologie de
mesure ainsi que les données expérimentales sont précisément décrites dans l’annexe 2, seuls
les principaux résultats sont présentés ici.
Une première analyse a porté sur les spectres liés aux orbitales C1s du carbone, et a permis de
déterminer le type d’hybridations de celui-ci. Les couches 3 4 et 5 ont montré des spectres
caractéristiques de carbone amorphe avec des composantes sp2 et sp 3 bien identifiées. Le ratio
R= Csp2/(Csp3+Csp2) a pu être déterminé par décomposition et les résultats obtenus sont
indiqués dans le tableau 3-7.
124
Chap.III.
le carbone amorphe
Ech.
E3
E4
E5
Puissance
400W RF
700W RF
400W BF
R=Sp2/(sp2+sp3)
0,65
0,79
0,88
Tableau 3-7. Ratio R de la proportion de liaisons sp2 dans les films 3, 4 et 5 déterminés par décomposition
du spectre C1s du carbone.
Pour les échantillons 1 et 2, les spectres ont montré des pics spécifiques au carbone
engagé dans des groupements C-phényl caractéristiques des cycles carbonés. Cette signature
particulière des groupements cycliques a été retrouvée sur les spectres de pertes d’énergie
avec un pic caractéristique du groupement C=C engagé dans des cycles benzéniques à 6-7 eV
par rapport au C 1s (Voir figure3-22a)) [Shafer96]. Les couches 1 et 2 semblent donc
présenter une forte quantité de groupements aromatiques, ce qui peut être mis en relation avec
une légère structuration de la bande de valence observée pour ces mêmes échantillons (Figure
3- b)). La structure aromatique joue comme un ordre à courte distance.
E1
E2
E3
E4
E5
0
320
315
310
E
E
E
E
E
Intensité (U.A)
Intensité (U.A)
10000
305
300
295
290
285
280
1
2
3
4
5
E
30
Energie de liaison (eV)
25
20
15
10
5
f
0
E n e r g ie d e l ia i s o n s ( e V )
Figure 3-22 : Spectres de perte d’énergie (a) et de bande de valence (b) du carbone obtenue en XPS pour
les cinq échantillons.
Afin de mieux identifier les types de liaisons impliquées dans les matériaux déposés, et
particulièrement dans les couches possédant un faible indice de réfraction, une étude en
résonance magnétique nucléaire a également été entreprise.
Etude en résonance magnétique nucléaire
La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie utilisant le spin
des noyaux. Elle permet d’évaluer le type d’environnement chimique et l’hybridation des
éléments. Les échantillons 1, 2, et 3 ont pu être étudiés en RMN avec deux types d’analyses :
un première basée sur l’observation de la résonance des atomes d’hydrogène, une seconde
basée sur le signal issu des atomes de carbone excités grâce à l’hydrogène des couches. La
méthode de mesure et les résultats expérimentaux sont précisément décrits dans l’annexe 3.
125
Chap.III.
le carbone amorphe
L’observation du signal d’hydrogène nous a permis de distinguer les contributions des atomes
d’hydrogènes liés à des carbones possédant des hybridations sp2 ou sp3. Le rapport R1=
HCsp2/( HCsp3+HCsp2) a pu être déterminé. Les résultats obtenus sont récapitulés dans le tableau
3-8.
Echantillon
Puissance (type)
R1=ASp2/(Asp2+Asp3)
Position pic sp2
Position pic sp3
E1
50W RF
0,52 +/-0,02
7,93
2,79
E2
200W RF
0,40 +/- 0,02
7,83
2,93
E3
400WRF
0,42 +/-0,02
7,83
2,93
Tableau 3-9 : Type d’hybridation des atomes de carbone sur lesquels sont liés les atomes d’hydrogène.
Une faible valeur de R1 est observée, indiquant une fixation préférentielle de l’hydrogène sur
les atomes de carbone présentant des hybridations sp3. D’autre part, une baisse de ce ratio
suivie d’une légère augmentation est visible entre l’échantillon 1 et 2.
Dans un second temps, la résonance magnétique des noyaux de carbone a été observée. Dans
le cadre de notre étude, l’aimantation du carbone a été observée par transfert de l’aimantation
d’hydrogène par polarisation croisée. Le signal obtenu est alors représentatif des atomes de
carbone les plus entourés d’hydrogène et doit donc être interprété de manière qualitative. Il
présente néanmoins différentes contributions représentatives de la structure du matériau.
E1
E3
300
250
200
150
100
50
0
deplacement chimique (ppm)
-50
-100
I (U.A)
I (U.A)
I (U.A)
E2
300
250
200
150
100
50
0
-50
-100
300
Déplacement chimique (ppm)
250
200
150
100
50
0
-50
-100
déplacement chimique (ppm)
Figure 3-23 : Spectres du carbone des échantillons 1, 2, et 3.
La signature du carbone (figure3-23) présente un spectre où l’on peut distinguer différentes
contributions :
- à 142 ppm, un pic lié aux carbones hybridés sp2 non hydrogénés, dit aussi « carbone
graphitique » impliqués dans des liaisons de type =Csp2< ,
- à 129 ppm, un pic du au carbone sp2 lié à des hydrogènes impliqués dans des liaisons
de type =Csp2H-, attribué ici à des carbones impliqués dans des cycles aromatiques,
- à 41ppm, un pic lié au carbone sp3, impliqué dans des liaisons de type –Csp3H< ou –
Csp3H2-,
126
Chap.III.
le carbone amorphe
- à 21 ppm, un épaulement représentatif des liaisons Csp3 –CH3.
L’analyse des spectres de 50 et 200W nous montre une large conservation des cycles
aromatiques dans le matériau, grâce aux deux pics caractéristiques du carbone sp2, hydrogéné
ou non. Dans une deuxième phase du dépôt, entre 200 et 400W, les cycles sont largement
détériorés, les contributions sp2 ne sont plus distinguables l’une de l’autre, signe d’une plus
grande hétérogénéité des environnements des atomes de carbone. Les cycles ne sont plus du
tout conservés et l’on a un matériau très désordonné, de type carbone amorphe.
Bien qu’il soit très difficile de distinguer les différentes contributions du spectre du carbone,
on peut remarquer que l’on a une zone liée aux hybridations sp2 et l’autre liée aux liaisons
sp3. On peut alors comparer de manière qualitative les aires relatives de ces zones. Le tableau
3-9 récapitule le ratio des aires sp2/sp3 obtenu à partir du spectre du carbone.
Echantillon
Puissance (type)
R2=ASp2/(Asp2+Asp3)
E1
50W RF
0,56
E2
200W RF
0,46
E3
400WRF
0,54
Tableau 3-9 : Aires des contributions sp2 et sp3 des spectres des échantillons 1, 2 et 3 obtenues à partir du
spectre RMN du carbone.
Il est intéressant de comparer le rapport des aires R obtenu par RMN de l’hydrogène (tableau
3-8) et du carbone (tableau 3-9).
La valeur de R obtenue est inférieure en RMN de
l’hydrogène, et cette différence augmente avec la puissance de dépôt. Cette tendance peut
s’expliquer par le fait que l’hydrogène se place préférentiellement sur le carbone hybridé sp3.
3.4. Discussion
Ces analyses ont permis d’approfondir l’étude des conditions d’élaboration des
matériaux et de décrire plus précisément le type de matériaux obtenus.
Phénomènes de dépôt :
Pour de faibles conditions de dissociation, nous avons vu que les couches possèdent
toutes les caractéristiques de matériaux dits « polymères » : faible contrainte interne, faible
densité, faible indice de réfraction et faible tenue en température. La structure de ces films
semble se rapprocher de couches polymérique contenant de fortes quantités de cycles
aromatiques. L’XPS, l’IRTF (partie 2) et la RMN confirment la présence de ces groupements.
En raison du précurseur aromatique utilisé, les matériaux possèdent un fort taux de liaisons
sp2. Ainsi les valeurs obtenues en RMN évoluent autour de 50% pour les échantillons 1 et 2,
valeurs qui ont tendance à minimiser le rapport R= sp2 /(sp2+sp3). Les structures aromatiques
127
Chap.III.
le carbone amorphe
entraînent un certain ordre à courte distance, visible sur les spectres de la bande de valence en
XPS.
Lorsque l’on augmente les conditions de dissociation, ce matériau évolue vers un matériau
plus proche du carbone amorphe habituellement déposé. La proportion de cycles aromatiques
vue en IRTF et RMN diminue et est accompagnée d’un élargissement des spectres,
élargissement significatif de matériaux très désordonné. A partir de 400W RF (Echantillon 3),
les différentes signatures (RMN, XPS) sont spécifiques de matériaux de type « carbone
amorphe ».
Analyse structurale :
La figure 3-24 représente l’évolution du taux R en fonction de l’indice de réfraction. Le
rapport R1, calculé à partir des valeurs de RMN de l’hydrogène est représenté pour les
échantillons possédant des indices de réfraction bas ; R calculé à partir des données d’XPS
est représenté pour les échantillons possédant des hauts indices de réfraction. Pour la couche
n° 3, il est intéressant de comparer les valeurs obtenues selon les techniques utilisées. Le
tableau 3-10 compare les ratios R obtenus selon le type de technique de mesure.
1,0
0,9
0,8
0,7
3
sp /(sp +sp )
0,6
0,5
2
H RMN
XPS
2
0,4
Ech.
0,3
R1 par RMN
R2 Par RMN
R
H
C
XPS
0.42
0.54
0.65
0,2
E3
0,1
0,0
1,60
1,64
1,68
1,72
1,76
1,80
1,84
I.R à1.3 µm
Tableau
Figure 3-24 : Evolution de la quantité de liaison
sp
2
3-10 :
Comparaison
des
2
proportions de liaisons sp selon les
avec l’indice de réfraction pour les
techniques utilisées.
différentes couches, obtenues par RMN et XPS.
Dans une première phase, une diminution de R est observée avec l’augmentation de l’indice
de réfraction, suivie d’une augmentation de ce ratio dans une deuxième phase. Ce
comportement traduit les deux phases différentes qui se produisent lors de l’augmentation du
taux de dissociation :
128
par
Chap.III.
le carbone amorphe
- Dans un premier temps, la plus forte dissociation des cycles entraîne une diminution
du taux de carbone sp2. La rupture des cycles diminue le nombre de liaisons conjuguées, et les
radicaux formés se lient alors à des atomes d’hydrogène dans une hybridation sp3.
- Dans un deuxième temps, l’augmentation de R peut être expliquée par
l’augmentation de la dissociation : Les radicaux formés sont encore plus petits et possèdent
davantage de liaisons pendantes. Les films formés présentent alors un aspect plus réticulé.
L’énergie de création d’une liaison π étant inférieure (63 Kcal.mol-1[Boron03]) à celle d’une
liaison σ (83 Kcal.mol-1[Boron03]), ces liaisons se forment en priorité. L’augmentation du
taux de sp2 avec la puissance met bien en évidence la prédominance de l’effet de la
dissociation sur nos dépôts. En effet, l’augmentation de l’énergie incidente des ions est
connue pour augmenter le taux de liaisons sp 3 dans les matériaux carbonés ([McKenzie96],
[Lifschitz96], [Lifchitz99]). L’augmentation du taux de dissociation devrait faire diminuer R
si ce phénomène était prépondérant. Nous avons vu que ce n’est pas le cas.
D’autre part, comme l’indique le Tableau 3-10, les valeurs de R sont très différentes entre la
RMN et l’XPS. Le signal de RMN de l’hydrogène indique un taux de sp3 supérieur à celui
obtenu par XPS, ce qui traduit la fixation préférentielle de l’hydrogène sur des carbones
hybridés sp3. Par ailleurs, nous avons vu que la différence entre les résultats issus de RMN de
l’hydrogène et du carbone augmentent avec l’indice de réfraction. La propension de
l’hydrogène à se fixer préférentiellement au carbone sp3 augmente donc avec l’indice de
réfraction.
Par conséquent, les matériaux déposés dans cette étude présentent trois tendances
concomitantes avec l’augmentation du taux de dissociation :
- un taux d’hydrogène constant, aux alentours de 30%,
- une augmentation du taux de carbones hybridés sp2, (pour les fort taux de
dissociation),
- une propension pour l’hydrogène à se fixer préférentiellement sur des atomes de
carbone hybridés sp 3.
Ces tendances peuvent être expliquées par le modèle de la croissance d’amas, des
zones regroupant des atomes de carbone hydridés sp2, reliées entre elles par des atomes de
carbone hybridés en sp 3 où seraient fixés les atomes d’hydrogène.
129
Chap.III.
le carbone amorphe
Remarque : origine de l’augmentation de l’indice de réfraction
Nous avons vu (paragraphe 3.3) que l’augmentation de l’indice de réfraction
s’accompagne d’une augmentation de la densité massique de nos films, qui pourrait expliquer
le phénomène. Or, il est à noter que cette augmentation d’indice de réfraction s’accompagne
d’une modification de la structure du matériau, celui-ci devenant de plus en plus graphitique
avec le taux de dissociation. Cette évolution modifie fortement les propriétés électroniques de
nos matériaux, et donc également sa polarisabilité. L’évolution de l’indice de réfraction est
donc le fruit de deux effets concomitants, la densification ainsi que l’augmentation de la
polarisabilité de nos couches. La quantification de ces deux effets paraît toutefois peu aisée.
Ces recherches nous ont ainsi permis de définir le type de matériaux déposés dans
notre étude plasma, et de déterminer leur composition exacte. Les matériaux vont de dépôts
de type polymère à des couches de plus en plus graphitiques. Le fort taux sp2 de nos matériaux
peut être attribué à la nature de nos précurseurs, puis à l’effet de leur dissociation et de la
réticulation. La figure 3-24 représente l’évolution des types de dépôts obtenus dans notre
étude.
0,00
1,00
0,25
sp
2
[C
0,50
0,50
0,75
]
[C sp3
]
0,75
0,25
Taux de dissociation
1,00
0,00
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
[H]
Figure 3-24 : Récapitulatif du type de dépôt obtenus.
D’autre part, la graphitisation de nos matériaux semble s’accompagner d’un phénomène de
ségrégation de l’hydrogène, qui peut être caractéristique de la croissance d’amas.
130
Chap.III.
le carbone amorphe
4. Propriétés optiques des couches
Dans cette partie, nous décrivons les études effectuées sur les propriétés optiques des
films références définis précédemment (voir tableau 3-4). Les pertes intrinsèques des
matériaux ont été mesurées. L’origine de ces pertes a ensuite été recherchée. Pour cela,
l’absorption optique et les défauts paramagnétiques des couches ont été caractérisés.
4.1. Mesure de pertes intrinsèques
Les pertes optiques à 1,3 et 1,55 µm des échantillons ont été étudiées grâce au système
de mesure de pertes METRICON (voir chap. 2).
Pour mesurer les pertes en guide plan, les matériaux ont été déposés sur des substrats silicium
recouverts d’oxyde. L’épaisseur de la couche d’oxyde d’isolation ainsi que de la couche
guidante ont été déterminées de manière à obtenir des guides monomodes et à avoir des pertes
par effet tunnel optique dans le substrat inférieures à 10-3dB/cm (voir chap.5). L’oxyde utilisé
est déposé par PECVD à partir de précurseur TEOS à 400°C puis recuit pendant 3 H à
1000°C. Ce matériau est utilisé au laboratoire pour réaliser des guides optiques à très faibles
pertes dans l’infra rouge. Son absorption intrinsèque est négligeable pour nos applications.
Les épaisseurs des couches sont récapitulées dans le Tableau 4-11.
échantillon
Indice
refraction
1
2
3
4
5
1,6
1,62
1,669
1,7583
1,83
(E1)
(E2)
(E3)
(E4)
(E5)
de
Epaisseur de la
couche (µm)
0.7
0.62
0.59
0.596
0.53
Epaisseur de la
couche
d’oxyde
enterré (µm)
5
5
5
5
5
Pertes
optiques à
1,3µm
1,67
2,5
4,09
5,77
>20dB/cm
Pertes
optiques
à
1,55µm
0,9
1,4
3
4,25
>20 dB/cm
Tableau 4-11 : Descriptif des guides plans utilisés pour les mesures de pertes intrinsèques.
Les pertes optiques ont été mesurées en polarisation TE, à 1,301 et 1,548 µm.
La Figure 4-25 indique les valeurs obtenues pour nos 5 échantillons, elles sont tracées en
fonction de l’indice de réfraction des matériaux obtenus.
131
le carbone amorphe
Pertes optiques (dB.cm^-1)
Chap.III.
6
5
4
3
Pertes à 1,301µm
Pertes à 1,548µm
2
1
0
1,58 1,60 1,62 1,64 1,66 1,68 1,70 1,72 1,74 1,76 1,78
Indice de refraction à 1,3 µm
Figure 4-25 : Pertes optiques des échantillons de carbone amorphe.
Une augmentation des pertes optiques avec l’indice de réfraction est observée. Pour de faibles
indices de réfraction, un niveau de 1,67 dB/cm est obtenu à 1,3µm, de 0,9 dB/cm à 1,55µm.
Pour les applications visées dans ce travail, le carbone amorphe parait limité. En effet, il
semble impossible d’obtenir un matériau à fort indice de réfraction présentant de faibles
pertes optiques, et des niveaux prohibitifs sont obtenus pour des indices de réfraction
supérieurs à 1,6 à 1,3 µm. Néanmoins, les matériaux obtenus dans nos conditions de dépôt
peuvent être intéressants pour des applications requérant un écart d’indice moins contraignant,
ou pour des applications de couches transparentes/couches de protection, où les exigences en
terme de pertes optiques sont plus faibles.
Une augmentation des pertes optiques est observée, elle va de pair avec la modification du
matériau d’un dépôt de type « polymère » à un matériau de type carbone amorphe comme vu
précédemment. Néanmoins, l’origine des pertes optiques de ce matériau n’est pas facilement
identifiable. C’est pourquoi, nous avons cherché à connaître ses propriétés optiques de
manière plus approfondie.
4.2. Origine des pertes optiques
Pour déterminer l’origine des pertes optiques de nos échantillons, deux types de
caractérisation ont été effectués.
Une campagne de spectrophotométrie a été entreprise afin de déterminer l’absorption
des dépôts en fonction de la longueur d’onde pour déterminer leurs bandes interdites. Cette
campagne est décrite dans l’annexe 4 et seuls les résultats principaux seront ici discutés.
132
Chap.III.
le carbone amorphe
Une campagne de résonance paramagnétique électronique a ensuite été effectuée sur
nos échantillons, nous permettant d’évaluer le type et la quantité de défauts paramagnétiques
des films et leur éventuelle influence sur les pertes optiques des couches. Cette étude est
discutée en détail dans l’annexe 5.
4.2.1.
Bande interdite des couches
La bande interdite est un paramètre déterminant dans l’évolution des propriétés
optiques des couches dans la mesure où elle détermine le seuil d’absorption des matériaux.
D’autre part, les bords de bandes sont également le lieu de phénomènes d’absorption liés aux
défauts des matériaux amorphes qui entraînent des queues de distribution situées proche de
celle-ci, et il est important d’en déterminer l’influence.
Pour définir le bande interdite des matériaux amorphes, deux valeurs sont les plus utilisées :
-
la bande interdite E04, définie comme l’énergie pour laquelle le coefficient
d’absorption α =104cm-1,
- la bande interdite de Tauc, définie à partir du modèle empirique du même nom, qui
suppose des bandes d’absorption paraboliques.
On a alors l’équation :
αE = B( E − E gTauc ) 2
Équation 4-4
Où α est le coefficient d’absorption, E l’énergie des photons, Egtauc la valeur de la bande
interdite au sens de Tauc. La figure 3-26 représente l’extraction de la valeur de la bande
interdite de Tauc à partir des données d’absorption obtenues. L’absorption en bord de bande
suit bien le modèle de Tauc.
400
350
E4
E3
300
E2
E1
200
150
( α( **E)^0,5
E)0,5
250
E5
100
50
0
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
-50
Energie(hv) (eV)
Energie (eV)
Figure 3- 26 : Evolution de la racine carrée du produit a*E en fonction de l’énergie du faisceau incident.
Pour chaque droite, l’ordonnée à l’origine définit la bande interdite au sens de Tauc.
133
Chap.III.
le carbone amorphe
Finalement, la figure 3-27 représente l’évolution des bandes interdites optiques des
Gap (eV)
échantillons en fonction de leurs indices de réfraction.
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1,55
Gap de tauc
Gap E04
1,6
1,65
1,7
1,75
1,8
1,85
R.I à 1.3µm
Figure3-27 : Evolution de la bande interdite des matériaux en fonction de l’indice de réfraction à 1,3µm.
Une différence dans les valeurs de bande interdite entre E04 et Egtauc, comprise entre 0,7 et
1eV est observée. Cette différence correspond aux valeurs mentionnées dans la littérature,
même si elle parait ici un peu plus élevée (une valeur de 0,6eV est souvent relevée entre Etauc
et E04 [Barklie01], [Robertson 02]). Cette différence peut être attribuée à la forte incertitude
des mesures pour les valeurs d’absorption correspondant à des énergies inférieures à la bande
interdite.
D’autre part, la valeur de la bande interdite diminue lorsque l’indice de réfraction augmente.
Elle concorde avec l’augmentation du taux de liaison sp2 vu précédemment, qui est connu
pour diminuer la bande interdite (voire paragraphe 1.2). Néanmoins, les valeurs de bande
interdite obtenues situent toujours les radiations infrarouges dans le domaine de transparence
des matériaux, et aucune absorption directe n’est possible. (La bande Interdite minimale
EgTauc5 est trouvée à 1,35eV ce qui correspond a un seuil d’absorption λ<0,95 µm, largement
inférieur à nos radiations.) L’influence des états situés en bords de bande peut alors être mise
en cause. Malheureusement, la qualité des spectres expérimentaux rend impossible de
déterminer l’énergie d’Urbach, bon indicateur de ces queues de distribution caractéristiques
de ces états. Cependant, on peut remarquer que les énergies d’Urbach associées au carbone
amorphe dans la littérature possèdent des amplitudes de l’ordre de 50 à 150 meV
[Robertson02]. Pour influencer l'absorption des couches, il est ainsi nécessaire de se trouver à
une longueur d’onde proche de la bande interdite. Dans notre étude, seul l’échantillon 5, voir
le 4, peuvent être concernés par ce type d’absorption.
134
Chap.III.
le carbone amorphe
4.2.2. Evolution de la densité de défaut
La résonance paramagnétique électronique permet de déterminer la quantité de défauts
paramagnétiques (défauts radicalaires de type R°) dans les couches, défauts qui peuvent créer
des pertes optiques par absorption. En effet, Bouzerar, Zienert et Von Bardeleben
([Zienert00], [Bouzerar05]) ont récemment démontré une corrélation entre les pertes optiques
à faible énergie, et la quantité de défauts paramagnétiques présents dans des matériaux
carbonés. Sur des couches de carbone déposées par pulvérisation cathodique, ils ont étudié
l’absorbance à faible énergie de ces matériaux. En utilisant des modèles d’absorption liés aux
niveaux profond dans la bande interdite, les quantités de défauts proches du niveau de Fermi
ont été quantifiées. Ces données ont été comparées au taux de défauts paramagnétiques
observés par résonance paramagnétique électronique, et une bonne corrélation a été
démontrée. Ainsi, les défauts paramagnétiques entraînent une absorption optique pour de
faibles énergies, a fortiori dans le domaine infra rouge. La figure 3-28 représente l’évolution
de la quantité de défauts paramagnétiques de nos échantillons, représentée en fonction de leur
indice de réfraction.
- 3)
Densitée de défauts Ns (cm
(cm-3)
1E+21
1E+20
1E+19
1E+18
1,55
1,6
1,65
1,7
R.I à 1.3µm
1,75
1,8
1,85
I.Rréfraction
à 1,3µmàà1,3µm
Indicede
de
réfraction
Indice
1,3µm
Figure 3-28: Evolution de la quantité de défauts des échantillons de carbone amorphe en fonction de
l’indice de réfraction à 1,3 µm.
Une augmentation de la quantité de défauts avec l’indice de réfraction des couches déposées
est observée, suivie d’une saturation pour un niveau important autour de 5 .1020 d.cm-3. Cette
évolution paraît en accord avec la littérature. En effet, si l’on considère l’évolution du nombre
de défauts par rapport à la bande interdite E04 [Barklie03], [Robertson02], des valeurs en
complet accord avec les autres auteurs sont obtenues (figure 3-29). Cette évolution peut
expliquer l’augmentation des pertes optiques entre les échantillons 1 et 4. Par contre, la
stagnation du niveau de défaut entre les échantillons 4 et 5 ne correspond pas à
l’augmentation continue des pertes.
135
Chap.III.
le carbone amorphe
Figure 3-29 : Evolution du nombre de défauts avec la bande interdite E04 d’après [Barklie03]. Les données
expérimentales ont été rapportées en rouge sur la courbe.
Type de défauts
Afin d’identifier le type de défauts, la variation de la largeur des signaux de RPE a été
examinée. En effet, Barklie et al.[Barklie03] ont montré que dans le carbone amorphe,
l’évolution de la largeur entre maxima du signal, qui met en jeu des phénomènes d’interaction
de spin ou d’interaction avec l’hydrogène est représentative du type de défauts. Une forte
évolution de la largeur avec la bande interdite est caractéristique de défauts liés à des orbitales
π (sp2) dans des amas d’atomes de carbone hybridés sp2. Cette tendance se retrouve
parfaitement sur nos échantillons (voir figure 3-30) et l’on peut donc identifier les centres
paramagnétiques de nos matériaux comme des défauts dans des amas de type sp2.
Figure 3-30 : Evolution de la largeur des spectres en fonction de E04 d'après [Barklie03]. Les données
expérimentales ont été rapportées en rouge sur la courbe.
136
Chap.III.
le carbone amorphe
4.3. Discussion
Grâce à ces études, un modèle permettant d’expliquer le comportement optique des
couches de carbone amorphe déposées peut être présenté. En augmentant le régime de plasma,
un matériau de plus en plus graphitique est déposé, qui présente un indice de réfraction
croissant. En raison de l’augmentation de la proportion d’atomes hybridés sp2 dans les
couches, la bande interdite de ce matériau diminue graduellement. Au niveau des pertes
optiques en infrarouge, deux régimes sont à distinguer :
-
Pour de « faibles » indices de réfraction compris entre 1,6 et 1,75 à 1,3µm. La bande
interdite des matériaux est importante et ne joue aucun rôle dans l’absorption. Par
contre, les défauts paramagnétiques, créant des niveaux proches du niveau de Fermi
augmentent avec l’indice de réfraction. Les pertes optiques peuvent alors être
attribuées à des transitions entre ces niveaux. Ces niveaux sont dus à des défauts liés
aux liaisons π du matériau. Il est normal de voir leur concentration augmenter avec la
graphitisation.
-
Pour de plus forts indices de réfraction. Cette explication ne suffit pas à expliquer
l’augmentation des pertes. En effet, si les défauts profonds sont toujours importants,
leur niveau sature et ne peux expliquer l’augmentation continue des pertes optiques. Il
est alors nécessaire de considérer les niveaux énergétiques en bord de bande interdite,
de type queue de distribution. En effet, l’augmentation de l’indice de réfraction
s’accompagne d’une diminution de la bande interdite des films et il est probable que
des transitions entre des niveaux de la queue de distribution de la bande de valence et
de la bande de conduction sont responsables de l’augmentation de l’absorption.
5. Conclusion
La réalisation de liens optiques au dessus de circuits microélectroniques nécessite la
mise au point de couples de matériaux présentant un fort contraste d’indice de réfraction, de
faibles pertes optiques intrinsèques et des températures de dépôt limitées. Dans cette
approche, le carbone amorphe déposé par PECVD, de par la grande versatilité de ses
propriétés physiques, sa bonne transparence dans le domaine infrarouge et ses faibles
températures de dépôt, est un bon candidat pour ces applications. La mise au point de ce
matériau a donc été entreprise, son processus de dépôt par plasma, ses propriétés physiques
ainsi que ses propriétés optiques ont été étudiées.
137
Chap.III.
le carbone amorphe
Il apparaît qu’en maîtrisant les paramètres de dépôt, et par là le taux de dissociation des
précurseurs cycliques utilisés, il est possible d’obtenir un matériau présentant un indice de
réfraction compris entre 1,6 et 2 dans le domaine infrarouge. Une étude plus poussée de
l’évolution physique des couches en fonction de l’indice de réfraction a été effectuée.
En augmentant l’indice de réfraction, le passage d’un matériau de type polymère à un
matériau de type « carbone amorphe » possédant un grand nombre de liaisons π (carbone
hybridés sp2) est observée. Pour les forts indices de réfraction, cette augmentation
s’accompagne d’une graphitisation du matériau avec une augmentation des liaisons π.
Les pertes optiques du matériau ont ensuite été caractérisées. Pour des couches à faible indice
de réfraction, des pertes proches du dB/cm à 1,5µm sont obtenues. Ces pertes augmentent
pour les indices de réfraction supérieurs, jusqu'à atteindre des niveaux de 20dB/cm pour un
indice de réfraction de 1,8 à la longueur d'onde de 1,3µm. L’origine de ces pertes a été
recherchée. Elles peuvent être attribuées à l’absorption entre niveaux énergétiques créée par
des défauts liés au amas de liaisons π dans un premier temps auxquels s’ajoute une absorption
liée à des défauts proches des bords de bande interdite pour de plus fort indice de réfraction.
L’augmentation du taux d’atomes de carbone ayant une hybridation sp2 rend donc impossible
la mise au point de couches à fort indice de réfraction et à très faibles pertes optiques avec
notre technique de dépôt.
D’un point de vue pratique, le matériau développé ici peut avoir des propriétés intéressantes
pour différentes applications :
-
Optique intégrée à faible contraste d’indice (∆N<0,1) où il présente de faibles pertes
optiques.
-
Matériau de revêtement optique pour des applications de type couches antiréflectives
ou couches de protection : déposés avec de fortes conditions de dépôt, ses bonnes
qualités mécaniques sont intéressantes et ses pertes optiques dans une gamme modérée
compte tenu du faible chemin optique parcouru.
Cependant, il est impossible d’obtenir des matériaux à fort indice de réfraction et à faibles
pertes comme visé pour notre application. Une solution serait peut être d’explorer un autre
type de dépôt, permettant le développement de couches à forts indices de réfraction et riches
en carbones sp3. Des techniques telles que le dépôt par flux d’ions où le dépôt plasma utilisant
un confinement cyclotron (ECR PECVD) peuvent être envisagées. Il parait néanmoins
difficile d’obtenir un matériau à très faible niveau de pertes.
138
Chap.III.
le carbone amorphe
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141
Chap.III.
le carbone amorphe
142
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Chapitre 4 : Propriétés optiques du Nitrure de
Silicium et du silicium amorphe déposés par
PECVD
143
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
144
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Introduction :
Ce chapitre se divise en deux parties, consacrées au nitrure de silicium et au silicium
amorphe déposés par PECVD. Après avoir exposé les principales caractéristiques du nitrure
de silicium, l’évolution de ses propriétés optiques avec les conditions de dépôt sera détaillée,
suivie par l’étude de l’origine des pertes. Pour cela, des mesures de pertes optiques, d’indice
de réfraction et des caractérisations physicochimiques seront utilisées. Une plage d’intérêt en
terme d’indice de réfraction et de pertes intrinsèques sera définie, pour finalement exposer les
propriétés des matériaux choisis pour réaliser des composants dans la suite de notre travail.
La deuxième partie décrit les propriétés du silicium amorphe déposé par PECVD. Son
intérêt pour nos applications, ses principales caractéristiques ainsi que l’influence de la
rugosité d’interface sur les pertes en guides plans sont exposées. Les propriétés optiques de la
recette de dépôt utilisée pour réaliser des composants seront finalement détaillées.
1.
Le nitrure de silicium.
Intérêt du nitrure de silicium
Le nitrure de silicium est un matériau largement développé dans le domaine de la
microélectronique, où il a été employé pour diverses applications comme isolant pour des
transistors à films minces [Matsumoto92] ou comme couche de passivation [Sinha78]. Sa
bande interdite importante ainsi que son fort indice de réfraction lui confèrent des propriétés
intéressantes pour l’optique intégrée. Ainsi, de nombreux travaux ont déjà porté sur la mise au
point de guides d’ondes et de composants optiques en nitrures de silicium. Comme nous
l’avons vu au chapitre 1, les technologies traditionnellement employées utilisent des procédés
haute température de manière à développer des couches les plus denses et pures possibles. La
majorité des travaux relatifs au guidage de la lumière dans le nitrure de silicium met ainsi en
œuvre des procédés de type LPCVD (pour Low Pressure Chemical Vapor Deposition ou
Dépôt Chimique en Phase Vapeur Basse Pression) ou PECVD suivi de recuits haute
température ([Ollfrein 04],[Bona03],[Pandey04],[Modreanu99]…)pour éviter la présence
d'hydrogène dans les couches. En effet, les liaisons N-H entraînent des pertes optiques
importantes à 1,55 µm dues à la première harmonique de vibration de ces liaisons, autour de
1,53 µm.
Par ailleurs, le dépôt de nitrure de silicium amorphe hydrogéné par PECVD basse température
a trouvé plus récemment de nombreuses applications, notamment pour la passivation de
145
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
cellules solaires [Santana00] ou d’imageurs intégrés [Benoit04], dans lesquels l’hydrogène
joue un rôle important.
Le nitrure de silicium amorphe hydrogéné :
Le nitrure de silicium déposé par PECVD est largement hydrogéné, et rarement
stœchiométrique. Il est souvent désigné comme α-SiNx:H. Nous l’appellerons ici SiNx.
Au niveau structural, ce matériau est amorphe et donc très désordonné. Il n’y a pas de
structure à grande échelle, mais l’étude des configurations des premiers voisins montre que
l’ordre varie en fonction de la quantité d’azote présente dans les films. Pour des quantités
d’azote relativement faibles, les atomes N incorporés sont liés à trois atomes de silicium (Si)
([Karcher84],[Hasegawa87]). Pour de plus fortes proportions, il est souvent rapporté que les
atomes de nitrures se lient à deux atomes de Si et un atome d’hydrogène (H) comme premiers
voisins [Morimoto85], [Hasegawa90]. La bande interdite du nitrure de silicium est
importante, lui octroyant une large gamme de transparence. Ainsi, des valeurs de bande
interdite proches de 5eV sont souvent observées pour des nitrures proches de la composition
steochiometrique et contenant peu d’hydrogène. L’augmentation de la proportion
d’hydrogène (notamment dans les liaisons Si-H) [Petalas95], ou de silicium tend à diminuer la
bande interdite jusqu'à des valeurs proches de 1.8 eV [Jasruddin00].
Différentes chimies de dépôt peuvent être utilisées par PECVD, les mélanges les plus
courants étant réalisés à base de SiH4/ NH3 et/ou N2 [Mackel92].
1.1.
Propriétés optiques de nitrure de silicium déposé par
PECVD
Nous traiterons ici des effets des principaux paramètres de dépôt sur les propriétés
optiques du nitrure de silicium. L’évolution structurale des matériaux a été caractérisée par
IRTF et l’indice de réfraction ainsi que les pertes optiques ont été mesurées par la méthode
des Mlines.
1.1.1.
Démarche de l’étude et recette de dépôt :
Le développement du matériau s’est effectué à partir de la recette standard du nitrure
de silicium mise au point au laboratoire pour des applications microélectroniques de type
«barrière de diffusion». Ce dépôt est réalisé par PECVD à 400°C, et vise une composition
146
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
proche de la stœchiométrie. Le dépôt est effectué à partir d’un mélange SiH4/NH3/N2 dans un
réacteur capacitif (décrit partie 2.1) excité en radio fréquence (13,56 MHz). Cette recette
standard a servi de point de départ pour notre étude, ses paramètres de dépôt sont récapitulés
dans le tableau 4-1. Les propriétés optiques du matériau ainsi déposé sont récapitulées dans le
tableau 4-2.
Recette
Standard
[NH3]
[SiH4]
[Pression]
[Puissance]
[N2] (sccm)
Température
(sccm)
(sccm)
(Torr)
(W)
(°C)
15
60
5,75
380
400
Tableau 4-1 : Paramètres de dépôt de la recette standard
Rec
Std.
O,632 µm
1.3 µm
NTE
NTM
-4
(+/- 3.10 )
-4
(+/- 3.10 )
1,8945
1,9027
LTE
1.55 µm
LTM
NTE
NTM
(dB/cm)
(dB/cm)
-4
(+/- 3.10 )
-4
(+/- 3.10 )
2,4
2,5
1,8675
1,8754
LTM
NTE
NTM
LTE
LTM
(dB/cm)
(dB/cm)
-4
(+/- 3.10 )
-4
(+/- 3.10 )
(dB/cm)
(dB/cm)
0,6
1,1
1,8617
1,8682
3,14
3,23
LTE
Tableau 4-2: Indice de réfraction et pertes optiques de la recette standard pour différentes longueurs
d’onde. (Où NTE/TM est l’indice de réfraction des couches en polarisation TE ou TM, LTE/TM les pertes
optiques en polarisation TE ou TM).
Ce matériau présente de faibles pertes dans le domaine infrarouge proche de 1,3 µm, et des
pertes plus importantes à 1,55 µm et 0,632 µm. Les pertes à 1,55µm peuvent être attribuées à
la présence de liaisons N-H dans nos matériaux ([Worhoff99], voir chap.1), celles à 0,632 nm
sont certainement liées à des niveaux énergétiques en bordure de bande interdite. D’autre part,
ce matériau présente une légère biréfringence (∆N=NTE-NTM), qui peut être attribuée aux
contraintes internes dans les couches. A partir de ce point de fonctionnement, les effets des
différents paramètres de dépôt sur les propriétés structurales et optiques des couches ont été
examinés. Le flux de NH3, de SiH4, la pression ainsi que la puissance de dépôt ont été
modifiés. L’indice de réfraction et les pertes optiques en polarisation TE ont été étudiés, pour
les longueurs d’ondes de 1,3 et 1,55µm. Leur évolution a été mise en rapport avec celle de la
structure des films, observée par IRTF.
Finalement, le Tableau 4-3 récapitule les bornes entre lesquelles nous avons fait varier
les paramètres.
147
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Paramètres
Valeurs Min Valeurs Max
Flux de NH3 (sccm)
15
100
Flux de SiH4 (sccm)
30
90
Pression (Torrs)
4
8
Puissance de dépôt (W)
180
580
Tableau 4-3: Limites de variation des paramètres de dépôt.
Etude des films par spectroscopie infrarouge :
Par spectroscopie infrarouge, une signature des couches de nitrure déposées est
obtenue. La Figure 4-1 représente un spectre caractéristique pour les couches obtenues avec
nos conditions de dépôt. Le spectre se décompose en plusieurs bandes d’absorption :
- Deux bandes liées aux liaisons SiN, à 850 et 957 cm-1.
- Deux bandes liées aux liaisons N-H, à 3340 et 1170 cm-1.
- Deux bandes liées aux liaisons Si-H, à 2160 et 665 cm-1.
Les attributions des pics sont rapportées dans le Tableau 4-4.
Si-N
1,6
Absorbance Normalisée
1,4
1,2
1,0
N-H
0,8
0,6
Si-H
Si-H
0,4
0,2
0,0
-0,2
4000
3000
2000
1000
-1
Nombre d'onde (cm )
Figure 4-1 : Spectre IRTF caractéristique d’une couche de SiNx
148
0
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Nombre d’onde
Type
de Type
de Source
(cm-1)
liaison
vibration
665
Si-H
rocking
[Ay04]
843
Si-N
streching
[Smith90], [Liao97], [Rocheleau92], [Molinari01]
957
Si-N
streching
[Ay04]
1180
N-H
rocking
[Lowe86], [Liao97], [Rocheleau92], [Molinari01]
3340
N-H
streching
[Lowe86], [Pearce92], [Flewitt 01], [liao97],
2160
Si-H
streching
[Lanford 78]
Tableau 4-4: attribution des pics de vibration des spectres FTIR.
Grâce à la signature FTIR, la composition des films en liaison Si-H et N-H a été étudiée. Leur
proportion a été calculée en utilisant l’équation :
C=
1
∫ α (ω )dω
σt Bande
Équation 4-1
Où C est la concentration de liaison en cm-3, σ la section efficace de capture (cm-2), t
l’épaisseur de la couche et ω la fréquence intégrée sur la bande d’absorption envisagée. La
bande située à 3350 cm - 1 est utilisée pour les liaisons N-H, celle à 2170 cm-1 pour les liaisons
Si-H. Pour étalonner les sections efficaces de capture, une analyse ERDA (pour Elastic Recoil
Detection Analysis) a été effectuée sur deux couches étalons E1 et E2. Cette analyse donne le
taux d’hydrogène des matériaux. Il peut être mis en relation avec les densités de liaisons Si-H
et N-H en supposant qu’il n’y a pas de liaisons H-H. On a alors : [H]= [Si-H]+ [N-H]. Pour
étalonner les sections efficaces de capture, le rapport σSi-H/σΝ−Η à été considéré égal à 1,4,
conformément au travaux de Landford et al. [Landford78]. Les sections efficaces obtenues
sont représentées dans le tableau 4-5, ainsi que le taux d’hydrogène déterminé en ERDA et
par IRTF pour les deux couches.
σSi-H
-2
(cm )
σΝ−Η
-2
(cm
Couche
)
Ce travail
10,4 .10-18
7,42. 10-18
[Landford78]
7,4 10-18
5,3 .10-18
[Η] par
[Η] par
-3
ERDA(cm )
IRTF(cm-3)
E1
4, 68 1021
4,68 1021
E2
3,29 1021
2,8 .1021
Tableau 4-5 : Sections efficaces des liaisons Si-H et
Tableau 4-6 : Taux d’hydrogène trouvé dans les
N-H, comparaison avec les valeurs obtenues par
couches, par NRA ou grâce à l’analyse IRTF.
Landford et Al.
149
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Une erreur relative de 15% est observée entre les analyses ERDA et IRTF sur
l’évolution du taux d’hydrogène. Elle peut être attribuée à l’incertitude de mesure des aires en
IRTF. D’autre part, les sections efficaces obtenues avec nos spectres sont différentes de celles
calculées par Landford et al. Cet écart peut être attribué aux différences de calcul de
l'intégrale, Landford et al. utilisant une formule très approximée. D’autre part, avec l’appareil
IRTF utilisé dans notre étude, toutes les couches déposées présentent une quantité détectable
de liaisons N-H. Par contre, pour les liaisons Si-H, un certain nombre de couches ne
présentent pas de bande d’absorption détectable. Nous évaluons cette limite de détection à un
seuil situé au environ de 5 .1019 liaisons par cm3.
1.1.2.
Effet du flux de NH3 :
L’influence du flux de NH3 a tout d’abord été examinée. Celui-ci a été modifié dans la
chambre de dépôt entre 0 et 100 sccm. Les autres valeurs sont maintenues constantes aux
niveaux décrits dans le Tableau 4-1. La figure 4-2 rend compte de l’évolution de la vitesse de
dépôt ainsi que de l’indice de réfraction en fonction du flux de NH3. La composition des films
en liaisons hydrogénées est donnée figure 4-3. Le flux d’ammoniac a une faible influence sur
l’indice de réfraction et la vitesse de dépôt. En revanche, la proportion de liaisons N-H
augmente avec la quantité d’ammoniac, et semble être le principal facteur d’intégration de
1,95
240
1,9
235
1,85
230
1,8
225
1,75
220
1,7
215
1,65
210
1,6
205
1,55
200
0
20
40
60
80
100
7,0E+21
6,0E+21
6,0E+21
5,0E+21
5,0E+21
4,0E+21
4,0E+21
N-H
3,0E+21
3,0E+21
[H]
2,0E+21
2,0E+21
1,0E+21
1,0E+21
1,0E+19
1,5
120
0
20
40
60
80
100
[H] at/cm^3
2
245
absorbance normalisée(U.A)
250
Indice de refraction à 1.3 µm
Vitesse (Nm/min)
l’hydrogène dans les couches.
1,0E+19
120
Flux de NH3 (sccm)
flux de NH3(sccm)
Figure 4-2: Evolution de la vitesse de dépôt et de
Figure 4-3 : Evolution de la proportion de liaisons
l’indice de réfraction avec le flux de NH3
Si-H et N-H ainsi que du taux d’hydrogène avec le
flux de NH3
150
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
14
Pertes optiques (dB/cm)
12
10
8
à 1.301 µm
6
à 1.548 µm
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Flux de NH3 (sccm)
Figure 4-4: Evolution des pertes Optiques à 1,301µm
et 1,548 µm en fonction du flux de NH3. Mesures
effectuées en polarisation TE.
Au niveau des pertes optiques (voir figure 4-4), une forte augmentation des pertes à
1,55µm est observée, qui peut être attribuée au taux de liaisons N-H dans les couches.
1.1.3.
Effet du flux de SiH4
L’influence du flux du second précurseur gazeux a ensuite été analysée. Le flux de
SiH4 a été modifié entre 30 et 90 sccm, les autres paramètres étant maintenus aux valeurs
fixées dans le Tableau 4-1. Dans la gamme de flux explorée, un faible effet sur l’indice de
réfraction et la vitesse de dépôt est observé (figure 4-5), avec des valeurs évoluant autour de
1,85 d’indice de réfraction et 220nm/min pour la vitesse de dépôt. Au niveau de la
composition des films, bien que l’hydrogène soit principalement fixé à l’azote, l’augmentation
de silane dans la chambre fait diminuer le taux de liaisons N-H dans les couches,
conformément aux observations faites dans la littérature ([Mackel92], [Ay01]). Ceci peut être
expliqué par l’enrichissement du film en silicium pour des plus forts taux de silane,
enrichissement qui pousse les atomes d’azote à se lier à trois atomes de silicium plus qu’à
l’hydrogène. Pour de plus fort taux de SiH4, une augmentation des liaisons Si-H est observée
(voir figure4-6).
151
2
245
1,95
240
1,9
235
1,85
230
1,8
225
1,75
220
1,7
215
1,65
210
1,6
205
1,55
200
20
30
40
50
60
70
80
[liaisons] (cm^-3)
250
4,01E+21
3E+21
3,01E+21
2E+21
2,01E+21
Si-H
N-H
[H]
1E+21
1,5
100
90
4E+21
1,01E+21
1E+19
20
Flux de SiH4 (sccm)
[H] (at.cm^-3)
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Indice de refraction à 1.301 µm
Vitesse de dépot (nm/min)
Chap. IV
30
40
50
60
70
Flux de SiH4 (sccm)
80
90
1E+19
100
Figure 4-5: Evolution de la vitesse de dépôt et de
Figure 4-6: Evolution de la proportion de liaisons
l’indice de réfraction avec le flux de SiH4.
Si-H et N-H ainsi que du taux d’hydrogène avec le
flux de SiH4.
L’évolution des pertes optiques est rapporté sur la figure 4-7. Une diminution des pertes à
1,55 µm est observée. Elle peut être reliée à la baisse de liaisons N-H dans les films.
12
Pertes optiques (db/cm)
10
8
6
à 1.301µm
à 1.548 µm
4
2
0
20
30
40
50
60
70
Flux de SiH4 (sccm)
80
90
100
Figure 4-7 : Evolution des pertes Optiques à
1,301µm et 1,548 µm en fonction du flux de SiH4.
Mesures effectuées en polarisation TE.
Ainsi, l’évolution de la composition des films est conditionnée par le rapport
SiH4/NH3, qui joue notamment sur la proportion de liaisons N-H ou Si-H incorporées.
L’augmentation de silane dans le mélange gazeux fait diminuer la proportion de liaisons N-H
dans un premier temps, puis entraîne une augmentation de la proportion de liaisons Si-H dans
un second temps. La diminution de N-H peut s’expliquer par le passage d’un matériau sousstœchiométrique, où les atomes d’azote sont liés à deux atomes de silicium et un atome
d’hydrogène, à un matériaux plus proche de la stœchiométrie où les atomes d’azote ont
tendance à se lier à trois atomes de silicium. L’augmentation de liaisons Si-H est alors
caractéristique d’un matériau sur-stœchiométrique plus riche en silicium. Cette évolution a
également été observée par de nombreux auteurs ([Santana00], [Hasegawa93], [Ay01]).
152
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
1.1.4.
Effet de la pression :
Un autre paramètre de dépôt important est la pression de travail, qui contrôle
indirectement la quantité de précurseurs injectée dans la chambre de dépôt. La pression de
travail a été modifiée entre 4 et 8 torrs, les autres paramètres restant fixés aux valeurs définies
dans le Tableau 4-1. Une faible variation de la vitesse de dépôt ainsi que de l’indice de
réfraction est observée dans la gamme étudiée (figure 4-8). Pour de faibles valeurs de
pression, les spectres IRTF montrent des films plutôt riche en azote (figure 4-9), alors que la
concentration en silicium semble augmenter avec la pression de dépôt. L’augmentation de
pression due à l’augmentation de matière introduite dans le réacteur correspond à une
diminution du taux de dissociation W/FM (ou facteur de Yasuda, voir chap2). Ce facteur est
représentatif de l’énergie de dissociation apportée à chaque molécule. On voit ici que pour un
faible taux de dissociation, l’incorporation de silicium dans les films est plus importante que
celle d’azote, donnant lieu à une diminution des liaisons N-H puis à une augmentation des
liaisons Si-H. Ceci peut être expliqué par une énergie de dissociation plus faible pour le silane
1,95
240
1,9
235
1,85
230
1,8
225
1,75
220
1,7
215
1,65
210
1,6
205
1,55
200
6,01E+21
4
5
6
7
8
5,01E+21
4,01E+21
4,01E+21
3,01E+21
3,01E+21
2,01E+21
2,01E+21
Si-H
N-H
[H]
1,01E+21
1,5
3
5,01E+21
[H] at.cm^-3
2
245
[liaisons](cm^-3)
250
Indice de refraction à 1.301 µm
Vitesse de dépot (nm/min)
(∆E=384 KJ.mol-1 [Seetula91]) que pour l’ammoniac (∆E=449,4KJ.mol-1 [McMillen82]).
1,01E+21
9
1E+19
Pression [Torr]
1E+19
2
3
4
5
6
pression(torr)
7
8
9
Figure 4-8 : Evolution de la vitesse de dépôt et de
Figure 4-9 : Evolution de la proportion de liaisons Si-
l’indice de réfraction avec la pression de travail.
H et N-H ainsi que du taux d’hydrogène avec la
pression de dépôt.
Au niveau des pertes optiques, une diminution des pertes pour la longueur d’onde de
1,55µm est observée avec la pression de dépôt, ce qui peut être mis en relation avec la
diminution de liaisons N-H également observée.
153
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
9
Pertes optiques (dB/cm)
8
7
6
5
à 1.301µm
à 1.548µm
4
3
2
1
0
3
4
5
6
Pression (Torrs)
7
8
9
Figure 4-10: Evolution des pertes Optiques à 1,301µm et 1,548µm en fonction de la pression de dépôt.
Mesures effectuées en polarisation TE.
1.1.5.
Effet de la puissance de dépôt :
L’influence de la puissance de dépôts sur les propriétés des couches déposées à
également été analysée. La puissance de dépôt a été modifiée entre 180 et 580 W, les autres
paramètres restant fixés aux valeurs définies dans le Tableau 4-1. La Figure 4-11 représente
l’évolution de l’indice de réfraction avec la puissance de dépôt entre 180 et 580 W. Une
importante variation est observée, des matériaux présentant des indices de réfraction élevés
sont obtenus pour de faibles puissances de dépôt. Cette tendance est caractéristique de
l’enrichissement en silicium des films. Cet enrichissement est également visible sur la figure
4-12, où un fort taux de liaisons Si-H dans le matériau est observé pour de faibles puissances
de dépôt. Ce taux diminue lorsque la puissance augmente. Cette évolution avec la puissance
de dépôt concorde avec les observations effectuées dans l’étude en pression : une plus forte
incorporation de silicium est observée pour un plus faible ratio W/FM.
2,3
250
6E+21
6E+21
5E+21
5E+21
2
230
1,9
220
1,8
1,7
210
1,6
200
150
200
250
300
350
400
450
1,5
500
4E+21
3E+21
3E+21
2E+21
2E+21
1E+21
1E+21
0
150
Puissance (W)
N-H
Si-H
[H]
4E+21
200
250
300
350
Puissance (W)
400
450
[H] (at.cm^-3)
2,1
[Liaisons](cm^-3)
240
Indice de refraction à 1.3 µm
Vitesse de dépôt (nm/min)
2,2
0
500
Figure 4-11: Evolution de la vitesse de dépôt et de
Figure 4-12 : Evolution de la proportion de liaisons
l’indice de réfraction avec la puissance de dépôt.
Si-H et N-H ainsi que du taux d’hydrogène avec la
puissance de dépôt.
154
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Evolution de la stœchiométrie des dépôts
La stœchiométrie des dépôts a été déduite des mesures d’indice de réfraction et
d’IRTF. En effet, le rapport x=[N]/[Si] peut être déduit de l’indice de réfraction par une
formule proposé par Makino et al.[Makino83] :
x=
4
na − si:H − n
3 n + na − Si:H − 2.na − Si3 N 4
Équation 4-2
Où na-Si :H= 3,3 est l’indice de réfraction à 0,632 µm du silicium amorphe, na-Si3N4=1,9 est
l’indice de réfraction du nitrure de silicium stœchiométrique à 0,632 µm , et ou les liaisons
hydrogène sont négligées. Il a également été proposé que ce rapport x soit déduit du nombre
de liaisons hydrogénées dans les couches par Claasen et al.[Claassen83] selon la loi :
1
[ Si − H ]
= 0,0084
+ 0,70
x
[N − H ]
Équation 4-3
La figure 4-13 représente l’évolution des ratios [Si]/[N]=1/x obtenus avec ces deux formules
pour différentes puissances de dépôt. Pour évaluer ces résultats, une campagne d’analyse en
RBS (pour Rutherford Backscattering Spectroscopy) a été effectuée sur deux échantillons
(180 et 580 W). La RBS est une technique permettant de doser les éléments silicium et azote
dans un dépôt, avec une précision de l’ordre de 1%. Les rapports donnés ici peuvent donc
faire référence.
2,5
[Si]/[N]= 1/x
2
FTIR
RI 632
RBS
1,5
1
0,5
0
150
200
250
300
350
400
450
500
Puissance de dépôt (W)
Figure 4-13 : Evolution du ratio [Si]/[N] en fonction de la puissance de dépôt. Valeurs obtenues à partir
des données IRTF et de l'équation 4-3, à partir des données d'Indice de réfraction et de l'équation 4-2, ou
par RBS.
155
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
L’évolution de la stœchiométrie confirme les analyses précédentes, le taux de silicium
augmente lorsque la puissance de dépôt diminue. D’autre part, une forte surestimation du
rapport [Si]/[N] obtenu par FTIR à faible puissance est observée. Elle peut être attribuée à la
difficulté de détecter les liaisons N-H dans les nitrures riches en silicium [Mackel02]. Le taux
d’hydrogène global de nos couches est relativement constant, évoluant entre 3.1021 et 5.1021
at/cm-3. Au niveau des pertes optiques (voir figure 4-14), de faibles pertes à 1.3 µm sont
mesurées pour les matériaux déposés avec des puissances comprises entre 280 et 580 W, ce
qui correspond à des couches présentant un indice de réfraction compris entre 1,85 et 2 à
1,3µm. En dessous de 280W, les pertes optiques augmentent lorsque la puissance de dépôt
diminue. Les couches montrent également un fort niveau de pertes à 1,55 µm. Les pertes des
matériaux obtenus à forte puissance peuvent être attribuées aux liaisons N-H, dont la
remontée est visible figure 4-12. Pour les faibles puissances de dépôt, cette augmentation est
plus difficile à interpréter, nous remarquerons pour l’instant qu’elles suivent une tendance
comparable aux pertes à 1,3µm.
5
Pertes Optiques (dB/cm)
4,5
4
3,5
3
2,5
à 1.301µm
à 1.548µm
2
1,5
1
0,5
0
150
200
250
300
350
400
450
500
Puissance (W)
Figure 4-14 : Evolution des pertes optiques à 1,301 et 1,548µm en fonction de la pression de dépôt.
Mesures effectuées en polarisation TE.
Ainsi, en faisant varier la puissance de dépôt, la composition des films peut être
modifiée et des couches présentant de faibles pertes optiques à 1,3 µm pour un indice de
réfraction compris entre 1,82 et 2 à 1,3 µm peuvent être obtenues. La Figure 4-15 récapitule
ainsi les conditions intéressantes pour réaliser des liens optiques à 1,3 µm.
156
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
4
2,2
3,5
Plage d'interet
2,1
3
2
2,5
1,9
2
1,8
1,5
1,7
1
1,6
0,5
1,5
150
Pertes optiques à 1.3 µm
( dB/cm)
Indie de refraction à 1.3µm
2,3
0
200
250
300
350
400
450
500
Puissance de dépot (W)
Figure 4-15 : Conditions optimales pour la réalisation de liens optiques à 1,3 µm.
Grâce à l’étude effectuée sur l’influence des différents paramètres de dépôt, les différentes
contributions ont pu être identifiées, et des couches présentant un indice de réfraction compris
entre 1,8 et 2 à 1,3µm ont été déposées. Une seconde partie de notre étude a alors consisté à
rechercher l’origine des pertes optiques de nos matériaux.
1.2.
Origine des pertes optiques
Les couches déposées dans notre étude présentent différentes sources de pertes
optiques. Dans cette partie, nous avons cherché a identifié ces sources de pertes. Apres avoir
identifié l’origine des pertes à 1,55µm, celles à 1,3 µm ont été examinées, suivie par l’analyse
de l’influence de la rugosité des couches.
Pertes optiques à 1,55 µm et liaisons N-H :
La figure 4-16 représente l’évolution des pertes optiques mesurées à 1,55µm pour
l’ensemble des dépôts en fonction des taux de liaisons N-H obtenus par FTIR.
157
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
14
pertes à 1.55µm (dB/cm)
12
10
8
6
180 W
4
2
230W
280W
0
0
1E+21
2E+21
3E+21
4E+21
5E+21
6E+21
7E+21
-3)
[N-H] (cm
(cm^-3)
Figure 4-16 : Evolution des pertes optiques à 1,55 µm avec la quantité de liaisons N-H. Les 3 points en rose
s’écartent de l’ajustement linéaire. Ils ont été obtenus à faible puissance de dépôt.
L’évolution linéaire des pertes optiques avec le taux de liaisons N-H confirme que ces pertes
sont dues à l’absorption optique par excitation des états vibratoires de ces liaisons. En effet,
les liaisons N-H possèdent un mode de vibrations de type stretching centré en 3340cm^-1. La
lumière est absorbée par excitation du premier harmonique de ce mode de vibration, soit pour
des longueurs d’onde proches de 1,53µm ([Worhoff99], [Sahu00]). Seules les couches
obtenues à faibles puissances de dépôt ne suivent pas cette dépendance, et semblent présenter
une source de pertes supplémentaire.
Ainsi, si l’on veut minimiser les pertes à 1,55µm, il est intéressant de travailler avec des
matériaux pauvres en azote, donc avec un faible flux de NH3, un fort flux de silane, une forte
pression ou une faible puissance de dépôt.
Pertes à 1,3 µm et forts indices de réfraction
Dans l’ensemble de notre étude, les matériaux déposés présentent de faibles niveaux
de pertes à 1,3 µm, situés autour de 0,5 dB/cm. Lorsque la stœchiométrie des couches est
modifiée, il est possible d’augmenter l’indice de réfraction des matériaux, mais les pertes
optiques à 1,3 et 1,55 µm augmentent avec celui-ci. Pour identifier l’origine de ces pertes
optiques, des analyses complémentaires ont été entreprises sur les couches présentant un fort
indice de réfraction. Afin d’étudier une éventuelle absorption optique liée à des défauts dans
le matériau qui induiraient des niveaux énergétiques à l’intérieur de la bande interdite, une
analyse en résonance paramagnétique électronique (RPE) a été entreprise. Cette technique
permet de doser le nombre de défauts paramagnétiques tels que les liaisons pendantes dans un
matériau. Elle est décrite avec plus de précision dans l’annexe 4.
158
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Analyse en RPE :
Deux échantillons déposés à 180 et 380W, correspondants à des indices de réfraction
extrêmes de 1,87 et 2,23 à 1,3 µm ont été analysés. La Figure 4-17 représente la signature des
échantillons. Les valeurs de g et le nombre de défauts par cm3 sont rapportés dans le Tableau
4-7.
p180Wnorm
P380wnorm
I (U.A)
Plaque
180W
g
2,002/2,005(5)
Ns (cm-3)
6,25.1018
N à
Pertes
1,3
à 1,3
µm
µm
2,23
3,5
dB/cm
380 W
2,002/2,005(5)
1,25. 1019
1,89
0,61
dB/cm
3380
3400
3420
3440
3460
3480
3500
Champ magnétique *10 (mT)
Figure 4-17 : Signature RPE des dépôts de nitrure
Tableau 4-7 : facteur g et nombre de défauts de nos
de silicium.
couches. L’indice de réfraction et les pertes optiques à
1,3 µm ont également été rapportés
La signature des dépôts observés comprend au moins deux composantes, de valeurs de g=
2,002 et 2,005. En raison de cette signature multiple, l’identification exacte des défauts est
difficile. Néanmoins, il est connu que les défauts liés aux liaisons pendantes du silicium sont
majoritaires dans les nitrures riches en silicium et proches de la stœchiométrie
([Shimizu82],[Jousse89]). Leurs signatures g varient entre 2,005 et 2,003 et correspondent
aux valeurs observées ici. Les couches montrent de faibles taux de défauts paramagnétiques,
et leur nombre diminue avec l’indice de réfraction. Si les pertes résiduelles observées à 1,3µm
peuvent éventuellement être attribuées à ces défauts, l’augmentation des pertes optiques à plus
faible puissance ne peut par contre en être le fait.
Une autre source de pertes possibles est la présence éventuelle dans nos couches
d’amas de silicium, qui pourraient entraîner l’apparition de niveaux intermédiaires dans la
bande interdite. En effet, de nombreux auteurs mentionnent l’apparition d’amas de silicium
dans des couches de nitrures déposées par PECVD, couches déposées dans ce but
([Kim05],[Park01]) ou non [Lelievre05]. Ainsi, Lelievre et al. ont montré que des couches
159
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
déposées par PECVD possédant des indices optiques compris entre 2 et 3 présentent des amas
de silicium cristallisés. Des spectres de photoluminescence très larges sont obtenus, avec des
spectres d’émissions allant jusqu’au domaine infra rouge, ce qui suppose la présence de
niveaux situés à ces énergies. Ces niveaux d'énergies peuvent entraîner des pertes par
absorption dans nos matériaux et être responsables des pertes observées pour les forts indices
de réfraction. Les techniques les plus appropriées pour mettre en évidence la présence d’amas
dans un matériau sont la microscopie électronique à transmission (TEM) ou la
photoluminescence. De telles analyses n’ont pas pu être réalisées sur les couches étudiées ici.
Néanmoins, les couches déposées à basse puissance ont été analysées en ellipsométrie UV
afin de lier leurs propriétés optoélectroniques à leur structure, et en diffraction X pour détecter
la présence d’éventuelles cristallites de Silicium.
L’incorporation d’amas de silicium joue sur les propriétés optoélectroniques des matériaux, et
des modèles de comportement de la bande interdite des alliages Si-N ont déjà été proposés
[Yin90]. Ils distinguent l’évolution de la bande interdite selon le cas « amas » ou mélange
uniforme. Il est donc intéressant d’observer la variation de la bande interdite avec le rapport
Si/N des couches.
Ellipsometrie UV et bande interdite
Une campagne de mesures d’éllipsométrie spectroscopique a été entreprise dans le
domaine Ultra Violet (UV) de manière à déterminer l’absorption des couches entre 2 et 9 eV
(soit 130 à 600 nm). L’épaisseur des couches a été déterminée grâce à un modèle
d’ellipsometrie de type Jellison. Une fois celle-ci fixée, une transformée inverse a servi à
calculer le coefficient d’extinction k point par point et ainsi à déterminer l’absorption α.
Figure 4-18: Coefficient d’absorption des couches de nitrure de silicium. En trait rouge fin est rapportée
l’évolution de nitrure obtenu par LPCVD
160
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Une augmentation de l’absorption est observée au fur et à mesure de l’enrichissement en
silicium des matériaux (diminution de la puissance sur la Figure 4-18), ainsi qu’un décalage
du seuil d’absorption vers de plus faibles énergies. Cette évolution est cohérente avec le
remplacement de fortes liaisons Si-N par de plus faibles liaisons Si-Si [Yin90].
L’«épaulement » situé autour des valeurs de α = 104 cm-1 est difficilement interprétable, nous
ne statuerons pas ici sur son origine. En utilisant l’hypothèse de bandes d’énergie
paraboliques, il est possible de calculer la bande interdite définie par la relation de Tauc :
αE = B( E − E gTauc ) 2
Équation 4-4
où α est le coefficient d’absorption, E l’énergie des photons, B une constante et EgTauc la
bande interdite au sens de Tauc. La figure 4-19 représente l’évolution de la valeur de Eg avec
la puissance de dépôt (l’indice de réfraction à 0,632 µm a été ajouté). Une diminution de la
bande interdite est observée lorsque la puissance diminue. La figure 4-20 représente
l’évolution de la bande interdite de Tauc ainsi que de l’indice de réfraction en fonction du
taux [Si]/[N]=1/x obtenu grâce à l’équation 4-2. Conformément aux prédictions des modèles
théoriques, Eg augmente lentement dans un premier temps, puis très rapidement lorsque la
composition approche la stœchiométrie. La courbe de Eg présente une évolution très concave,
semblable aux courbes théoriques obtenues pour des modèles décrivant des matériaux
présentant des séparations de phase et donc des amas [Yin90]. Néanmoins, la grande
incertitude des mesures ne permet pas de statuer avec assurance sur la présence de ces amas.
5
2,3
gap de
E Tauc (eV)
2,2
4
2,1
2
g
3
1,9
2
1,8
1,7
1
1,6
0
150
200
250
300
350
400
450
Puissance dissipée dans le plasma (W)
2,9
4,5
2,7
4
2,5
3,5
2,3
3
2,1
2,5
1,9
2
1,7
1,5
1
1,5
500
In dice de refraction à 632nm
5,5
2,4
Eg (eV)
5
2,5
Indice de refraction à 632nm
6
1,5
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
[N]/[Si]
Figure 4-19 : Evolution de la bande interdite des nitrures
Figure 4-20: Evolution de la bande interdite et de l’indice
avec la puissance de dépôt.
de réfraction en fonction du ratio [Si]/[N]
161
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Pour avoir plus d’informations sur la présence d’éventuels amas, les dépôts ont été analysés
par diffraction X.
Diffraction X
La figure 4-21 représente les spectres XRD obtenus en mode thêta-2thêta pour
différentes puissances de dépôt, les autres paramètres de dépôt sont fixés aux valeurs décrites
dans le Tableau 4-1. Les spectres sont caractéristiques de structures amorphes, avec les deux
pics liés au substrat en silicium. Aucune structure cristalline n’est observée dans les couches.
Substrat Si 400
g
Substrat Si 400 lambda/2
180W
230W
280W
Log (Counts)
330W
1e5
380W
1e4
1000
100
480W
10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
2-Theta - Scale
Figure 4-21 : Spectres XRD de dépôts de nitrures de silicium réalisés avec différentes puissances.
Les dépôts ne présentent donc aucun amas de silicium cristallisé. Cependant, il est possible
que des amas de silicium soient présents sous leur forme amorphe dans les couches, comme
observé par Park et al.[Park01] par analyse TEM.
Influence de la rugosité des couches
En plus des pertes intrinsèques liées aux matériaux, une autre source de pertes est à
prendre en compte : c’est la rugosité des interfaces SiNx/SiO2, et SiNx/Air, qui peut entraîner
des pertes électromagnétiques. Les pertes électromagnétiques évoluant en L=k ∆n2 [Payne94]
l’interface la plus critique dans nos empilements est l’interface SiNx /Air.
Des mesures AFM ont été effectuées sur des dépôts présentant de fortes et faibles pertes
optiques à 1,3 µm, soit pour les puissances 180, 230 et 380W (Les autres paramètres de dépôt
étant maintenus fixes aux valeurs définies dans le Tableau 4-1). Les images AFM de ces
162
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
couches sont présentées figure 4-22 et les valeurs des rugosités RMS et de la hauteur
maximale sont représentées dans le tableau 4-8.
28.0 nm
2.80
nm
21.0 nm
2.80
nm
2.80
25.0 nm
nm
0.00 nm
0.00 nm
0.00 nm
1, 0µm
(a)
1, 0µm
(b)
1, 0µm
(c)
Figure 4-22 : Image AFM de couches déposées à 380W (a), 230W (b) et 180W(c)
Plaque
Rugosité RMS (nm)
Hauteur
Taille
maximale (nm)
de Scan
380 W
1,16
26,6
5*5µm
230W
0,93
19,4
5*5µm
180W
1,3972
23,3
5*5µm
Tableau 4-8: Rugosité et hauteur maximale des couches de nitrure de silicium.
Aucune évolution notable n’est observée entre les couches déposées à faible ou forte
puissance de dépôt. L’augmentation des pertes optiques n’est donc pas liée à une éventuelle
modification de l’état de surface. Cependant, une rugosité résiduelle existe sur nos couches. Il
est alors intéressant d’identifier son rôle vis à vis du niveau de perte résiduelle observé dans
les couches de nitrure. A cet effet, les pertes à 1,3µm et 1,5µm ont été comparées entre deux
plaques similaires, l’une mesurée après dépôt, l’autre après une étape de polissage mécano
chimique (ou CMP) destinée à réduire sa rugosité. L’étape de CMP utilisé ici présente un très
faible taux d’agent chimique, de manière à modifier le moins possible le nitrure et à
simplement diminuer sa rugosité.
Les états de surface avant et après dépôt sont
représentés figure 4-23. Les valeurs de
rugosités et de pertes optiques, ainsi que la description de l’empilement utilisé sont
récapitulées dans le tableau 4-9.
163
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
18.0 nm
2.80
nm
2.80
3.0 nm
nm
0.00 nm
0.00 nm
1, 0µm
1, 0µm
1.0µm
(a)
(b)
Figure 4-23: Vue AFM d’une couche de Nitrure de silicium déposée à 380 W. Avant (a) et après (b) dépôt.
Couche
Epaisseur
Epaisseur
Rugosité
Hauteur
Indice
SiO2 (µm)
Nitrure
RMS(nm)
maximum
réfraction
(nm)
à 1.3µm
(µm)
de
Pertes
à
Pertes
1.301µm
1.548µm
standard
2
0,396
1,09
17,0
1,8673
0,61+/-0.3
3,14 +/-0.3
Standard+CMP
2
0,425
0,53
2,7
1,8682
0,76 +/-0.3
2,98 +/-0.3
à
Tableau 4-9 : Rugosités et caractéristiques optiques avant et après CMP
L’invariance de l’indice de réfraction confirme qu’il n’y a pas d’attaque chimique
particulière sur le nitrure. Une diminution sensible de la rugosité RMS et de la hauteur
maximale est observée. Par contre les pertes optiques ne sont pas modifiées significativement
par cette diminution. Ainsi, la rugosité des couches déposées joue un rôle négligeable dans les
pertes de guides plans étudiés ici.
1.2.1.
Discussion
Au cours de cette étude, l’effet des différents paramètres de dépôt a été identifié. En
adaptant les conditions de dépôt, il est possible de modifier la composition des films, et ainsi
de jouer sur son indice de réfraction dans une large gamme. Des matériaux présentant des
indices de réfraction compris entre 1,87 et 2,23 à 1,3µm ont ainsi été mis au point. Les
nitrures déposés dans ce travail présentent des pertes importantes à 1,55 µm, que l’on peut
attribuer à la présence de liaisons N-H dans les couches. La dépendance des pertes à 1,55µm
avec le taux de liaisons a ainsi été vérifiée. Les couches déposées présentent par ailleurs de
faibles valeurs de pertes à 1,3µm. Ces pertes ne peuvent pas être mises en relation avec la
rugosité des couches. Elles peuvent être attribuées à un taux de défauts résiduels observés
dans le matériau et visible par résonance paramagnétique électronique. Par ailleurs, les
matériaux très riches en silicium et possédant un fort indice de réfraction semblent présenter
une source de pertes supplémentaires à 1,3 comme à 1,55µm. Les différentes sources de
164
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
pertes possibles ont été analysées par PE, ellipsométrie UV , diffraction X et AFM. Ces
pertes ne peuvent être dues ni à des défauts, ni à une augmentation de la rugosité, ni à
l’évolution de la bande interdite. L’hypothèse de la présence d’amas de silicium semble la
plus plausible si l’on se réfère à la littérature. Cependant, des analyses par diffraction
infirment l’hypothèse de nanocristallites. Des études complémentaires du type microscopie
électronique à transmission ou photoluminescence seraient nécessaires pour savoir s’il y a –ou
non- présence d’amas de silicium amorphe.
D’un point de vue pratique, les matériaux développés lors de ce travail de recherche
montrent des caractéristiques intéressantes pour la mise au point de liaisons optiques
compactes et à faibles pertes à 1,3 µm. Les couches présentent en effet un faible niveau de
pertes (≤0,5 dB/cm) pour une large gamme d’indice (1,82 <N< 2 à 1,3µm). Ainsi, dans la
suite de cette étude, des composants ont été réalisés en utilisant deux types de dépôts, l’un
d’indice N= 1,875 à 1,3 µm, l’autre d’indice N=2 à 1,3µm. Leurs recettes de dépôts ainsi que
leurs caractéristiques optiques sont récapitulées dans les tableaux 4-10 et 4-11.
recette
[NH3]
[SiH4]
[Pression]
[Puissance]
[N2] (sccm)
Température
(sccm)
(sccm)
(Torr)
(W)
Standard
15
60
5,75
380
600
400
Haut indice
15
60
5,75
280
600
400
(°C)
Tableau 4-10 : Conditions de dépôt des couches sélectionnées.
Rec.
632nm
1.3 µm
NTM
NTE
-4
(+/- 3.10
Std.
1,8945
H.I
2,0652
)
LTE
-4
(+/- 3.10
1,9027
)
LTM
NTE
1.55 µm
NTM
-4
(dB/cm)
(dB/cm)
(+/- 3.10
2,4
2,5
1,8675
2,0215
)
LTE
-4
)
LTM
NTE
NTM
-4
)
-4
)
LTE
LTM
(dB/cm)
(dB/cm)
(dB/cm)
(dB/cm)
(+/- 3.10
1,8754
0,6
1,1
1,8617
1,8682
3,14
3,23
2,0205
0,45
0,5
2,0149
2,0108
2,74
2,35
(+/- 3.10
Tableau 4-11 : Propriétés optiques des couches des couches sélectionnées.
165
(+/- 3.10
Chap. IV
1.3.
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Conclusion
Pour mettre au point des liens optiques au dessus de circuits microélectroniques, il faut
développer des matériaux possédant un fort indice de réfraction et de faibles pertes optiques
tout en présentant une méthode de dépôt basse température.
Dans cette partie, les propriétés optiques et physiques du nitrure de silicium déposé par
PECVD à 400°C ont été examinées. L’influence des différents paramètres de dépôt a été
identifiée et l’origine des pertes optiques examinée. Grâce au contrôle des paramètres de
dépôt, des matériaux présentant une large gamme d’indice de réfraction à 1,3 µm on été mis
au point. L’origine des pertes à 1,55µm a été identifiée et une hypothèse quant aux pertes à
1,3 µm présentent sur les échantillons les plus riches en silicium a été émise. D’un point de
vue pratique, deux recettes de dépôts ont été choisies pour réaliser des composants optiques,
une à moyen indice (1,86 à 1,3µm) et une à fort indice (2,02 à1,3µm), les deux présentant une
très forte transparence proche de 1,3 µm (Pertes#0,5dB/cm). Dans le chapitre cinq, nous
présenterons la mise au point et la caractérisation de composants réalisés avec ces deux
matériaux.
166
Chap. IV
2.
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Le silicium amorphe
2.1.1.
Introduction :
Dans cette partie, les propriétés des matériaux de type silicium amorphe utilisés dans
le reste de l’étude sont décrites. Le silicium amorphe est un matériau très intéressant de par
son fort indice de réfraction, sa bonne transparence dans l’infra rouge ainsi que sa faible
température de dépôt. Apres avoir décrit les attraits et les caractéristiques de ce matériau, les
différentes approches développées dans notre étude seront exposées. Les études sur ce
matériau ayant fait l’objet de travaux précédents ([Lautru02], [Buisson03]), son
développement ne sera pas décrit ici. Les caractéristiques optiques ainsi que l’influence de la
rugosité des couches sur les pertes optiques seront examinées.
2.1.2.
Intérêt du silicium amorphe :
Le silicium amorphe est un matériau largement développé dans le domaine de la
microélectronique, où il a été utilisé pour diverses applications telles que les écrans TFT, ou
les cellules photovoltaïques [Tsai79].
Le silicium amorphe hydrogéné
Le silicium amorphe est un matériau très désorganisé, ou les angles de liaisons sont
variés et les configurations très aléatoires. Il existe dans ce matériau un grand nombre de
défauts, liés aux écarts du réseau amorphe au réseau cristallin et aux liaisons pendantes dans
le matériau. Ces défauts impliquent l’apparition d’états électroniques à l’intérieur de la bande
interdite, états qui peuvent être responsables d’absorption optique. Ainsi la figure 4-24
représente la densité d’états électroniques typique du silicium amorphe, avec les queues de
bandes liées aux déformations de liaisons et les niveaux proches du niveau de Fermi,
impliqués par les liaisons pendantes.
167
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Figure 4-24 : Densité d’états dans le gap de silicium amorphe. Echelle logarithmique d’après [Tanaka 99]
Tanaka et al.[Tanaka99] ainsi que Kruzelecky et al.[Kruzelechy88] ont montré que l’
introduction d’hydrogène dans la structure amorphe entraîne la formation de liaisons Si-H au
lieu de liaisons pendantes. Ainsi Jackson et al.[Jackson83] ou Ferraton et al.[Ferraton81] ont
montré que l’hydrogénation du matériau intervenant lors de dépôt plasma à hauteur de
quelques % atomiques réduit d’un facteur 3 à 10 la densité de spin (liaisons pendantes). La
bande interdite optique du silicium amorphe est comprise entre 1,2 et 1,4 eV selon le taux
d’hydrogène dans les couches, celui ci ayant tendance à augmenter cette bande interdite
([Jellison96], [Ferraton81]). Le dépôt de silicium amorphe par PECVD à base de silane
([Berger83], [Zellama85]) ou bien à base de silane et hydrogène ([Berger83], [Tanaka99]) a
déjà été largement étudié. Le taux d’hydrogène des couches varie de quelques pourcent à 35%
[Ferraton81]. Ce taux diminue avec la température de dépôt et augmente avec la proportion
de dihydrogène dans la chambre.
Optique guidée et silicium amorphe
Pour des applications d’optique guidée, peu de travaux ont été reportés dans la
littérature : après des premières études très exploratoires menées par Peuzin et al[Peuzin84]
de nombreux travaux ont portés sur l’étude de matériaux poly-cristallins de type silicium
LPCVD (pour Low Pressure CVD) ([Foresi96], [Liao00], [Agarwal96]). Malgré l’utilisation
de différents procédés, (voire chapitre 1), ces dépôts ne permettent pas d’obtenir de faibles
niveaux de pertes optiques. Les meilleurs guides d’ondes réalisés avec du silicium
polycristallin présentent encore de fortes pertes de 9dB/cm à 1,54µm [Liao00]. Une équipe a
travaillé plus particulièrement sur l’emploi de silicium amorphe, et des matériaux faiblement
168
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
absorbants ont été développés, avec des valeurs de pertes intrinsèques inférieures à 0,4dB/cm
à 1,3 et 1,55 µm ([Cocorullo96], [Cocorullo98]).
2.2.
Propriétés optiques de silicium amorphe déposé par
PECVD
Démarche de l’étude :
L’étude de ce nouveau matériau au sein du laboratoire a commencé alors que les
travaux de l’équipe Cocorullo et al. étaient inconnus, et le choix du silicium amorphe
hydrogéné a été introduit pour ses faibles températures de dépôt et son fort indice de
réfraction dans l’infra rouge. La possibilité d’introduire de l’hydrogène pour passiver les
liaisons et ainsi obtenir un matériau fortement transparent a conduit à mener des études sur
son incorporation lors du dépôt par PECVD ([Lautru 02], [Buisson 03]). De bonnes propriétés
optiques ont été obtenues, avec notamment de très faibles pertes optiques. Dès lors, le travail
développé au cours de cette thèse sur ce matériau a porté essentiellement sur sa caractérisation
et sur son intégration dans des composants d’optique intégrée.
Dans cette partie, les caractéristiques optiques et physiques des couches de silicium amorphe
hydrogéné sont décrites. L’influence de la rugosité des couches sur les pertes optiques est
ensuite discutée.
2.2.1.
Propriétés des couches déposées.
Les couches de silicium amorphe hydrogéné ont été déposées dans un réacteur plasma
de type capacitif (décrit chap.2) à 350°C. Les gaz précurseurs sont le silane et le dihydrogène,
Les propriétés optiques ont été mesurées par m-lines, la bande interdite des matériaux a été
déterminée par ellipsométrie spectroscopique en utilisant le modèle de Jellison (voir chap 2).
La composition des matériaux a été déterminée par NRA/ERDA.
Silicium amorphe hydrogéné :
Le travail de buisson et al. a montré que les meilleures propriétés optiques étaient
obtenues sur des matériaux déposés avec le plus fort taux d’hydrogène possible dans la
chambre. Les paramètres de dépôt sont récapitulés dans le Tableau 4-12 :
169
Chap. IV
recette
standard
Nitrure de silicium et silicium amorphe
[SiH4]
[He]
[H2]
[Pression]
[Puissance]
(sccm)
(sccm)
(sccm)
(Torrs)
(W)
150
1460
490
4
300
Tableau 4-12 : Paramètres de dépots du silicium amorphe.
Composition :
Grâce au flux de dihydrogène dans la chambre de dépôt, une grande quantité
d’hydrogène est incorporée dans la couche. Ainsi, des analyses ERDA et RBS effectuées
indiquent un taux de 13% pour les couches déposés. D’autre part, des analyses effectuées en
IRTF ont montré qu’une grande partie de cet hydrogène est lié au silicium sous forme de
liaisons Si-H ou Si-H2 (voir figure 4-25).
Si-H
0,014
0,012
I (U.A)
0,010
0,008
Si-H2
0,006
0,004
0,002
0,000
2200
2150
2100
2050
2000
1950
1900
-1
Nombre d'onde (cm )
Figure 4-25 : signature IRTF de silicium amorphe déposé par PECVD, zoom entre 1900 et 2200 cm-1. Les
2 pics caractéristiques des vibrations des liaisons Si-H et Si-H2 sont bien visibles ([Tanaka99], [Madan95,]
[Tsai 79]).
Propriétés optiques :
Ce matériau présente de faibles pertes dans le domaine infra rouge, que l’on peut relier
à la forte passivation des liaisons par l’hydrogène contenu dans les couches. Les pertes à
1,3 µm sont légèrement supérieures, certainement causées par des états énergétiques en bords
de bande interdite. L’indice de réfraction est légèrement inférieur à celui du silicium cristallin,
ce que l’on peut attribuer à la plus faible densité des couches.
170
Chap. IV
Rec.
Nitrure de silicium et silicium amorphe
O,632 µm
1.3 µm
LTE
NTE
LTE
NTE
LTE
-4
(+/- 3.10 )
(dB/cm) ( +/- 0,3)
-4
(+/- 3.10 )
(dB/cm) ( +/- 0,3)
-4
(+/- 3.10 )
(dB/cm) ( +/- 0,3)
4,34
>20
3,3786
1,0
3,3340
0,5
NTE
a-
1.55 µm
Si :H.
Tableau 4-13 : propriétés optiques du silicium amorphe de posée par PECVD
2.2.2.
Influence de la rugosité des couches sur les pertes
optiques
La rugosité de surface des guides d’ondes peut être source de pertes optiques par
diffusion, et ce phénomène est particulièrement marqué dans le cas de système à fort
contraste d’indice. Dans le but de comprendre les différentes contributions aux pertes
optiques des systèmes étudiés, une campagne a été menée pour évaluer l’influence de la
rugosité des couches de silicium amorphe. Pour cela, les pertes optiques et les rugosités de
plaques ayant subi -ou pas- un traitement de polissage mécano-chimique destiné à réduire
la rugosité de l’interface air/silicium ont été comparées. La figure 4-26 représente les
images AFM des couches avant puis après CMP.
1.0µm
1, 0µm
(a)
(b)
Figure 4-26 : Images AFM de couche de silicium amorphe avant (a) puis apres (b) CMP.
Les rugosités RMS, la hauteur maximale (Hmax) ainsi que les pertes optiques des plaques
sont rapportées dans le tableau 4-14.
171
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
Plaque
RMS (nm)
Hmax (Nm)
N à1,55µm
-4
(+/- 3.10
)
LTE
@1,55µm
(dB/cm)
( +/- 0,3)
standard
0.90
18.3
3,3340
0,53
Standard + CMP
0.33
1.5
3,3345
0,56
Tableau 2-14 : Rugosités et pertes optiques de plaques de silicium amorphe avant et après planarisation
mécano chimique.
Si une diminution de la rugosité et de la hauteur maximale des dépôts est observée après
planarisation, aucune amélioration des pertes optiques n’est observée. Les couches montrent
une rugosité assez faible sur les dépôts standards ce qui entraîne des pertes optiques par
diffusion négligeables par rapport au niveau de pertes intrinsèques des matériaux.
2.3.
Conclusion
Le silicium amorphe est un nouveau matériau intéressant pour des applications de type
optique intégrée dans la mesure ou il possède un indice de réfraction élevé proche de celui du
matériau cristallin, favorable à une forte intégration des dispositifs d'optique intégrée. Il peut
être réalisé avec des techniques de dépôts conventionnels de la microélectronique à un coup
beaucoup plus faible que le matériau dit « SOI » et n’est pas contraignant au niveau de choix
des épaisseurs que l'on peut modifier en fonction des applications visées. Nous avons montré
que ce matériau possède de faibles pertes en guide plan dans le domaine de l'infra rouge
(inférieures au dB/cm). Les propriétés optiques des composants d'optique intégrée conçus
dans une technologie de guides ruban feront l'objet d'une partie du chapitre V.
172
Chap. IV
Nitrure de silicium et silicium amorphe
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amorphous silicon nitride alloys. Physical Review B, 1990, Vol 42, N.6. pp3658-3665.
[Zellama85]
K.Zellama, P. Germain, S. Squelard, J .M. Berger, F. Dechelle, J.P. Ferraton, A. Donnadieu, B.
Bourdon. Evolution of the optical gap during hydrogen exodiffusion in a-Si:H prepared by
glow-discharge decomposition of silane Solid state communications, 1985, Vol.56, N°8,
pp.721-725.
176
Chap. V
Composants optiques
Chapitre 5: Etude de composants élémentaires
pour la réalisation de liens optiques au dessus
de circuits intégrés
177
Chap. V
Composants optiques
178
Chap. V
Composants optiques
Introduction :
Ce chapitre décrit les différentes études et réalisations effectuées sur les composants
élémentaires nécessaires à la réalisation de liens optiques au dessus de circuits intégrés. La
conception et la caractérisation des différents composants sont exposées, les étapes de leur
fabrication étant détaillée dans l’annexe 6. Comme nous l’avons vus au cours de ce manuscrit,
la réalisation de composants compatibles avec des circuits intégrés nécessite l’utilisation de
filières technologiques particulières. Dans notre travail, trois filières technologiques utilisant
les matériaux décrits dans le quatrième chapitre ont été utilisées, deux à base de nitrure de
silicium, une à base de silicium amorphe. Ce chapitre s’articule autour des différents
composants élémentaires réalisés : guides d’ondes, micro-courbures et diviseurs de faisceaux.
1 Guides d’ondes
Les guides d’ondes représentent la brique essentielle de liens optiques au dessus de
composants électroniques. Leurs performances sont les premiers facteurs critiques dans
l’éventuelle comparaison entre liens optiques et électriques et conditionnent la réussite-ou
non- de ce travail. Les guides doivent être jugés en fonction de différents facteurs :
-leurs pertes optiques. Pour les distances envisagées dans le cas de liens au
dessus de composants, des pertes de quelques dB/cm sont recherchées.
-leur compatibilité avec une intégration au dessus de composants électroniques.
Pour cela, des procédés basse température ont été mis au point tout au long de ce travail.
-Les guides doivent montrer une faible diaphonie, qui est un facteur limitant
dans le cas de réalisation de liaisons à haut débit et peut être comparée au bruit
électromagnétique observé sur les lignes métalliques.
Dans ce travail, une première partie a consisté à concevoir des guides d’ondes pouvant
satisfaire aux critères fixés, une seconde étude nous a permis de caractériser les guides
obtenus.
1.1
Conception des guides d’ondes
Le choix du type de guides d’onde a été effectué dans l’optique de réaliser des liens
au dessus de circuits intégrés. Différents critères ont ainsi été mis en avant :
-
Compacité des guides et des composants.
-
Faible diaphonie entre guides.
-
Faibles pertes.
179
Chap. V
-
Composants optiques
Propagation monomode.
Géométrie des guides
Gaine du
guide
Cœur du
guide Nc
Couche de
couverture Ng
h
Couche
d’isolation Ng
l
Substrat
Silicium Nsi
Figure 5-1 : Schéma d’un guide d’onde de type ruban. H est la hauteur du guide, l sa largeur, le cœur du
guide possède un indice de réfraction Nc, la gaine un indice de réfraction Ng. Dans notre travail, les guides
sont réalisés sur substrat silicium d’indice de réfraction Nsi#3,44 à 1,3µm.
Pour obtenir des composants compacts, des guides rubans (ou « strip ») ont été
développés (Voir figure 5-1). Ils présentent des modes confinés et des indices effectifs
éloignés de l’indice de gaine, permettant la réalisation de courbures [Vlassov04] et de
diviseurs de faibles tailles. D’autre part, nos applications n’entraînant pas de contraintes
particulières quand à la polarisation, les guides ont été développées en vue d’une utilisation en
polarisation quasi-TE. D’une manière générale, tous les composants décrits ici ont été
développés et caractérisés pour la polarisation quasi-TE. Les études réalisées sur les guides
d’ondes à fort contraste d’indice ont montré qu’une forte source de pertes vient de la rugosité
des guides, et plus particulièrement de la rugosité des flancs crée lors des étapes de
lithographie et de gravure ([Agarwal99], [Lee01]). Dans notre approche, nous avons
privilégié une solution à base de guides rectangulaires. La hauteur limitée comparée à la
largeur permet ainsi de réduire l’interaction entre champs électromagnétique et rugosité des
flancs ([Vlasov04], [Orobtchouk05], [Dumon05]).
L’épaisseur des guides a été choisie de manière à obtenir des guides plans monomodes
lors du dépôt de la couche guidante, permettant ainsi de réaliser un contrôle des structures
avant les étapes de lithographie. Des épaisseurs de 0,4 µm et 0,2 µm ont été choisies pour les
guides respectivement de nitrures de silicium et pour la filière silicium amorphe. Une fois
l’épaisseur des guides fixée, leur largeur a été déterminée à l’aide du solveur de mode FVFD
défini dans le chapitre 2 pour avoir une propagation monomode. La largeur a été choisie
légèrement inférieure à la largeur de coupure monomode/multimode à 1,3µm, de manière à
180
Chap. V
Composants optiques
avoir une propagation monomode à 1,3 et 1,55µm et un mode bien confiné dans le guide. Le
tableau 5-1 récapitule ainsi les largeurs limites pour avoir des guides monomodes pour chaque
technologie.
Technologie
Epaisseur
Limite
monomode
à
Limite
1.3µm
1.55µm
Nitrure standard
0,4
0,98 µm
1,33µm
Nitrure Haut indice
0,4
0,81 µm
1,05µm
Silicium amorphe
0,2
0,64 µm
1,08 µm
monomode
à
Tableau 5- 1 : Largeur limite des guides rubans assurant une propagation de la lumière monomode.
Finalement une largeur de 0,8µm a été choisie pour les filières nitrure de silicium, de 0,5µm
pour le silicium amorphe.
Pertes de propagation dans le substrat
Comme on peut le voir sur la figure 5-2, le substrat utilisé ici possède un indice de
réfraction supérieur ou égal à l’indice de cœur du guide. Il est donc nécessaire de
dimensionner la couche d’oxyde d’isolation pour éviter les pertes par effet tunnel optique
dans le substrat [Schnell05]. Ces pertes ont été déterminées par calcul FVFD et sont
représentées sur la figure 5-2.
Silicium amorphe (à 1,3 µm)
Nitrure de Silicium Haut Indice (à 1,3 µm)
Nitrure de Silicium Standard (à 1,3 µm)
Pertes optiques (dB/cm)
100
0,1 dB/cm
10
1
0,1
0,01
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Epaisseur de la couche de silice entérrée (µm)
Figure 5-2: Evolution des pertes par effet tunnel dans le substrat en fonction de l'épaisseur de la couche
d'isolation pour les trois structures étudiées.
Des épaisseurs de couches d’isolation respectives de 2µm et 1,5 µm ont été choisies pour les
deux filières nitrures et la filière silicium amorphe, correspondant à des pertes inférieures à
10-1 dB/cm.
181
Chap. V
Composants optiques
Diaphonie entre guides
Le critère que nous avons choisi pour évaluer la diaphonie entre guides est la longueur
caractéristique lc [Schnell05] qui correspond à une distance de propagation pour qu’il y ait
transfert de 10% de l’énergie d’un guide à l’autre. Cette longueur est évaluée théoriquement à
l’aide du solveur de mode FVFD développé au laboratoire et de la théorie des modes couplés
[Yariv 91]. La figure 5-3 représente son évolution en fonction de la distance de séparation
entre les deux guides pour les trois structures envisagées.
1cm
10000
Lc (µm)
1000
100
Nitrure de silicium standard (1,3 µm)
Nitrure de Silicium Haut Indice (1,3 µm)
Silicium Amorphe (1,3 µm)
10
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
Distance entre les bords des guides (µm)
Figure 5-3: Variation de la longueur de couplage Lc en fonction de la distance entre les bords des guides
pour les trois structures étudiées. La longueur de couplage est calculée pour une polarisation quasi TE,
avec une longueur d’onde de 1,3 µm.
Il résulte de cette étude que pour pouvoir négliger le parasitage entre lignes sur des distances
de l’ordre du cm, un écartement de 2,3 µm est nécessaire avec la technologie « nitrure
standard ». Pour le nitrure haut indice, un écartement de 1,8 µm est nécessaire alors qu'un
espacement de 0,8 µm est suffisant pour la technologie silicium amorphe.
Finalement, le tableau 5-2 récapitule les différentes caractéristiques géométriques des guides
développés ainsi que leurs indices effectifs. Ces guides (ainsi que le composants présentés par
la suite) ont été réalisés sur trois lots différents dénommés GUI 1, GUI 2 ET GUI 3. Les
composants en nitrure de silicium standard ont été mis au point grâce aux trois lots, les
composants en nitrure de silicium haut indice et en silicium amorphe grâce à GUI 3.
182
Chap. V
Nitrure
Composants optiques
Largeur
Hauteur
Epaisseur de la
Epaisseur de la
(µm)
(µm)
couche d'isolation
couche de
(µm)
couverture (µm)
2,0
0,5(GUI 1) 1,5
1,5803
(GUI2-GUI3)
(λ = 1,3 µm)
1,5
1,6952
0,8
0,4
Standard
Nitrure
0,8
0,4
2,0
Haut Indice
Si amorphe
Indice effectif
(λ = 1,3 µm)
0,5
0,2
2,0
1,5
2,5510
(λ = 1,55 µm)
Tableau 5-2 : Caractéristiques optogéométriques des guides développés.
1.2
Etude des guides d’ondes
Durant notre étude, deux types de techniques d’injection ont été utilisées : par réseau
de diffraction et par couplage par la tranche.
1.2.1 Caractérisation à l’aide de coupleurs par réseau
Le couplage par réseau (voir chapitre 1 partie 2-4-2) a été utilisé sur le lot GUI1 avec
la filière nitrure de silicium standard, nous décrivons ici les dispositifs de couplage utilisés.
Coupleurs par réseaux utilisés
Les coupleurs par réseaux de diffraction ont été conçus à l’aide de codes de calculs par
RCWA (Rigourous Coupled Wave Analysis) ([Moharan 81], [Moharan 82], [Moharan95])
mis au point au laboratoire par Régis Orobtchouk qui permettent de simuler la réponse d’un
réseau de diffraction à une onde plane ainsi que de prendre en compte le caractère gaussien du
faisceau incident en décomposant celui-ci en une somme d’ondes planes ([Orobtchouk00],
[Schnell05]). Pour notre étude, la conception de coupleur à réseau de diffraction a répondu à
deux objectifs particuliers :
- Un angle de couplage permettant la caractérisation des composants compte tenu de
l'encombrement des éléments du montage expérimental (voir chapitre 2). Un angle proche de
20° a été recherché.
- Des réseaux de diffraction présentant des longueurs de couplage adaptées à des
faisceaux issus de fibres optiques multimodes, où la largeur à mi hauteur est de 25µm
environ.
L'empilement vertical des multicouches a été fixé pour satisfaire aux contraintes
spécifiques des guides d’onde et les réseaux de diffraction ont été définis par une seule étape
183
Chap. V
Composants optiques
de gravure totale. L’optimisation des réseaux a principalement porté sur le pas du réseau de
diffraction.
Les coupleurs mis au point au cours de ce travail comprennent une transition
adiabatique de 1mm de long pour passer de la largeur des guides à celle des réseaux de 50µm.
Les réseaux présentent un pas de 0,7µm, ce qui leur donne un angle de couplage théorique de
19,88° à 1,3µm, et une efficacité théorique de 32,8%.
Caractéristiques expérimentales des coupleurs par réseau
La figure 5-4 montre une image MEB des réseaux de diffraction réalisés sur les
échantillons provenant du lot GUI1 dans le cas d'une technologie de guide en nitrure de
silicium standard.
Figure 5-4 : Images Meb des réseaux de diffraction utilisés pour le couplage et le découplage de la lumière
sur les échantillons du lot GUI1.
Les réseaux ont été caractérisés grâce à leur longueur de couplage, qui traduit la décroissance
de la lumière lors du découplage. En effet, un guide d'onde comportant un réseau de
diffraction peut être vu comme une structure à fuite, l'énergie du mode guidé décroît
exponentiellement durant sa propagation avec une décroissance du type exp(-x/Lcr), où x est
la distance et Lcr la longueur de couplage.
184
Chap. V
Composants optiques
4
3,5
Pd (u.a)
Log (I) ( U.A)
3
2,5
2
1,5
1
24µm
0,5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
x (µm)
D (µm)
20µm
b)
a)
Figure 5-5 : a) Observation à la caméra infrarouge de la lumière provenant d'un coupleur à réseau de
diffraction dans le cas d'un guide de nitrure de silicium. Le maximum de la puissance découplée est centré
sur la longueur d'onde de 1300 nm, ce qui correspond à un angle d'incidence de 19,13°. b) Evolution du
profil du faisceau découplé suivant la direction de propagation du mode guidé en échelle logarithmique.
La pente donne la longueur caractéristique Lcr du coupleur à réseau de diffraction.
Sur la figure 5-5 a), une vue à la caméra infrarouge de la lumière provenant d'un découpleur à
réseau de diffraction a été reportée. Le maximum de la puissance découplée est centré sur la
longueur d'onde de 1300 nm, ce qui correspond à un angle d'incidence de 19,13°. La longueur
caractéristique Lcr est obtenue en reportant l'évolution du profil du faisceau découplé suivant
la direction de propagation du mode guidé en échelle logarithmique (figure 5-4 b)). La pente
donne la longueur caractéristique (Lcr = 23 µm) du coupleur à réseau de diffraction. Ces
valeurs expérimentales sont proches des valeurs calculées (θi = 19,88° et Lcr = 17,8 µm).
Il résulte de cette étude que dans le cas des coupleurs à réseau de diffraction réalisés sur les
guides de nitrure de silicium, une efficacité de couplage proche de 30 % est obtenue.
Ces coupleurs présentent ainsi une efficacité de couplage intéressante permettant de tester
rapidement des composants. Ils ont été utilisés pour déterminer les pertes des guides de nitrure
de silicium standard et l’équilibre des diviseurs de faisceaux de type MMI. Cependant, le
couplage dans les guides dépend de la longueur d’onde, et il est très compliqué de tester des
composants sur une large gamme spectrale, un incrément en longueur d’onde correspondant à
un incrément en angle d’injection. Les lots GUI2 et GUI3 postérieurs à GUI1 ont ainsi été
conçus avec un système d’injection par la tranche pour obtenir les réponses spectrales des
composants.
185
Chap. V
Composants optiques
1.2.2 Caractérisation par couplage par la tranche
L’injection se fait alors à l’aide d’une fibre lentillée. Pour maximiser le couplage entre
faisceau incident et structure d’étude, les guides d’entrée ont été élargis. Une transition
adiabatique est ensuite utilisée pour transférer la lumière sur le guide étudié.
Pour la mesure des pertes intrinsèques des guides, deux dispositifs différents ont été utilisés :
Le premier dispositif est basé sur la comparaison de signaux obtenus après la séparation en
deux parties identiques. La figure 5-6 le représente schématiquement.
MMI 1→2
Figure 5-6: principe de mesure de pertes par comparaison.
La lumière est injectée dans un guide par la tranche de l’échantillon. Le faisceau
lumineux est séparé par un diviseur 1 vers 2 de type MMI. Un des bras de sortie est alors
utilisé comme référence, le second sert à calculer les pertes en allongeant sa taille d’une
distance D connue. La différence d’intensité des deux sorties est due aux pertes de
propagation des guides. La précision de ce type de mesure est déterminée par deux facteurs :
-Le premier est le déséquilibre éventuel du MMI.
-Le second est la limite de détection des signaux après les sorties : lorsque les pertes
de propagation dans les guides sont trop importantes, le signal sur les deux sorties du
dispositif devient inférieur au bruit de mesure du détecteur et la différence de mesure entre les
deux voies tend vers 0. La limite de détection est atteinte pour des pertes égales à 40dB/cm.
Dans notre étude, des différences D de 1 et 2 cm ont été utilisées pour les guides nitrures, de
0,5 et 1 cm pour les guides en silicium amorphe. Cette technique de mesure sera appelée dans
la suite du chapitre méthode par comparaison.
L’avantage de cette méthode est de pouvoir mesurer précisément les pertes de guides
d’onde pour de faibles valeurs de l’ordre du dB/cm en faisant abstraction des différences de
couplage en entrée des guides. L’inconvénient est qu’elle nécessite un travail de conception
dédié, et un encombrement important sur les masques de fabrication.
186
Chap. V
Composants optiques
Pour cette raison, un second jeu de guides a été utilisé pour la filière silicium amorphe, qui
permet de réaliser une estimation des pertes pour de faibles distances. La figure 5-7 représente
une vue schématique du dispositif, où le guide de largeur étudiée est inséré grâce à des
transitions adiabatiques entre des portions de plus fortes largeurs.
Ltot
Lg
Figure 5-7: Dispositif de mesure de pertes à transitions adiabatiques.
Dans ce type de dispositif, les sources de pertes sont multiples et s’ajoutent : pertes de
propagation dans le guide large, dans les transitions adiabatiques et dans le guide étroit. Si
l’on nomme Pg le coefficient de perte des guides, Plarg celui des sections larges, Ltot la
longueur totale, Lg la longueur des guides et que l’on attribue une valeur de pertes aux
transitions adiabatiques Pt, , on peut écrire que les pertes totales sont égales à :
P = Lg (Pg − Pl ) + 2 Pt + Ltot Pl Equation 5-1
Par régression linéaire, la différence Pg-Pl est déterminée. La valeur de Pl est alors étalonnée
en mesurant les pertes d’un guide caractérisé avec la méthode de comparaison et les pertes des
guides Pg sont ainsi obtenues. Dans notre travail, la distance Lg varie entre 1, 3, 5 et 7 mm. Ce
dispositif sera appelé « mesures de pertes à transitions adiabatiques » dans la suite de ce
chapitre.
1.3
Résultats
1.3.1 Filière nitrure de silicium bas indice:
Caractéristiques des guides du lot GUI1
Le premier lot de composants dénommé GUI1 a été réalisé en utilisant la méthode
d’injection par réseaux de diffraction décrite précédemment. Une évaluation des pertes
optiques de ces guides à 1,3 µm a été effectuée par observation à la caméra infrarouge de la
décroissance de l’intensité diffusée le long du guide. La figure 5-8 a) représente l’image à la
caméra infrarouge de l’intensité diffusée le long du guide. Le logarithme décimal de l'intensité
a été reporté en fonction de la distance sur la figure 5-8 b). Par régression linéaire, des pertes
187
Chap. V
Composants optiques
de 6,4 dB/cm sont obtenues, avec une forte incertitude due au bruit de mesure, de l’ordre de
±1,5 dB/cm.
a)
b)
Figure 5-8 : a) Image à la caméra infrarouge de l’intensité diffusée par la surface de d’un guide d’onde de
0,4 par 0,8µm du lot GUI1. b) Intensité de la lumière découplée du guide en fonction de la distance ; des
pertes de 6,4dB/cm sont obtenues.
Une coupe MEB a été effectuée pour identifier les sources de pertes des guides, elle
est représentée figure 5-9.
Figure 5-9 : Photos MEB d’une coupe d’un guide du lot GUI 1 de 0,8µm par 0,4 µm. Une pente sur les
flancs du guide peut être observée, consécutive à une sur gravure lors de la gravure ionique. Les cotes
réalisées sont ainsi inférieures aux cotes visées.
Ce premier lot présente des flancs avec un angle important, proche de 22°,
caractéristiques d’une gravure trop importante lors de la définition des motifs. Les cotes des
guides sont également légèrement inférieures aux cotes visées, avec des valeurs proches de
750nm en bas de guide. D’autre part, sur ce premier lot, l’épaisseur de la couche de
couverture n’est que de 500nm. Les fortes valeurs de pertes peuvent être dues aux cotes des
guides inférieures aux cotes visées, ce qui peut entraîner un déconfinement du mode optique
188
Chap. V
Composants optiques
et ainsi une plus grande sensibilité aux fuites dans le substrat et aux éventuelles poussières et
défauts en surface de la couche d’isolation.
Caractéristiques des guides des lots GUI2 et GUI3
Nous ne ferons pas la distinction entre les caractéristiques des guides issus des lots GUI2 et
GUI3 pour la filière nitrure de silicium standard. En effet, les deux lots ont subi les mêmes
procédés de fabrication et présentent les mêmes caractéristiques. Pour l’étude de ces guides, le
couplage par la tranche associé à la méthode de comparaison a été utilisé.
La figure 5-10 présente la courbe de réponse en fonction de la longueur d’onde pour
un guide de 0,4 µm d’épaisseur par 0,8 µm de largeur.
Figure 5-10 : Pertes optiques d’un guide de 0,8 µm par 0,4 µm en nitrure de silicium standard du lot
GUI3 en fonction de la longueur d’onde.
Des oscillations de type Fabry-Perot sont observées sur le spectre. Elles indiquent la
présence de réflexions au sein des composants du dispositif de test. En utilisant l’indice
effectif des guides et l’écart entre maxima observé, des longueurs de cavité équivalentes de
l’ordre de 27µm peuvent être calculées [Yariv91]. Il y a de nombreuses possibilités
d’interférences au sein de la structure de test présentant des dimensions de cet ordre de
grandeur (MMIs, transitions adiabatiques) et il apparaît très difficile d’identifier avec
précision leur origine exacte. Pour s’affranchir de l’effet de ces réflexions, la moyenne du
signal sur une période (25nm) a été rajoutée sur le graphique. Elle permet de mieux visualiser
les pertes dues aux guides. Ceux -ci montrent un faible niveau de pertes à 1,3 et 1,55µm avec
des valeurs respectives de 1,5 et 3 dB/cm. Ces valeurs sont sensiblement plus faibles que pour
les échantillons du lot GUI1, et peuvent en partie être rapportées aux dimensions
189
Chap. V
Composants optiques
géométriques des guides. En effet les coupes MEB des guides (voir figure 5-11) montrent des
cotes légèrement supérieures, de 820nm par 430nm qui induisent un confinement plus
important du champs électromagnétique.
b)
a)
Figure 5-11 : Photos MEB de coupes de guides de la filière nitrure de silicium standard du lot GUI2. a)
vue rapprochée du guide, des cotes de 820 nm par 430 sont obtenues, avec des flancs de gravures de
l’ordre de 20°. b) Vue éloignée d’un guide, l’épaisseur de la couche d’isolation de 1,5 µm est visible.
D’autre part, deux pics d’absorption sont observés, le premier autour de 1400 nm, le
second autour de 1530 nm. Le premier pic peut être relié à l’absorption du premier
harmonique de la vibration des liaisons O-H présentes dans la couche d'encapsulation de
silice. Nous avons vu dans le préambule du chapitre 3 que la silice déposée par PECVD
présente une quantité importante de ce type de liaisons, qui possèdent une fréquence de
résonance à 3636 cm-1. Le pic d’absorption observé ici correspond bien à l’excitation de leur
second harmonique de vibration.
Le deuxième pic est relié à la présence dans le nitrure de silicium de liaisons N-H
mises en évidence dans le chapitre 4 de ce manuscrit. Là encore l’excitation de leur première
harmonique de vibration entraîne une absorption optique.
1.3.2 Filière nitrure de silicium haut indice
Des guides en nitrure de silicium haut indice ont été développés sur le lot GUI3. Ils
ont été caractérisés grâce au dispositif d’injection par la tranche.
Les pertes obtenues sont représentées sur la figure 5-12, ainsi que leur moyenne sur 25 nm.
190
Chap. V
Composants optiques
0
Pertes (dB/cm)
Liaisons-OH
Liaisons
O-H
Liaisons N-H
-5
pertes mesurées
valeurs moyenne sur 25 nm
-10
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
Longueur d'onde (nm)
Figure 5-12 : Pertes optiques des guides en nitrure de silicium haut indice du lot GUI3 en fonction de la
longueur d’onde entre 1250 nm et 1650 nm.
Des pertes de 3,5 dB/cm sont obtenues à 1300 nm, de 3,5 dB/cm à 1550 nm. Deux pics
d’absorption autour de 1400 nm et 1530 nm sont de nouveau observés, dus à l’absorption par
les liaisons O-H de la silice de gaine et les liaisons N-H contenues dans le nitrure haut indice.
L’observation MEB des guides (voir figure 5-13) montre des composants de cotes 0,817 µm
par 0,415 µm, proches des cotes nominales.
505nm
415nm
817nm
Figure 5-13 : Photo MEB d’un guide en nitrure de silicium haut indice du lot GUI3.
1.3.3 Filière Silicium amorphe
Les guides en silicium amorphe ont été développés sur le lot GUI3. Leurs pertes
optiques ont été caractérisées en fonction de la longueur d’onde par injection par la tranche.
La figure 5-14 représente l'évolution des pertes en fonction de la longueur d'onde d’un
guide de silicium amorphe de cote nominale 0,2 par 0,5µm. Les mesures ont été réalisées en
191
Chap. V
Composants optiques
utilisant la méthode de comparaison pour une différence de longueur entre les deux bras de
2 cm.
0
Pertes (dB/cm)
Liaisons O-H
-5
-10
-15
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
Longueur d'onde (nm)
Figure 5-14 : Evolution des pertes en fonction de la longueur d'onde d’un guide rectangulaire de silicium
amorphe de largeurs 457 nm pour la polarisation quasi-TE.
Les guides montrent des pertes de 5 dB/cm et 4,5 dB/cm respectivement pour les
longueurs d'onde de 1300 nm et de 1550 nm, ce qui les situe au niveau de l’état de l’art en ce
qui concerne les guides d’ondes à très fort contraste d’indice, proches des valeurs obtenues
sur composants en silicium cristallin et ce qui constitue le record mondial pour des guides
amorphes à fort contraste d'indice(voir paragraphe 5-6). L’observation MEB (voir figure 515) montre de plus que les guides présentent des cotes légèrement inférieures aux cotes
nominales, avec une largeur de 457 nm pour 205 nm de hauteur, ce qui doit légèrement
augmenter leurs pertes. Enfin, un pic d’absorption très visible est situé autour de 1385 nm, il
est du aux liaisons O-H contenues dans la silice de recouvrement. Ce pic apparaît plus fort ici
que pour les guides précédent possédant la même silice de recouvrement. Cette forte
amplitude peut être attribuée au dé confinement plus important du mode guidé dans la gaine,
ce qui augmente l’interaction entre le champs élecromagnétique et la silice.
205nm
457nm
Figure 5-15: Photo MEB d’une coupe de guide en silicium amorphe (cote nominale de 500 nm de
largeur par 200 nm de hauteur).
192
Chap. V
Composants optiques
Sur ces composants, l’influence de la largeur des guides sur les pertes optiques a été
étudiée. La figure 5-16 montre l'évolution du signal obtenu lors de la mesure des pertes par la
méthode « transition adiabatique » pour des guides de largeurs différentes de 457 nm et
760 nm. La mesure obtenue est la différence de pertes (Pg-Pl) entre la section étroite et la
section large de 2µm. Les courbes montrent la même forme caractéristique due au pic
d’absorption des liaisons O-H, et un niveau de perte proche de celui observé figure 5-13 est
trouvé pour le guide de 457nm, ce qui indique de faibles pertes dans le guide de section large.
Le pic d’absorption dù au liaisons O-H décroît avec la largeur de guide, ce qui peut être
attribué à un meilleur confinement du champs électromagnétique dans le cœur du guide.
-1
Pertes (dB/cm)
-3
-5
-7
W = 457 nm
W = 760 nm
-9
-11
-13
-15
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
longueur d'onde (nm)
Figure 5-16: Evolution des pertes apparentes mesurées (Pg-Pl) en fonction de la longueur pour différentes
largeurs de guide ( 457 nm, 760 nm) (hauteur constante de 200nm) avec la méthode par transition.
Une décroissance des pertes avec la largeur des guides est observée. En étalonnant ces
pertes par rapport à celles mesurées par comparaison sur le guide de 457 nm de large, leur
évolution en fonction de la largeur des guides peut être tracée, elle est représentée pour la
pertes optiques à 1,3µm (dB/cm)
longueur d’onde de 1,3µm sur la figure 5-17.
7
6
5
4
3
2
1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
largeur de guide (nm)
Figure 5-17: Evolution des pertes à 1,3 µm de guides en silicium amorphe en fonction de la largeur de
guide.
193
Chap. V
Composants optiques
Une rapide diminution des pertes avec la largeur des guides est observée entre 457 nm
et 760nm, puis plus lente entre 760nm et 2 µm. Cette décroissance peut être expliquée par la
diminution de l’interaction du mode guidé avec les flancs des guides rubans. Ceux-ci
s’écartent progressivement du maximum de champ et la diffusion par la rugosité des flancs
devient moins importante. D’autre part, les pertes diminuent jusqu’à tendre vers une valeur
proche de 0,6 dB/cm, qui peut être rapprochée des pertes de guides plans de type silice/
silicium amorphe/silice. On peut alors la comparer aux pertes mesurées pour les guides plans
silice /silicium amorphe /air. Cette valeur est légèrement plus faible que la valeur mesurée par
la technique du METRICON de 1dB/cm (voir chap 4). Cette différence peut être expliquée
par la plus forte différence d’indice de réfraction pour l’interface supérieure pour les guides
plans silicium amorphe/air que silicium amorphe/silice. Les pertes par rugosité étant
croissantes avec l’écart d’indice de réfraction [Yariv91], le fait de remplacer l’air par la silice
diminue l’écart d’indice et peut réduire les pertes optiques.
1.3.4 Origine des pertes des guides d’onde
Les pertes des guides rubans peuvent être attribuées à différentes contributions :
- pertes intrinsèques dues aux matériaux,
- pertes par effet tunnel dans le substrat,
- absorption intrinsèque des matériaux,
- diffusion par la rugosité des flancs de guides.
Les guides élaborés au cours de ce travail présentent deux sources d’absorption intrinsèque :
un pic d’absorption centré en 1,385µm dû aux liaisons O-H de la silice utilisée comme
matériau de gaine et, dans le cas des guides en nitrures- un second pic centré en 1,53µm du
aux liaisons N-H.
Le tableau 5-3 récapitule les valeurs de pertes obtenues sur les trois technologies de
guides d’ondes ainsi que les pertes des guides plans réalisés dans les matériaux associés
(reprises du chapitre 4).
Filière
I.R cœur à
1,3µm
(TE)
IR gaine à
1,3µm
(TE)
Taille
(µm²)
Pertes @1.3
µm
(TE)
(dB/cm)
Pertes
@1.55µm
(TE)
(dB/cm)
SiN Standard
SiN Haut
indice
Silicium
amorphe
1,8675
2,0215
1,485
1,485
0,4*0,8
0,4*0,8
1,5
3,5
3,3786
1,485
0,5*0,2
5,6
3
3,5
Pertes
guide plan
@1.3 µm
(TE)
(dB/cm)
0,6
0,45
Pertes
guide plan
@1.55µm
(TE)
(dB/cm)
3,14
2,74
4,5
1,11
0,53
Tableau 5-3: récapitulatif des pertes des guides d’ondes et des guides plans gaine/cœur /air associés.
194
Chap. V
Composants optiques
Pour le nitrure de silicium standard, les pertes à 1,55 µm apparaissent légèrement plus faibles
pour des guides rubans que pour des guides plans. Cette différence peut être attribuée aux
incertitudes cumulées des deux techniques de mesure de pertes.
Dans les autres cas, les valeurs de pertes des guides rubans sont supérieures aux pertes des
guides plans.
Nous avons vus précédemment que les pertes par effet tunnel ont été évitées grâce au
dimensionnement de la couche d’isolation. L’absorption intrinsèque des matériaux a été
déterminée précédemment. Enfin, nous avons vu au chapitre 4 que l’influence de diffusion par
la rugosité des interfaces horizontales est négligeable. Seules les pertes par diffusion sur les
flancs de guides peuvent expliquer la différence de pertes entre les deux structures. Il est à
noter que l’écart entre pertes en guide plan et guide ruban augmente avec l’indice de
réfraction des couches, ce qui concorde avec un phénomène de diffraction par la rugosité des
flancs, la diffraction augmentant avec le contraste d’indice. Pour les guides en nitrure de
silicium, la différence de pertes entre les deux structures est plus importante à 1,3µm qu’à
1,55µm, où elle tend vers 0. La chromaticité des pertes par rugosité dépends de sa périodicité
(caractérisé par la longueur de corrélation de la rugosité) qui agit comme une source de
diffraction [Payne94]. Cette évolution peut donc être attribué à une longueur de corrélation de
la rugosité des flancs interagissant particulièrement à 1,3µm pour cette technologie.
Sur la filière silicium amorphe, une diminution progressive des pertes avec la largeur
des guides a été observée. Les valeurs de pertes diminuent jusqu'à tendre vers la valeur de
pertes des guides plans, confirmant la proéminence des pertes par diffusion sur les flancs de
guide dans les pertes totales.
1.4
Conclusion
La mise au point de guides d’ondes à faibles pertes est une condition sine qua non pour
réaliser des liens optiques au dessus de composants électroniques. Pour cela, différentes
méthodes de simulation et de caractérisation ont été entreprises dans le but de mettre au point
des guides à faibles pertes et d’identifier leur origine. Trois filières ont été développées, à base
de nitrure de silicium standard, de nitrure de silicium haut indice et de silicium amorphe.
La filière nitrure de silicium standard apparaît aujourd’hui comme une technologie mature
qui présente de très faibles pertes de 1,5 dB/cm à 1,3µm et des pertes raisonnables à 1,55µm
(3 dB/cm). Son utilisation pour des applications de type interconnections optiques parait très
intéressante, particulièrement à 1,3µm.
195
Chap. V
Composants optiques
La filière nitrure de silicium haut indice présente des pertes légèrement supérieures à
1,3µm, certainement dues à l’effet de la rugosité des interfaces. Par contre son niveau de
pertes à 1,55µm est identique et parait très intéressant pour des applications requérant une
compacité plus importante.
Enfin, les résultats obtenus sur le silicium amorphe peuvent révolutionner l’approche
actuelle de l’optique sur silicium à fort contraste d’indice. Les pertes sont comparables avec
celles de composants de type SOI à l’état de l’art (voir paragraphe 5-6) avec une technologie
montrant une flexibilité beaucoup plus importante et un coût bien moindre. Contrairement aux
technologies SOI, les dimensions des composants sont ici modifiables à faible coût et des
architectures originales peuvent être imaginées avec une technologie à fort contraste d’indice
de réfraction. Des dispositifs intégrant de la photonique multi niveaux, une co-intégration
avec des composants électroniques peuvent ainsi être réalisés dans une approche basse
température
montrant
une
compatibilité
aisée
avec
des
procédés
standard
de
microélectronique. Ce seul résultat constitue une belle réussite de ce travail.
Ces résultats encourageants nous ont conduit à continuer les études sur ces filières, et à
développer des solutions pour réaliser d’autres briques de base de l’optique intégrée dédiée à
la réalisation d’un lien optique que sont les virages et les diviseurs de faisceaux.
196
Chap. V
Composants optiques
2 Etude des micro-courbures
Pour réaliser des liens optiques compacts et des fonctions complexes tels que la
distribution d’un signal au dessus d’un circuit, il est nécessaire d’effectuer des changements
de directions compacts et efficaces. Pour les guides à fort contraste d’indice de réfraction, si
des systèmes utilisant la réflexion sur une interface diélectrique/diélectrique ou
diélectrique/air ont déjà été proposés ([Joannopoulos99], [Cassan04], [Li03]), les micro
courbures restent la solution la plus efficace et la plus simple technologiquement
([Espinola01]), [Schnell04], [Vlassov04]) pour réaliser des virages.
Dans notre étude, des changements de directions utilisant des micro-courbures ont été
développés et des structures ont été adaptées pour diminuer leurs pertes optiques.
2.1
Source de pertes des micro-courbures et courbures continues
Les pertes optiques des courbures ont deux origines distinctes :
-
Les pertes de radiation des guides courbes: Dans un guide courbe, le front d’onde
du mode guidé doit avancer en phase selon l’axe du guide. Sa vitesse tangentielle
doit alors augmenter avec la distance au centre de la courbe. Pour une certaine
distance du guide, une partie de l’onde doit avancer à une vitesse supérieure à la
vitesse de la lumière dans le matériaux de gaine et il y alors radiation de cette
partie [Marcuse74].
-
Les pertes d’adaptation entre guide courbe et guide droit: les modes du guide
courbe et du guide droit possèdent une répartition spatiale et un indice effectif
différent pour chaque cas. Lors du passage de l’un à l’autre, ces différences
entraînent des pertes dues au mauvais recouvrement des champs et à la différence
d’indice effectif, synonyme de réflexion en entrée et en sortie de courbure
([Heiblum75], [Snyder84]).
La figure 5-18 représente schématiquement ces sources de pertes.
197
Chap. V
Composants optiques
Energie
radiée
Décalage
du mode
Figure 5-18 : Schéma de principe des pertes dans une micro courbure. Le mode se propageant dans le
guide droit est représenté en gris, celui dans le guide courbe en noir. Les pertes par radiations sont visibles
par l’apparition d’un champ rayonné vers la périphérie des courbures. Les pertes d’adaptation sont
visibles au niveau du décalage du mode guidé par rapport au milieu du guide.
Les pertes d’adaptation peuvent être minimisées par un dessin des virages adapté. Les
solutions en général utilisées sont de décaler entrée et sortie des guides par concaténation ou
bien d’élargir la section des guides courbes de manière à reconfiner le mode guidé
[Pennings90]. En 1995, F. Ladouceur et P. Labeye [Ladouceur95] ont proposé un dessin de
courbure utilisant un paramétrage polynomial pour avoir un changement de rayon de courbure
progressif ainsi qu’un élargissement du guide permettant de limiter la désadaptation de mode
et ainsi les pertes optiques. Les auteurs utilisent la théorie de faible guidage [Marcuse74] et la
méthode de l’indice effectif pour minimiser les pertes de structures paramétrées permettant de
définir des composants aux variations continues. Les auteurs ont montré une diminution
sensible des pertes par courbures dans des systèmes à faibles contrastes d’indices de type
silice dopée.
Au cours de notre travail, nous avons voulu évaluer la validité de ce type de
composant (dits courbures continues) sur des systèmes à plus fort contraste d’indice de
réfraction. Une comparaison des valeurs de pertes entre courbures continues et courbures à
rayon constant a été effectuée par simulation FDTD 2D et méthode de l’indice effectif pour
les filières nitrure de silicium. Pour le silicium amorphe, la simulation FDTD convient mal
pour discrétiser des très faibles rayons de courbure et la comparaison des deux types de
virages a été réalisée expérimentalement. La figure 5-19 représente les valeurs de pertes
obtenues en fonction du rayon de courbure pour des virages de type courbures continues ou
courbures constantes avec la filière nitrure de silicium standard.
198
Chap. V
Composants optiques
1,4
1,2
Pertes (dB)
1
0,8
Virage a rayon constant
0,6
Virage a coubure continue
0,4
0,2
0
10
15
20
25
30
35
Rayon de courbure (µM)
Figure 5-19: Evolution des pertes par virage à 90° pour des courbures de type Rayon constant ou
Courbures Continues pour la filière nitrure de silicium Standard. Les pertes ont été calculées par FDTD
2D avec la méthode de l’indice effectif pour les cotes de guide décrites au tableau 5-3.
Une diminution des pertes optiques importante est observée, comprise entre 0,2 et 0,5
dB pour des rayons compris entre 30 et 15 µm. L’ajout de virage à courbure continue permet
d’obtenir une amélioration sensible des pertes des virages. Dans notre étude, des virages à
courbures continues ont été utilisés pour les filières nitrure de silicium haut et bas indice; pour
le silicium amorphe, des virages à courbure continue et des virages à rayon constant ont été
utilisés.
2.2
Caractérisation des micro-courbures
Les micro-courbures ont été caractérisées à l’aide de dispositif à couplage par la
tranche utilisant des diviseurs 1 vers 2 pour réaliser des mesures par comparaison. Un schéma
du dispositif est représenté figure 5-20.
L1
R=5 µm
500 µm
10 µm
10 µm
10 µm
R1
10 µm
10 µm
200 µm
Figure 5-20: Schéma du dispositif de mesure de pertes des virages par la méthode de comparaison.
199
Chap. V
Composants optiques
Le signal est divisé en deux parties grâce à un MMI de 1 vers 2, les deux guides de sorties
présentent alors un nombre de virages différent. La comparaison des intensités mesurées en
bout de guide permet de déterminer les pertes de chaque virage.
2.3
Résultats expérimentaux
Les pertes par virages ont été mesurées sur des dispositifs comprenant un nombre de 22 et
42 virages. La figure 5-21 a) représente un exemple de résultats expérimentaux quant à la
mesure des pertes des virages dans le cas des guides nitrures de silicium standard. Des
oscillations certainement dues à la présence de cavités Fabry Pérot entraînent un léger bruit
sur la mesure de l’ordre de 0,1dB. D’autre part, les valeurs obtenues en utilisant 22 ou 42
virages concordent bien, à une incertitude de mesure de 0,1 dB près.
15µm
Pertes (dB/courbure)
0
42 Virages
15µm
22 Virages
-0,5
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
Longueur d'onde (nm)
a)
b)
Figure 5-21: a)Mesure des pertes par courbure en fonction de la longueur d’onde pour des virages à
courbures continues de 40 µm de rayon avec la technologie nitrure de silicium bas indice. B) Image infra
rouge de l’intensité contenue dans une courbure de 15 µm en nitrure de silicium bas indice (GUI2).
La figure 5-21b) représente une photo obtenue à la caméra infrarouge d’une courbure de 15
µm en nitrure de silicium bas indice utilisée sur le lot GUI2. La courbure possède de faibles
pertes et l’intensité apparaît bien confinée dans le guide.
Les résultats expérimentaux obtenus pour les différentes configurations à 1,3 et 1,55 µm sont
résumés dans le tableau 5-4.
200
Chap. V
Composants optiques
Filière
Rayon (µm)
SiN « Standard »
SiN « Standard»
SiN « Standard»
SiN «Standard »
SiN « Standard »
SiN « Haut indice »
SiN « Haut indice »
Si amorphe
Si amorphe
Si amorphe
Si amorphe
40
30
25
20
15
15
10
5
5
2
2
Courbures
continues
X
X
X
X
X
X
X
X
Rayon
constant
Pertes à 1,3 µm
(±0.05 dB)
0 ,05
0,1
0,12
0,15
0,4
0
0,02
0,05
0,05
0,05
0,05
X
X
X
Pertes à 1,5µm
(±0.05 dB)
0,18
0,3
0,45
0,7
1,2
0
0,15
0,05
0,05
0,15
0,09
Tableau 5-4: Pertes par virages selon les technologies.
Pour les filières en nitrure de silicium, les pertes à 1,3µm ont été représentées en fonction du
rayon de courbure sur la figure 5-22. Sur cette dernière, les valeurs obtenues par simulation
FDTD pour la filière nitrure standard ont été ajoutées, elles montrent un bon accord avec les
valeurs expérimentales.
0,8
Pertes par Virages (dB)
0,7
Simul SiN Std
0,6
SiN Std
0,5
SiN HI
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Rayon de courbure (µm)
Figure 5-22: Evolution des pertes des virages en fonction du rayon de courbure pour les filières nitrure
standard et haut indice. En traits pointillés ont été rajoutées les valeurs obtenues par simulation FDTD
2D.
La filière nitrure de silicium bas indice présente des pertes négligeables pour des
rayons supérieurs à 30 µm, la filière nitrure de silicium haut indice pour des rayons supérieurs
à 15 µm. Pour la filière silicium amorphe, les courbures continues montrent des valeurs de
pertes supérieures aux courbures à rayons constants, ce qui montre les insuffisances des
hypothèses de faible guidage utilisées pour dessiner les courbures continues. Les courbures à
rayon constant montrent de très faibles valeurs de pertes pour des rayons de courbures aussi
faibles que 2µm. De manière à identifier leur origine, les pertes des courbures à rayons
constant ont été comparées avec les valeurs calculées à partir du solveur de mode FVFD (voir
201
Chap. V
Composants optiques
Chapitre 2). Celui-ci calcule les pertes par radiation des courbures, auxquelles nous avons
ajoutées les pertes par réflexion dues aux différences des indices effectifs. Les pertes par
désalignement ont ici été négligées. La figure 5-23 représente les pertes optiques en fonction
de la longueur d’onde de virages de 2, 5 et 10 µm en silicium amorphe. Pour chaque rayon,
Pertes
Pertes(dB/virage)
( dB/cm)
données expérimentales et données de simulation ont été représentées.
Longueur d’onde (nm)
Figure 5-23: Evolution des pertes optiques en fonction de la longueur d’onde pour des
virages à rayon constant de 2, 5 et 10 µm de rayon en silicium amorphe.
Un très bon accord en expérience et théorie est observé, montrant des pertes augmentant en
fonction de la longueur d’onde pour le rayon de 2µm. Cet accord montre que pour les guides à
très fort contraste d’indice, le décalage entraîné par la courbure est négligeable, et que la
principale source de pertes vient des pertes par radiation. Ce résultat explique la raison des
pertes importantes des courbures continues : leur dessin, obtenu à partir d’hypothèses de
faible guidage peu adaptées au très fort contraste d’indice, surestime la désadaptation de mode
et entraîne des pertes supplémentaires par le mauvais recouvrement des modes en entrée et en
sortie de virage.
2.4
Conclusion
Des virages à très faibles pertes ont été développés pour les filières technologiques
utilisées. De faibles rayons de courbure ont été démontrés, avec des valeurs de 40µm, 15 et
2µm respectivement pour les filières nitrure de silicium standard, haut indice et silicium
amorphe. D’autre part, nous avons vu que l’influence des pertes de transition est plus
importante sur les composants à moyen contraste d’indice de réfraction qu’à fort contraste
d’indice et qu’il est intéressant d’utiliser des dessins de type courbure continue pour les
filières en nitrure de silicium – contrairement à la filière silicium amorphe.
202
Chap. V
Composants optiques
D’un point de vue pratique, les virages développés au cours de ce travail permettent
d’envisager différents types d’applications pour les différentes filières. Pour des applications
de type distribution d’un signal d’horloge, ou des rayons de 40µm paraissent suffisant
[OConnor05], la filière nitrure de silicium standard parait la plus adaptée avec des pertes
négligeables à ces rayons et de très faibles pertes en guide droit à 1,3µm.
La filière nitrure de silicium haut indice représente une bonne alternative pour des
applications requérant des rayons de courbure plus faibles avec des courbures sans pertes pour
des rayons de 15µm. Des résonateurs compacts ([Phillip04]) peuvent ainsi être envisagés avec
des guides présentant des pertes modérés (3dB/cm) à 1,3 et 1,55µm.
Enfin, la filière silicium amorphe permet de réaliser des structures à très forte
compacité avec des dessins de composants simples. Des virages pour des liens compacts mais
aussi des structures plus complexes telles que microrésonnateurs en anneau ou micro-disques
peuvent désormais être envisagés avec cette technologie.
203
Chap. V
Composants optiques
3 Diviseurs de faisceaux
Deux types de composants permettant de diviser des faisceaux en n parties ont été
étudiés : des jonctions Y et des composants à interférence multimodes (ou MMI pour « Multi
Mode Interferometer »). Les jonctions Y ont été développées dans un premier temps sur les
lots GUI 1 et GUI 2. Leur caractérisation ayant mis en lumière des problèmes de répétabilité
et de forte chromaticité, nous nous sommes ensuite orienté vers des diviseurs de type MMI.
Nous présenterons rapidement les caractéristiques des jonctions Y, suivies de la mise au point
et la caractérisation des MMIs.
3.1
Jonctions Y
Deux types de jonctions Y ont été étudiés au cours de notre étude :
-dans un premier temps, (lots GUI 1 et GUI 2), des jonctions Y en nitrure de silicium
standard ont été développées. Leur dessin est basé sur des courbures continues décrites
précédemment dans lesquelles une pointe vient s’insérer pour diviser le faisceau. Il est
représenté schématiquement sur la figure 5-24 a).
a)
b)
Figure 5-24: schéma de principe des jonction Y.
Ces jonctions ont été caractérisées par injection par la tranche et un important déséquilibre
entre les voies a été observé, déséquilibre variable entre deux composants du même type.
Ainsi, la figure 5-25 représente le déséquilibre (I1/I2) d’une jonction Y en nitrure de silicium
standard en fonction de la longueur d’onde.
204
Chap. V
Composants optiques
0
-0,5
I /I (dB)
1 2
déséquilibre
(dB)
-1
-1,5
-2
-2,5
-3
-3,5
-4
-4,5
1250
1300
1350
1400
(nm )
Longueurλd’onde
(nm)
Figure 5-25: Déséquilibre entre les branches d’une jonction Y « classique » en nitrure de silicium
standard. La mesure est effectuée en polarisation quasi-TE.
Un déséquilibre variant entre 1 et 2,5dB selon la longueur d’onde est observé.
Suite à ces observations, une hypothèse a été avancée quand à l’origine du déséquilibre
qui serait du à un défaut de lithographie sur la pointe des jonctions Y. La pointe effilée des
jonctions Y présente en effet des dimensions inférieures à la limite de résolution des outils de
lithographie utilisés (0,2µm pour la lithographie 248nm utilisée ici). L’incertitude sur la
définition de la pointe est alors importante et un faible désalignement de celle-ci peut
fortement détériorer l’équilibre du composant.
De manière à éliminer ce type de comportement, un nouveau type de composant a été
proposé. Par rapport a une jonction Y «classique», le V de la pointe de la jonction Y est ici
remplacé par un méplat (figure 5-24b) de 0,2 µm. Ainsi, la pointe est bien centrée et
l’intensité n’est par déséquilibrée sur une voie ou l’autre.
Malheureusement, suite à un problème de découpe des échantillons, ces nouvelles
jonctions réalisés en nitrure de silicium (standard et haut indice) n’ont pu être testées, et seuls
les composants en silicium amorphe ont pu être caractérisés. En utilisant une méthode par
comparaison semblable à celle décrite partie 1-2 de ce même chapitre, les pertes optiques de
chaque branche ont pu être mesurées en fonction de la longueur d’onde.
Les figure 5-26a) et b) montre l'évolution des pertes en excès et du déséquilibre d'une jonction
Y de ce type en silicium amorphe.
205
Chap. V
Composants optiques
3
Déséquilibre (dB)
Pertes en excés (dB)
25
20
15
10
5
0
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
2
1
0
-1
-2
-3
1250
1650
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
Longueur d'onde (nm)
Longueur d'onde (nm)
a)
b)
Figure 5-26: Evolution des pertes en excès (a)) et du déséquilibre (b)) d’une jonction Y en technologie
silicium amorphe en fonction de la longueur d'onde.
Un très bon équilibre entre les sorties est observé, avec une différence inférieure à 1dB
entre 1300 et 1500nm. De plus, les mesures effectuées sur différents composants ont montré
une très bonne reproductibilité, avec un déséquilibre inférieur à 0,5dB pour trois composants.
Ceci confirme nos hypothèses quand à l’origine des déséquilibres sur les jonctions Y
classiques et montre l’intérêt de l’ajout d’un méplat.
Par contre, on peut constater que les pertes de composants sont importantes (5dB à
1,3µm), et augmentent très fortement avec la longueur d'onde. Ceci peut être expliqué par un
phénomène de diffraction sur la pointe de la jonction Y. Cet effet est d'autant plus important
lorsque l'on utilise des guides à fort contraste d'indice de très petite taille, ce qui rend ce
composant très chromatique et à fortes pertes. Les jonctions Y représentent ainsi des solutions
peu intéressantes pour la distribution de signal avec des composants de types ruban à fort
contraste d’indice. Il est possible que les effets de diffraction soient plus faibles sur les filières
nitrure de silicium où le contraste d’indice est plus réduit. Une évaluation de ces composants
devra ainsi être menée dans le futur. Cependant, une autre méthode a été mise en oeuvre au
cours de ce travail pour diviser des faisceaux : les diviseurs par interférence multimode.
3.2
Diviseur de faisceau de type MMI
Les composants à interférence multi mode (ou MMI) utilisent une propriété des guides
d’ondes multi-modes dite de « self Imaging », qui consiste à pouvoir reproduire le profil du
champ électromagnétique d’entrée du guide en une ou plusieurs images réparties
périodiquement dans la direction de propagation du guide [Bryngdahl73]. Le principe est
d’utiliser une portion de guide d’onde multimode à la suite d’un guide monomode. A l’entrée
du guide monomode, le champ électromagnétique qui était confiné sur le mode d’ordre 0 va
206
Chap. V
Composants optiques
se décomposer en une distribution de champs de tous les modes guidés du guide large. Le
champ à l’intérieur de la structure peut alors être vu comme la somme des intensités couplées
sur les différents modes guidés. Ces modes possédant des constantes de propagations
différentes, l’intensité varie en fonction de la position dans le guide et l’on peut montrer que
pour des positions particulières une image identique de l’entrée est observée. Soldano et
Pennings [Soldano95] décrivent, grâce à une analyse modale, le fonctionnement de tels
composants. En décrivant la propagation dans un guide d’une largeur effective We, les auteurs
montrent que pour des positions L=(P/N)(3Lπ) où P est un entier et Lπ la longueur de
battement entre le deux premiers modes; on obtient N images du champs d’entrée, situées aux
positions y p = p(2q − n)
We
, chacune avec une amplitude de
N
1
N
et a l’intérieur du guide.
Ainsi, si l’on place une portion de guide multimode à la suite d’un guide monomode et que
l’on ajuste sa taille et la position des guides de sortie, il est possible de séparer l faisceaux en
N parts de même amplitude. La figure 5-27 représente le schéma de principe d’un diviseur 1
vers 2.
L
ec
W
Figure 5-27: Schéma d’un diviseur MMI 1 vers 2. W est la largeur, L la longueur et ec l'écartement entre
guides.
3.2.1 Conception des MMIs
Dans notre étude, des diviseurs de 1 vers 2 et de 1 vers 4 ont été conçus pour les trois
filières technologiques utilisées. La longueur d’onde d’optimisation a été choisie à 1,3µm.
Pour simuler le comportement de guides multimodes et des composants finis avec de fort
contraste d’indice, la simulation par FDTD en trois dimensions a été utilisée. Les composants
ont été optimisés pour présenter de faibles pertes, un bon équilibrage entre les sorties et une
forte compacité. La procédure d’optimisation des MMIs est la suivante :
1) Simulation par FDTD 3D d’une structure comportant un guide monomode d’entrée et
un guide multimode de très forte longueur dans lequel vont se former les images
207
Chap. V
Composants optiques
multiples. La position optimale des guides de sortie est déterminée précisément en
utilisant des sections virtuelles de guides d'ondes permettant de calculer la puissance
couplée dans une section de guide en fonction de la position.
2) Après avoir déterminé la position optimale des guides de sortie, une simulation du
MMI incluant les guides de sortie permet de déterminer la réponse spectrale du
composant.
La figure 5-28 représente la carte de champs d’un diviseur de 1 vers 2 et d’un diviseur de 1
vers 4 en nitrure de silicium standard.
Figure 5-28: Simulation du champs électromagnétique d’un MMI de 1 vers 2(a/) et de 1 vers4 (b/) en
filière nitrure de silicium bas indice par FDTD 3D. La polarisation est quasi-TE et le champ est imagé à
mi-hauteur du guide d’onde.
Ajout de transitions adiabatiques
Hill et al. [Hill 03] ont montré en 2003 l’intérêt d’ajouter des transitions adiabatiques en
entrée et en sortie des composants pour diminuer les pertes. La figure 5-29 a) représente ainsi
le schéma d’un diviseur 1 vers 2 avec transitions adiabatiques. Par simulation FDTD, ils
montrent qu’un optimum est atteint lorsque la largeur de guide est égale à un tiers de la
largeur du composant pour un diviseur de 1 vers 2. L’ajout de transitions sur nos composants
a été évalué par simulation FDTD. Leur longueur et leur largeur a été optimisée de manière à
obtenir une réponse spectrale plate et de faibles pertes. Pour les diviseurs 1 vers 4, les
transitions n’entraînent pas de diminution significative des pertes optiques et leur ajout n’a
pas été jugé nécessaire. Au contraire, l’ajout de transitions sur les diviseurs 1 vers 2 entraîne
une amélioration de la réponse spectrale des composants. La figure 5-29 c/ représente la
réponse spectrale d’un MMI de 1 vers 2 en nitrure de silicium « bas indice » avec ou sans
transition adiabatique optimisée.
208
Chap. V
Composants optiques
L
ec
W
W1
L1
a)
L
W
ec1
ec2
c)
b)
Figure 5-29: a) Schéma d’un MMI de 1 vers 2 avec transition adiabatique.b) Schéma d’un MMI de 1 vers
4. W est la largeur du composant, L sa longueur, ec, ec1 et ec2 l’écartement des guides intérieurs et
extérieurs par rapport au milieu du composant; W1 est la largeur maximale de la transition adiabatique,
L1 sa longueur. c) Réponse spectrale d’un MMI 1 vers 2 en nitrure de silicium à bas indice avec ou sans
transition adiabatique.
Les composants avec transitions présentent une réponse spectrale plus « plate » avec la
longueur d’onde et un niveau de perte plus faible, ce qui est le cas pour les trois filières
développées.
Finalement, les dimensions des MMIs réalisés au cours de notre étude sont récapitulées dans
le tableau 5-5.
Filière
SiN Bas Indice
SiN Bas Indice
Sin Haut Indice
SiN Haut Indice
Si Amorphe
Si Amorphe
Composant
L (µm)
1 vers 2
1vers 4
1 vers 2
1 vers 4
1 vers 2
1 vers 4
6,8
36,6
5,32
35,5
3,6
16
l (µm)
3.2
10,48
2,5
10
2
5
ec/ec1
(µm)
0,75
1,3
0,75
0,52
0,88
ec2 (µm)
L1 (µm)
W1 (µm)
1,2
1
1,2
1
0,6
0,5
3,88
1,89
Tableau 5-5 : Dimensions des MMIs utilisés.
3.2.2 Caractérisations des MMIs
Filière nitrure de silicium bas indice
Caractérisation par réseau. Le lot Gui1 a donné lieu à la caractérisation des MMI de 1 vers 2
et de 1 vers 4 de la filière nitrure de silicium bas indice par injection par réseaux. Les figures
5-30 a) et b) représentent les images infra rouges d’une distribution de 1 vers 4 réalisée avec
des MMIs de 1 vers 2.
209
Chap. V
Composants optiques
15µm
15µm
y
58µm
x
58µm
b)
a)
Figure 5-30 : a/ Image infra rouge d’une distribution de 1 vers 4 par 3 MMIs de 1 vers 2 en filière nitrure
de silicium bas indice b/Image infra rouge des faisceau de découplage des réseaux associés à la
distribution.
Nous avons tracé figure 5-31 l’intensité découplé intégré sur la longueur des coupleurs en
fonction de la position. Les quatre taches des sorties sont bien reconnaissables et montrent des
valeurs très proches. En intégrant l’intensité découplée sur la surface totale des réseaux, un
déséquilibre inférieur à 8% est obtenu.
Intensité integrée selon x
(U.A)
3000000
2500000
2000000
1500000
1000000
500000
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Position (U.A)
Figure 5-31 : Intensité intégrée sur la longueur des réseaux de découplage pour les quatre sorties du MMI
de 1 vers 4 en silicium standard.
La figure 5-32 a) représente quand à elle une image infrarouge d’un MMI 1 vers 4 réalisé en
nitrure de silicium bas indice. Sur la figure 5-32 b), l’intensité découplé intégrée selon la
longueur des coupleurs a été tracée en fonction de la direction y. Un déséquilibre inférieur à
6% est obtenu en intégrant l’intensité sur la surface totale des réseaux..
210
Composants optiques
Intensité intégrée selon x (U.A)
Chap. V
y
x
2500000
2000000
1500000
1000000
500000
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Position (U.A)
b)
a)
Figure 5-32 : a/Image infra rouge d’un MMI de 1 vers 4 b/ Image infra rouge des réseaux de découplages
associés au MMI de 1 vers 4.
Le très bon équilibre trouvé entre les sorties des dispositifs, que ce soit le MMI de 1 vers 2 ou
le MMI de 1 vers 4 montre un bon accord avec la simulation. Cependant, la caractérisation
par réseau ne nous a pas permis de déterminer les pertes des composants avec une précision
suffisante. C’est pourquoi, dans la suite de notre étude, les MMIs ont été caractérisés par
injection par la tranche.
Caractérisation par la tranche
Un dispositif de mesure de pertes par comparaison a été utilisé pour mesurer les pertes
des MMIs. Un MMI de 1 vers 2 est utilisé pour séparer le signal en deux entre une branche de
référence et une branche ou se trouve le composant a étudier et ses différentes sorties.
Branche de référence
Composant testé
Figure 5-33 : schéma d’un dispositif de caractérisation par la tranche d’un MMI 1 vers 2.
Les pertes en excès du dispositif sont obtenues par comparaison de la somme des intensités
des sorties du composant avec la branche de référence. L’équilibre est obtenu en comparant
les sorties du composant entre elles.
211
Chap. V
Composants optiques
MMI de 1 vers 2
Les figures 5-34 a) et b) représentent les pertes en excès et le déséquilibre pour un
MMI de 1 vers 2 en nitrure de silicium standard de dimension décrites dans le tableau 5-6.
Les sorties montrent un déséquilibre très faible, inférieur à 0,5dB pour la totalité de la gamme
spectrale étudiée. Les pertes en excès du composant valent 1dB à 1,3 µm et sa gamme
spectrale à 1dB est de 500 nm.
1
3
Déséquilibre (dB)
Pertes en excés (dB)
3.5
2.5
2
1.5
1
0.5
0
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
0
-0.5
-1
1250
1650
Longueur d'onde (nm)
a)
0.5
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
Longueur d'onde (nm)
b)
Figure 5-34 : Pertes en excès (a)) et déséquilibre (b)) d’un MMI de 1 vers 2 en nitrure de silicium
standard. La mesure est effectuée en polarisation TE.
MMI de 1 vers 4
Les figures 5-35 a) et b) représentent les pertes en excès et le déséquilibre d’un MMI 1
vers 4 en nitrure de silicium bas indice. Le déséquilibre est indiqué en normalisant l’intensité
des sorties 2, 3 et 4 par l’intensité de la sortie numéro 1 (Les sorties 2 et 3 sont donc à
l’intérieur, les sorties 1 et 4 à l’extérieur). Les pertes en excès à 1,3 µm sont très faibles et
comprises dans l’incertitude de mesure de ±0,2dB. L’équilibre des sorties est très bon,
inférieur à 0,5 dB sur toute la gamme spectrale. Ce composant présente une gamme spectrale
à 1dB d’environ 100 nm, entre 1250 et 1350 nm.
212
Chap. V
Composants optiques
3
I2/I1
i3/I1
I4/I1
2
4
Déséquilibre (dB)
Pertes en excès (dB)
5
4,5
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
1
0
1250
1270
1290
1310
1330
1350
1370
1390
-1
-2
0
1250
1300
1350
1400
-3
Longueur d'onde (nm)
Longueur d'onde (nm)
a)
b)
Figure 5-35 : Pertes en excès (a)) et déséquilibre (b)) d’un MMI de 1 vers 4 en nitrure de silicium
standard. Les mesures sont effectuées en polarisation TE. Sur la figure b), l’intensité de chacune des
sorties est représentée normalisée par la branche de référence.
3.2.3 Filière nitrure de silicium haut indice
Nous n’avons pu étudier les composants de cette filière à la suite d’un problème de
découpe. Les facettes d’entrée et de sortie du lot en nitrure de silicium haut indice sont de très
mauvaise qualité ce qui n’a pas permis d’avoir des résultats reproductibles et pertinents.
Néanmoins, au vu des résultats obtenus sur la filière nitrure de silicium standard, il est
probable que les caractéristiques soient comparables ici. Il sera nécessaire de confirmer les
simulations sur de prochains lots.
3.2.4 Filière silicium amorphe
MMI de 1 vers 2
Les figures 5-36 a) et b) représentent les pertes en excès et le déséquilibre d’un MMI 1
vers 2 en silicium amorphe (dimensions indiquée dans le tableau 5-3) en fonction de la
longueur d’onde.
Des sorties très équilibrées sont obtenues, avec un déséquilibre inférieur à 0,5 dB à
1,3 µm et des pertes de 1,5 dB à cette même longueur d’onde. Ce composant présente par
ailleurs une bande passante à 1dB d’environ 120 nm.
213
Chap. V
Composants optiques
8
18
6
16
déséquilibre (dB)
Pertes en excès (dB)
20
14
12
10
8
6
4
2
4
2
0
-2
-4
0
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
-6
1250
1650
Longueur d'onde (nm)
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
Longueur d'onde(nm)
a)
b)
Figure 5-36: Pertes en excès (a)) et déséquilibre (b)) d'un MMI 1 vers 2 en silicium amorphe en fonction de
la longueur d'onde.
MMI 1 vers 4
Les MMIs 1 vers 4 en silicium amorphe n’ont pu être caractérisé par comparaison et
seul le déséquilibre entre les branches a pu être mesuré. La figure 5-37 représente les
intensités des sorties 2, 3 et 4 normalisées par la sortie numéro 1 (Les sorties 2 et 3 sont à
l’intérieur, les sorties 1 et 4 à l’extérieur).
déséquilibre (dB)
15
10
I2/I1
I3/I1
I4/I1
5
0
-5
1250
1300
1350
1400
longueur d'onde (nm)
Figure 5-37: Pertes en excès d'un MMI 1 vers 4 en silicium amorphe en fonction de la longueur d'onde.
Les sorties du composant montrent un très bon équilibre autour de leur longueur
d’onde de conception de 1,3µm, avec une différence inférieure à 0,5dB. Leur bande passante
à 1dB est d’environ 50nm. Des oscillations dues à des interférences par effet Fabry Perot
quelque part dans le composant sont toutefois observées.
D’autre part, une forte dépendance de la réponse du composant avec la longueur
d’onde est observée, avec une bande passante beaucoup plus faible que celle des composants
214
Chap. V
Composants optiques
en nitrure de silicium. Cette forte chromaticité peut être reliée à la forte compacité du
composant, qui entraîne une variation rapide des indices effectif des modes guidés
[Soldano95]. La longueur de battement Lπ varie ainsi fortement avec la longueur d’onde,
entraînant un décalage important de la position à laquelle se forment les images. Le bon
équilibre entre les sorties autour de 1,3µm indique par contre un bon accord entre simulation
et expérience.
3.3
Conclusion
Au cours de cette partie, deux différentes façons de diviser le signal optique ont été
étudiées: jonctions Y et Diviseurs MMIs. Les jonctions Y traditionnelles présentent
l’inconvénient d’être très sensibles aux conditions de fabrication ce qui peut entraîner un
déséquilibre variable et important, condition inacceptable pour nos applications. De nouvelles
jonctions Y ont été mises au point, moins sensibles aux effets de pointe. Si elles montrent un
bon équilibre, elles présentent cependant une forte chromaticité pour la filière silicium
amorphe ainsi que de fortes pertes, certainement dues à des effets diffractifs.
Les diviseurs MMIs présentent par contre des caractéristiques particulièrement
intéressantes. Les diviseurs de 1 vers 2 possèdent ainsi de faibles pertes d’insertion
(inférieures à 1,5dB) sur une large gamme spectrale ainsi qu’un très bon équilibre pour toutes
les filières étudiées. De par leur conception, ils sont très compacts et peu sensibles aux
imperfections de fabrication. Ils représentent ainsi une solution particulièrement adaptée pour
distribuer un signal à l’échelle d’un composant. Des diviseurs de faisceaux de 1 vers 4 ont
également été étudiés. Ils montrent des caractéristiques très intéressantes pour la filière nitrure
de silicium standard, avec des pertes négligeables et un très bon équilibre sur une large
gamme spectrale.
4 Comparaison avec la littérature
Les composants optiques mis au point au cours de ce travail répondent à un cahier des
charges particulier axé sur la compatibilité avec des circuits microélectroniques, ce qui
implique des procédés de fabrication basse température. Peu de travaux dans la littérature
possèdent une telle approche. Néanmoins, l’utilisation de ces composants n’est pas exclusive
et il est intéressant de comparer leurs performances avec celles de dispositifs d’optique
classique présentant des tailles comparables.
215
Chap. V
Composants optiques
Les tableaux 5-7 et 5-8 récapitulent les pertes optiques des guides d’ondes et des
micro-courbures pour des guides d’ondes submicroniques développés par les principaux
groupes de recherche. Les technologies de type SOI et Nitrure de silicium sont reportées. Il
convient de noter que leur compatibilité avec une intégration au dessus de circuits intégrés
n’est pas possible (excepté pour le travail de [Kobrinsky04]).
Reférence
Longueur
Pertes
Guides
d’onde
recouverts
(µm)
(dB/cm)
présent
800
1,3
1,5
Oui
Nitrure Standard 400
1,55
3
Oui
Present
400
800
1,3
3
Oui
Nitrure H.I.
1,55
2,75
Oui
[Phillip04]
SiN LPCVD
600
1000
1,55
1,2
Oui
[Kobrinsky04]
SiN PECVD
300
300
0,850
3
Non
Present
205
457
1,3
5,8
Oui
Silicium
1,55
4,5
Oui
Amorphe
[Vlassov04]
SOI/Cornell
270
470
1,55
5,0
Non
[Vlassov04]
SOI/IBM
220
445
1,55
3,0
Non
[Dumon05]
SOI/IMEC
220
500
1,55
2,4
Non
[Vlassov04]
SOI/MIT
200
500
1,55
32,0
Oui
Tableau 5-7 : récapitulatif des pertes de guides submicroniques. Comparaison avec la littérature.
Filière / Auteurs
Hauteur
(nm)
Largeur
(nm)
Filière / Auteurs
Hauteur
(nm)
Largeur
(nm)
Rayon
(µm)
Longueur
d’onde (µm)
430
820
40
1,3
1,55
1,3
1,55
1,3
1,55
1,3
1,55
1,55
Pertes
(dB)
Reférence
<0,05
present
0,18
30
0,1
0,3
416
817
15
0
present
Nitrure
0
H.I.
10
0,02
0,15
SiN LPCVD
600
1000
25
0,02
[philipp04]
20
0,08
15
0,16
330
1200
25
0,05
20
0,12
15
0,2
205
457
5
1,3
<0,05
présent
Silicium
1,55
<0,05
Amorphe
2
1,3
0,05
1,55
0,09
[Vlassov04]
SOI/NTT
300
300
3.0
1,55
0,17
2.0
0,46
[Vlassov04]
SOI/IBM
220
445
2,0
1,55
0,013
[Dumon05]
SOI/IMEC
220
500
5,0
1,55
0,01
2,0
0,03
[Vlassov04]
SOI/MIT
200
500
1.0
1,55
0,5
Tableau 5-8 : récapitulatif des pertes par micro-courbures. Comparaison avec la littérature.
Nitrure
Standard
La filière nitrure de silicium standard présente des pertes comparables avec l’état de
l’art des guides submicroniques en technologie haute température, avec des valeurs aussi
216
Chap. V
Composants optiques
faibles que 1,5 dB/cm à 1,3 µm et des courbures sans pertes pour des rayons de 40µm. Pour
les diviseurs de faisceaux, peu de travaux ont été publiés sur les diviseurs de 1 vers 4 ou de 1
vers 2 en nitrure de silicium (ou contraste d’indice de réfraction équivalent), et les composants
développés au cours de cette thèse présentent à notre connaissance la plus forte compacité et
les plus faibles pertes.
La filière nitrure de silicium haut indice présente des pertes légèrement plus
importantes mais elle permet d’atteindre un plus fort degré d’intégration et d’obtenir des
courbures sans pertes à l’état de l’art pour des rayons de 15µm.
Enfin, le silicium amorphe montre des performances record, équivalentes à la
photonique SOI, avec des pertes à 1,3 et 1,55µm à l’état de l’art pour des guides recouverts.
Des courbures très compactes peuvent être obtenues sans pertes pour des rayons de 2µm. Les
diviseurs montrent des pertes de 1,5dB pour des composants de 2*3,6µm, comparables avec
ceux publiés par Sakai et al. [Sakai01] (MMI 3 µm x 6,8µm, bon équilibre, pertes non
mentionnés) et Dumon et al.[Dumon05] (MMI 3 µm x 7,6 µm, pertes <1dB annoncées) pour
la photonique SOI.
Ainsi, grâce aux filières développés au cours de ce travail, des liens élémentaires
comportant guides, changements de direction et diviseurs de faisceaux peuvent être réalisés au
dessus de composants microélectroniques avec des caractéristiques optiques comparables à
l’état de l’art de la photonique à fort contraste d’indice.
Exemple de distribution du signal d’horloge
Ces liens peuvent être utilisés pour distribuer un signal d’horloge au sein d’un
composant (voir Chap. 1). Pour cette application, des circuits en H sont utilisés et la
différence de puissance entre entrée et sorties ne doit pas excéder des valeurs proches de 30dB
[Cassan03]. Les meilleurs résultats aujourd’hui publiés utilisent des guides en arrête en SOI
réalisés sur une plaque optique qui doit être rapportée sur le circuit et montrent des pertes
totales de 14dB pour une distribution 1 vers16 de 1 cm de long [Vivien05]avec des pertes de
propagation comprises entre 0,1 et 0,4 dB/cm.
En utilisant la filière nitrure de silicium standard à 1,3 µm avec 5 MMIs 1 vers 4, 10
courbures de 40µm pour une distance totale de 1cm, en considérant le pire cas de pertes vis-àvis de l’incertitude de nos mesures, une distribution théorique montrant des pertes de 15 dB
peut être réalisée. Des résultats équivalents peuvent ainsi être obtenus, et ce en utilisant une
architecture ne nécessitant pas de coûteuse étape de report. De même, l’utilisation de guides
de la filière silicium amorphe à 1,3µm, de 15 MMI 1 vers 2 à 1,3µm et de dix micro217
Chap. V
Composants optiques
courbures de rayon 2 µm sur une distance totale de 1cm peut conduire à l’obtention de pertes
aussi faibles que 21,3 dB, ce qui parait largement suffisant pour assurer la distribution d’un
signal d’horloge.
Conclusion
A l’aide de composants développés au cours de notre travail, il est possible de réaliser
des liens optiques à faibles pertes et forte compacité au dessus de circuits électroniques. Trois
filières technologiques distinctes ont été développées basées sur les matériaux mis au point
dans les chapitres précédents : nitrure de silicium standard, nitrure de silicium haut indice et
silicium amorphe. A l’aide d’outils de simulation et de caractérisation, des guides, des microcourbures et des diviseurs de faisceaux ont été mis au point. Ils présentent de faibles pertes et
une forte compacité, comparable à l’état de l’art. Plus précisément, la filière nitrure de
silicium standard est aujourd’hui une technologie mature qui permet de réaliser des liens de
compacités raisonnables (du type distribution d’horloge) avec des pertes optiques globales à
1,3µm très intéressantes. Son introduction au sein de circuit microélectroniques ne pose aucun
problème de compatibilité et peut apporter rapidement des avantages certains. La filière
nitrure de silicium haut indice représente une solution plus compacte, qui entraîne des pertes
supplémentaires raisonnables à 1,3µm et le même degré de pertes à 1,55µm. Son introduction
peut permettre de réaliser des circuits complexes nécessitant un plus fort degré d’intégration
tout en gardant une faible gamme de pertes optiques (<3dB/cm)
Enfin, l'étude menée sur un lien optique à base de guides ruban en silicium amorphe
constitue à notre connaissance une première mondiale, et met en lumière les potentialités de
cette technologie. La filière silicium amorphe combine les avantages de la photonique à fort
contraste d’indice de type SOI et la versatilité des méthodes de dépôt et de fabrication
utilisées. Les pertes optiques des guides, des courbures, et des diviseurs la situent à l’état de
l’art des composants à très fort contraste d’indice et ouvrent la voie à l’intégration à bas coût
de composants optiques submicroniques au sein de circuits intégrés, ou bien encore à la
réalisation aisée de composants novateurs de type optique à multi niveaux, cristaux
photoniques 3D etc.….
218
Chap. V
Bibliographie
Bibliographie du chapitre 5
[Agarwall99]
A. Agarwal, J.S. Foresi, L.M. Giovane, L. Liao, J. Michel, K. Wada, and L.C.
Kimmerling, Defect Engineering for silicon Microphotonics , Defects in silicon III,1999,
pp.215-21.
[Bryngdahl73]
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220
Chap. V
Bibliographie
221
Conclusion générale
Conclusion Générale
221
Conclusion générale
Conclusion générale
L’augmentation des fréquences de fonctionnement des circuits intégrés rend de plus en
plus problématique l’utilisation d’interconnexions métalliques et requiert l’introduction de
nouveaux types de liaisons. Les liens optiques présentent une alternative très intéressante
d’autant plus que leur introduction au sein de microcircuits peut ajouter de nouvelles
fonctionnalités à ces derniers. Dans ce travail de thèse, nous avons axé nos recherches sur la
mise au point de composants de bases pour réaliser des liens optiques à 1,3 ou 1,55µm
intégrables au dessus des composants microélectroniques. Deux problématiques majeures ont
ainsi été explorées en deux étapes successives :
- L’étude et la mise au point de couples de matériaux déposés par PECVD présentant
de faibles pertes optiques et un fort contraste d’indice de réfraction.
- La mise au point de composants élémentaires d’optique intégrée compacts et à
faibles pertes avec ces matériaux.
Etude et mise au point de matériaux optique par PECVD
Dans notre travail, la silice a été choisie comme matériau de gaine, trois matériaux
différents ont été étudiés comme matériaux de coeur.
Le carbone amorphe : de par la versatilité de ses propriétés physiques, celui-ci peut
être déposé avec une large gamme d'indice de réfraction et de nombreux auteurs ont mis en
exergue ses potentialités optiques, sans toutefois qu’aucune étude n’ait porté sur ses pertes
optiques intrinsèques dans le domaine infra rouge. Dans un premier temps, les processus de
dépôt par PECVD de ce matériau ont été étudiés. Grâce à des analyses par ellipsometrie et
IRTF, nous avons montré que les propriétés chimiques des couches et leurs indices de
réfraction sont liées au premier ordre au degré de dissociation des précurseurs gazeux dans la
chambre. En contrôlant les paramètres de dépôt qui influent sur le taux de dissociation dans le
plasma, nous avons mis en évidence la possibilité de déposer des couches d’indice de
réfraction compris entre 1,6 et 2 à 1,3µm. Une deuxième étape a consisté à déterminer
l’évolution structurale des matériaux déposés. Grâce à différentes analyses physico chimiques
(SIMS, NRA/ERDA, XRR, XPS, RMN), l’évolution des couches déposées en fonction de
l’indice de réfraction a pu être déterminée. D’un matériau polymérique possédant une
structure peu réticulée, le matériau devient de plus en plus graphitique au fur à mesure de
l’augmentation de son indice de réfraction. En raison du précurseur cyclique utilisé, les dépôts
222
Conclusion générale
présentent dès l’origine un fort taux de liaisons sp2 qui diminue puis augmente avec le taux de
dissociation. La comparaison des signaux d’XPS, de RMN du carbone et de l’hydrogène nous
a permis de mettre en évidence la formation d’amas de carbone hybridés en sp2, visible à
travers la fixation préférentielle de l’hydrogène sur des atomes de carbone hybridés sp3.
Enfin, l'évolution des pertes optiques des couches à 1,3 et 1,55µm en fonction de l'indice de
réfraction a été étudiée. Grâce à des mesures par la méthode des Mlines, nous avons montré
que les matériaux présentent de faibles pertes pour les faibles indices de réfraction, mais que
ces pertes augmentent avec l’indice de réfraction. A l'aide d'analyses en spectrophotométrie et
en résonance paramagnétique électronique, leur origine a été déterminée. Elles peuvent être
attribuées à l’augmentation de défauts liés à des amas d’atomes de carbones de type sp2 pour
les faibles indices de réfraction ainsi qu’à la diminution globale de la bande interdite optique,
qui entraîne une probabilité plus importante pour les transitions en bord de bandes pour les
couches à plus forts indices. Finalement cette étude nous a permis de statuer sur les
potentialités en terme d’optique intégrée du carbone amorphe. Possédant un faible niveau de
pertes pour des indices de réfraction proches de 1,6 à 1,3µm, il parait très intéressant pour des
applications de type optique intégré à faible contraste d’indice. Pour les plus forts indices de
réfraction, ses valeurs de pertes modérées le rendent très intéressant pour des applications " à
faible chemin optique" (de type couches anti-réflectives.) Par contre, ce matériau parait limité
pour les applications recherchées dans notre travail, à savoir optique intégrée à fort contraste
d'indice. C'est pourquoi, il s’est avéré opportun d’étudier ensuite les propriétés optiques du
nitrure de silicium et du silicium amorphe déposé par PECVD.
Le nitrure de silicium : l'influence des paramètres de dépôt sur les propriétés optiques
et physiques du nitrure de silicium a été d’abord étudiée. A l'aide d'analyses par éllipsométrie
et IRTF, la modification de la stœchiométrie du matériau selon les paramètres utilisés a été
caractérisée. Elle peut être reliée à la différence d'énergie de dissociation des précurseurs
gazeux et à la modification du taux de dissociation dans la chambre. Grâce à des mesures de
pertes optiques en guides plan, nous avons mis en évidence la possibilité de déposer des
couches à très faibles pertes optiques à 1,3µm pour une large gamme d'indice de réfraction
compris entre 1,8 et 2 à 1,3µm. Les matériaux possèdent par ailleurs des pertes modérées à
1,55µm dues à la présence de liaisons N-H. Dés lors, il s’agissait d’étudier les pertes optiques
résiduelles à 1,3 et celles plus importantes présentes sur les échantillons d'indice de réfraction
supérieurs à 2. A l'aide de caractérisation par RPE, éllipsométrie UV, diffraction X et AFM,
nous avons pu attribuer les pertes résiduelles à 1,3µm à des liaisons pendantes dans le
223
Conclusion générale
matériau et émettre une hypothèse quant à la présence d'amas de silicium responsables de
l'absorption optique à fort indice de réfraction.
D’un point de vue pratique, deux matériaux types ont été définis pour réaliser des liens
optiques intégrés, l'un de moyen indice de réfraction (1,86 à 1,3µm) et l'autre de fort indice
(2,02 à 1,3µm).
Le silicium amorphe : Les propriétés optiques du silicium amorphe déposé par
PECVD ont ensuite été évaluées. Ce nouveau matériau présente un très fort indice de
réfraction et de faibles pertes optiques à 1,3 et 1,55µm du à la passivation des liaisons
pendantes par des atomes d'hydrogènes. Il a été choisi pour réaliser des composants d'optique
intégrée.
Mise au point de composants d’optique intégrée
Une seconde partie de notre travail a porté sur la mise au point de composants
élémentaires pour réaliser des liaisons optiques. Guides d'ondes, virages et diviseurs de
faisceaux ont été développés pour les trois filières identifiées auparavant : nitrure de silicium
standard, nitrure de silicium haut indice et silicium amorphe. A l'aide d'outils de simulation et
de caractérisations optiques, des composants compacts et à très faibles pertes ont été mis au
point, comparables à l’état de l’art de composants d'optique intégrée "classique" (non
intégrables au sein de microcircuits) :
- A l’aide d’un solveur de mode mis au point au laboratoire, des guides
submicroniques monomodes à faibles pertes ont été conçu. Leur caractérisation
spectroscopique a permis d’identifier les sources de pertes intrinsèques des composants
(liaisons N-H du nitrure de silicium, liaisons O-H de la silice de gaine). La comparaison des
valeurs de pertes des guides avec les valeurs de pertes en guides plans a permis de mettre en
évidence la proéminence des pertes par rugosité sur les flancs
- Pour réaliser des virages, des micro-courbures à faibles pertes ont été démontrés pour
la filière silicium amorphe. Pour les filières à plus faible contraste d'indice que sont le nitrure
de silicium standard et haut indice, nous avons mis en évidence l’intérêt d’utiliser des microcourbures avec un dessin adapté dit « à courbures continues ».
- Pour diviser les faisceaux, les avantages des diviseurs à interférences multimodes ont
été mis en lumière. Ceux-ci présentent une plus faible sensibilité aux procédés de fabrication
que les jonctions Y, un très bon équilibre et de faibles pertes pour les filières développées.
224
Conclusion générale
Finalement, les travaux de cette thèse ont donné naissances à trois filières
technologiques permettant de réaliser des liaisons optiques au dessus de circuits intégrés. La
filière nitrure de silicium standard est aujourd’hui une technologie mature qui permet de
réaliser des liens de compacités raisonnables (du type distribution d’horloge) avec des pertes
optiques globales à 1,3µm (1,5dB/cm) très intéressantes. Son introduction au sein de circuit
microélectroniques ne pose aucun problème de compatibilité et peut apporter rapidement des
avantages certains. La filière nitrure de silicium haut indice représente une solution plus
compacte, qui entraîne des pertes supplémentaires raisonnables à 1,3µm et le même degré de
pertes à 1,55µm. Son introduction peut permettre de réaliser des circuits complexes
nécessitant un plus fort degré d’intégration tout en gardant une faible gamme de pertes
optiques (<3dB/cm).Enfin, la filière silicium amorphe combine une très forte compacité avec
de faibles pertes à 1,3 et 1,55µm (<5dB/cm), comparable à la photonique SOI. Cette étude
constitue à notre connaissance une première mondiale, et met en lumière les potentialités de
cette technologie. Des liens optiques très complexes peuvent être envisagés avec une forte
densité d’intégration, intéressante pour des applications de type liaisons haut débit
multicanaux.
Les perspectives de nos travaux peuvent s’orienter vers deux directions différentes.
La première concerne le domaine de l’optique intégrée, et le développement de
composants complexes à partir des filières technologiques mises au point ici. Elles ont
démontré de très bonnes performances optiques et peuvent être réutilisées pour réaliser
résonateurs, cavités Fabry pérot, MMIs de 1 vers N etc.. De part leur simple schéma
d’intégration, elles présentent de plus l’intérêt d’être aisément empilables et de réaliser
facilement des composants d’optique multiniveaux. Ces développements paraissent
particulièrement intéressants pour la filière silicium amorphe, qui combine l’intérêt d’une
technologie versatile avec les avantages de la photonique à fort contraste d’indice et peut ainsi
ouvrir la voie à la réalisation de composants originaux (cristaux photoniques 3Ds, etc.).
La deuxième perspective s’inscrit dans le champ des interconnexions optiques.
Celles-ci sont aujourd’hui à un point crucial de leur évolution : leurs avantages comparées aux
interconnexions électriques doivent être démontrés pratiquement, dans un système
fonctionnel comprenant le triptyque sources, composants-passifs-détècteurs en lien avec un
circuit électronique. La prochaine étape de cette étude est ainsi la réalisation d’un
démonstrateur complet comprenant des éléments développés dans notre travail associés à des
225
Conclusion générale
composants actifs. Des travaux sont menés dans ce sens au sein du projet européen PICMOS
et devraient donner des résultats prochainement.
Enfin, l’originalité de ce travail de thèse réside certainement dans l’étude complète
d’une filière d’optique intégrée, du dépôt des matériaux à la caractérisation optique des
composants. Nous aurons pris soin d’analyser les sources de pertes optiques inhérentes à
chaque étape pour obtenir les composants les plus performants possibles.
226
Conclusion générale
227
Annexes
Annexe1
Annexes
231
Annexes
Annexe1
Annexe1 : Réflectométrie de rayons X à incidence
rasante
Le principe de l’XRR (en anglais : X-Ray Reflectometry) repose sur la mesure de la
réflectivité spéculaire d’un faisceau parallèle de rayons X mesurée en incidence rasante (0-5°)
[Vanderlee2000]. La méthode consiste à envoyer sur l’échantillon un faisceau de
rayons X parallèles monochromatiques sous incidence rasante et à enregistrer les
variations d’intensité du faisceau réfléchi lorsque l’angle d’incidence varie. Lorsque le
faisceau de rayons X tombe sur la surface sous un angle θ très faible (inférieur à
l'angle critique θc tel que cos(θc) = n), il est entièrement réfléchi. Pour des angles
d'incidence supérieurs à
θc, une partie du faisceau pénètre dans l'échantillon et
l'intensité de la réflexion diminue.
Pour des multicouches, la partie réfléchie à
l’interface interfère avec celle réfléchie à la surface de l’échantillon.(voir figure A-1).
L’analyse XRR permet alors d’obtenir certaines caractéristiques de l’échantillon :
o
la densité à partir de l’angle critique
o
l’épaisseur du film à partir de l’espace entre les franges
o
la rugosité de surface et d’interface à partir de l’amplitude des franges et de
l’atténuation de la courbe de réflexion
Faisceau réfléchi
Faisceau RX
incident
Echantillon
Interface
Figure A-1: Principe de l’XRR.
Les mesures ont été obtenues avec un équipement Jordan Valley JVX5200T1 sur des
couches déposées sur des substrats silicium pour les radiations du Cuivre Cu-L3,2 (λ=
0.15051 et 0.15433 nm). Le traitement des diagrammes est effectué à l’aide du logiciel de
simulation «Firefx4c_6 » basé sur la méthode de Parrat [Parrat95].
Les analyses XRR ont été réalisées en collaboration avec Diane Rebiscoule au LETI.
232
Annexes
Annexe2
Annexe2 : Spectroscopie des photoélectrons X ou
XPS
Principe de mesure
Le principe de l’XPS (en anglais : X-ray Photoelectron Spectroscopy) repose sur
l’interaction d’un rayonnement X avec la matière qui entraîne l’émission d’électrons issus des
niveaux atomiques excités : les photoélectrons X [Eberhart1997].
L’échantillon est excité par une onde électromagnétique d’énergie d’excitation hν suffisante
pour extraire les électrons du matériau. L’absorption de l’énergie par l’échantillon induit une
émission d’électrons photoexcités (voir figure A-2). Ces photoélectrons sont émis avec une
énergie cinétique Ec= Hν –Eliaison –Ws où Ws est le travail de sortie des électrons de
l'échantillon. Dans le cas des solides, les énergies de liaison sont définies par rapport
au niveau de Fermi.
Cette technique permet d’identifier les différents éléments
chimiques présent dans la couche et de quantifier la nature de l’environnement
chimique et le type de liaisons de certains éléments [Hollinger86].
électrons
photoémis
Figure A-2 : Principe de l’émission d’un photoélectron.
L’émission des rayons X est obtenue par bombardement d’une anode
métallique avec des électrons énergétiques (20 keV). L’XPS est une technique
d’analyse de surface, elle permet de sonder une épaisseur maximale de 10 nm environ.
Appareil utilisé
Le spectromètre utilisé (CAMECA RIBER SIA 200) comprend une enceinte
UHV (10-9-10-10 Torr), un analyseur cylindrique de type MAC2 dont on peut choisir
233
Annexes
Annexe2
la résolution (mais gardée constante dans toute la gamme d’énergie cinétique
balayée), un canon à ions, un canon à électrons et une source de rayons X nonmonochromatique filtrée (CAMECA SCX 700) comportant une double anode (AlMg). Pour notre étude, la source excitatrice AlKα a été utilisée.
Analyse d’échantillons de carbone amorphe par XPS
Nous détaillons ici les études effectuées par XPS sur les cinq échantillons de
référence décrits partie 3 du chapitre 3. Leur description est rappelée dans le tableau
A-1.
Echantillon
1
2
3
4
5
(E1)
(E2)
(E3)
(E4)
(E5)
Flux
d’helium Flux de
(sccm)
(sccm)
500
100
500
100
500
100
500
100
990
100
Tableau A-1 : descriptif des échantillons.
C7H8
Puissance (Type)
50
200
400
700
400
RF
RF
RF
RF
BF
Indice @
1.3 µm
1,589
1,624
1,67
1,758
1,81
Les spectres se présentent sous la forme de pics correspondant à l’énergie cinétique
des électrons de cœur des atomes de C. Trois zones sont intéressantes à observer (voir
figure A-3) :
-
La bande de valence de nos matériaux, située a des énergies proches du niveau
de Fermi, significative d’un ordre à grande échelle du matériau.
-
Le pic d’absorption lié aux orbitales C1s du carbone, représentatif du type
d’hybridation ainsi que de l’environnement du carbone.
-
Un pic relatif aux pertes proprement dites, significatif du matériau.
C1s
Bande de valence
autres
Pertes d’énergies
Energie de liaison (eV)
Figure A-3 : Exemple de spectre d’XPS des échantillon étudiés.(Echantillon 3).
234
Annexes
Annexe2
Interprétation des pertes d’énergie des photoélectrons et de la bande de
valence
Les spectres de perte d’énergie du carbone 1s de nos échantillons sont présentés en
Figure A-4. En parcourant le spectre vers les hautes énergies de liaison, on trouve
successivement :
-
Un premier pic ( dit « shake-up ») à + 6-7 eV par rapport au C 1s, relatif à la
présence de carbone engagé dans des liaisons de type C=C dans des cycles
benzéniques.
Ce pic est très prononcé pour les échantillons 1 et 2, et décroît jusqu’à extinction
pour les échantillons 3, 4 et 5.
-
Un second pic très large relatif aux pertes des électrons proprement dites, dont le
maximum à 308 eV est caractéristique du a-C:H [Shafer96].
Intensité (U.A)
10000
Intensité (U.A)
10000
E1
0
E2
0
320
310
300
290
280
E n e r g ie d e lia is o n ( e V )
320
310
290
280
290
280
E4
E5
5000
E3
300
E n e r g ie d e lia is o n ( e V )
10000
Intensité (U.A)
Intensité (U.A)
10000
0
0
320
310
300
290
280
320
310
300
E n e r g ie d e lia is o n ( e V )
E n e r g ie d e lia is o n ( e V )
Figure A-4 : Spectres de perte d’énergie du carbone 1s pour les quatre échantillons.
Les spectres de la bande de valence (voir figure A-5) confirment le caractère
particulier de l’échantillon 1 et, dans une moindre mesure de l’échantillon 2. Une
structuration de la bande de valence est observée pour l’échantillon 1 et, plus
faiblement pour le 2. En comparaison, la forme de la bande de valence des
échantillons obtenus à plus forte puissance (3, 4, 5) est plus caractéristique de
matériaux amorphes du type a-CH [Shafer96], avec sa forme « arrondie ». La
235
Annexes
Annexe2
structuration observée sur les échantillons 1 et 2 suppose une structure moins
désordonnée, où un certain « ordre au premiers voisins » subsiste.
Intensité (U.A)
E
E
E
E
E
1
2
3
4
5
E
30
25
20
15
10
5
f
0
E n e r g ie d e lia is o n s ( e V )
Figure A-5 : Spectre d'énergie de la bande de valence des échantillons.
Interprétation des spectres liés aux niveaux de cœur 1s du carbone
Pour les échantillons 1 et 2, la position du pic C1s du carbone est décalée vers 285.1
eV, ce qui correspond au signal du carbone engagé dans des groupements C-phényl
caractéristique du toluène. Ceci est cohérent avec l’interprétation donnée plus haut et
confirme la présence de cycles carbonés dans ces échantillons.
Pour les échantillons 3, 4, 5, les spectres C 1s montrent un déplacement graduel vers
les basses énergies de liaison. Ce déplacement est interprété comme reflétant une
proportion différente de carbone hybridé sp2 et sp3, dont les contributions
apparaissent typiquement séparées de 0.6-0.8 eV [Shafer96]. En utilisant des
décompositions, il est possible de déterminer le type de liaisons mises en jeu dans les
ces couches.
236
Annexes
Annexe2
La figure A-6 représente la décomposition des signaux entre les liaisons de type sp2 (
notées –C=C-) et les liaisons de type sp3 (notées –C-C- et -C-H).
E.5
E.3
-C-C-,
-C=C-
-C=C-C-C-,
-C-H
-C-H
C-O
288
287
286
C-O
285
284
283
288
282
287
286
285
284
283
282
Energie de liason (eV)
Energie de liaison (eV)
Figure A-6 : Exemples de décomposition de spectre C1s en composantes sp2 et sp3. La
composante à haute énergie est relative aux liaisons C-O de la contamination de surface.
Pour les échantillons 3, 4, et 5, il est ainsi possible d’obtenir le rapport sp2/sp3 des
couches, les résultats sont indiqués dans le tableau A-2.
Echantillon
3
4
5
Puissance
400W RF
700W RF
400W BF
sp2/(sp2+sp3)
0.65
0.79
0.88
Tableau A-2- Résultats de la décomposition des spectres C1s.
L’XPS permet ainsi de caractériser le type de matériau obtenu dans le cas de nos
échantillons.
Une augmentation de la proportion de liaisons π est observée avec l’ordre des
échantillons ce qui suppose une graphitisation des couches déposées avec
l’augmentation des conditions de dissociation. Les couches 3, 4 et 5 peuvent être
assimilées à des matériaux de type carbone amorphe, la ou les couches 1 et 2 sont plus
de type « polymère » et ne possèdent pas la même signature caractéristique. Il ne nous
est donc pas possible de quantifier le ratio sp2/sp3 dans ces deux couches.
Les analyses XPS ont été réalisées en collaboration avec Olivier Renault au LETI.
237
Annexes
Annexe3
Annexe 3 : Analyse de couches de carbone amorphe
par résonance magnétique nucléaire
Principe de la résonance magnétique nucléaire
La
Résonance
Magnétique
Nucléaire
(RMN)
est
une
technique
spectroscopique qui utilise les propriétés physiques de la matière lorsque celle-ci est
placée dans un champ magnétique statique intense, B0. Elle permet d’avoir accès aux
environnements chimiques des noyaux possédant un spin nucléaire non nul. La
mécanique quantique indique que, pour des noyaux atomiques possédant un moment
magnétique (donc de spin non nul), le champ magnétique appliqué B0 lève la
dégénérescence des niveaux énergétiques : c’est l’effet Zeeman. Toutes les autres
interactions que peut subir un noyau considéré (de par son environnement) sont des
perturbations de cet effet Zeeman. Ce sont ces interactions qui sont intéressantes car
elles induisent localement des fluctuations du champ magnétique, et cela se traduit sur
les spectres par des modifications de la forme des raies d’absorption, de leur position
ou de leur élargissement. Lors de ce travail, des noyaux de spin ½ ont été étudiés :,
13C
et
1H.
L’ abondance naturelle de l’isotope
13C
est très faible, de 1,1%
[Mehring83]. Par la technique de Polarisation Croisée (CP), il est possible d’utiliser le
couplage dipolaire avec les protons 1H pour augmenter l’intensité du signal des
noyaux
29Si
et
13C
(non moyenné à zéro à l'état solide) avec les protons. Cette
technique permet aussi de raccourcir les temps d'expérience même si les temps
d’acquisition restent importants (de l’ordre de quelques heures au lieu de quelques
jours). Lorsque l’on utilise cette méthode, les informations données par les spectres
sont seulement qualitatives. En effet, plus un noyau est proche d’un nombre important
de 1H plus il va bénéficier de cet effet. Son intensité sera plus augmentée qu’un noyau
ayant moins de 1H voisins. Pour remonter à une information quantitative, il faut
mesurer la cinétique de transfert de polarisation des protons vers le carbone ou le
silicium. Pour pouvoir faire de la RMN du solide sur les matériaux développés, il faut
réduire les films minces en poudre et introduire cette poudre dans un petit cylindre
(rotor). Lorsque l’on travaille avec des solides, les molécules ont un nombre de degré
de liberté très réduit par rapport à la RMN liquide où le mouvement Brownien
238
Annexes
Annexe3
moyenne à zéro la plupart des interactions. Cela a pour conséquence de compliquer le
spectre en élargissant les raies. La technique de rotation à l’angle magique a pour but
de moyenner ces interactions dans les échantillons solides. Elle consiste à faire
tourner l’échantillon dans le spectromètre, à une fréquence de quelques milliers à
quelques dizaines de milliers de Hz autour d’un axe q incliné par rapport à la verticale
du champ tel que le facteur (3cos2θ - 1), qui se trouve dans les équations
d'interactions d'ordre deux, soit nul (découle de la mécanique quantique) [116].
Figure A-7 : Schéma du montage de RMN du Solide
Appareil utilisé
Le spectromètre utilisé est un Bruker AVANCE 400. Le champ
statique a une valeur de 9,4 T et la fréquence de résonance du proton est de 400,13
MHz (de 100,61 MHz pour 13C et de 79,49 MHz pour 29Si). Les expériences ont été
réalisées avec une sonde CPMAS de 4mm à deux canaux (1H / X). Le rotor en
zirconium contenant l'échantillon a un diamètre externe de 4mm, un diamètre interne
de 3mm, une hauteur de 1,8 cm et il est fermé par un bouchon à ailette en Kel-F. Son
volume est de 120 µL. La rotation à l’angle magique est assurée au moyen d’une unité
pneumatique qui délivre deux flux d’air dans le stator. La vitesse de rotation est
contrôlée par stroboscopie (constante à moins 1% sur une durée de 10 heures). La
température de l’échantillon est maintenue constante.
239
Annexes
Annexe3
Etude de couche de carbone amorphe par résonance
magnétique nucléaire
Nous détaillons ici les études effectuées sur les échantillons référence 1, 2 et 3
décrits dans la partie 3 du chapitre 3. Leurs conditions de dépôt sont rappelées dans le
tableau A-1.
Dans un premier temps, la résonance magnétique de l’hydrogène a été
observée. En utilisant une décomposition par des lorentziennes, les deux composantes
des spectres centrées en 7,9 et 2,8 ppm permettent de remonter au taux d’hydrogène
lié à des carbones sp2 et sp3 (voir figure A-8).
Sp2
E.1
E.3
E.2
I (U.A)
2,00E+008
Sp3
Sp2
I (U.A)
I ( U.A)
4,00E+008
Sp3
Sp2
Sp3
0,00E+000
50
0
Déplacement chimique (ppm)
30
0
-30
40
Déplacement chimique ( ppm)
20
0
-20
déplacement chimique (ppm)
Figure A-8 : Déplacement chimique du pic de l’hydrogène pour les échantillons 1, 2, et 3.
Les résultats obtenus sont récapitulés dans le tableau A-3.
Echantillon
Puissance (type)
1
50W RF
2
3
R=ASp2/(Asp2+Asp3)
Position pic sp2
Position pic sp3
0,52 +/-0,02
7,93
2,79
200W RF
0,40 +/- 0,02
7,83
2,93
400WRF
0,42 +/-0,02
7,83
2,93
Tableau A-3 : Type d’hybridation des atomes de carbones sur lesquels sont liés les atomes
d’hydrogène.
Une faible valeur de R est observée, montrant une fixation préférentielle de
l’hydrogène sur les atomes de carbone présentant des hybridations sp3. D’autre part,
une baisse de ce ratio est observée entre l’échantillon 1 et 2, suivie d’une légère
augmentation.
Dans un second temps, la résonance magnétique des noyaux de carbone a été
observée. Dans notre étude l’aimantation du carbone a été observée par transfert de
l’aimantation d’hydrogène par polarisation croisée. Le signal obtenu est alors
représentatif des atomes de carbone les plus entourés d’hydrogène et doit donc être
interprété de manière qualitative.
240
Annexes
Annexe3
E1
E3
I (U.A)
I (U.A)
I (U.A)
E2
300
250
200
150
100
50
0
-50
-100
deplacement chimique (ppm)
300
250
200
150
100
50
0
-50
Déplacement chimique (ppm)
-100
300
250
200
150
100
50
0
-50
-100
déplacement chimique (ppm)
Figure A-9 : Spectres du carbone des échantillons 1, 2, et 3.
La signature du carbone (Figure A-9) présente un spectre où l’on peut distinguer
différentes contributions :
- à 142 ppm, un pic lié aux carbones hybridés sp2 non hydrogénés, dit aussi
« carbone graphitique » impliqués dans des liaisons de type =Csp2< ,
- à 129 ppm, un pic lié au carbone sp2 liés à des hydrogènes impliqués dans des
liaisons de type =Csp2H-, attribué ici à des carbones impliqués dans des cycles
aromatiques,
- à 41ppm, un pic lié au carbone sp3, impliqué dans des liaisons de type –
Csp3H< ou – Csp3H2-,
- à 21 ppm, un épaulement représentatif des liaisons Csp3 –CH3.
L’analyse des spectres de 50 et 200W nous montre une large conservation des cycles
aromatiques dans le matériau, grâce aux deux pics caractéristiques du carbone sp2,
hydrogéné ou non. Dans une deuxième phase du dépôt, entre 200 et 400W, les cycles
sont largement détériorés, les contributions sp2 ne sont plus distinguables l’une de
l’autre, signe d’une plus grande hétérogénéité des environnements des atomes de
carbone. Les cycles ne sont plus du tout conservés et l’on a un matériau très
désordonné, de type carbone amorphe.
La résonance magnétique nucléaire permet ainsi de déterminer l’hybridation
des atomes de carbone à partir signal d’hydrogène ou du signal du carbone. Des
informations quantitatives tel que la proportion des différentes hybridations du
carbone lié à l’hydrogène et qualitative tel que le type de matériau obtenu sont ainsi
disponibles, permettant d’analyser les évolutions qui se passent lors du processus de
dépôt.
Les mesures de résonance magnétique nucléaire ont été effectuées avec
Guillaume Gerbault au laboratoire DRFMC du CEA Grenoble.
241
Annexes
Annexe4
Annexe 4: Etude de couches de carbone amorphe par
spectrophotométrie
Dans cette partie, nous détaillons l’étude en spectrophotométrie effectuée sur les
échantillon référence dans la partie 3 du chapitre3 . Les conditions de dépôt des
échantillons sont rappelées dans le tableau A-1. L’absorption de nos matériaux a été
déterminée par spectrophotométrie, dans la gamme 0.35µm à 1.15µm.
Mode opératoire :
Les échantillons sont déposés sur des couches de verre transparent, leurs absorbance
est déterminée à partir des mesures de réflexion et de transmission. Ces mesures sont
effectuées à l‘aide d’une lampe Xenon suivie d’un monochromateur balayant la
gamme de 0.35 à 1.15µm. Le signal est collecté grâce à une sphère intégratrice placée
au dessus (réflexion) ou en dessous (transmission) de nos couches jusqu’à un
détecteur silicium.
Limite de nos mesures
Pour des raisons matérielles, seul l’échantillon n°5 a pu être mesuré en réflexion. Les
autres échantillons ont simplement été analysés en transmission. Pour le traitement de
ces derniers, une faible variation de la réflexion des couches en fonction de la
longueur d’onde a été supposée. Le signal de réflexion à soustraire a été considéré
constant (c’est pourquoi on peut observer un signal d’interférence pour les couches 3
et 4). Néanmoins, ces variations n’ont que très peu d’influence pour les fortes valeurs
d’absorption, situé à des énergies proches de la bande interdite. D’autre part, la
sensibilité de l’appareil limite l’exploitation des données dans la gamme des faibles
absorption (α<102cm-1), les valeurs d’absorption obtenues pour les grandes longueurs
d’onde ne sont donc pas exploitables.
Résultats
La figure A-10 représente l’évolution des coefficients d’absorption en fonction de la
longueur d’onde. L’absorption des couches augmente avec l’indice de réfraction et le
seuil d’absorption augmente, signe d’une diminution de la bande interdite.
242
Annexes
Annexe4
5,00E+04
échantillon 1
échantillon 2
échantillon 3
échantillon 4
échantillon 5
4,00E+04
alpha( cm^-1)
3,00E+04
2,00E+04
1,00E+04
0,00E+00
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
-1,00E+04
longueur d'onde( µm)
Figure A-10 : Coefficient d’absorption α (cm-1) en fonction de la longueur d’onde.
Détermination de la bande interdite optique
Pour définir le bande interdite des matériaux amorphes, deux valeurs sont les plus
utilisées :
- La bande interdite E04, défini comme l’énergie pour laquelle le coefficient
d’absorption α =104cm-1.
- La bande interdite de Tauc, défini à partir du modèle empirique de Tauc, qui
suppose des bandes d’absorption paraboliques. On alors l’équation :
αE = B( E − E g ) 2 Équation 0-1
Où α est le coefficient d’absorption, E l’energie des photons, Egtauc la valeur de la
bande interdite au sens de Tauc. La figure A-10 représente l’extraction de la valeur de
la bande interdite de Tauc de nos matériaux, l’absorption en bord de bande suit bien
le modèle de Tauc.
243
Annexes
Annexe4
400
350
E4
E3
300
E2
E1
200
150
( α(*E)^0,5
* E)0,5
250
E5
100
50
0
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
-50
Energie(hv) (eV)
Energie (eV)
Figure A-10 : Evolution de la racine carrée du produit a*E en fonction de
l’énergie du faisceaux incident. Pour chaque droite, l’ordonnée à l’origine définit
la bande interdite au sens de Tauc.
La spectrophotométrie permet ainsi de caractériser la bande interdite de couches de
carbone amorphe, et de comprendre les processus mis au point dans ‘absorption
optique de ce type de matériau.
Les mesures de spectrophotométrie ont été effectuées avec Steve Martin du
laboratoire LITEN du CEA Grenoble.
244
Annexes
Annexe5
Annexe 5 : Etude de couches de carbone amorphe par
résonance paramagnétique électronique
Dans cette partie, nous détaillons l’étude effectuée en résonance
paramagnétique électronique (RPE) sur
les échantillons références décrit au
paragraphe 3 du chapitre3. Leurs conditions de dépôt sont rappelées dans le tableau
A-1.
Principe de la RPE
La spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) est une
technique qui permet d’analyser la nature et la concentration des défauts
paramagnétiques dans un échantillon. Elle a été largement utilisée pour étudier les
défauts de couches de carbone
amorphe produites par différentes techniques
[Barklie03]. Les défauts observés sont de type radicalaire R° de spin électronique ½ .
Les spins électroniques placés dans un champ magnétique donnent naissance à deux
niveaux dont l’écart en énergie est proportionnel au champs magnétique appliqué B0
(effet Zeeman). La RPE repose sur l’absorption d’un champ hyperfréquence d’énergie
hν appliqué simultanément au champs magnétique selon la relation :
hν ~ g B0
Equation A-1
Le signal se caractérise par sa position et sa forme de raie. La position des signaux
s’exprime à l’aide du facteur g dont la valeur est 2.0023 pour l’électron libre. Par
comparaison avec un échantillon de référence, il est possible d’atteindre la
concentration absolue en radicaux. La sensibilité de cette technique permet de détecter
des quantités de défauts supérieurs à 1017 cm-3.
Mode opératoire
Les couches sont déposées sur un substrat silicium puis clivées par bande de 3mm
pour pouvoir être introduites dans une cavité résonnante. Les défauts observés
peuvent être dus aux matériaux déposés mais aussi aux défauts dus au substrat, et
notamment aux faces clivées.
245
Annexes
Annexe5
Résultats :
La figure A-11 présente la signature RPE de nos échantillons ; les valeurs de g, la
largeur entre maxima et le nombre de défauts par cm3 sont indiqués dans le Tableau
A-4.
I (U.A)
Ch1norm
CH2norm
CH3norm
CH4norm
CH5norm
3380
3400
3420
3440
3460
3480
plaque
g
largeur
Ns (cm-3)
E1
2.0052
n
1.97 1018
E2
2.0034
n
1.87 1019
E3
2.0025
11
1.61 1020
E4
2.0026
18
4.44 1020
E5
2.0025
10
4.811020
3500
Champ magnétique*10 (mT)
Figure A-11 : Signature des dépôts.
Tableau A-4 : Récapitulatifs des résultats
obtenus par RPE.
Les échantillons présentent une signature g proche de 2.0024, ce qui est
caractéristique des valeurs obtenues pour des couches a-C :H déposées par PECVD
[Barklie03]. On remarque une augmentation de la valeur de g pour les couches 1 et 2,
elle peut être attribuée à l’ajout d’une composante due aux défauts liés au substrat, qui
ne sont plus négligeables vu le faible niveau de défauts dans ces couches.
Type de défauts
Afin d’identifier le type de défauts, la variation de la largeur des signaux a été
examinée. En effet, Barklie et al.[Barklie03] ont montré que dans le carbone amorphe,
l’évolution de la largeur entre maxima du signal, qui met en jeu des phénomènes
d’interaction de spin ou d’interaction avec l’hydrogène est représentative du type de
défauts. Une forte évolution de la largeur avec la bande interdite est caractéristique de
défauts liés à des orbitales π (sp2) dans des amas sp2. Cette tendance se retrouve
parfaitement sur nos échantillons (voir figure 3-30) et l’on peut donc identifier les
centres paramagnétiques de nos matériaux comme des défauts dans des amas sp2.
246
Annexes
Annexe5
Figure A-12 : Evolution de la largeur des spectres en fonction de E04 d'après [Barklie03]. Les
données expérimentales ont été rapportées en rouge sur la courbe.
La résonance paramagnétique électronique permet ainsi d’identifier et de quantifier le
type de radicaux présent dans des couches de carbone amorphe. Au cours de notre
étude, cela nous a permis de statuer sur l’origine des pertes optiques des matériaux.
Les études de résonance paramagnétique électronique ont été effectuées avec Jacques
Gaillard au laboratoire DRFMC du CEA Grenoble.
247
Annexes
Annexe 6
Annexe 6 : Etapes technologiques de la réalisation
des composants d’optique intégrée.
Les composants ont été fabriqués dans les salles blanches du LETI du CEAGrenoble. Ce travail a été effectué en collaboration avec Loubna El Melhaoui, Jean
Marc Fedeli ainsi que Patrick Maury.
La fabrication des composants a été réalisée à partir de procédés compatibles avec
la technologie C-MOS, et plus particulièrement avec un schéma d’intégration BackEnd.
Dans notre étude, les composants ont été réalisés sur des substrats silicium vierges
de 200mm de diamètre. Pour limiter les étapes de fabrication, nous nous sommes
orientés vers un schéma d’intégration simple. Tous les composants sont réalisés par
gravure totale du film guidant.
Le schéma d’intégration est ainsi détaillé ci après :
Etape 1 : Dépôt PECVD de l’oxyde d’isolation.
La première étape de réalisation des composants consiste à déposer une couche
d'oxyde d'isolation comme le montre la figure 5-1. Comme l'indice de réfraction du
substrat est supérieur ou égal à l'indice de réfraction de la couche guidante, cette
couche d'isolation est nécessaire pour limiter les pertes de propagation vers le
substrat. Les conditions de dépôt et les caractéristiques de ce matériau ont été définies
au chapitre 3. L’épaisseur du film de silice est ajustée selon la technologie utilisée
pour limiter les pertes de propagation par fuite dans le substrat (voir partie 5.3).
Silice d’isolation
Substrat
Figure 5-1 : Dépôt de la couche d’isolation.
Etape 2 : Dépôt PECVD de la couche guidante.
248
Annexes
Annexe 6
Lors de la deuxième étape, la couche guidante est déposée par un procédé PECVD
(voir figure 5-2). Les recettes de dépôt du nitrure de silicium et de silicium amorphe
permettant d’obtenir de faibles pertes de propagation ont été définies au chapitre 4.
Couche guidante
Silice d’isolation
Substrat
Figure 5-2: Dépôt de la couche guidante.
Etape 3 : Définition des éléments d'optique intégrée.
La définition de tous les éléments d’optique intégrée est obtenue par une seule
étape de lithographie UV profonds, avec un rayonnement à 248 nm comme le montre
la figure 5-3. Une résine positive est utilisée, associée à une couche anti-réflective dite
« Barc ».
Résine
Couche guidante
Silice d’isolation
Substrat
Figure 5-3: Définition des éléments d’optique intégrée par lithographie « Deep UV ».
Etape 4 : Gravure totale de la couche guidante
Les motifs de résine sont transférés dans la couche guidante par gravure totale de
celle-ci (voir figure 5-4). La gravure est effectuée par gravure ionique réactive. Les
mélanges gazeux utilisés pour les différentes filières sont indiqués dans le tableau 5-1.
Technologie
Gaz de gravure ionique
Nitrure de Silicium
HBr + CF4
Silicium amorphe
HBr
Tableau 5-1 : Gaz de gravure ionique.
249
Annexes
Annexe 6
Résine
Couche guidante
Silice d’isolation
Substrat
Figure 5-4 : Gravure totale de la couche guidante.
Après l'étape de gravure, le masque de résine est éliminé du substrat.
Etape 5 : Dépôt PECVD de la couche d’oxyde de recouvrement.
Une couche d'oxyde de recouvrement est utilisée pour limiter les pertes des
composants d'optique intégrée (figure 5-5). La recette de dépôt de cette couche a été
définie au chapitre 3.
Silice de recouvrement
Couche guidante
Silice d’isolation
Substrat
Figure 5-5 : Dépôt de la couche de recouvrement.
Etape 6 : Dépôt d'une couche antireflet sur la face arrière du substrat.
Pour les dispositifs possédant des coupleurs à injection par réseau de diffraction,
une dernière étape consiste au polissage de la face arrière suivie du dépôt d’un
antireflet constitué d’un bicouche de nitrure de silicium et d’oxyde de silicium déposé
par PECVD (voir figure5-6). Cet antireflet est nécessaire pour éviter l’observation
d’éventuels effets Fabry–Pérot dus au substrat de silicium.
Silice de recouvrement
Couche guidante
Silice d’isolation
Substrat
Couche antireflet
Figure 5-6 : Polissage et réalisation de la couche antireflet.
250
Annexes
Annexe 6
Une fois toutes les étapes effectuées, les composants sont sciés grâce à un
découpage en deux temps qui permet de préserver les facettes d’entrée et de sortie des
guides. Ce découpage conditionne la précision des mesures optiques qui seront
réalisées sur les composants d'optique intégrée.
Au cours de notre étude, quatre différents lots ont été réalisés, trois en technologie
nitrure de silicium dénommés GUI1, GUI2 et GUI3 et un avec la technologie silicium
amorphe, utilisant les dessins de masque du lot GUI3.
BIBLIOGRAPHIE
[Andrew58]
Andrew E. R., Bradbury A., Eades R. G., Nature 182, 1659 (1958).
[Mehring83]
Mehring M., “Principles of High Resolution NMR in Solids”, Springer, Berlin
(1983).
[Shafer96]
J. Schäfer, J. Ristein, R. Graupner, L. Ley, U. Stephan , Th. Frauenheim, V. S.
Veerasamy, G. A. J. Amaratunga, M. Weiler, H. Ehrhardt Photoemission study of
amorphous carbon modifications and comparison with calculated densities of
states Physical Review B,1996, Vol. 53, N°12, pp.7762-70.
251
Annexes
Annexe6
252
FOLIO ADMINISTRATIF
THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
NOM : JEANNOT
DATE de SOUTENANCE : 21 Juillet 2006
(avec précision du nom de jeune fille, le cas échéant)
Prénoms : Simon, Paul
TITRE :
Développement de matériaux déposés par PECVD pour les interconnexions optiques dans les circuits intégrés par
une approche "back-end".
NATURE : Doctorat
Numéro d'ordre : 05 ISAL
Ecole doctorale : Matériaux de lyon
Spécialité :Surfaces, interfaces, physique de la matière condensée
Cote B.I.U. - Lyon : T 50/210/19
N° d'ordre: 2006-ISAL-0042
RESUME :
/
et
bis
CLASSE :
Les interconnexions optiques apparaissent aujourd’hui une des solutions les plus prometteuse pour remplacer les liens électriques haut débit
au sein des microcircuits et diminuer la puissance consommée en augmentant la bande passante de ces liaisons. Cependant, peu de travaux
proposent des liens optiques facilement intégrables au dessus de circuits intégrés.
Dans ce travail, des composants élémentaires d’optique intégrée nécessaires à la distribution d’un signal optique ont été mis au
point dans une technologie compatible avec une intégration au dessus de composants microélectroniques. Pour cela, des matériaux
présentant un fort contraste d’indice et de faibles pertes dans le proche infra rouge (1,3 et 1,55µm) ont été développés par dépôt PECVD,
avant d’être utilisés dans des composants d’optique intégrée. Une première partie a porté sur l’étude du carbone amorphe déposé par
PECVD. A l’aide d’une étude des différents paramètres de dépôt plasma et de caractérisations physico-chimiques et optiques des matériaux,
l’évolution structurale des couches en fonction de leur indice de réfraction a pu être déterminée et mise en relation avec les pertes optiques
des matériaux. Le carbone peut être déposé dans une gamme d’indice comprise entre 1,6 et 2 dans l’infra rouge et possède des pertes
optiques croissantes avec l’indice de réfraction qui peuvent être attribuées aux défauts et à la diminution du gap optique entraîné par la
graphitisation. D’un point de vue optique, ce matériaux et limité pour une utilisation d’optique intégrée a fort contraste d’indice et notre
étude s’est orientée vers le nitrure de silicium déposé par PECVD. Nous avons mis en évidence la possibilité de déposer des couches
optiques à faibles pertes dans une large gamme d‘indice de réfraction (1,8<N<2 @1,3µm) et deux matériaux types ont été choisi pour
réaliser des composants. Enfin, les propriétés optiques du silicium amorphe déposé par PECVD ont été évaluées et de très faibles pertes ont
été mise en évidence.
Guides d’ondes, virages et diviseurs de faisceaux par MMI ont ensuite été développés en nitrure de silicium et silicium amorphe à
l’aide d’outils de simulation et de caractérisation dédiés. Des composants à très faibles pertes et à forte compacité ont été démontrés,
présentant des caractéristiques à l’état de l’art de l’optique intégrée submicronique tout en étant intégrables facilement au sein de circuits
intégrés.
MOTS-CLES : interconnexions optiques, optique intégrée, matériaux, PECVD , basse température, guides d'ondes, pertes optiques,
composants, micro courbures, reseaux de diffraction, diviseurs MMIs
Laboratoire (s) de recherche : Laboratoire de Physique de la Matière- INSA de Lyon
Directeur de thèse: Taha Benyattou
Président de jury : Pierre Beneich
Composition du jury :
Benech Pierre
Professeur
Guillot Gérard
Professeur
Parriaux Olivier
Professeur
Taha Benyattou
Orobtchouk Régis
Raynaud Patrice
Chargé de recherhes
Maître de conférences
Chargé de recherches
Rapporteur
Directeur de thèse
Co-Directeur de thèse
Rapporteur