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 Professeur
Guillot Gérard Professeur
Parriaux Olivier Professeur Rapporteur
Taha Benyattou Chargé de recherhes Directeur de thèse
Orobtchouk Régis Maître de conférences Co-Directeur de thèse
Raynaud Patrice Chargé de recherches Rapporteur

Table des matières
1
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

Table des matières
2
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

Table des matières
3
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

Table des matières
4
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