Traitement micro-nano des substrats/Substrats pour dispositifs optoélectroniques

Le silicium est utilisé comme matériau standard dans les circuits intégrés et est l'un des matériaux les plus étudiés au monde. Ce matériau peut être utilisé comme semi-conducteur à haute température et est un isolant d'oxyde facile à cultiver. Ces propriétés, ainsi que toutes les infrastructures industrielles et l'outillage actuels, font que le développement de dispositifs optiques intégrés en silicium présente un grand intérêt. Le silicium est utilisé dans les dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes (DEL), les guides d'ondes et les cellules solaires, ainsi que dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS).

Le traitement chimique conventionnel de gravure humide anisotrope du silicium est l'utilisation d'un agent de gravure KOH:H2O (1:1 en poids) à une température de 80 ° C, la vitesse de gravure d'environ 1,4 μm / min. dans le processus de microfabrication du silicium est souvent utilisé pour traiter les trous de passage ou la séparation des films minces par cette méthode chimique. La gravure sèche anisotrope des matériaux en silicium est réalisée avec l'agent de gravure chimique SF6. La technique DRIE (DeepReactiveIonEtch) a été obtenue grâce à une étude de suivi du processus de gravure sèche à très haut rapport d'aspect. La technique alterne entre les agents de gravure chimique SF6/Ar et CHF3/Ar. Ce mélange de gaz provoque le dépôt d'un polymère de téflon sur toutes les surfaces exposées. Le procédé SF6/Ar élimine rapidement le polymère des surfaces horizontales par bombardement ionique et grave les surfaces de silicium exposées. Le processus de copolymérisation évite la gravure des parois latérales et permet la formation de distributions de profils hautement anisotropes.

Des lignes de PMMA d'une largeur inférieure à 10 nm peuvent être traitées sur des substrats de silicium par lithographie par faisceau d'électrons. Les Sandia National Laboratories aux États-Unis ont traité de nombreuses optiques en silicium, y compris des dispositifs de miroirs micromécaniques de surface et des cellules solaires à concentrateur. 

L'arséniure de gallium (GaAs) est un matériau semi-conducteur standard utilisé dans divers dispositifs électroniques et optoélectroniques. En raison des caractéristiques du GaAs, la fréquence de fonctionnement élevée, la mobilité des électrons et les propriétés de photoémission sont généralement supérieures à celles de leurs homologues en silicium. Divers dispositifs optoélectroniques ont été fabriqués sur la base de ces propriétés, tels que des cellules solaires, des détecteurs et des lasers à puits quantiques. L'arséniure de gallium est transparent dans toute la bande de 2 à 5 μm et possède un indice de réfraction élevé. L'inconvénient du GaAs par rapport aux matériaux en silicium est l'absence d'un oxyde natif actif. En raison du développement rapide de la technologie de traitement des dispositifs GaAs pour les applications à haute vitesse et à haute puissance, les détails du processus de manipulation du matériau sont bien compris.

En général, le transport des charges dans les matériaux GaAs est suffisant et aucune couche de dissipation d'énergie n'est nécessaire, ce qui les rend bien adaptés à l'utilisation de la lithographie par faisceau d'électrons. Il a été démontré que les largeurs de ligne des résistances individuelles obtenues sur le PMMA sont inférieures à 20 nm.

La gravure humide des matériaux GaAs peut être réalisée à l'aide de plusieurs agents oxydants, notamment le peroxyde d'hydrogène (H2O2) et des substances halogénées telles que le brome. La gravure anisotrope le long de la surface (111) est réalisée avec un agent de gravure H2PO4:H2O2:H2O (3:1:50), par exemple. Il est suggéré de choisir un rapport acide citrique:H2O2:H2O de 5 g:2 mL:5 mL. Par exemple, la sélectivité entre l'arséniure de gallium et l'arséniure de gallium d'aluminium (AlGaAs) est de (10 à 1000):1 et une gravure de protection sacrificielle est prévue pour la couche épitaxiale.

D'autres chercheurs ont optimisé un processus de gravure anisotrope sélective pour l'arséniure de gallium en utilisant un fixateur de gravure pour l'arséniure de gallium et d'aluminium. Le système de plasma à couplage inductif (ICP) utilise un mélange chimique de BCl3:SF6:N2:He, qui est 200 fois plus sélectif pour le GaAs que pour le GaAs-Al. Le processus produit une bonne passivation des parois latérales pour les matériaux GaAs à très forte anisotropie.

Les laboratoires nationaux Sandia, aux États-Unis, ont mis au point un procédé de gravure par faisceau d'ions assisté chimiquement (CAIBE) pour obtenir des distributions de caractéristiques hautement anisotropes sur les matériaux à base d'arséniure de gallium, en vue d'une application dans les dispositifs à plaquettes de silicium. Ce procédé utilise un faisceau laser d'argon ionique pour contrôler la quantité et le débit du gaz réactif ambiant sur la surface de l'échantillon. Dans ce cas, le gaz de réaction ambiant est un mélange de chlore (Cl2) et de trichlorure de bore (BCl3). Les conditions de gravure sont optimisées pour obtenir une passivation maximale des parois latérales et une profondeur de tranchée maximale.

La silice fondue est un type de verre qui contient du dioxyde de silicium amorphe (SiO2). En raison de la grande pureté du processus de synthèse, la silice fondue possède des propriétés optiques et thermiques supérieures à celles des autres types de verre. La silice fondue a un coefficient de dilatation thermique très faible (environ 5,5 x 10-7cm/(cm-K) sur une plage de température de 20 à 320°C), ce qui en fait un matériau idéal pour les environnements présentant des températures extrêmes et/ou des variations de température. Le matériau présente une transmission élevée et un faible indice de réfraction dans la région spectrale de l'ultraviolet à l'infrarouge moyen (avec une faible perte par réflexion de Fresnel), ce qui fait de la silice fondue un matériau optique idéal. Ce matériau peut être utilisé dans une variété de dispositifs microfluidiques et de composants optiques à large bande.

Diverses techniques applicables aux matériaux en silice fondue ont été développées spécifiquement pour le traitement de ces matériaux à l'aide d'équipements modernes ultra-propres. Les recherches antérieures se sont concentrées sur la gravure humide et la soudure de plaquettes de dispositifs microfluidiques à l'aide d'acide fluorhydrique (HF). La silice fondue étant un matériau amorphe, on observe une distribution isotrope des profils lors de la gravure chimique par voie humide. En utilisant la photolithographie et un tampon d'acide fluorhydrique, des formes semi-cylindriques presque idéales peuvent être réalisées sur la silice fondue. En utilisant des techniques de soudure de plaquettes (à une température d'environ 1000°C), des canaux microfluidiques cylindriques peuvent être fabriqués.

Les dispositifs optiques fabriqués grâce aux récentes nanotechnologies peuvent présenter des distributions de profils angulaires ou de gradients afin de remplir la fonction de lentilles de Fresnel ou d'autres éléments diffractifs, tels que les optiques binaires, les lentilles à gradient d'indice de réfraction et les lentilles artificielles à gradient d'indice de réfraction sub-longueur d'onde. Des chercheurs des Sandia National Laboratories aux États-Unis ont fabriqué des lentilles binaires en silice fondue avec des distributions de profils à pas multiples en utilisant plusieurs cycles de lithographie par faisceau d'électrons et de gravure ionique réactive (RIE). Les chercheurs ont utilisé une combinaison d'un masque en nickel (Ni) (contenant une couche d'adhésion en chrome (Cr) ou en titane (Ti)) et d'un rapport d'attaque optimal de 40 sccm (débit standard) de trichlorométhane (CHF3) et 3 sccm d'oxygène avec une pression appliquée de 40 mTorr et une polarisation de base de 396 V pour avoir l'effet de créer des profils à pas multiples. Avec une polarisation de base de 396 V et une puissance RF de 200 W, on obtient une distribution de profils très fortement anisotrope.

La qualité de la silice fondue a un impact significatif sur la qualité finale du dispositif. Une silice fondue de mauvaise qualité peut développer des vides ou rendre la surface rugueuse après le processus de gravure ionique réactive, ou encore présenter des irrégularités. Par conséquent, la sélection de substrats de haute qualité pour une anisotropie et une surface lisse optimales est presque l'exigence la plus fondamentale pour les composants optiques.