 Gravure profonde de semi-conducteurs : expérience et modélisation |
Gravure de l’InP par Plasma Chloré à Couplage Inductif :
Application aux cristaux photoniques 
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Participants:
- Jean Pierre Landesman
(PR)
- Ahmed Rhallabi (PR)
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Durant ces dernières années le secteur des télécommunications a connu un progrès considérable grâce au développement de moyens de transmission, en particulier les transmissions de l’information sur fibre optique. Un tel moyen de communication a permis un gain considérable en terme de débit de transmission. Afin d’assurer cette croissance de performances des systèmes de transmission par voie optique, il est important de développer des dispositifs optoélectroniques accompagnant cette évolution tant au niveau du débit qu’au niveau de la miniaturisation.
La miniaturisation des systèmes opto-électroniques qui assurent la conversion du signal électrique en signal optique et vis versa ainsi que la transmission optique intégrée nécessite le développement de nouveaux dispositifs capables de respecter ces contraintes. Dans ce contexte, la nanophotonique ouvre des perspectives très prometteuses, grâce à une plus grande miniaturisation des dispositifs, une plus grande intégration des fonctions optiques et une meilleure qualité des interfaces. Ceci est devenu possible grâce au développement de moyens technologiques assurant une telle miniaturisation. Parmi ces techniques, la gravure sèche par plasma reste l’une des étapes génériques clé qui contribue à la miniaturisation des dispositifs opto-électroniques. En effet, le transfert de motifs nano-métriques sur un substrat de type III-V est une étape critique, qui doit pouvoir fournir des gravures très anisotropes avec des rapports d’aspect élevés, une très forte sélectivité par rapport au masque utilisé de façon à définir des motifs de dimensions inférieures à la centaine de nanomètres et des surfaces gravées sans contamination ni dommages cristallins. Ceci est dans un but de préserver les qualités optiques et électriques de ces surfaces.
Dans cette optique, nous avons mené une étude concernant la gravure de l’InP par plasma ICP chloré. Ce type de procédé est considéré comme une étape clef dans la réalisation des cristaux photoniques à base d’InP.
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| Etude des mécanismes d’interaction plasma surface |
Afin de mieux comprendre les mécanismes physiques et cinétiques de la décharge ICP et son effet sur les propriétés structurelles et géométriques du matériau gravé, nous avons étudié, dans un premier temps, les phénomènes électriques et de transport par plasma en utilisant une sonde de Langmuir et la spectroscopie d’émission. Ces études ont montré l’effet de certains paramètres machine comme la puissance RF du réacteur ICP et la pression du gaz sur les propriétés électriques et de transport d’espèces chargées en particulier les électrons dont la densité et la température électroniques jouent un rôle important dans la décharge plasma. C’est ainsi que les évolutions de la densité et la température électroniques en fonction de la puissance RF et la pression du gaz ont été étudiées pour deux type de gaz : le chlore pur et le mélange Cl2/Ar.D’autre part, des analyses de surfaces d’InP gravées ont été effectuées en utilisant l’XPS (X-ray Photoélectron Spectroscopie), l’AFM (Atomic Force Microscopie) et la spectroscopie Raman. Les résultats révèlent que, contrairement à la gravure de l’InP par plasma de CH4/H2 où les surfaces gravées sont plutôt appauvries en phosphore, la gravure d’InP par plasma chloré présente dans la plupart des cas un appauvrissement de surface en indium. En parallèle à cette étude expérimentale, nous avons développé un modèle cinétique pour deux types de plasma : un plasma de Cl2 et celui de Cl2/Ar. Ce modèle est basé sur une approche globale qui permet de calculer les densités moyennes et les flux d’espèces présentes dans la décharge en résolvant les équations de bilan de masse. L’ajout de l’équation de bilan de puissance et l’équation de neutralité permet la détermination d’une manière auto-cohérente de la densité et la température électroniques en fonctions des paramètres machine.Les résultats obtenus par le modèle cinétiques ont été comparés à ceux obtenus par l’expérience. Un bon accord a été observé dans le cas d’un plasma de chlore pur et celui de mélange Cl2/Ar. |
 Figure 1 :
Difficulté de réaliser un cristal photonique dépourvu de défaut de gravure
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Figure 2 :
Effet de la puissance sur la densité électronique, paramètre qui contrôle l’essentiel de la décharge ICP Cl 2/Ar |
Figure 3 : Analyse par XPS de la surface d’InP gravée par un plasma chloré. Mise en évidence de l’appauvrissement de la surface en indium. |
| Etude des propriétés optiques |
La deuxième partie de thème porte sur l’étude de l’impact des étapes technologiques sur les propriétés électroniques et optiques de l’InP. En particulier la nature du masque associé au procédé de gravure est directement lié à la distribution des défauts dans les couches actives (Figure 4). Cette modification locale des propriétés optiques des structures gravées peut être d’ailleurs exploitée dans le développement de nouveau dispositifs. Ce projet a pu donc faire émerger une nouvelle activité susceptible de coupler procédé de gravure et ingénierie des défauts dans les semiconducteurs III-V. Cette activité qui vient d’être amorcée en collaboration avec l’Université de Valladolid en Espagne et Alcatel-Thales est en train de s’élargir vers un consortium européen composé de laboratoires universitaires et d’industriels. |
(a)  (b)
Figure 4. (a) : Images de cathodoluminescence sur le ruban gravé par ICP montrant d’une part la dégradation du matériau en surface (a) et d’autre part l’apparition de défauts (b)
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| Collaborations
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- Institut de Nanotechnologie de Lyon
- Alcatel Thales III-V Lab
- « Fìsica de la Materia Condensada, ETS Ingenieros Industriales », Université de Valladolid, Espagne
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| Publications |
- B.Liu, J-P.Landesman, J-L. Leclercq, A. Rhallabi, S. Guillet, C..Cardinaud, F.Pommereau, M. Avella, M.A. González, J. Jiménez “InP surface properties under ICP plasma etching using mixtures of chlorides and hydrides” Materials Science in Semiconductor Processing, 9, Issues 1-3, 225-229 (2006) .
- M. Avella, J. Jiménez, F. Pommereau, J.P. Landesman, A. Rhallabi « Investigation of point defect generation in dry etched InP ridge waveguide”. Appl. Phys. Lett. 90, 223510 (2007)
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