Gravure

La gravure est un procédé utilisé lors de la fabrication d'éléments électroniques ou micro-électroniques, qui consiste à retirer certaines zones d'une ou plusieurs couches de matériaux à la surface d'un substrat.



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Micro-électronique - Électronique

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Définitions :

  • Action de graver sur une plaque dans la préparation d'une forme d'impression. (source : lexicom.free)

La gravure (aussi nommée quelquefois par son nom anglophone, etching) est un procédé utilisé lors de la fabrication d'éléments électroniques ou micro-électroniques, qui consiste à retirer certaines zones d'une ou plusieurs couches de matériaux à la surface d'un substrat. En électronique la réalisation d'un circuit imprimé inclut une étape de gravure d'une couche de cuivre à la surface d'un matériau diélectrique. En micro-électronique, la fabrication d'un composant comporte fréquemment plusieurs étapes de gravure d'une ou plusieurs couches de matériaux à la surface d'un wafer.

Détermination des zones à graver

Pour chaque étape de gravure, une partie du substrat est protégée de la gravure par une couche protectrice qui résiste à cette gravure. C'est à travers cette couche protectrice qui a la forme de l'image qu'on souhaite imprimer sur le substrat que le matériau sera gravé.

Photolithographie

Article détaillé : Photolithographie.

La majorité du temps, la couche protectrice est une résine photosensible ("photorésist" de l'anglais photoresist, nommée aussi plus rarement photorésine) qui a été déposée en utilisant des techniques de photolithographie.

Concrètement, après déposition de la résine par enduction centrifuge (spin coating), la résine photosensible est exposée à travers un masque (qui représente le motif à graver sur le substrat) à un rayonnement lumineux (ultraviolet généralement, qui sert à descendre dans les meilleurs cas à une échelle de 45 nm, rayons X pour descendre à une plus petite échelle).


Photolithographie de contact : le wafer recouvert de photorésist est surmonté d'un masque à travers lequel la résine va être irradiée


Cette exposition au rayonnement lumineux change la nature chimique de la résine, la rendant soluble (résine «positive») ou insoluble (résine «négative») dans le développeur.


Photolithographie de contact : exposition à une radiation lumineuse


Une fois l'exposition terminée, le substrat est plongé dans un liquide, le développeur, qui va dissoudre les régions qui ont été exposées (lithographie positive) ou non-exposées (lithographie négative), laissant des zones du substrat sans protection, et par conséquent sensible à la gravure.


Wafer recouvert de photorésist développé

Lithographie à faisceau d'électrons

Il s'agit peu ou proue du même principe que la photolithographie. Cette fois ci, les régions où la couche protectrice est retirée sont directement "dessinées" par un faisceau d'électrons appliqués à la surface.

Masque

Dans d'autre cas, il peut s'agir d'un masque plus résistant et durable, comme du nitrure de silicium. Dans ce cas la masque est directement appliqué sur le wafer.

Gravure

Il existe plusieurs types de gravure, chacun ayant ses propriétés — avantages et inconvénients — spécifiques. Les différents types de gravures peuvent être classées en deux grandes familles : les gravures «chimique», et les gravures «physiques».

Gravures «chimiques»

Cuves utilisées pour le nettoyage par mélange piranha, l'acide fluorhydrique ou RCA pour des wafers de 4 pouces, au LAAS de Toulouse.

La principale technique de gravure chimique est la technique dite de «gravure chimique humide» (chemical wet etching). Le substrat (en partie protégé) est plongé dans une solution qui va attaquer chimiquement la surface du wafer non-protégée. Il s'agit généralement d'un acide : acide fluorhydrique pour un substrat en silicium (le seul capable de réagir avec la couche de dioxyde de silicium qui se forme naturellement à la surface du silicium), acide chlorhydrique pour un substrat en arséniure de gallium (le chlore réagit fortement avec le gallium) ou plus faible, tel que l'acide citrique.

Cette technique présent plusieurs avantages :

Elle présente par contre un inconvénient majeur : cette gravure est fortement isotrope, c'est-à-dire que l'acide va attaquer le substrat dans l'ensemble des directions, donnant un profil de gravure presque semi-sphérique.

Profil de gravure de type "chimique humide". La gravure est profondément isotrope

Cette isotropie provoque des problèmes à particulièrement petite échelle (<50 nm) : si les zones à graver sont trop proches les unes des autres, il est courant que, non seulement ces zones soient gravés, mais aussi les espaces interstitiels qui ne le devraient pas.

Gravures «physiques»

Les gravures physiques (ou sèches) ont été développées pour pallier ce problème. Elle repose pour la majeure partie sur le bombardement de la surface à graver par des ions, ces ions étant le plus souvent issus d'un plasma.

Gravure au plasma

Article détaillé : gravure au plasma.

Le substrat (partiellement protégé) est positionnée dans une chambre où on va faire le vide. Cette chambre est pourvue de deux électrodes horizontales et parallèles, l'électrode inférieure servant de plateau pour le substrat. Une fois que le vide dans la chambre a été fait, un gaz est introduit : dioxygène (O2), Argon (Ar), puis un fort champ électrique (une centaine ou plus de Watt par mètres) en radio-fréquence est appliqué à l'électrode inférieure, générant dans la chambre un plasma, c'est-à-dire un gaz en partie ionisé (certains électrons des molécules de gaz ont été arrachés par le champ électrique, ionisant celles-ci). Le substrat subit alors un bombardement d'ions qui va désagréger ce dernier.

schéma d'un chambre utilisée pour la gravure au plasma

Cette technique présente l'avantage d'une forte anisotropie de la gravure : la frontière entre les zones gravés et non gravées sera la majorité du temps rectiligne et verticale.

Profil de gravure type plasma

Cependant elle présente de nombreux inconvénients :

Gravure ionique réactive

Article détaillé : Gravure ionique réactive.

La gravure ionique réactive (fréquemment désignée par son acronyme anglais RIE pour Reactive Ion Etching) est une technique dérivée de la gravure au plasma. C'est aussi une technique de gravure fortement physique (gravure au plasma) auquel on ajoute une gravure chimique sèche.

Concrètement la mise en œuvre est comparable à la gravure au plasma, du moins pour sa forme la plus simple (système à plaques parallèles)  : dans une chambre pourvue de deux électrodes on fait le vide, puis on injecte un gaz qui sera ionisé, bombardant la surface du substrat. Cependant à ce gaz assez inerte (chimiquement), on ajoute un gaz fortement réactif : généralement un dérivé du fluor (hexafluorure de soufre (SF6), tétrafluorure de carbone (CF4, ... ) pour des substrats en silicium ou du chlore pour les subtrats en arséniure de gallium (trichlorure de bore (BCl3, dichlore (Cl2, tétrachlorure de silicium (SiCl4), ... ).

Ce gaz réactif ionisé est va être transporté vers le substrat (par une différence de potentiel dans la chambre auto-crée dans un dispositif à plaques parallèles, un autre champ électrique dans un dispositif à triode, ou alors un champ magnétique dans un dispositif à torche à plasma) et réagir chimiquement avec la surface de ce dernier, formant un composé volatile.

Cette technique ajoute ainsi les avantages de la gravure physique (anisotropie) et de la gravure chimique (taux de gravure plus élevé que la gravure au plasma, une forme de sélectivité), mais reste complexe à mettre en œuvre, surtout dans l'industrie.

Tableau des espèces chimiques

Le tableau ci-dessous recense les espèces ou substances chimique utilisées pour les gravures chimiques (gravure chimique humide et gravure par ions réactifs).

Matériau à graver Gravure humide RIE

Aluminium (Al)

Arséniure de gallium (GaAs)

Oxyde d'indium-étain [ITO] (In2O3 :SnO2)

Chrome (Cr)

Molybdène (Mo)

Résidus organique et photorésist

Silicium (Si)

Dioxyde de silicium (SiO2)

Nitrure de silicium (Si3N4)

(note : nécessite un masque de SiO2)

Tantale (Ta)

Titane (Ti)

Tungstène (W)

Notes et références

  1. (en) S. Wolf, Silicon Processing for the VLSI Era : Volume 1 - Process Technology, Lattice Press, 1986 (ISBN 0-961672-3-7) , p.  531-534
  2. (en) S. Wolf, Silicon Processing for the VLSI Era : Volume 1 - Process Technology, Lattice Press, 1986 (ISBN 0-961672-3-7) , p.  546
  3. (en) Birendra Bahadur, Liquid Crystals : Applications and Uses, World Scientific, 1990 (ISBN 9810229755)
  4. (en) Perrin Walker, CRC Handbook of Metal Etchants, 1991 (ISBN 0-8949-3623-6) , p.  287-291
  5. (en) Michæl Kohler, Etching in Microsystem Technology, John Wiley & Son Ltd, 1999 (ISBN 3527295615) , p.  329

Voir aussi

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