EP2800722A1 - Procede de gravure d'un motif complexe - Google Patents

Procede de gravure d'un motif complexe

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EP2800722A1
EP2800722A1 EP13700005.5A EP13700005A EP2800722A1 EP 2800722 A1 EP2800722 A1 EP 2800722A1 EP 13700005 A EP13700005 A EP 13700005A EP 2800722 A1 EP2800722 A1 EP 2800722A1
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EP
European Patent Office
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sub
etching
patterns
face
complex pattern
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Withdrawn
Application number
EP13700005.5A
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Inventor
Bernard Diem
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • B81C2201/014—Controlling etch progression by depositing an etch stop layer, e.g. silicon nitride, silicon oxide, metal

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of microelectronics, and more particularly MEMS or MOEMS type microsystems comprising a three-dimensional pattern or complex pattern.
  • microelectronics the production of microsystems requires at least one etching step of at least a portion of their substrate, in order to define their geometry.
  • etching step the use of a mask makes it possible to quickly and easily form two-dimensional patterns on the surface of a substrate.
  • Commonly used techniques are mainly wet etching techniques (chemical or electrochemical) or dry (for example by plasma etching).
  • wet etching techniques chemical or electrochemical
  • dry for example by plasma etching
  • a known technique currently makes it possible to engrave complex patterns in substrates, comprising several layers of different materials, by varying their respective etching speed.
  • This type of singular substrate consists of an alternation of layers, some of which are traversed by patterns, the shape of which depends on their level of depth in said substrate.
  • a complex pattern can be made with several levels of depth, depending on the materials used and their position in the substrate (C.
  • etching technique to form complex patterns, consists in using a chemical agent that reacts in contact with a monocrystalline substrate.
  • the etching rate of the chemical agent depends on the orientation of the crystallization planes.
  • the forms of the achievable complex patterns are therefore strongly limited by the state and orientation of the crystallization planes (Kenneth E. Bean, Anisotropic Etching of Silicon, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol ED-25, No. 10, October 1978 ).
  • One of the objectives of the invention is to be able to realize quickly and simply different complex shapes from a homogeneous or heterogeneous substrate.
  • the invention relates to a method for etching a desired complex pattern, in a first face of a substrate, comprising the following steps:
  • the number of different sub-patterns made may be greater than the number 2.
  • the partition walls preferably have at least one common surface with the first face of the substrate. They can subsequently be removed, eliminated or deleted to reveal the desired complex pattern.
  • At least a first and a second sub-pattern can be etched through a mask, whose apertures correspond to the dimensions of a first and a second sub-pattern made in the first face of the substrate.
  • the preceding sub-patterns can be realized simultaneously, using a mask placed between the first face of the substrate and etching means (see below). In this way, the etching of the sub-patterns can be done quickly.
  • the sub-motifs can be etched in the substrate simultaneously by an anisotropic etching technique, preferably by the dry method, such as, for example, by RIE (reactive ionic etching) plasma etching or by wet method such as porosification, or chemical etching.
  • an anisotropic etching technique preferably by the dry method, such as, for example, by RIE (reactive ionic etching) plasma etching or by wet method such as porosification, or chemical etching.
  • a sub-pattern or an etching or a trench may have a width of between a few nanometers and several micrometers, between 10 nm and 500 ⁇ m, preferably between ⁇ , ⁇ and 500 ⁇ m.
  • the width of an etching is defined as the distance separating the walls of a sub-pattern, at or on the first face or in a plane parallel or substantially parallel to the first face of the substrate.
  • the depth of a sub-pattern can be between a few nanometers and several micrometers, preferably between ⁇ , ⁇ and 500 ⁇ .
  • the width can also be defined as the smallest dimension of a sub-pattern at the first face of the substrate, the width for defining the depth of the etching in a direction substantially normal to the first face of the substrate.
  • the width of the sub-patterns may be less than their depth.
  • the largest sub-patterns or etchings can then be the deepest sub-patterns or trenches in the substrate, and conversely, the shallower sub-patterns can be the narrowest sub-patterns.
  • the present invention thus makes it possible to produce sub-patterns of different depths by varying the width of the sub-patterns. patterns, thanks to the ARDE effect (Aspect Ratio Depends Etching). In other words, we use the physical phenomenon according to which the etching speed decreases when the width of the sub-pattern decreases, in the ranges of width mentioned above.
  • the sub-patterns are etched from a technique promoting the ARDE phenomenon, such as, for example, plasma etching techniques.
  • a technique promoting the ARDE phenomenon such as, for example, plasma etching techniques.
  • the following techniques are thus preferred: reactive ion etching ("Reactive Ion Etching") or deep reactive ion etching ("Deep Reactive Ion Etching").
  • the sub-motifs can be made by anisotropic etching, for example by dry etching technique and preferably by plasma etching technique.
  • a wet etching technique could also be used alone or in combination with another etching technique.
  • the outline of one or more sub-patterns at the first face may be square and / or rectangular and / or circular and / or ovoid.
  • At least a first and a second engraved sub-pattern can communicate with each other, so as to form at least one continuous engraving whose depth, in a direction perpendicular to the first face, varies.
  • the width of a continuous etching may vary at the first face of the substrate.
  • contours of a continuous engraving may have a desired geometric shape among the preceding forms or for example in the form of a spiral.
  • the thickness or width of the partition walls may be between a few nanometers and several microns, between 0.1 and 5 ⁇ or between 1 and 5 ⁇ .
  • the thicknesses of the partition walls may be identical or close to facilitate their removal in a homogeneous manner.
  • the sub-patterns are preferably regularly spaced, so that the partition walls separating the engravings component is of similar or identical thickness.
  • the removal of the partition walls can be achieved using an isotropic etching technique.
  • an isotropic etching technique By juxtaposing trenches of different widths, and therefore of different depths, the desired complex pattern is obtained after the removal of the separation walls between the trenches.
  • the depth levels of the complex pattern can thus be set according to the width of the etchings of the sub-patterns.
  • the sub-patterns can be made on a substrate comprising one or more layers, possibly of different compositions.
  • the substrates employed are those used in the field of microelectronics, more particularly, for the production of micro-MEMS ("Micro-Electro-Mechanical Systems") and / or MOEMS ("Micro-Opto-Electro-Mechanical") microsystems. Systems). They may for example be mono or multilayer, each layer may be made from one of the following materials: silica and / or silicon and / or germanium.
  • Figure la illustrates the influence of the engraving width of a pattern on its depth, for an etching time of 80 minutes (Jani Karttunen et al, Loading effects in deep silicon etching, Proceeding of SPIE 2000, Vol 4174, pp 90-97).
  • FIG. 1b illustrates the influence of the engraving width of a pattern on its depth, for an etching time of 10 minutes (Jani Karttunen et al, Loading effects in deep silicon etching, Proceeding of SPIE 2000, Vol 4174, pp 90-97).
  • FIG. 2a represents a view from above of a substrate, comprising several parallel sub-patterns and of different widths.
  • FIG. 2b is an SEM image (scanning electron microscope or SEM) of a profile section along the axis ( ⁇ ') of the substrate of FIG. 2a.
  • Figure 2c shows the substrate of Figure 2b, after removal of the partition walls between the sub-patterns.
  • FIG. 3a represents a view from above of a substrate, comprising several parallel sub-patterns between them and of different widths.
  • FIG. 3b represents a profile view of a section of the substrate of FIG. 3a, along the axis ( ⁇ ').
  • Figure 4a shows a top view of the substrate of Figure 3a, after removal of the partition walls between the sub-patterns.
  • FIG. 4b represents a profile view of a section of the substrate of FIG. 3b, along the axis ( ⁇ '), after the separation walls have been removed between the sub-patterns.
  • FIG. 5a shows a view from above of a substrate, comprising several sub-patterns parallel to one another, the width of the sub-patterns increasing from the periphery of the grouping of the sub-patterns towards its center.
  • FIG. 5b represents a profile view of a section of the substrate of FIG. 5a, along the axis ( ⁇ ').
  • Figure 5c shows the substrate of Figure 5b, after removal of the partition walls between the sub-patterns.
  • Figures 6a-d shows a top view of a substrate, having several parallel sub-patterns between them and different widths.
  • Figure 6e shows a side view of a section of the substrate of Figures 6a to 6d, along the axis ( ⁇ ').
  • FIG. 6f represents a profile view of a section of the substrate of FIGS. 6c and 6d, along the axis ( ⁇ ').
  • Figure 6g shows the substrate of Figure 6e, after removal of the partition walls between the sub-patterns.
  • Figure 6h shows the substrate of Figure 6f, after removal of the partition walls between the sub-patterns.
  • the present application relates to a method of manufacturing a complex pattern in a substrate.
  • the substrate 10 may comprise a first face 12 in contact with the external environment (FIG. 2a). It may comprise one or more layers, optionally of different compositions, preferably made of a material that can be etched dry or wet. This material may be an organic or inorganic substance, insulating nature, semiconductor or conductive. It can be composed of one of the following materials: silicon, silica, quartz.
  • a substrate that can be used in the context of the present application may be a wafer, commonly used in the microelectronics industry, comprising a silicon layer with a thickness of several hundred microns, for example between ⁇ and 1mm, covered by a layer of silica.
  • the first surface layer may be the silica layer, of a thickness between a few tens of nanometers and several microns, for example between 10 nm and 5 ⁇ m.
  • a complex pattern is formed according to the invention, from at least two sub-patterns.
  • a first sub-pattern or a first etching is performed through the first face 12 of the substrate 10.
  • the removal or removal of at least a portion of the material of the substrate 10 can be done through one or more layers located at above the first face 12.
  • the sub-pattern may possibly pass through the substrate 10.
  • the shrinkage is performed according to the contours of the sub-pattern on the first face 12 of the substrate 10, and according to a wet etching technique, or chemical, or electrochemical, or preferably by the dry route.
  • the width l x of the first sub-pattern or of the engraving X can be between a few nanometers and several hundred microns, for example between 10 nm and 1 mm.
  • the engraving parameters and / or the etching masks used are associated with a single type of pattern, characterized by engravings of the same width and the same depth.
  • the creation of a pattern comprising sub-patterns of the same depth but of different widths requires as many specific etching steps as sub-patterns of different widths.
  • An alternative is to make the sub-patterns in a substrate having an etch stop layer, as indicated in the previous reference (C. Gui and garlic). Therefore, this aspect factor phenomenon is considered a major drawback, a parasitic phenomenon, to achieve in the same substrate patterns of the same depth but different widths.
  • the inventor has surprisingly used this parasitic phenomenon to develop a new process for producing a complex pattern in a substrate that does not include an etch stop layer.
  • the width of the first sub-pattern according to the invention is therefore deliberately included in the range of values where the appearance factor phenomenon occurs, preferably between ⁇ , ⁇ ⁇ 500 ⁇ .
  • the depth P x of the engraving X depends on its width l x .
  • the depth P x of a sub-pattern can vary between a few nanometers and several hundred microns, for example between 10 nm and 1 mm.
  • etching techniques having a strong anisotropy, that is to say a great verticality, and promoting the phenomenon of form factor.
  • RIE reactive ion etching
  • DRIE deep reactive ion etching
  • One or more masks, placed between the means for etching the substrate and said substrate, or against the first face 12 of the substrate can be used to form the first sub-pattern.
  • a mask protects the areas of the first face 12 that it is desired to preserve during the etching process.
  • the use of one or more masks is particularly suitable with engraving techniques whose efficiency is much greater in a given direction.
  • more than two sub-patterns of different widths are made through the first face 12 of a substrate 10 (FIGS., 2a) .
  • the depth of the etchings or trenches in the substrate 12 is dependent their width according to the sensitive phenomenon of ARDE or aspect factor ( Figure 2b).
  • the removal of material is preferably carried out in a direction perpendicular to the surface 12.
  • sub-motifs are identical or similar in order to facilitate their subsequent withdrawal.
  • the walls may have a different inclination with respect to the surface 12, but advantageously and preferably they are parallel or substantially parallel to each other for the preceding reason.
  • the removal or removal of the separation walls can be done by isotropic etching, wet chemical or dry plasma, or by oxidation and selective etching of the oxide formed, when the etchings are made in monocrystalline silicon or good polycrystalline.
  • the partition walls S21-26 are removed by chemical etching.
  • the width of the partition walls is chosen as narrow as possible according to the anisotropic characteristics of the etching, to then be removed quickly and thus limit the influence of this removal step on the final profile of the complex pattern.
  • the width of the partition walls can be between 0.1 and 5 ⁇ or between 1 and 5 ⁇ , for deep engravings of several hundred microns.
  • a step of smoothing the bottom of the complex pattern can be performed by more or less significant oxidation, and removal by selective etching of this oxide layer.
  • the invention thus allows the formation of a complex pattern 20 whose profile in a plane perpendicular to the first face 12 is controlled.
  • Groups of adjacent sub-patterns 32, 34, 36, 38, having etchings of the same width and parallel to each other, are arranged and / or grouped so as to form the desired complex pattern (FIGS. 3a and 3b).
  • the width of the sub-patterns may increase between the peripheral engravings and the central engravings (FIGS. 5a and 5b). In this way, after removal of the separation walls, it is possible to form a complex pattern 40 whose profile is in the form of a point in a plane perpendicular to the face 12 of the substrate 10 (FIG. 5c).
  • sets of subpatterns G1 to G4 may for example be made (FIGS. 6a and 6b).
  • a set of sub-patterns may be composed of several circularly shaped engravings forming a discontinuous circle (FIG. 6a), or the sub-patterns may communicate with one another so as to form a circular-shaped continuous etching (FIG. 6b).
  • the partition walls between the engravings forming a set of sub-pattern of circular shape can be removed to obtain a continuous engraving of the same shape.
  • sets of subunits G1 to G4 are preferably separated by partition walls of constant width.
  • FIGS. 6g and 6h According to an alternative for forming a complex pattern 50, as shown in FIGS. 6g and 6h, several sub-motifs F1 to F5 at the first face (12) of the substrate (10) can form several nested frames (FIG. 6c).
  • the width of these frames or engravings may vary differently along two orthogonal axes ( ⁇ ') and ( ⁇ ').
  • the profile of the etchings in the substrate 10 is not the same as a function of these two axes (FIGS. 6e and 6f).
  • the above complex pattern can also be obtained from several sub-patterns of rectangular contour, interconnected by their ends, so as to form a continuous engraving whose contour is helically shaped at the first face 12 ( Figure 6d ). After removal of the walls separating the etchings, the preceding complex pattern 50 is obtained (FIGS. 6g and 6h).
  • the preceding examples are not limiting, for example, sub-patterns made at the same face of a substrate may have different contours and / or arrangements.
  • the inventors have surprisingly exploited a physical phenomenon, the aspect factor considered up to now as a parasitic phenomenon, to develop new processes for producing complex patterns, regardless of the structure of the substrate.
  • One of the advantages of the invention is its implementation less complex than in the prior art, from the etching techniques currently used in the field of microelectronics. Indeed, the phenomenon of aspect factor occurs at the microscopic scale, the invention is therefore more easily and quickly adaptable to most of the engraving techniques used in this field.

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Abstract

Procédé de gravure d'un motif complexe souhaité (50), dans une première face d'un substrat, comportant les étapes suivantes : - gravure simultanée d'au moins un premier et deuxième sous-motifs à travers la première face du substrat, les sous-motifs gravés étant séparés par au moins une paroi de séparation, la largeur du premier sous-motif étant plus importante que la largeur du second sous-motif au niveau de la première face, et la profondeur du premier sous-motif étant plus importante que la profondeur du second sous-motif selon une direction perpendiculaire à ladite première face, - une étape de retrait ou d'élimination de ladite paroi de séparation, pour révéler le motif complexe souhaité (50).

Description

PROCEDE DE GRAVURE D'UN MOTIF COMPLEXE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine technique de la microélectronique, et plus particulièrement, les microsystèmes de type MEMS ou MOEMS comportant un motif en trois dimensions ou motif complexe.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans la microélectronique, la réalisation de microsystèmes nécessite au moins une étape de gravure d'au moins une partie de leur substrat, afin de définir leur géométrie. Lors de cette étape, l'utilisation d'un masque permet de former rapidement et facilement, des motifs en deux dimensions sur la surface d'un substrat. Les techniques couramment utilisées sont principalement des techniques de gravure par voie humide (chimique ou électrochimique) ou par voie sèche (par exemple par gravure plasma). Par contre, il n'existe pas encore de technique aussi simple et rapide pour réaliser des motifs en trois dimensions, c'est-à-dire, comportant au moins deux niveaux différents de profondeur dans le substrat. Ce type de motif est également nommé motif complexe, reflétant les difficultés rencontrées lors de sa réalisation.
Une technique connue permet actuellement de graver des motifs complexes dans des substrats, comportant plusieurs couches de matériaux distincts, en jouant sur leur vitesse de gravure respective. Ce type de substrat singulier est constitué par une alternance de couches, dont certaines sont traversées par des motifs, dont la forme dépend de leur niveau de profondeur dans ledit substrat. De cette façon, un motif complexe peut être réalisé avec plusieurs niveaux de profondeur, en fonction des matériaux utilisés et de leur position dans le substrat (C. Gui et al., Fabrication of multi- layer substrates for high aspect ratio single crystalline microstructures, Sensors and Actuators, A70 (1998) 61-66) ; Svetlana Tatic-Lucic et al., Etch-stop characteristics of heavily B/Ge-doped silicon epilayer in KOH and TMAH, Sensors and Actuators, A 123-124 (2005) 640-645). La profondeur du motif complexe, pour ce type de substrat, est donc déterminée avant l'étape de gravure. De ce fait, la position des couches composant le substrat doit être définie à l'avance, en fonction du motif complexe que l'on souhaite graver. Un substrat comportant des couches enterrées est donc uniquement utilisable pour former un type de motif complexe. Cette technique est de ce fait coûteuse en temps, en matière et complexe à réaliser.
Une autre technique de gravure connue, pour former des motifs complexes, consiste à utiliser un agent chimique réagissant au contact d'un substrat monocristallin. La vitesse de gravure de l'agent chimique dépend dans ce cas de l'orientation des plans de cristallisation. Les formes des motifs complexes réalisables sont donc fortement limitées par l'état et l'orientation des plans de cristallisation (Kenneth E. Bean, Anisotropic Etching of Silicon, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol ED-25, N° 10, October 1978).
L'un des objectifs de l'invention est de pouvoir réaliser rapidement et simplement, des formes complexes différentes à partir d'un substrat homogène ou hétérogène.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne un procédé de gravure d'un motif complexe souhaité, dans une première face d'un substrat, comportant les étapes suivantes :
- gravure simultanée d'au moins un premier et deuxième sous-motifs à travers la première face du substrat, les sous-motifs gravés étant séparés par au moins une paroi de séparation, la largeur du premier sous-motif étant plus importante que la largeur du second sous-motif au niveau de la première face, et la profondeur du premier sous-motif étant plus importante que la profondeur du second sous-motif selon une direction perpendiculaire à ladite première face,
- une étape de retrait ou d'élimination de ladite paroi de séparation, pour révéler le motif complexe souhaité.
Le nombre de sous-motifs différents réalisés peut être supérieur au nombre 2. Les parois de séparation ont de préférence au moins une surface commune avec la première face du substrat. Elles peuvent par la suite être retirées, éliminées ou supprimées pour révéler le motif complexe souhaité.
Au moins un premier et un second sous-motif peuvent être gravés à travers un masque, dont les ouvertures correspondent aux dimensions d'un premier et d'un deuxième sous-motif réalisés dans la première face du substrat. Autrement dit, les sous-motifs précédents peuvent être réalisés simultanément, à l'aide d'un masque placé entre la première face du substrat et des moyens de gravure (voir ci-après). De cette façon, la gravure des sous-motifs peut être réalisée rapidement.
Les sous-motifs peuvent être gravés dans le substrat simultanément par une technique de gravure anisotrope, préférentiellement par voie sèche, comme par exemple par gravure plasma de type RIE (reactive ionic etching) ou par voie humide telle que porosification, ou gravure chimique.
Un sous-motif ou une gravure ou une tranchée, peut avoir une largeur comprise entre quelques nanomètres et plusieurs micromètres, entre lOnm et 500μιη, de préférence entre Ο,ΐμιη et 500μιη.
La largeur d'une gravure est définie comme étant la distance séparant les parois d'un sous-motif, au niveau de ou sur la première face ou dans un plan parallèle ou sensiblement parallèle à la première face du substrat.
La profondeur d'un sous-motif peut être comprise entre quelques nanomètres et plusieurs micromètres, de préférence entre Ο,ΐμιη et 500μιη.
La largeur peut également être définie comme étant la plus petite dimension d'un sous motif au niveau de la première face du substrat, la largeur permettant de définir la profondeur de la gravure selon une direction sensiblement normale à la première face du substrat.
La largeur des sous-motifs peut être inférieure à leur profondeur. Les sous-motifs ou gravures les plus larges peuvent alors être les sous-motifs ou les tranchées les plus profondes dans le substrat, et inversement, les sous-motifs les moins profonds peuvent être les sous-motifs les plus étroits. La présente invention permet ainsi de réaliser des sous-motifs de profondeurs différentes, en faisant varier la largeur des sous- motifs, grâce à l'effet ARDE (Aspect Ratio Dépendent Etching). Autrement dit, on utilise le phénomène physique selon lequel la vitesse de gravure diminue quand la largeur du sous- motif diminue, dans les gammes de largeur citées précédemment.
De préférence, les sous-motifs sont gravés à partir d'une technique favorisant le phénomène d'ARDE, comme par exemple les techniques de gravure plasma. Les techniques suivantes sont ainsi préférées : gravure ionique réactive (« Reactive Ion Etching ») ou gravure ionique réactive profonde (« Deep Reactive Ion Etching »).
Les sous-motifs peuvent être réalisés par gravure de façon anisotrope, par exemple selon une technique de gravure par voie sèche et de préférence par une technique de gravure plasma.
Eventuellement, une technique de gravure humide pourrait être également utilisée seule ou en combinaison avec une autre technique de gravure.
Plusieurs sous-motifs de forme identique peuvent former un groupe de sous-motifs.
Plusieurs groupes de sous-motifs de formes différentes, peuvent être regroupés et/ou alternés et/ou combinés entre eux, d'une façon appropriée pour obtenir le motif complexe souhaité, et séparés par des parois de séparation avant l'étape de retrait, par exemple à partir d'un premier et second groupes de sous-motifs.
Le contour d'un ou de plusieurs sous-motifs au niveau de la première face peut être de forme carrée et/ou rectangulaire et/ou circulaire et/ou ovoïde.
Au moins un premier et un second sous-motif gravés peuvent communiquer entre eux, de façon à former au moins une gravure continue dont la profondeur, selon une direction perpendiculaire à la première face, varie.
La largeur d'une gravure continue peut varier au niveau de la première face du substrat.
Les contours d'une gravure continue peuvent avoir une forme géométrique souhaitée parmi les formes précédentes ou par exemple en forme de spirale.
L'épaisseur ou la largeur des parois de séparation peut être comprise entre quelques nanomètres et plusieurs microns, entre 0,1 et 5μιη ou entre 1 et 5μιη. Les épaisseurs des parois de séparation peuvent être identiques ou bien proches, afin de faciliter leur retrait de façon homogène. Autrement dit, les sous-motifs sont de préférence espacés de façon régulière, pour que les parois de séparation séparant les gravures les composant soit d'épaisseur similaire ou identique.
Le retrait des parois de séparation peut être réalisé à l'aide d'une technique de gravure isotrope. En juxtaposant des tranchées de largeurs différentes, donc de profondeurs différentes, on obtient après le retrait des parois de séparation entre les tranchées, le motif complexe souhaité. Les niveaux de profondeur du motif complexe peuvent ainsi être fixés en fonction de la largeur des gravures des sous-motifs.
Les sous-motifs peuvent être réalisés sur un substrat comportant une ou plusieurs couches, éventuellement de compositions différentes. De préférence, les substrats employés sont ceux utilisés dans le domaine de la microélectronique, plus particulièrement, pour la réalisation de microsystèmes de type MEMS (« Micro-Electro- Mechanical Systems ») et/ou MOEMS (« Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems). Ils peuvent par exemple être mono ou multicouche, chaque couche pouvant être réalisée à partir de l'un des matériaux suivants : silice ou/et silicium et/ou germanium.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres détails et caractéristiques de l'invention apparaîtront de la description qui va suivre, faite en regard des figures annexées suivantes. Les parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références de façon à faciliter le passage d'une figure à une autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Les repères indiqués sur les figures sont orthogonaux.
La figure la illustre l'influence de la largeur de gravure d'un motif sur sa profondeur, pour un temps de gravure de 80 minutes (Jani Karttunen et ail, Loading effects in deep silicon etching, Proceeding of SPIE 2000, Vol 4174, pp. 90-97).
La figure lb illustre l'influence de la largeur de gravure d'un motif sur sa profondeur, pour un temps de gravure de 10 minutes (Jani Karttunen et ail, Loading effects in deep silicon etching, Proceeding of SPIE 2000, Vol 4174, pp. 90-97). La figure 2a représente une vue de dessus d'un substrat, comportant plusieurs sous-motifs parallèles et de largeurs différentes.
La figure 2b est une image MEB (microscope électronique à balayage ou SEM en anglais), d'une coupe de profil selon l'axe (ΑΑ') du substrat de la figure 2a.
La figure 2c représente le substrat de la figure 2b, après le retrait des parois de séparation entre les sous-motifs.
La figure 3a représente une vue de dessus d'un substrat, comportant plusieurs sous-motifs parallèles entre eux et de largeurs différentes.
La figure 3b représente une vue de profil d'une coupe du substrat de la figure 3a, selon l'axe (ΑΑ').
La figure 4a représente une vue de dessus du substrat de la figure 3a, après le retrait des parois de séparation entre les sous-motifs.
La figure 4b représente une vue de profil d'une coupe du substrat de la figure 3b, selon l'axe (ΑΑ'), après le retrait des parois de séparation entre les sous-motifs.
La figure 5a représente une vue de dessus d'un substrat, comportant plusieurs sous-motifs parallèles entre eux, la largeur des sous-motifs augmentant de la périphérie du regroupement des sous-motifs vers son centre.
La figure 5b représente une vue de profil d'une coupe du substrat de la figure 5a, selon l'axe (ΑΑ').
La figure 5c représente le substrat de la figure 5b, après le retrait des parois de séparation entre les sous-motifs.
Les figures 6a-d représente une vue de dessus d'un substrat, comportant plusieurs sous-motifs parallèles entres eux et de largeurs différentes.
La figure 6e représente une vue de profil d'une coupe du substrat des figures 6a à 6d, selon l'axe (ΑΑ').
La figure 6f représente une vue de profil d'une coupe du substrat des figures 6c et 6d, selon l'axe (ΒΒ').
La figure 6g représente le substrat de la figure 6e, après le retrait des parois de séparation entre les sous-motifs. La figure 6h représente le substrat de la figure 6f, après le retrait des parois de séparation entre les sous-motifs.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente demande concerne un procédé de fabrication d'un motif complexe dans un substrat.
Le substrat 10 peut comporter une première face 12 en contact avec l'environnement extérieur (figure 2a). I l peut comporter une ou plusieurs couches, éventuellement de compositions différentes, de préférence réalisées dans un matériau pouvant être gravé par voie sèche ou humide. Ce matériau peut être une substance organique ou minérale, de nature isolante, semi-conductrice ou conductrice. I l peut être composé par l'un des matériaux suivants : silicium, silice, quartz.
Par exemple, un substrat pouvant être utilisé dans le cadre de la présente demande, peut être un wafer, couramment utilisés dans l'industrie de la microélectronique, comportant une couche de silicium d'une épaisseur de plusieurs centaines de microns, par exemple entre ΙΟΟμιη et 1mm, recouverte par une couche de silice. Dans ce cas, la première couche en surface peut être la couche de silice, d'une épaisseur comprise entre quelques dizaines de nanomètres et plusieurs microns, par exemple entre lOnm et 5μιη.
Un motif complexe est formé selon l'invention, à partir d'au moins deux sous-motifs.
Un premier sous-motif ou une première gravure est réalisée à travers la première face 12 du substrat 10. Le retrait ou l'élimination d'au moins une partie de la matière du substrat 10 peut être fait à travers une ou plusieurs couches situées au-dessus de la première face 12. Le sous-motif peut éventuellement traverser le substrat 10. Le retrait est réalisé selon les contours du sous-motif sur la première face 12 du substrat 10, et selon une technique de gravure par voie humide, ou chimique, ou électrochimique, ou préférentiellement par voie sèche.
La largeur lx du premier sous-motif ou de la gravure X, c'est-à-dire, la distance séparant ses parois dans un plan confondu avec la première face 12, peut être comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de microns, par exemple entre lOnm et 1mm.
Or, dans cette plage de valeurs, il n'est pas possible de réaliser des gravures de même profondeur ayant des largeurs différentes (Jani Karttunen et ail, Loading effects in deep silicon etching, Proceeding of SPIE 2000, Vol 4174, pp. 90-97). Plus précisément, pour une même condition de gravure, une gravure devient plus profonde lorsque sa largeur augmente (figures la et lb). Ce phénomène est connu sous le nom d'ARDE ou de facteur d'aspect.
Pour remédier à ce problème, il est nécessaire d'adapter la vitesse et/ou le temps de gravure, en fonction de la largeur de chaque gravure. De ce fait, les paramètres de gravure et/ou les masques de gravure utilisés sont associés à un seul type de motif, caractérisé par des gravures de même largeur et de même profondeur. Autrement dit, la réalisation d'un motif comportant des sous-motifs de même profondeur mais de largeurs différentes, nécessite autant d'étapes spécifiques de gravure que de sous-motifs de largeurs différentes. Une alternative consiste à réaliser les sous-motifs dans un substrat comportant une couche d'arrêt de gravure, telle qu'indiqué dans la référence précédente (C. Gui et ail). C'est pourquoi, ce phénomène de facteur d'aspect est considéré comme un inconvénient majeur, un phénomène parasite, pour réaliser dans un même substrat des motifs de même profondeur mais de largeurs différentes.
L'inventeur a su, de manière surprenante, utiliser ce phénomène parasite pour développer un nouveau procédé de réalisation d'un motif complexe, dans un substrat ne comportant pas de couche d'arrêt de gravure.
La largeur du premier sous-motif selon l'invention est donc délibérément comprise dans la gamme de valeurs où se produit le phénomène de facteur d'aspect, de préférence entre Ο,ΐμιη θΐ 500μιη. Ainsi, la profondeur Px de la gravure X dépend de sa largeur lx.
La profondeur Px d'un sous-motif peut varier entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micron, par exemple entre lOnm et 1mm.
De préférence sont donc employées, pour former le premier sous-motif, des techniques de gravure ayant une forte anisotropie, c'est-à-dire une grande verticalité, et favorisant le phénomène de facteur de forme. Ces techniques sont par exemple la gravure ionique réactive (RIE) ou la gravure ionique réactive profonde (DRIE).
Un ou plusieurs masques, placés entre les moyens permettant de graver le substrat et ledit substrat, ou bien contre la première face 12 du substrat peuvent permettre de former le premier sous-motif. Un masque protège les zones de la première face 12 que l'on souhaite préserver lors du procédé de gravure. L'utilisation d'un ou de plusieurs masques est plus particulièrement adaptée avec des techniques de gravure dont l'efficacité est beaucoup plus grande dans une direction donnée.
Selon un premier exemple de réalisation de l'invention, plus de deux sous-motifs de largeurs différentes sont réalisés à travers la première face 12 d'un substrat 10 (figure 2a^. La profondeur des gravures ou tranchées dans le substrat 12 est dépendante de leur largeur selon le phénomène sensible d'ARDE ou de facteur d'aspect (figure 2b).
Le retrait de matière s'effectue de préférence selon une direction perpendiculaire à la surface 12. Ainsi, les largeurs des parois de séparation PSX entre les
- sous-motifs (selon le vecteur I ), sont identiques ou similaires afin de faciliter leur retrait ultérieur.
Eventuellement, les parois peuvent avoir une inclinaison différente par rapport à la surface 12, mais avantageusement et de préférence elles sont parallèles ou sensiblement parallèles entre elles pour la raison précédente.
L'élimination ou bien le retrait des parois de séparation peut être fait par gravure isotrope, par voie humide chimique ou par voie sèche plasma, ou par oxydation et gravure sélective de l'oxyde formé, lorsque les gravures sont réalisées dans du silicium monocristallin ou bien polycristallin. Dans le cas présent, les parois de séparation S21-26 sont éliminées par gravure chimique.
L'élimination des parois de séparation, délimitant les sous-motifs 21 à 27, permet de révéler le motif complexe 20 souhaité (figure 2c). Le fond du motif est délimité par des marches M2i à M27, dont la profondeur correspond aux largeurs l2i_27 des gravures précédentes 21 à 27. Il est intéressant que ces parois aient une largeur minimum, la finesse du profil du motif en dépend. Lorsque les parois sont éliminées par gravure isotrope, c'est-à-dire que la vitesse de gravure est identique dans toutes les directions, les fonds des sous-motifs sont également gravés. C'est pourquoi, les parois de séparation sont de préférence les plus fines possible afin de limiter ce phénomène et contrôler au mieux le profil du motif complexe souhaité. Autrement dit, la largeur des parois de séparation est choisie la plus étroite possible selon les caractéristiques anisotropiques de la gravure, pour pouvoir ensuite être retirées rapidement et ainsi limiter l'influence de cette étape de retrait sur le profil final du motif complexe. Selon un exemple, et en particulier dans le cas du silicium et d'une gravure ionique réactive profonde (DRIE), la largeur des parois de séparation peut être comprise entre 0,1 et 5μιη ou entre 1 et 5μιη, pour des gravures profondes de plusieurs centaines de microns.
Eventuellement, et en particulier dans le cas d'un substrat de silicium, une étape de lissage du fond du motif complexe peut être effectuée par oxydation plus ou moins importante, et retrait par gravure sélective de cette couche d'oxyde.
L'invention permet ainsi la formation d'un motif complexe 20 dont le profil, dans un plan perpendiculaire à la première face 12, est maîtrisé.
Plusieurs variantes du procédé de réalisation précédent sont présentées ci-après.
Des groupes de sous-motifs adjacents 32, 34, 36, 38, comportant des gravures de même largeur et parallèles entre elles, sont agencés et/ou regroupés de manière à former le motif complexe souhaité (figures 3a et 3b).
Le retrait des parois de séparation entre les sous-motifs, permet de révéler des marches M32, M34, M36, M38 de largeur et de profondeur différentes. Il est ainsi possible de former un motif complexe 30, de largeurs et de profondeurs souhaitées dans le substrat 10 (figures 4a et 4b). Autrement dit, la largeur du motif complexe 30 dépend du nombre de sous-motifs, sa profondeur est définie par la largeur desdits sous- motifs. En jouant sur ces deux paramètres, il est alors possible de former des motifs complexes dans un substrat du type usuellement employé dans le domaine de la microélectronique, sans que le motif complexe réalisé dépende de la structure du substrat, et notamment de la position d'une couche d'arrêt de gravure présente dans ledit substrat.
Par exemple, la largeur des sous-motifs peut croître entre les gravures périphériques et les gravures centrales (figures 5a et 5b). De cette façon, après retrait des parois de séparation, on peut former un motif complexe 40 dont le profil est en forme de pointe dans un plan perpendiculaire à la face 12 du substrat 10 (figure 5c).
Pour former un motif complexe 50 tel que représenté en figure 6g, des ensembles de sous-motifs Gl à G4 peuvent par exemple être réalisés (figures 6a et 6b). Un ensemble de sous-motifs peut être composé par plusieurs gravures de forme circulaire, formant un cercle discontinue (figure 6a), ou bien les sous-motifs peuvent communiquer entre eux de sorte à former une gravure continue de forme circulaire (figure 6b). Autrement dit, les parois de séparation entre les gravures formant un ensemble de sous-motif de forme circulaire, peuvent être retirées pour obtenir une gravure continue de même forme. Dans les deux cas, les ensembles de sous-motifs Gl à G4 sont de préférence séparés par des parois de séparation de largeur constante.
Selon une alternative pour former un motif complexe 50, tel que représenté en figures 6g et 6h, plusieurs sous-motifs Fl à F5 au niveau de la première face (12) du substrat (10) peuvent former plusieurs cadres imbriqués (figure 6c). La largeur de ces cadres ou gravures, peut varier de façon différente selon deux axes orthogonaux (ΑΑ') et (ΒΒ'). Ainsi, le profil des gravures dans le substrat 10 n'est pas le même en fonction de ces deux axes (figures 6e et 6f). Après retrait des parois séparant les sous-motifs, on obtient le motif complexe 50 comportant un profil différent selon lesdits axes (figure 6g et 6h).
Le motif complexe précédent peut également être obtenu à partir de plusieurs sous-motifs de contour rectangulaire, reliés entre eux par leurs extrémités, de manière à former une gravure continue dont le contour est de forme hélicoïdale au niveau de la première face 12(figure 6d). Après retrait des parois séparant les gravures, on obtient le motif complexe 50 précédent (figures 6g et 6h). Les exemples précédents ne sont pas limitatifs, par exemple, les sous- motifs réalisés au niveau d'une même face d'un substrat peuvent avoir des contours et/ou des agencements différents.
Les inventeurs ont su exploiter de façon surprenante un phénomène physique, le facteur d'aspect considéré jusqu'à présent comme un phénomène parasite, pour développer de nouveaux procédés de réalisation de motifs complexes, indépendamment de la structure du substrat.
Les nouveaux procédés ci-dessus permettent ainsi de s'affranchir des étapes délicates et compliquées de fabrication du substrat que l'on souhaite graver, en fonction du motif complexe que l'on souhaite former. En supprimant ces difficultés techniques, le procédé s'en trouve simplifié et donc plus rapide à exécuter.
Un des avantages de l'invention est sa mise en œuvre moins complexe que dans l'art antérieur, à partir des techniques de gravure actuellement utilisées dans le domaine de la microélectronique. En effet, le phénomène de facteur d'aspect se produit à l'échelle microscopique, l'invention est de ce fait plus facilement et plus rapidement adaptable à l'essentiel des techniques de gravure employées dans ce domaine.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de gravure d'un motif complexe souhaité (20, 30, 40, 50), dans une première face (12) d'un substrat (10), comportant les étapes suivantes :
- gravure simultanée d'au moins un premier et deuxième sous-motifs à travers la première face (12) du substrat (10), les sous-motifs gravés étant séparés par au moins une paroi de séparation, la largeur du premier sous-motif étant plus importante que la largeur du second sous-motif au niveau de la première face (12), et la profondeur du premier sous-motif étant plus importante que la profondeur du second sous-motif selon une direction perpendiculaire à ladite première face (12),
- une étape de retrait ou d'élimination de ladite paroi de séparation, pour révéler le motif complexe souhaité (20, 30, 40, 50).
2. Procédé de gravure d'un motif complexe selon la revendication 1, au moins un premier et un second sous-motif étant gravés à travers un masque, dont les ouvertures correspondent aux dimensions d'un premier et d'un deuxième sous-motif réalisés dans la première face (12) du substrat (10).
3. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 2, la largeur des sous-motifs, au niveau de la première face (12) du substrat (10), étant comprise entre quelques nanomètres et plusieurs micromètres, de préférence entre Ο.ΐμιη et 500μιη.
4. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 3, la profondeur des sous-motifs étant comprise entre quelques nanomètres et plusieurs micromètres, de préférence entre Ο,ΐμιη et 500μιη.
5. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 4, plusieurs groupes de sous-motifs de formes différentes, peuvent être regroupés et/ou alternés et/ou combinés entre eux, d'une façon appropriée pour obtenir le motif complexe souhaité, et séparés par des parois de séparation avant l'étape de retrait, par exemple à partir d'un premier et second groupes de sous-motifs.
6. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 5, le contour des sous-motifs au niveau de la première face (12) étant de forme carrée et/ou rectangulaire et/ou circulaire et/ou ovoïde.
7. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel, au moins un premier et un second sous-motif gravés communiquent entre eux, de façon à former au moins une gravure dont la profondeur, selon une direction perpendiculaire à la première face (12), varie.
8. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel, au moins un premier et un second sous-motif gravés, communiquent entre eux de manière à former une gravure continue, dont la largeur varie au niveau de la première face (12).
9. Procédé de gravure d'un motif complexe selon la revendication précédente, la gravure continue formant une spirale.
10. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 9, l'épaisseur des parois de séparation dans un plan parallèle ou sensiblement parallèle à la première face (12), étant comprise entre quelques nanomètres et quelques micromètres, de préférence entre 0,1 et 5μιη.
11. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 10, l'épaisseur des parois de séparation dans un plan parallèle ou sensiblement parallèle à la première face (12), étant identique ou proche, afin de faciliter le retrait desdites parois.
12. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 11, la gravure des sous-motifs étant réalisée par gravure anisotrope.
13. Procédé de gravure d'un motif complexe selon la revendication 12, la gravure étant réalisée par voie sèche.
14. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 13, le retrait des parois de séparation étant réalisé par gravure isotrope.
15. Procédé de gravure d'un motif complexe selon l'une des revendications 1 à 14, le substrat étant mono ou multicouche, chaque couche étant réalisée à partir de l'un des matériaux suivants : silice ou/et silicium et/ou germanium.
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