FR2764309A1 - Procede de creation d'une couche de silicium sur une surface - Google Patents

Abstract

Un procédé de création d'une couche de silicium sur une surface comporte les opérations consistant à déposer du silicium sur la surface par un procédé physique de dépôt, tel qu'un procédé d'évaporation par faisceau d'électrons et, lors de ce procédé de dépôt, à soumettre la couche en train de se former à un bombardement ionique. La couche en silicium ainsi produite supporte des contraintes considérablement réduites par rapport à une couche formée selon un procédé physique classique de dépôt. Ce procédé convient particulièrement à la formation de couches de silicium relativement épaisses sur une couche (ou un empilement de couches) en silice, qui servent de masques de gravure dans une opération postérieure de gravure profonde de la silice par ions réactifs.

Description

La présente invention concerne la fabrication de composants optiques, notamment dans le domaine de l'optique intégrée du type planar. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de formation d'une couche relativement épaisse de silicium sur une surface, destiné notamment à fournir un masque en silicium sur une couche ou plusieurs couches en silice, la ou les couches en silice étant soumise(s) par la suite à un procédé de gravure par ions réactifs.

Dans le domaine de l'optique intégrée du type planar, au cours de la fabrication de composants optiques plans, il est souvent nécessaire de graver des couches en silice (soit de la silice pure, soit de la silice dopée) afin de définir des dispositifs optiques. Il faut une précision très élevée pour réaliser le tracé des dispositifs optiques tels que, par exemple, des guides d'ondes, des réseaux de diffraction, des lentilles, etc., compris dans le composant. Par ailleurs, il est souvent nécessaire de superposer des couches de silice et de tracer des motifs dans celles-ci (il s'agit, typiquement, d'une couche de coeur et d'une couche de confinement optique).

Pour la fabrication de tels composants optiques à base de silice, le tracé de motifs dans les couches de silice est réalisé, de préférence, selon un procédé de gravure par ions réactifs afin de dessiner avec le degré de précision (de résolution) désiré les dispositifs faisant partie du composant. La qualité de la gravure dépend étroitement de la nature du matériau utilisé pour former le masque de gravure.

Dans la mise en oeuvre de ce procédé de gravure, des matériaux divers ont été utilisés pour former le masque, tels que: l'aluminium, le titane, le chrome, le nickel, le photorésist ou le silicium.

Les masques métalliques ne donnent pas de résultats satisfaisants et cela pour deux raisons. D'une part, au cours du dépôt de la couche de masque, il y a croissance de grains qui, lors d'une opération de gravure postérieure, provoquent une rugosité des parois latérales des cavités gravées (on obtient, typiquement, des écarts supérieurs à 0,1 um par rapport au plan désiré de la paroi). Une telle rugosité occasionne des pertes optiques lors de l'utilisation du dispositif optique.

Ce problème est plus prononcé en ce qui concerne les masques en aluminium
D'autre part, lors de la gravure de la silice par les ions réactifs, le matériau constituant le masque métallique subit une pulvérisation. Puisque les atomes de métal ne sont pas volatils, ils viennent se redéposer autour de la région gravée et causent, une fois de plus, des problèmes de rugosité.

Les masques en photorèsist, et plus généralement les masques polymères, possèdent trois inconvénients en ce qui concerne la gravure profonde de la silice.

Premièrement, le rapport de sélectivité de gravure entre la silice et le masque en polymère est peu élevé (autour de 2:1), ce qui rend nécessaire de prévoir une épaisseur importante pour la couche de masque en cas de gravure profonde de la silice. L'utilisation de couches de polymère dont l'épaisseur dépasse quelques microns a pour conséquence une perte de résolution de gravure. Deuxièmement, lors du processus de gravure, le matériau polymère a tendance à fluer et, donc, la résolution du motif gravé se dégrade. Troisièmement, en cas d'utilisation d'un masque en polymère, il faut limiter la densité d'énergie utilisable lors du procédé de gravure, prolongeant ainsi le temps nécessaire pour réaliser la gravure.

Pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, il est nécessaire de prévoir pour constituer le masque un matériau associant les propriétés contradictoires consistant en une bonne tenue dans les conditions de la gravure et en une volatilité assez élevée dans un plasma. Ces conditions sont remplies par le silicium. Dans le domaine de la micro-électronique, on a déjà employé le silicium pour constituer un masque permettant la gravure de la silice par des ions réactifs, afin de fabriquer des composants électroniques. Des sélectivités de l'ordre de 10:1 ont été obtenues.

Or, lorsqu'on cherche à utiliser le silicium pour constituer le masque utilisé pour la gravure de la silice au cours d'un processus de fabrication de composants optiques, il est souvent nécessaire de réaliser une gravure profonde de la couche (ou des couches) de silice, de sorte qu'une couche de masque en silicium d'une épaisseur supérieure à 1 ptm serait requise. Cependant, en cas de formation d'une couche de silicium d'une telle épaisseur sur de la silice, selon des procédés physiques classiques de dépôt par évaporation sous vide, la couche de silicium ainsi obtenue subit des contraintes élevées. Dans le cas d'une couche de silicium déposée selon un procédé d'évaporation par faisceau d'électrons, des contraintes en tension d'environ 400 MPa s'appliquent. Dans le cas d'une couche de silicium déposée par pulvérisation, des contraintes en compression d'environ 400 MPa interviennent et, de surcroît, des grains de dimensions accrues sont créés (ce qui augmente la rugosité des parois latérales). Ces contraintes élevées provoquent un gauchissement de la plaquette, ce qui amène à des imprécisions lors de l'étape de lithographie. Dans le cas d'une couche de silicium de 2 llm d'épaisseur, les contraintes sont si élevées que des fissures se forment dans les couches optiques, ce qui amène à la destruction des composants.

Les modes de réalisation préférés de la présente invention prévoient un procédé de formation d'une couche de silicium, notamment une couche de silicium d'épaisseur supérieure à l llm, de manière que les contraintes dans la couche ainsi formée soient ajustées à un niveau acceptable. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un procédé de formation d'une couche de silicium sur une surface, comportant l'opération consistant à déposer du silicium sur ladite surface selon un processus physique de dépôt et, lors de ce processus de dépôt, à soumettre la couche de silicium en train de se former à un bombardement ionique.

On a découvert que, dans le cas où une couche de silicium est formée sur une surface selon un processus physique de dépôt, et que la couche en train de se former subit un bombardement par un faisceau d'ions, les contraintes dans la couche de silicium ainsi produite sont réduites de manière conséquente, même en cas de formation d'une couche de silicium relativement épaisse sur une couche (ou plusieurs couches) en silicc.

Dans les modes de réalisation préférés de l'invention, le procédé physique de base de dépôt est un procédé d'évaporation par faisceau d'électrons. Ce procédé permet de contrôler étroitement le procédé de dépôt et, en association avec une bombardement ionique de la couche en train de se former, il favorise une adaptation précise des propriétés de la couche de silicium.

L'application du procédé de la présente invention dans la création d'un masque en silicium sur une couche en silice permet d'employer pour la gravure profonde de la silice une gravure par ions réactifs, ce qui permet d'obtenir une résolution de gravure élevée tandis que les problèmes de rugosité des parois latérales sont évités. En outre, lors de l'utilisation de ce procédé au cours de la fabrication d'un empilement de couches de silice dans lesquelles des motifs sont tracés, on a vérifié que le gauchissement de la plaquette se réduisait. Par ailleurs, des densités d'énergie normales peuvent être employées lors de la gravure par ions réactifs, de sorte que le procédé de gravure n'est pas indument prolongé.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description suivante d'un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple, et illustré par les dessins annexés, dans lesquels:
- la figure l est un schéma représentant un appareil convenant pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, et
- la figure 2 illustre un procédé de fabrication d'une couche de silice dans laquelle est tracé un motif, dans lequel procédé un masque en silicium est produit selon le procédé de la présente invention, les parties 2A à 2H représentant les différentes étapes dans le procédé de fabrication.

Un mode de réalisation préféré de la présente invention sera maintenant décrit en se référant à la figure l. Dans ce mode de réalisation de l'invention, un procédé d'évaporation par faisceau d'électrons est employé pour libérer des atomes de silicium d'une source afin qu'ils se déposent ensuite sur une couche (ou un empilement de couches) en silice, cette dernière ayant été formée au préalable sur un substrat typiquement en silice. En même temps, des ions d'argon sont projetés vers le substrat de manière à bombarder la couche de silicium qui est en train de se former.

Comme il est montré sur la figure l, le procédé selon l'invention est réalisé dans une chambre à vide l, le vide étant maintenu par une pompe (non représentée) à travers une ouverture 2. Du silicium 4 est introduit dans un creuset 5 qui sert d'anode pour un canon à électrons 6. Le courant produit par le canon à électrons est commandé par une unité 7 de commande de canon à électrons. Des électrons provenant du canon à électrons sont accélérés vers le silicium de façon à provoquer l'évaporation d'atomes de silicium. Les atomes de silicium évaporés se condensent sur les parois de la chambre à vide et sur une couche de silice présente sur la surface d'un substrat 10 par exemple en silice monté sur un support 11 de substrat disposé dans la partie supérieure de la chambre à vide (cette évaporation "vers le haut" évite la contamination de la surface par des poussières). Même si, selon le procédé de l'invention, il n'est pas essentiel de chauffer le substrat, on peut prévoir un moyen de chauffage 12 afin de permettre que la température du substrat soit maintenue, par exemple, à 100"C, et de favoriser ainsi l'adhésion à la couche en silice des atomes de silicium déposés. Un volet 15 glissant est disposé dans la chambre à vide de manière à permettre, selon la volonté de l'opérateur, l'interruption du dépôt des atomes de silicium sur la couche en silice.

Jusqu'ici la constitution de l'appareil ressemble à l'appareil classique employé pour l'évaporation de silicium par faisceau d'électrons. Cependant, l'appareil de la figure 1 comporte, en plus des composants mentionnés ci-avant, un canon à ions 20 conçu pour projeter un faisceau d'ions en direction du substrat 10.

Dans cet exemple, le canon à ions est de marque "Plasmion", mais d'autres canons à ions peuvent être utilisés à sa place. Le canon à ions est alimenté en argon gazeux à travers l'ouverture 22 et il génère des ions d'argon (Ar+) qui se heurtent à la couche extérieure présente sur le substrat selon un angle d'environ 30 par rapport à l'angle d'arrivée des atomes de silicium. Le courant et l'énergie du faisceau d'ions sont commandés par une unité 23 de commande de canon à ions.

Le procédé selon le mode de réalisation préféré de l'invention sera maintenant décrit. La source 4 en silicium est placée dans le creuset 5 qui, à son tour, est disposé dans la chambre à vide 1, et un ou plusieurs substrats 10 sont introduits dans le support 1 1 de substrat. Ensuite, on fait le vide dans la chambre à vide à travers l'ouverture 2. On active alors le canon à ions 20 et, lorsque celuici a atteint un état de fonctionnement stable (typiquement après quelques minutes), on active le canon à électrons 6 afin de faire commencer l'évaporation du silicium. Quand l'évaporation a atteint un état stable, on déplace alors le volet 15 de sorte que le chemin entre la source en silicium et le substrat 10 soit dégagé.

De cette manière, des atomes de silicium viennent heurter la couche en silice présente à la surface du substrat 10, et y adhérer, et la couche de silicium qui est en train de se former est bombardée par des ions d'argon.

La progression du processus de formation de la couche peut être surveillée, par exemple en munissant le support 1 1 de substrat d'un dispositif piézoélectrique. La fréquence d'oscillation du dispositif piézo-électrique varie au fur et à mesure qu'augmente la quantité de silicium déposée. Quand une quantité désirée de silicium a été déposée, on remet le volet 15 en place dans la position empêchant l'arrivée d'atomes de silicium au substrat, et on désactive le canon à ions 22.

Les contraintes mesurées dans la couche de silicium produite par le procédé selon la présente invention dépendent du rapport établi entre le nombre d'atomes de silicium et le nombre d'ions d'argon, respectivement, arrivant à la couche extérieure présente sur le substrat, pendant le dépôt du silicium. Dans le cas où seulement moins d'un ion arrive sur le substrat (ou, plus précisément, la couche extérieure présente sur le substrat) pour chaque dizaine d'atomes de silicium, la réduction des contraintes par rapport aux résultats obtenus selon les procédés classiques est mineure (moins de 20%). Cette réduction devient plus intéressante à partir d'un rapport de 1 ion pour 10 atomes de silicium arrivant sur le substrat. De préférence, les conditions de fonctionnement sont fixées pour assurer un rapport au-delà de 1 ion pour 10 atomes et, façon encore plus préférentielle, de l'ordre de 2 ions pour 10 atomes de silicium arrivant sur le substrat. Dans ces conditions, les contraintes mesurées dans la couche de silicium peuvent être ramenées au-dessous de 200 MPa pour une couche d'épaisseur 1 micron, de 400 MPa pour une couche d'épaisseur 2 Hm, etc.

Les taux d'ions et d'atomes arrivant à la couche extérieure présente sur le substrat dépendent, respectivement, des courants du canon à ions 20 et du canon à électrons 6 et sont, donc, facilement réglables. Par ailleurs, le rapport optimal entre les taux d'ions et d'atomes arrivant sur la couche extérieure présente sur le substrat varie selon la nature des ions employés dans le bombardement ionique.

Le modèle de canon à ions utilisé dans les expériences produisait un courant maximal de 12 mA. Typiquement, le débit d'argon alimentant le canon à ions était de 1,5 à 3 sccm, L'énergie des ions était de 50 eV à 100 eV, la densité du courant d'ions était de 1 à 2 mA par cm2 à la sortie du canon à ions, et le courant total d'ions était de 10 à 12 mA. Dans de telles conditions de fonctionnement, il était possible de maintenir des taux de dépôt de silicium élevés, typiquement d'environ 10 à 20 /s. Cependant, un canon à ions supportant un courant plus élevé aurait permis d'atteindre des taux de dépôt de silicium encore plus élevés et, ou bien, de maintenir le même taux de dépôt de silicium sur une plaquette possédant une surface plus étendue.

Le modèle de canon à ions utilisé dans les expériences était très efficace, ce qui permettait d'employer un flux très faible de gaz et, donc, de garder une pression de fonctionnement basse dans la chambre à vide (typiquement d'environ 1 à 2 x x Torr).

Les ions utilisés pour le bombardement de la couche de silicium en train de se former possédaient une énergie dans la gamme comprise entre 50 eV et 100 eV.

Des énergies ioniques trop importantes ne permettent pas d'obtenir les avantages recherchées par l'invention mais, bien au contraire, amènent à l'éjection d'atomes de silicium depuis la couche que l'on cherche à créer.

Le procédé selon la présente invention a été mis en oeuvre comme décrit ci-dessus pour former une couche d'épaisseur 1 Rm en silicium sur une couche en silice formée sur une plaquette de silicium de 10,1 cm (4 pouces) de diamètre et de 1 mm d'épaisseur. Au cours de ce procédé de dépôt de silicium, 2 ions d'argon arrivaient sur le substrat pour chaque dizaine d'atomes de silicium. Les contraintes mesurées dans la couche en silicium étaient de 100 MPa. Ceci représente une réduction importante des contraintes par rapport aux contraintes de 400 MPa qui surviennent dans une couche de silicium semblable produite selon un procédé classique d'évaporation par faisceau d'électrons. Grâce à cette réduction des contraintes, le procédé de la présente invention rend possible la formation, sur une couche en silice, de couches de silicium plus épaisses que celles qui étaient possibles jusqu'alors. Par exemple, il devient possible de former une couche de silicium de 2 pm d'épaisseur sur une couche en silice, sans création de fissures.

Ceci rend possible la fabrication de masques épais (2 1 ,tam) en silicium, sur silice, pour permettre le tracé de motifs dans cette dernière par un procédé de gravure par ions réactifs.

On va maintenant procéder, en se référant à la figure 2, à la description d'un procédé typique de tracé de motifs dans une couche de silice, selon un procédé de gravure par ions réactifs, comportant une étape de formation de couche de masque en silicium selon le procédé de la présente invention.

La figure 2A montre une plaquette en silicium 10 revêtue d'une couche en silice créée selon un procédé classique. La surface sur laquelle le masque de gravure sera déposé est préparée de la manière habituelle. Ensuite, comme cela est indiqué sur la figure 2B, on dépose une couche 40 en silicium sur la couche en silice selon le procédé décrit ci-dessus en relation avec la figure 1. En cas de gravure profonde de la silice, cette couche de silicium 40 peut être d'épaisseur supérieure ou égale à 1 pm. Comme cela est indiqué sur les figures 2C et 2D, respectivement, on revêt ensuite la couche 40 de silicium d'un photorésist 50, puis on expose et on développe le photorésist de manière à exposer des régions sélectionnées de la couche de silicium sous-jacente. On élimine les régions exposées de la couche de silicium par gravure, par exemple, selon un procédé de gravure par ions réactifs utilisant SF6 (Fig.2E) et on élimine ensuite les restes de la couche de photorésist par délaquage plasma en utilisant un plasma d'oxygène (Fig.2F). Le masque en silicium est maintenant constitué.

On grave la couche en silice présente à la surface du substrat 10, à travers le masque en silicium selon un procédé de gravure par ions réactifs (Fig.2G). La sélectivité du procédé de gravure est augmentée lorsqu'un plasma appauvri en fluor est employé (ce plasma étant établi en piégeant les atomes de fluor au sein d'un plasma enrichi en hydrogène ou en carbone). Typiquement, on peut utiliser dans ce but des gaz de gravure tels que CHF3, C2F6 ou C3F8. Une fois la couche de silice gravée, on élimine les restes du masque en silicium, par exemple, par un procédé de gravure par ions réactifs employant du SF6 (Fig.2H).

On a constaté que, lorsque la couche 40 de silicium employée pour former le masque dans le procédé de tracé de motifs en silice décrit ci-dessus est formée selon le procédé de la présente invention, la sélectivité de l'opération de gravure du silice est augmentée d'environ 10%. Ce facteur aussi vient faciliter la gravure profonde de la silice. De plus, on améliore la qualité de la gravure, non pas simplement du fait de l'augmentation de la sélectivité, mais aussi en raison d'une plus grande régularité (planéité) des couches. Par ailleurs, on a vérifié que, lors de la fabrication de composants optiques demandant une gravure profonde, par exemple en cas de gravure d'un empilement de couches de silice formé sur une plaquette, I'emploi du procédé selon l'invention pour créer des masques en silicium réduit considérablement le gauchissement de la plaquette. Ceci permet d'améliorer la résolution de la lithographie grâce à la meilleure planéité obtenue.

Une application de la présente invention convient particulièrement à la formation de masques relativement épais en silicium destinés à une utilisation dans la fabrication de composants optiques à base de silice et comportant des dispositifs optiques tels que des microlentilles et des réseaux de diffraction.

Bien que la présente invention ait été décrite ci-dessus en se référant à un mode de réalisation préféré particulier, on comprendra que des modifications et des adaptations nombreuses peuvent y être apportées sans, toutefois, sortir du cadre de l'invention. En particulier, bien que le procédé physique de dépôt utilisé dans le mode de réalisation préféré consiste en une évaporation par faisceau d'électrons, d'autres procédés physiques de dépôt, tel que la pulvérisation cathodique, peuvent être employés à sa place (associés au bombardement ionique de la couche en train de se former).

De la même façon, bien que, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les ions utilisés dans le bombardement soient des ions d'argon, d'autres possibilités existent. Par exemple, d'autres gaz inertes pourraient être utilisés à la place de l'argon soit individuellement, soit en mélange avec un autre gaz inerte (des ions de masse atomique élevée étant préférés), des ions d'autres matériaux (tel que l'hydrogène) peuvent être mélangés aux ions du ou des gaz inerte(s) ou, dans certains cas, les ions du gaz inerte peuvent être remplacés par des ions d'un autre matériau.

En outre, même si dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, le procédé selon la présente invention est utilisé pour la fabrication d'une couche de silicium sur une couche en silice présente à la surface d'un substrat en silice, cette
couche de silice peut très bien être formée sur un substrat d'un autre matériau, tel
que du silicium.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de formation d'une couche de silicium sur une surface, comportant l'opération consistant à déposer du silicium sur une surface par un procédé physique de dépôt, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une opération de bombardement ionique de la couche de silicium en train de se former.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérations consistant à tracer un motif dans la couche de silicium afin de créer un masque définissant le motif destiné à être tracé dans la surface sous-jacente, à graver ladite surface par ions réactifs à travers le masque en silicium, et à éliminer les restes du masque en silicium.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz de gravure utilisé dans ladite opération de gravure comporte un hydrocarbure fluoré.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite surface consiste en une couche en silice ou en silice dopée et la couche de silicium est formée sous une épaisseur supérieure ou égale à 1 pm.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le procédé physique de dépôt est un procédé d'évaporation par faisceau d'électrons.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'opération de bombardement ionique comprend un bombardement par des ions d'argon.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, lors de l'opération de dépôt du silicium, le rapport entre les taux d'arrivée des ions et des atomes de silicium sur ladite surface est supérieur à 1:10.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, lors de l'opération de dépôt du silicium, le rapport entre les taux d'arrivée des ions et des atomes de silicium sur ladite surface est égal ou supérieur à 2:10.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'énergie des ions utilisés dans l'opération de bombardement ionique est comprise dans la gamme 50 - 100 eV.

10. Produit consistant en une couche de silicium déposée, selon le procédé d'une quelconque des revendications 1 à 9, sur une surface et dans lequel les contraintes dans la couche de silicium sont égales ou inférieures à 200 MPa par micron d'épaisseur de celle-ci.