Présentation Stage M1

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2007
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Avancement WADIMOS LG 29 juin 2009
1Anne-Laure Bavencove – 15 Septembre 2008 1Johan KAY - Soutenance PFE - Mars 2008 1
Florian PERARD
12/10/2009
AMELIORATION D’UN PROCEDE DEAMELIORATION D’UN PROCEDE DE
GRAVURE SECHE DES COMPOSES DE LAGRAVURE SECHE DES COMPOSES DE LA
FILIERE INP EN VUE DE LA REALISATIONFILIERE INP EN VUE DE LA REALISATION
DE LASERS ET PHOTO-DÉTECTEURS III-VDE LASERS ET PHOTO-DÉTECTEURS III-V
SUR SILICIUMSUR SILICIUM
Laboratoire des Technologies pour la NanophotoniqueLaboratoire des Technologies pour la Nanophotonique

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Plan de la présentation
1. Contexte et objectifs.
2. La gravure plasma.
3. Améliorations du procédé.
4. Réalisation de lasers rubans sur silicium.
5. Spectroscopie d’Emission Optique.
6. Conclusion and prospects.

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Substrat Si
SiO2
Contexte et objectifs
• La photonique sur Silicium Intégration « Tout Silicium »
Plateforme Silicium
Laser III-V driver
Fonctions électroniques
Fonctions optiques
Laser III-V ???
Technique du Flip-Chip
Technique du Collage Moléculaire
• Silicium mauvais émetteur => intégration hétérogène matériau
III-V.
• Des véhicules de test technologiques doivent être mis en place
• SOURCES D’EMISSION : lasers « rubans » = Diodes lasers
semiconductrices à base d’InP sur Silicium
PP
ii
NN
Structure Laser Epitaxiée à base d’InPStructure Laser Epitaxiée à base d’InP
Puits QuantiquesPuits Quantiques
d’InGaAsPd’InGaAsP
Vignette collée sur un substrat de SiliciumVignette collée sur un substrat de Silicium
Process

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CMOS
wafer
transistorstransistors
metal interconnectsmetal interconnects
InP microsource
Photonic
layer
InGaAs
photodetector
Optical network
Objectif photonique sur Silicium :
- Pouvoir augmenter débits.
- Réduire consommation dispositifs.
- Désengorger interconnexions métalliques.

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Objectifs du stage :
1. Amélioration du procédé de gravure sèche des
matériaux III-V développé l’année précédente.
2. Réalisation de lasers rubans pour valider l’étape
technologique.
3. Développement de la Spectroscopie Optique
d’Emission (SEO) comme complément à
l’interférométrie laser pour la détection de fin
d’attaque.

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7
L’équipement Unaxis NE 860 ILL’équipement Unaxis NE 860 IL
Moniteur de Contrôle
SAS de chargement
Système
d’Interférométrie
Laser
Chambre de Gravure
1. Contexte et Objectifs1. Contexte et Objectifs

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8Anne-Laure Bavencove – 15 Septembre 2008 8
Chambre de Gravure
1. Contexte et Objectifs1. Contexte et Objectifs
DÉVELOPPEMENT D’UN PROCÉDÉ DE GRAVURE DE L’INP EN PLASMA
CH4/H2Réalisation de Lasers Rubans Photonique sur Silicium
 Flancs de gravure verticaux et
lisses
 Peu de défauts morphologiques
et structuraux
 Procédé de Gravure Contrôlable :
système de détection de fin d’attaque
précis (Interférométrie Laser +
Spectroscopie Optique d’Emission)
 Procédé compatible 200mm
Etude de Base :
Substrat d’InP massif
(1cm2
)
Gravure des Structures Lasers
Epitaxiées collées sur Si
Réacteur deRéacteur de
Gravure RIEGravure RIE
« Reactive« Reactive
Ion Etching »Ion Etching »

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Liste des différents types de gravure sèche d’InP
 Gravure en plasma HBr (mode ICP):
 Profils à 45° 
 Trenching 
 Cl2/H2 (mode ICP):
 Profils verticaux obtenus démonstration faisabilité laser FP sur Si 
 Vitesse de gravure ~2µm/min arrêt gravure sur couche fine difficile 
 Qualité gravure très sensible à l’environnement 
 SiO2 autour de la vignette endommagée par le plasma 
 CH4/H2 (mode RIE):
 Profils verticaux 
 Vitesse de gravure ~ 100nm/min  permet graver à la fois couches
fines et épaisses 
 Qualité de la gravure insensible à l’environnement
 Polymérisation sur les surfaces inertes (SiO2,Si3N4,Si)
 Gravure uniquement de la vignette
J.M. Fedeli et al., GFP’06
T. Dupont et al.,
post dealine paper, IPRM’08
p-type contact
n-type contact III-V etched facet
5 μm
La gravure plasma

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Procédé de gravure standard.
20 % de méthane dans la décharge, 100 mTorr et 200W.
Clean O2 ICP 5 min à la fin de la gravure pour enlever le polymère
e = 2.6 µm
Couche
d’InGaAs
Avec ce procédé des lasers fonctionnels sur silicium ont été réalisés.
La gravure plasma
InP
Masque dur
Sous gravure
Présence de
polymère résiduel
Flancs de
gravure
courbés

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Améliorations du procédé
 Lors de la gravure en plasma CH4/H2 -> formation de polymère sur les
surfaces inertes à la gravure : masque dur, réacteur de gravure.
 Cette formation de polymère entraîne phénomènes de micro masquage.
 Gravure InP = compétition entre gravure et polymérisation.
 Or plasma oxygène efficace pour enlever le polymère
=> Gravure selon cycles procédé standard et clean O2

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8 cycles 15 cycles 30 cycles
Importance du nombre de cycles :
40 % de méthane dans la décharge
Mais aussi de la concentration en CH4
8 cycles mais seulement 20 % de méthane

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Influence des caractéristiques du clean.
Définition nouveau procédé standard:
2 min gravure procédé standard.
30 s clean O2 : 10 mTorr, 50 Watts
Procédé 40% méthane augmentation puissance clean augmentation pression

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Gravure des lasers rubans
Lot L995F
Couches épitaxiées:
Miroir de bragg : augmente réflectivité de 30% à 99 %!

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Procédé standard
Présence de micro masquage important, ainsi qu’une sous gravure importante qui conduit à
l’effondrement des petits motifs.

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Process cyclique
Plus de polymère, et tous les motifs sont parfaitement définis.

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Comparaison gravure lasers rubans
Process Standard Process Cyclique
•Sous gravure importante
•Présence de polymère résiduel
•Vg = 85 nm/min
•Temps total process : ~ 1h
•Miroirs de Bragg et réseaux mal gravés
•Rugosité fond de gravure
•Rms = 3.16 nm
•Sous gravure nulle
•Plus de polymère
•Vg = 71.6 nm/min
•Temps total process : > 1h 15 min
•Miroirs de Bragg et réseaux bien
gravés
•Rugosité fond de gravure
•Rms = 4.39 nm

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Application du procédé cyclique au lot N142D
Procédé standard Procédé cyclique

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Réalisation de lasers rubans sur silicium

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 Couche active AlGaInAs – 1.3µm
 Process vignette unitaire :
 Gravure cyclique CH4/H2 & O2.
 metallisation + lift-off
0 100 200 300 400
0
1
2
3
4
5
pulsed 1% 50ns, 20°C
400µm long
Collectedpower(mW)
Current (mA)
1200 1250 1300 1350 1400
Intensity(a.u.)
wavelength (nm)
Avec miroirs
Sans miroirs
 tests en régime pulsé:
 L = 400µm, 200µm (longueur des
lasers)
 λ = 1.3µm
 P > 4 mW
Lasers rubans avec miroirs de bragg.

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 Acquisition nouveau spectromètre avec une plus grande plage de
détection : 180 nm à 1100 nm ( 340 nm à 1020 nm avant).
 Lors de la gravure, les espèces dans le plasma vont émettre des
raies caractéristiques de la couche en train d’être gravée. Le but est
d’arriver à les détecter.
 Grâce au nouveau spectromètre il est possible de détecter 4 raies
pour l’indium :
Spectroscopie d’Emission Optique

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 Le problème est que pour arriver à détecter une espèce il faut qu’elle
soit en quantité importante: il faut graver des wafers de 2 pouces
d’Indium pour détecter facilement les pics.
 Objectif expériences : arriver à un suivi en temps réel des couches
gravées comme cela a été fait dans publication (S. Thomas 1995).

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Conclusion and prospects
 Improvement of laser performance thanks to the
new etching process.
 Processing of epitaxial layers with high gain
materials will confirm the recent results.
 Further characterizations needed concerning the
OES to achieve a full in-situ monitoring.
 Presentation of some results of my internship at
GFP 09 at San Francisco.

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THANK YOU FOR YOUR ATTENTION !

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La gravure plasma
La Gravure de l’InP en plasma CH4/H2 mode RIE
RF
− − − −
+ + + + + + + +
− − − − − − − − −
−
B- La composante physique
InP
C2H5
+
Molécules Hydrocarbonées
CnHm :
fort poids moléculaires
+
insaturées
InP
C- Le mécanisme de polymérisation
In(CH3)3
Atomes H
InP
CH4/H2
Radicaux CH3
PH3
A- La composante chimique

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Courbe comparative des contacts sur un laser de 1 mm entre les deux types de procédé.

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Evolution de l'intensité de la raie de l'indium au cours de la gravure (gauche) et
évolution de la vitesse de gravure en fonction du temps de gravure (droite).

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G
 CH4/H2 (200W, 100mtorr, 40sccm, 20% CH4) + O2
 Thin (400nm) InP microdisks. Steep profiles. No underetching
 Thick (3.5µm) structures. High aspect ratios obtained.
2- Dry etching of InP epilayers bonded on Si
AFM 2x2µm2
Roughness = 4nm rms1µm

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Group Four Photonics Conference, FA1 September, 11th
,
2009
4 - FP lasers on silicon
 AlGaInAs active layer – 1.3µm
 individual die processed
 CH4/H2/O2 dry etching
 metallization + lift off process
 pulsed operation:
 L = 1mm
 λ = 1.3µm
 P >20 mW
 max T = 40°C
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
5
10
15
20
25
15°C
20°C
25°C
30°C
35°C
40°C
Power(mW)
Current (mA)
1mm-long stripe, pulsed current, 50ns, 1%

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2007
Group Four Photonics Conference, FA1 September, 11th
,
2009
4 - DBR lasers on silicon
 AlGaInAs active layer – 1.3µm
 individual die processed
 CH4/H2/O2 dry etching
 metallization + lift-off
0 100 200 300 400
0
1
2
3
4
5
pulsed 1% 50ns, 20°C
400µm long
Collectedpower(mW)
Current (mA)
1200 1250 1300 1350 1400
Intensity(a.u.)
wavelength (nm)
With DBR
Without DBR
 pulsed operation at RT:
 L = 400µm, 200µm
 λ = 1.3µm
 P > 4 mW

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Collage vignettes sur plaque 200 mm

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Allure simulation interférométrie laser

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Allure interférométrie laser procédé cyclique

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