Offre de thèse DGA : Analyse des défauts introduits par les procédés de gravure profonde utilisés en nanotechnologie pour les applications photoniques

Cette offre de thèse concerne un travail réalisé en co-tutelle entre l’Institut de Physique de Rennes et la McMaster University au Canada.

Les candidats devront se manifester auprès de Jean-Pierre Landesman AVANT LE 10 MAI

Proposition de thèse

1. Sujet de la thèse :

Analyse des défauts introduits par les procédés de gravure profonde utilisés en nanotechnologie pour les applications photoniques

2. Objet de la thèse

De nombreux dispositifs photoniques reposent, pour leur réalisation, sur l’utilisation de procédés modernes de gravure plasma (procédés « ICP »): guides d’ondes, lasers semiconducteurs, systèmes à base de cristaux photoniques (ex. échantillonneurs optiques), et toutes les matrices de photo-diodes pour la détection IR à pixels gravés, pour ne citer que quelques exemples. Peu de choses sont connues sur les effets indésirables (« défauts ») que ces procédés de gravure très énergétiques et très rapides peuvent introduire dans les matériaux gravés. Nous proposons de mettre au point une méthodologie originale de quantification des défauts introduits par la gravure ICP, et de regarder sa validation sur un véhicule de test qui sera un composant défini en partenariat avec un industriel leader dans la R et D sur ces technologies (III-V Labs).

3. Descriptif de la thèse

La gravure sèche (ou gravure plasma) est une brique technologique incontournable aujourd’hui dans le monde des nanotechnologies, en particulier dans le domaine des composants photoniques tels que guides d’onde, matrices de photo-diodes, … Mais pour les composants du futur, comme par exemple les échantillonneurs de signaux optiques basés sur des membranes à cristaux photoniques, la maîtrise de cette brique technologique imposera de connaître encore mieux les effets d’un tel procédé sur les performances du matériau gravé.
Ce procédé de gravure est utilisé dans les centrales technologiques pour un grand nombre de matériaux. Dans cette thèse, nous mettrons l’accent sur les effets induits dans les matériaux semi-conducteurs III-V (GaAs, InP, GaP, InSb, … et leurs composés dérivés ternaires ou quaternaires), et sur des applications dans le domaine de la photonique comme les guides d’onde, les sources laser, les matrices de photo-diodes à pixels gravés pour la détection SWIR ou MWIR, et les dispositifs à base de cristaux photoniques comme les échantillonneurs de signaux optiques. Pour tous ces composants, il est établi que les défauts potentiels introduits par le procédé de gravure plasma sont susceptibles d’affecter les performances du composant final (voir références). Néanmoins, peu d’équipes de recherche se sont intéressées à quantifier ces effets. Une des raisons à cela est que les procédés de gravure sont développés par des technologues, alors que la conception et le test des composants sont faits par des physiciens, des ingénieurs, … qui considèrent comme maîtrisées les étapes technologiques. Et pourtant, la gravure plasma fait partie des quelques technologies « clé » (avec la croissance épitaxiale des structures par exemple) dont la maîtrise conditionne en partie le succès de nouvelles filières de composants dans les domaines évoqués ci-dessus.
Tenant compte du constat, nous avons travaillé depuis quelques années à la mise au point d’une méthodologie qui permet d’avancer dans la compréhension des dégradations induites dans le matériau gravé, avec une sensibilité et une échelle spatiale compatibles avec les impératifs des composants qui sont visés. Dans cette méthodologie, nous travaillons d’une part sur le matériau à graver : des structures épitaxiales très spécifiques sont conçues et réalisées de façon à fournir la signature spectroscopique (en luminescence) des défauts induits par la gravure, et ceci avec une échelle de profondeur dans le matériau très sensible, et d’autre part sur l’utilisation de techniques spectroscopiques à très forte résolution spatiale pour localiser les points d’analyse : principalement l’imagerie spectroscopique en cathodo-luminescence. Les performances de cette méthodologie ont été rapportées dans
plusieurs publications (voir liste). Pour assurer les meilleures conditions de cette recherche, les matériaux ont été jusqu’à présent élaborés au sein de III-V Labs (où est parfaitement maîtrisée la croissance épitaxiale des structures assez spécifiques que nous utilisons), de même que les étapes de gravure plasma (de façon à avoir accès aux conditions de gravure réellement utilisées dans les réalisations de composants qui nous intéressent).
Pour ce qui est de la thèse proposée, toutes les compétences disponibles sur le site de Rennes seront impliquées: celles de la caractérisation physique à l’Institut de Physique de Rennes (UMR 6251), celles de l’élaboration et de la caractérisation des structures épitaxiales à FOTON (UMR 6082), les moyens technologiques de la centrale de proximité Nano-Rennes, et enfin les outils spécifiques disponibles sur les plate-formes mutualisées de Rennes. De plus, la thèse sera effectuée dans le cadre d’une co-tutelle avec McMaster University (Hamilton, Ontario Canada), le professeur Daniel T. Cassidy (Engineering
Physics Department) sera l’encadrant local. Le travail à McMaster U. (à priori concentré sur les 18 derniers mois de la thèse) sera consacré à des caractérisations complémentaires et à des réalisations de composants pour lesquels nous voulons corréler l’existence des défauts introduits par la gravure (1ère étape de la thèse) avec les performances atteintes.
Bien entendu, nous continuerons à nous appuyer également sur une interaction très forte avec les collègues de III-V Labs et de Thales Research and Technology avec qui notamment seront définis un petit nombre de « véhicules de test » (il n’est en effet pas question dans le cadre d’une thèse d’adresser tous les composants listés ci-dessus pour lesquels la gravure plasma peut affecter les performances !). Ces véhicules de test serviront à valider globalement l’approche méthodologique proposée.
«Accumulated sidewall damage in dry etched photonic crystals»
A. Berrier, Y. Shi, J. Siegert, S. Marcinkevicius, S. He and S. Anand
J. Vac. Sci. Technol. B 27, 2009, pp. 1969-1975
«Composition profiles in InP/InAsP quantum well structures under the effect of reactives
gases during dry etching processes – luminescence and SIMS»
J.P. Landesman, J. Jiménez, V. Hortelano, Y. Léger, H. Folliot, T. Delhaye, A. Torres and
A. Rhallabi
Proceedings 26th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials
(IPRM) Montpellier, France, May 11-15, 2014, IEEE
«Cathodoluminescence Study of InP Photonic Structures Fabricated by Dry Etching»
R. Chanson, A. Martin, M. Avella, J. Jiménez, F. Pommereau, J.P. Landesman, and A.
Rhallabi
Journal of Electronic Materials, Vol. 39, No. 6, 2010, pp.688 – 6

4. Programme de la thèse

Il s’agit dans le cadre de cette thèse de -continuer à développer une approche originale de la caractérisation et de la compréhension des défauts introduits par la gravure -exploiter ces travaux « méthodologiques » pour proposer des modèles physiques de ce qui se passe dans le matériau soumis aux flux d’espèces actives dans les plasmas de gravure, y compris en complétant la partie expérimentale par des travaux de modélisation -valider l’ensemble de cette première phase de travaux de recherche en réalisant un composant démonstrateur dit « véhicule de test ». Les caractéristiques de fonctionnement
de ce composant devront permettre de vérifier les hypothèses et modèles que nous aurons avancés.
Les travaux proposés s’appuieront sur un effort mené depuis plusieurs années (voir références ci-dessous) dans les équipes rennaises impliquées dans cette thèse. Au-delà de ce périmètre, d’autres équipes françaises mènent des travaux sur la gravure plasma des matériaux semiconducteurs  (principalement équipes membres du réseau RENATECH de centrales technologiques) et il est prévu également durant cette thèse d’interagir avec ces
équipes sur une thématique qui a toujours fait l’objet de nombreuses discussions dans la communauté.
Le point de départ de la thèse est donc clairement établi, l’objectif que nous nous fixons est de structurer maintenant les recherches pour à l’issue de cette thèse être en mesure de proposer aux technologues et aux industriels des procédés de gravure profonde pour composants photoniques optimisées en termes de préservation des structures utilisées pour les matériaux. Il s’agit d’une recherche à l’interface entre la physique des matériaux semiconducteurs et la technologie, comportant également une partie de caractérisation (optique, opto-électronique ou électronique) de composants qui seront réalisés dans la dernière phase de la thèse, et qui a vocation à traiter une problématique générique à tous les composants photoniques utilisant cette technologie de gravure plasma.
Le travail de thèse débutera par une phase de définition des structures spécifiques à réaliser, structures qui comportent des séries de puits quantiques épitaxiés sur substrat InP (mais on peut envisager d’étendre l’étude à d’autres types de substrats). Les puits quantiques seront réalisés en matériaux ternaires ou quaternaires, de façon à ajuster finement leur gap d’énergie. Ces structures seront ensuite fabriquées par épitaxie (a priori épitaxie par jets moléculaires avec sources gaz), au sein de III-V Labs à Palaiseau et de FOTON à Rennes. Le travail d’épitaxie à proprement parler ne relève pas de la thèse, il s’agit d’un métier spécifique. Le doctorant travaillera à la définition des structures à épitaxier, suivra leur réalisation, et prendra ensuite en charge leur caractérisation par les moyens classiques (diffraction des rayons, X, photo-luminescence, mesures C(V), …).
Dans un second temps, seront définies les structures test à graver, ainsi que les conditions de procédé de gravure envisagées (nature des mélanges gazeux utilisés, puissances plasmas, …). A nouveau, 2 ressources seront mobilisées pour la réalisation des gravures :
celle de la plate-forme technologie nano-Rennes, et celle de la plate-forme technologie de III-V Labs (qui dispose déjà de procédés industriels stabilisés).
Enfin, dans la 3ième phase de cette partie de la thèse les structures gravées seront caractérisées par photo-luminescence à basse température (à FOTON), par cathodoluminescence résolue spectralement, à basse température, et par d’autres moyens comme par exemple le nano-SIMS à Rennes. Logiquement, ces travaux seront complétés par des actions de simulation dont les directions seront définies au cours de la thèse (on peut penser par exemple à des simulations de la structure électronique des matériaux exposés aux plasmas de gravure, comme à des simulations atomistiques des phénomènes de
diffusion sous un tel plasma).
La seconde partie de la thèse sera consacrée à des travaux de « validation » consistant à définir, en concertation avec nos collègues de III-V Labs et avec ceux de McMaster University, un composant photonique dont les performances seront très sensibles à la qualité des matériaux laissés par l’étape de gravure profonde. Ce composant, nécessairement relativement simple, sera notre « véhicule de test » et servira à montrer la pertinence des conclusions tirées de la 1ère partie de la thèse.
5. Références

«Composition profiles in InP/InAsP quantum well structures under the effect of reactives
gases during dry etching processes – luminescence and SIMS»
J.P. Landesman, J. Jiménez, V. Hortelano, Y. Léger, H. Folliot, T. Delhaye, A. Torres and
A. Rhallabi
Proceedings 26th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials
(IPRM) Montpellier, France, May 11-15, 2014, IEEE
«Cathodoluminescence Study of InP Photonic Structures Fabricated by Dry Etching»
R. Chanson, A. Martin, M. Avella, J. Jiménez, F. Pommereau, J.P. Landesman, and A.
Rhallabi
Journal of Electronic Materials, Vol. 39, No. 6, 2010, pp.688 – 693
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