Brevet FR2288160A1 — publié le 19760514

L'invention concerne un procédé de gravure ionique profonde utilisant successivement deux ions différents. I1 s'agit notamment du procédé dit de bombardement ionique, où, dans un appareil de type connu, appelé parfois " canon à ions", on extrait et on accélère les ions produits à partir d'un gaz introduit dans une source d'ions, et on reçoit le faisceau d ions ainsi obtenu sur une cible, portant l'échantillon à graver, placée dans une chambre à vide où règne une très faible pression gazeuse. Un des principaux problèmes posés par la gravure ionique réside dans le fait que tous les matériaux mis en présence du faisceau d'ions sont érodés, aussi bien le matériau à graver que le matériau âonstituant :le masque protégeant les zones qui ne doivent pas être attaquées.On connait une solution à ce problème dans le cas où le matériau constittuant le masque est oxydable alors que le matériau à graver ne l'est pas ; cela consiste à bombarder la cible avec les ions d'un gaz A (par exemple de l'argon) en présence d'un gaz B (par exemple de l'oxygène) remplissant la chambre de gravure avec une très faible pression partielle, le gaz B réagissant sur le matériau du masque pour former un composé dont la vitesse d'érosion est beaucoup plus petite que celle du matériau à graver. On observe deux sortes de limitations, lors de l'application de la solution précédente. La première est liée à la nature des matériaux constituant respectivement le masque et l'échantillon à graver. Ta deuxième provient de la formation d'un chanfrein sur le bord des contours du masque, ce qui oblige à arrêter le bombardement ionique lorsque les contours commencent à subir une érosion qui modifie leurs dimensions, pratiquement lorsque l'épaisseur du masque est réduite d'euviron un tiers. L'invention permet de s'affranchir partiellement- ces limitations et d'obtenir une profondeur de gravure plus importante pour un matériau donné et un masque donné. Le procédé selon l'invention utilise une source d'ions pouvant être alimentée successivement avec des gaz différents de manière à émettre des ions différents, par exemple de l'oxygène et de l'argon. Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les trois étapes suivantes a) dépôt, avant masquage, sur l'échantillon à graver, d'une couche constituée par du carbone ou par un composé du carbone, l'épaisseur de ladite couche étant supérieure à celle du masque b) bombardement, par des ions d'oxygène, de l'échantillon revetu de ladite couche et dudit masque c) bombardement de l'échantillon à graver, par des ions d'un corps autre que l'oxygène, par exemple l'argon, en utilisant comme masque, ladite couche telle qu'elle a été gravée au cours de l'étape (b) ci-dessus. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaitront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels - la figure 1 est une coupe d'une fraction de l'échantillon à graver revêtu de la couche déposée à l'étape (a) du procédé selon l'invention - la figure 2 est une coupe analogue réalisée après masquage de l'échantillon; - les figures 3 et 4 sont des coupes analogues réalisées au cours des étapes (b) et (c) du procédé selon l'invention - la figure 5 représente, en coupe, le stade final obtenu grâce au procédé selon l'invention. Le principe de l'invention est basé sur les observations ciaprès. Les matériaux oxydables, susceptibles de constituer des masques comme l'aluminium, le chrome, le titane, le vanadium, présentent des vitesses d'érosion de l'ordre de 150 à 250 angstroms par minute lorsqu'ils sont bombardés par des ions d'argon sous 1 kilovolt avec 2 une densité de 1 mA/cm . Lorsque l'on remplace les ions d'argon par des ions d'oxygène, les autres conditions étant inchangées, les vitesses d'érosion deviennent beaucoup plus faibles, de l'ordre de 20 à 50 angströms par minute. Les matériaux organiques à chaine carbonée et le carbone luimême, ont une vitesse d'érosion sensiblement équivalente à celle des autres matériaux lorsqu ils sont bombardés par des ions d'argon, en fait de l'ordre de 100 à 300 angströms par minute pour 1 kilovolt et 1 mA/cm2. Par contre leur vitesse d'érosion devient très élevée lorsqu'ils sont bombardés dans les mêmes conditions, par des ions d'oxygène, puisqu'elle passe à un ordre de grandeur de 1000 angströms par minute. On met à profit de la manière suivante les observations qui précèdent : - une couche de carbone, relativement épaisse étant déposée avant masquage sur 1' échantillon puis revêtue d'un masque très mince en métal oxydable, on effectue un premier bombardement par des ions d'oxygène, ce qui permet d'obtenir une vitesse d'érosion de 25 à 50 fois plus grande pour le carbone que pour le masque. En fin de compte on réalise ainsi un nouveau masque ayant une épaisseur beaucoup plus grande que celle du masque primitif. -On effectue alors un second bombardement à l'aide d'ions d'argon et on obtient une érosion du même ordre pour le carbone servant de masque et pour le matériau à graver. Figure 1, on a représenté, en coupe, une fraction d'échantillon 1 de matériau à graver, revêtu d'une couche 2 de carbone. Cette couche 2, d'une épaisseur de 5 à 10 microns, est réalisée par un des moyens connus, par exemple le dépôt de carbone par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique. la figure 2 représente le résultat d'un traitement de type connu en quatre étapes intermédiaires E1 à 4 se situant entre les étapes (a) et (b) du procédé, et visant à l'obtention des dép8ts métalliques 30, 31,etc... Etape Et : dépôt d'une couche de résine photosensible d' épais- seur neY sur la couche 2. Etapes E2 : obtention d'un masque de résine possédant des fenê- tres aux emplacements des dépôts 30, 31,-32, etc... le procédé employé, de type connu, comporte l'insolation à travers un masque de contour prédéterminé et un développement de type photographique. Etape E3 : dépit de métal dans les fenêtres du masque de résine obtenu à l'étape préeédente, par exemple par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique. Etape E4 : enlèvement de la résine restante au moyen d'un solvant épargnant la canche 2, laissant ainsi apparaitre des fenêtres 40, 41, 44 43 etc... Figure 3, on a représenté l'étape (b) de bombardement par des ions d'oxygène au moment où l'érosion de la couche 2 est totale dans les fenêtres du masque. il subsiste, si l'épaisseur "e1tétait suffisante, une épaisseur "e2" du masque métallique. Toutefois on est doublement limité dans cette voie par le fait que "e1" ne doit pas dépasser environ 5000 angströms pour que le masque obtenu par le procédé des étapes E1 à E4 soit suffisamment précis, d'une part, et, d'autre part, les portions de masque telles que 30, 31 etc... sont diminuées en surface au cours de l'usinage ionique avec la formation d'un chanfrein, ce qui compromet la bonne définition de la gravure. Pour éviter ce defaut on introduit de ltoxygène à une pression partielle de l'ordre de 10 à à 10 -5 Torr. En effet on a constaté par exemple les vitesses d'érosion suivantes, pour un bombardement sous 1 kilovolt de tension et une intensitéie 0,6mA/cm: - 20 angströms par minute avec le chromo - 800 angstroms par minute avec le carbone. Dans ces conditions, un masque de chrome de 5000 angströms permet d'obtenir un masque de carbone gravé à une dizaine de microns de profondeur avec une exellente précision (gravure 410, 420 etc....) Figure 4, on a représenté l'étape (c) du bombardement de l'échSn- tillon 1 par des ions d'argon. Les vitesses d'érosion constatées avec 1 kilovolt et 0,6mA/cm2 ont été les suivantes : - 80 angströms par minute pour le carbone - 250 angströms par minute pour la silice. Avec un masque de carbone gravé à une profondeur de cinq microns, on peut obtenir une gravure dans la silice d'une quinzaine de microns le résultat final est représenté figure 5. . L'emploi d'un gaz autre que l'argon et que l'oxygène au cours de l'étape (c) est possible à condition qu'il ne forme pas de combinaison chimique avec les matériaux en présence. L'emploi d'une substance organique autre que le carbone pour réaliser la couche 2 est possible à deux conditions 10 que la substance soit déposée en couche d'épaisseur uniforme sur plusieurs microns, ce qui suppose par exemple l'emploi d'un procédé du type "pulvérisation" 20 que la substance ainsi déposée, éventuellement polymérisée par un traitement thermique effectué "in situ", résiste à l'agent de développement et au solvant de la résine utilisée pour réaliser le masque de chrome. L'invention concerne également les dispositifs dont la fabrication utilise le procédé selon l'invention. an optique dite "intégrée", on sait notamment que lton doit obtenir dans un matériau transparent des guides d'ondes constitués par des canaux de largeur constante et d'épaisseur uniforme. Le matériau conduisant la lumière est par exemple une couche de silice déposée sur un substrat en verre. Dans la couche de silice on grave des sillons délimitant un réseau de guides d'ondes. la profondeur de ces sillons étant susceptible d'atteindre plusieurs longueurs d'ondes, on peut alors avoir recours au procédé de gravure ionique selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de gravure ionique profonde, du type utilisant une source capable d'ioniser des gaz différents, et des moyens de projection sur une cible des ions ainsi créés en faisceau parallèle et homogène, ladite cible supportant un échantillon à graver recouvert d'un masque en matériau oxydable, possédant des fenetres d'un dessin prédéterminé,ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins les trois étapes suivantes a) dép8t avant masquage, sur l'échantillon à graver, d'une couche constituée par du carbone ou par un composé du carbone, l'épaisseur de ladite couche étant supérieure à celle dudit masque b) bombardement, par des ions d'oxygène , de l'échantillon, revêtu de ladite couche et dudit masque c) bombardement de l'échantillon à graver, par des ions d'un corps autre que l'oxygène, en utilisant comme masque, ladite couche telle qu'elle a été gravée au cours de l'étape (b) ci-dessus. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes ci-après sont intercalées-entre les étapes (a) et (b) - dépôt, sur ladite couche, d'une couche de résine photosensible - obtention, par un procédé de type photographique, d'un masque constituant le négatif dudit masque - dépôt de métal dans les fenêtres dudit négatif ; - enlèvement de la résine restante pour obtenir ledit masque. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape (c) l'échantillon à graver est baigné dans de l'oxygène moléculaire à faible pression. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit masque est constitué par un métal oxydable. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit métal est l'aluminium, le chrome, le titane ou le vanadium. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps autre que l'oxygène est un gaz neutre. 7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps est l'argon. 8. Dispositif comportant un matériau gravé, caractérisé en ce qu'il est obtenu par un procédé suivant l'une des revendications 1 à 7. 9. Dispositif d'optique intégrée, caractérisé en ce qu'il comporte des sillons gravés par un procédé suivant l'une des revendications l à 7.