Brevet FR2700396A1 — publié le 19940713

"Procédé pour rendre planes des structures en forme de fossé". L'invention concerne un procédé pour rendre planes des structures en forme de fossé, en particu- lier sur un substrat de semi-conducteur, par remplis- sage des structures en forme de fossé. Il est connu, lors de l'établissement de composants optiques en polymère sur des substrats de semi-conducteurs ou autres composants contenant des guides d'onde optiques intégrés, de prévoir de préfé- rence des structures en forme de V, formant des fos- sés, qui permettent un couplage ultérieur en position exacte de fibres optiques insérées dans les structures en forme de V sur des guides d'ondes lumineuses prévus sur le composant optique Pour cela, les fossés de po- sitionnement en forme de V, connus en soi, sont gravés de façon anisotrope et, pour la réalisation d'un point optimal de couplage entre les fibres optiques et les guides d'ondes lumineuses, on remplit les fossés de positionnement en forme de V et on les ouvre ensuite à nouveau au moyen d'une technique d'enlèvement par la- ser d'une façon telle qu'il se forme une surface s'é- tendant perpendiculairement à la direction axiale des structures et formant une butée. En particulier, dans le cas des guides d'on- des lumineuses polymères, on a la possibilité de pro- céder à l'ablation commune par laser de la surface qui guide les ondes et de la structure de guidage en fi- bres. Pour avoir l'assurance d'un couplage optimal fibre- microplaquette, il est absolument nécessaire de rendre planes les microstructures créées en forme de fossé Comme les substrats de semi-conducteurs possè- dant des structures gravées doivent être garnis de la- ques photo-sensibles ou d'autres couches minces pour un traitement ultérieur lithographique, il n'est pos- sible en règle générale d'avoir un revêtement plan qu'au moyen d'un remplissage précédent affleurant à la surface du substrat, des structures en forme de fossé. C'est ainsi qu'il est connu, dans le cas de gravures se situant dans la zone allant jusqu'à envi- ron 10 pm, d'appliquer une couche répétée et une gra- vure en retrait d'un film de polyimide déposé sur la surface du substrat dans le plasma d'oxygène Dans ce cas, on réduit un peu, à chaque enduction renouvelée de polyimide, l'écart qui subsiste à partir du proces- sus précédent par rapport à la surface plane souhai- tée Selon la profondeur et la forme des structures, il est nécessaire d'avoir pour cela plusieurs cycles répétés entraînant un coût de procédé relativement élevé En outre, on a l'inconvénient que par exemple dans le cas des structures mentionnées de guidage d'ondes lumineuses, en forme de V, on rencontre des profondeurs de structures d'à peu près 100 pm qu'il n'est pas possible de rendre planes selon le procédé connu. On connaît en outre par le document EP- 0 178 500, un procédé dans lequel on dépose sur toute la tranche de silicium semi-conducteur un polymère photostructurable qui n'est réticulé que localement sur les structures à rendre planes, le polyimide non réticulé est alors éliminé de telle façon qu'il ne surplombe encore que les structures à rendre planes, et l'on peut ensuite les rendre planes à un coût ré- duit, par exemple par un revêtement suivi d'un décapa- ge par plasma Il y a toutefois l'inconvénient qu'avec ce procédé on doit avoir une illumination avec un pho- tomasque exactement adapté pour la réticulation dési- rée du polymère sur les structures à rendre planes En outre, le procédé ne convient pas pour rendre plans des substrats à grande surface, car il est nécessaire d'avoir un revêtement extrêmement régulier de polymère comme celui nécessaire pour le succès du processus de décapage par plasma attaquant de façon isotrope, du fait de la surface inégale du substrat En particu- lier, dans le cas de structures très profondes à ren- dre planes, par exemple de structures de guidage de fibres optiques en forme de V ayant des profondeurs d'environ 100 pm, on ne peut pas utiliser ce procédé en raison d'un considérable rétrécissement de polari- sation des matières déposées. Avantages de l'invention Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on verse un prépolymère de façon sé- lective dans les structures en forme de fossé, on fait durcir ce prépolymère puis ensuite on le fait gonfler. Le procédé selon l'invention a par rapport à l'état de la technique, l'avantage que d'une manière simple, il est possible de rendre suffisamment planes des struc- tures en forme de fossé même relativement profondes. Pour cela, on prévoit que dans les structu- res en forme de fossé disposées sur le substrat de se- mi-conducteur, on verse de façon sélective un prépoly- mère Ce prépolymère est durci et ensuite gonflé. D'autres configurations et développements avantageux du procédé pour rendre planes des structu- res en forme de fossé selon l'invention sont obtenus grâce au fait que: Pour le remplissage, on utilise un prépoly- mère non réticulé ou partiellement réticulé. Le prépolymère est durci par une exposition aux rayons ultra-violets sur toute la surface. Le prépolymère est durci par traitement thermique. Le prépolymère durci est gonflé chimique- ment avec une variation restante de structure. Le gonflement chimique a lieu par diffusion à l'intérieur d'un prépolymère non réticulé puis en- suite par réticulation. La réticulation a lieu au moyen d'une expo- sition aux rayons ultraviolets. Le gonflement chimique a lieu en faisant apport de matières inorganiques, de préférence des acides ou des lessives alcalines. Le gonflement chimique a lieu par diffusion à l'intérieur d'agents de dissolution organiques. La diffusion à l'intérieur a lieu sous pression. On polit le prépolymère gonflé. Le substrat de semi-conducteur est comprimé de façon flexible pendant le polissage. La totalité du substrat de semi-conducteur est rendue finement plane avec les structures en forme de fossé aplanies On réalise l'aplanissement fin au moyen d'un revêtement par projection ou par immersion avec un polyimide réticulé. Les structures en forme de fossé rendues planes sont garnies d'une couche de métallisation, avant l'aplanissement fin, et sont protégées de cette façon. L'aplanissement fin a lieu au moyen d'un revêtement de polyimide alterné une ou plusieurs fois avec un décapage par un plasma. Le remplissage du prépolymère dans les structures en forme de fossé a lieu au moyen d'au moins un réservoir de dosage disposé additionnellement sur le substrat du semi-conducteur et relié aux struc- tures en forme de fossé. On chauffe au préalable le prépolymère uti- lisé pour le remplissage ou l'on adapte par dilution ou polymérisation partielle ses propriétés de viscosi- té à la tension superficielle et à sa capacité de ré- ticulation. On verse d'une manière simple, dans les structures en forme de fossé, un prépolymère de préfé- rence non réticulé ou en partie réticulé, par exemple une colle époxy pouvant être durcie aux rayons UV, le remplissage ayant lieu dans une configuration très avantageuse de l'invention au moyen d'un réservoir de dosage prévu de façon séparée sur le substrat du semi- conducteur et relié aux structures en forme de fossé. Dans le cas des structures longues et étroites en for- me de fossé indiquées ici, la force capillaire de la colle polymère versée dans le réservoir de dosage suf- fit pour répartir régulièrement celle-ci dans les structures en forme de fossé jusqu'à la pointe anté- rieure. Dans une autre configuration de l'invention, on chauffe au préalable la colle polymère avant de la verser dans le réservoir de dosage, de telle sorte que sa viscosité s'adapte mieux aux conditions données en ce qui concerne la réticulation et la tension superfi- cielle. Dans une autre configuration avantageuse de l'invention, on prévoit que la colle polymère versée dans les structures en forme de fossé, selon le type de la matière polymère utilisée, soit polymérisée par exposition aux rayons UV ou par chauffage, et durcie de cette façon Comme il se produit obligatoirement, avec la polymérisation, un processus de retrait de la colle polymère qui a été versée, on compense ou on surcompense dans une autre configuration de l'inven- tion la dépression subsistante qui en résulte et qui constitue un défaut des structures à rendre planes par une source chimique de polymère. Dans ce cas, on obtient d'une manière très simple une modification de structure subsistante (iné- lastique) limitée aux structures en forme de fossé du polymère versé, de telle sorte qu'on réalise un ac- croissement du volume subsistant ayant une existence durable lors de l'usinage ultérieur, par exemple lors de l'ablation au laser. Dans une autre configuration avantageuse de l'invention, on aplanit alors le polymère qui a gonflé et fait saillie dans le cas d'une surcompensation de la cavité résiduelle constituant un manque par un po- lissage, en utilisant par exemple des grains de dia- mant enrobés, de façon à avoir à la surface du sub- strat du semi-conducteur un plan résultant qui affleu- re avec une rugosité résiduelle dépendant de l'agent de polissage utilisé S'il est nécessaire, pour des cas d'application particuliers, d'avoir une surface de substrat encore plus lisse, on peut obtenir d'une ma- nière simple un aplanissement fin au moyen d'un revê- tement, par projection ou par immersion de type connu sur toute la surface, par exemple avec un polyimide préréticulé. L'invention utilise pour l'aplanissement des structures en forme de fossé, faisant partie de la chaîne d'un procédé, des matières polymères exclusive- ment organiques pour pouvoir ouvrir celles-ci plus tard facilement de nouveau par une technique d'abla- tion par laser du type déjà mentionné De cette façon, on obtient une simplification essentielle du procédé lors de la structuration de structures de guidage des fibres qui peuvent être établies sur une microplaquet- te commune en même temps que des guides d'ondes lumi- neuses En outre, on débouche sur la possibilité de fabriquer de façon simplifiée des microstructures en trois dimensions en combinant des séquences de gravure de semi-conducteurs, un aplanissement au moyen de ma- tières polymères organiques des procédés de photoli- thographie, et une structuration au laser, comme elles sont nécessaire pour des déformations galvaniques des microstructures et les techniques connexes de déforma- tion des matières plastiques. Le procédé selon l'invention convient en ou- tre à un aplanissement simple de structures différen- tes sur des substrats de semi-conducteurs ou autres dans la mesure o, dans les déroulements suivants du procédé, on respecte les températures de désintégra- tion et la stabilité chimique des matières polymères utilisées pour réaliser l'aplanissement Dans ce cas, on peut augmenter nettement la stabilité chimique vis- à-vis des revêtements suivants par de minces couches métalliques intermédiaires Ces couches métalliques ayant une épaisseur " lpm ne gênent que d'une façon insignifiante d'éventuels procédés d'ablation par la- ser. Dessins On va expliquer l'invention ci-après plus en détail par un exemple de réalisation à partir des des- sins correspondants. La figure 1 est une vue de dessus de struc- tures de guidage par fibres dans une tranche de sili- cium de substrat pour un composant polymère. La figure 2 montre une section transversale d'une structure en forme de fossé à partir de la figu- re 1. La figure 3 montre la section transversale selon une autre séquence du procédé. La figure 4 montre la section transversale selon encore une autre séquence du procédé et, La figure 5 montre la section transversale selon une autre séquence du procédé. Description de l'exemple de réalisation La figure 1 montre en vue de dessus un sub- strat de semi-conducteur 10; le substrat de semi- conducteur 10 possède dans une zone 12 des structures 14 en forme de fossé à rendre planes Dans cet exem- ple, il s'agit de structures de guidage de fibres en forme de V gravées de façon anisotrope pour position- ner ultérieurement de façon précise des fibres opti- ques à mettre en place La structure en forme de V des structures en forme de fossé 14 est indiquée par la ligne en tirets 16 qui constitue de cette façon le point le plus profond des structures en forme de fossé 14 A l'une des extrémités 18, les structures 14 en forme de fossé débouchent dans ce qu'on appelle un ré- servoir de dosage 20 constitué comme un bac Le réser- voir de dosage 20 et les structures en forme de fossé 14 sont gravés en même temps en apposant un masque ap- proprié, étant entendu qu'il n'y a pas lieu ici d'en- trer davantage dans les détails du procédé de gravure connu en soi. Le réservoir de dosage 20 est placé dans ce cas dans une zone de substrat de semi-conducteur 10 qui se trouve en dehors de la zone 12 nécessaire pour les composants conducteurs 10 de semi-conducteur Dans le réservoir de dosage 20, on verse alors au moyen d'un dispositif approprié, par exemple d'une pipette fine, d'une micro-buse ou d'un robot doseur, un prépo- lymère non réticulé ou partiellement réticulé, comme par exemple une colle époxy que l'on peut faire durcir aux rayons ultraviolets En versant une quantité pré- déterminable nécessaire correspondante de la colle po- lymère, celle-ci est répartie par les forces capillai- res qui se produisent dans les structures 14 en forme de fossé, jusqu'au bout de la zone 12 Dans le cas du choix approprié de la matière de la colle époxy en ce qui concerne sa mouillabilité, sa tension superficiel- le et sa viscosité, la répartition régulière de la colle époxy peut être optimisée dans les structures en forme de fossé 14 En particulier, par un préchauffage approprié à une température de fonctionnement, la vis- cosité de la colle polymère peut être adaptée aux don- nées. Par les tensions superficielles qui se pro- duisent sur la colle polymère à partir des bords des structures en forme de fossé 14 en direction de la li- gne 16, on arrive à obtenir régulièrement une concavi- té résiduelle s'écartant d'une surface plane. Sur la figure 2, on a montré une section transversale d'une structure en forme de fossé 14 à l'endroit désigné par la référence 22 sur la figure 1. On reconnaît nettement la rainure de la structure en forme de fossé 14 qui a la forme d'un V et est gravée dans le substrat du semi-conducteur 10 Dans la struc- ture en forme de fossé 14, se trouve la colle polymère 24 versée au moyen du réservoir de dosage 20 Cette colle produit, du fait de la tension superficielle déjà évoquée de la surface 26 du substrat de semi- conducteur 10 en direction de l'endroit le plus pro- fond 16 de la structure en forme de fossé 14, une sur- face courbe telle qu'il s'établit une profondeur rési- duelle R La colle polymère 24 versée dans les struc- tures en forme de fossé 14 est durcie au cours d'une autre séquence de travail, c'est-à-dire polymérisée. En fonction de la matière de la colle polymère 24, celle-ci est soumise à un rayonnement ultra-violet sur toute la surface, ou l'on effectue un chauffage à une température déterminée de polymérisation. Du fait du processus de polymérisation, il se produit inévitablement un processus de contraction à l'intérieur de la colle polymère 24, en conséquence la profondeur résiduelle R augmente davantage et la colle polymère durcie 24 n'arrive seulement dans les structures en forme de fossé qui ont été remplies 14 qu'à quelques pn de la surface 26, de telle sorte que l'on n'a pas encore pour l'ensemble du substrat de se- mi-conducteur 10, la surface plane 26 nécessaire dési- rée ou destinée à l'usinage suivant. Comme la figure 3 le montre, on fait alors gonfler chimiquement dans une séquence suivante du procédé, la colle polymère 24 durcie et rétrécie dans les structures 14 en forme de fossé De cette façon, la profondeur résiduelle R est au moins compensée ou, comme représenté, surcompensée de sorte que l'on ob- tient une surépaisseur S dans la zone des structures en forme de fossé 14 Avec la source de la colle poly- mère 24, on atteint en tout cas un accroissement de volume tel que les structures en forme de fossé 14 soient remplies de façon sûre jusqu'à la surface 26 avec la colle polymère 24. Le gonflement chimique de la colle polymère 24 peut être obtenu de différentes manières respecti- vement en fonction du choix de sa matière C'est ain- si qu'on peut avoir recours à une diffusion à l'inté- rieur du prépolymère non réticulé, par exemple de MMA il dans une colle acrylique ou une colle époxy, qui est ensuite réticulée par un rayonnement ultraviolet En outre, il est possible d'avoir une modification de la structure de la colle polymère 24 provoquant une aug- mentation de volume restante, par l'attaque d'une ma- tière inorganique, comme par exemple des acides ou des lessives alcalines, dans la zone d'ouverture des structures en forme de fossé 14 Egalement, il est possible d'avoir un gonflement chimique de la colle polymère 24 par diffusion interne d'agents organiques de dissolution qui peuvent provoquer une augmentation restante de volume par des changements de la micro- structure de la colle polymère 24 C'est ainsi qu'on peut atteindre un changement inélastique de structure de la colle polymère 24 par action d'agents de disso- lution organiques à bas point d'ébullition, sous pres- sion dans un autoclave Au total, on arrive à ce que la colle polymère 24 soit gonflée vers le haut jusqu'au-dessus de la surface 26 du substrat de semi- conducteur 10. Dans une autre séquence du procédé, comme on le montre à la figure 4, le surplomb S qui résulte du gonflement chimique de la colle polymère 24 est enlevé au cours d'une simple phase de polissage Le polissage peut avoir lieu dans ce cas par exemple avec de la poussière de diamant enrobée Au total la colle poly- mère 24 est aplanie dans la zone des structures en forme de fossé 14, de telle sorte qu'il subsiste des rugosités résiduelles 28 Du fait des propriétés dif- férentes entre le substrat du semi-conducteur 10 et la colle polymère 24, il y a une anisotropie élevée qui se produit lors de la phase de polissage, c'est-à-dire que le taux d'abrasion à choisir est fonction de la direction S'il se produit, pendant la phase de polis- sage, une compression flexible du substrat de semi- conducteur 10 sur son verso, on obtient un résultat d'aplanissement venant à fleur de la surface de la tranche de silicium indépendamment des variations d'é- paisseur inévitables du substrat de semi-conducteur 10 La rugosité résiduelle 28 se situe dans ce cas, en fonction de l'agent de polissage utilisé, dans la zone inférieure au micron et ainsi négligeable pour des cas normaux d'application. S'il n'est pas possible ou s'il n'est pas souhaitable du point de vue technique d'avoir une sim- ple phase de polissage, on peut éliminer la dépression résiduelle R au moyen d'un procédé en une ou plusieurs étapes se composant d'un décapage par plasma et d'un revêtement de polyimide. Si, pour des cas d'application déterminés, il est nécessaire d'avoir une surface de substrat 26 qui soit exempte des rugosités 28, on peut opérer ce qu'on appelle un aplanissement fin au moyen d'une en- duction sur toute la surface par projection ou par im- mersion Pour cela, on dépose par exemple un polyimide préréticulé en une couche 30 sur la surface 26 du sub- strat de semi-conducteur 10, de sorte que cette couche sur toute la surface compense en même temps les ru- * gosités résiduelles 28, et qu'il se forme une surface de substrat absolument plane Si la colle polymère 24, selon celle qui est utilisée, se révèle être insuffi- samment résistante vis-à-vis de la couche 30 du polyi- mide préréticulé, on peut alors déposer, avant de dé- poser la couche 30 sur la surface 26 et en particulier sur les rugosités 28 de la colle polymère 24, une min- ce couche de métallisation, de sorte qu'après le dépôt de la couche 30, cette couche de métallisation ne pos- sède pas de contact direct avec la colle polymère 24. La couche intermédiaire qui n'a pas été représentée sur les figures est constituée dans ce cas de façon telle qu'un traitement suivant du substrat de semi- conducteur 10 rendu plan, en particulier dans le cas d'une étape suivante d'ablation par laser pour produi- re des butées exactement définies pour les fibres op- tiques à allonger dans les structures en forme de fos- sé 14, ne soit pas affecté négativement. R E V E N D I C A T I O N S 1) Procédé pour rendre planes des structures en forme de fossé, en particulier sur un substrat de semi-conducteur, par remplissage des structures en forme de fossé, procédé caractérisé en ce que l'on verse un prépolymère ( 24) de façon sélective dans les structures en forme de fossé ( 14), on fait durcir ce prépolymère puis ensuite on le fait gonfler. 2) Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que, pour le remplissage, on utilise un prépolymère non réticulé ou partiellement réticulé ( 24). 3) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le prépolymère ( 24) est durci par une exposition aux rayons ultra-violets sur toute la surface. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le prépolymère ( 24) est durci par traitement thermique. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le prépolymère dur- ci ( 24) est gonflé chimiquement avec une variation restante de structure. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gonflement chi- mique a lieu par diffusion à l'intérieur d'un prépoly- mère non réticulé puis ensuite par réticulation. 7) Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que la réticulation a lieu au moyen d'une exposition aux rayons ultraviolets. 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gonflement chi- mique a lieu en faisant apport de matières inorgani- ques, de préférence des acides ou des lessives alcali- nes. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gonflement chi- mique a lieu par diffusion à l'intérieur d'agents de dissolution organiques. 10) Procédé selon la revendication 9, carac- térisé en ce que la diffusion à l'intérieur a lieu sous pression; 11) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on polit le pré- polymère gonflé ( 24). 12) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat de se- mi-conducteur ( 10) est comprimé de façon flexible pen- dant le polissage. 13) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la totalité du sub- strat de semi-conducteur ( 10) est rendue finement pla- ne avec les structures en forme de fossé aplanies ( 14) 14) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise l'a- planissement fin au moyen d'un revêtement par projec- tion ou par immersion avec un polyimide réticulé ( 30). ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les structures en forme de fossé ( 14) rendues planes sont garnies d'une couche de métallisation avant l'aplanissement fin et sont protégées de cette façon. 16) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aplanissement fin a lieu au moyen d'un revêtement de polyimide alterné une ou plusieurs fois avec un décapage par un plasma. 17) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le remplissage du prépolymère ( 24) dans les structures en forme de fossé ( 14) a lieu au moyen d'au moins un réservoir de dosage ( 20) disposé additionnellement sur le substrat du se- mi-conducteur ( 10) et relié aux structures en forme de fossé ( 14). 18) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on chauffe au préalable le prépolymère utilisé pour le remplissage ( 24), ou l'on adapte par dilution ou polymérisation partielle ses propriétés de viscosité à la tension su- perficielle et à sa capacité de réticulation.