Structuration de surface du silicium par un procédé de gravure par contact utilisant des électrodes métalliques – PATTERN

La gravure du silicium est une étape clé dans la réalisation des dispositifs en opto et microélectronique. La formation de macrostructures comme des tranchées, des macropores ou des piliers est essentielle pour le développement de familles de composants dans de nombreux domaines de recherches et applications commerciales.

La gravure du silicium est réalisée chimiquement soit en solution soit par plasma, avec en général une ou plusieurs étapes de lithographie. Cependant, on est souvent limité dans la conception de structures parfaitement adaptées aux dispositifs car toutes les formes ne peuvent être obtenues du fait de l’influence de la cristallographie ou des limitations dans les rapports de forme. De plus, dans certaines industries (e. g. photovoltaïque), la lithographie est incompatible avec les coûts et contraintes techniques des lignes de production, limitant ainsi les structurations de surface réalisables et donc leur efficacité. Récemment, une nouvelle manière de dissoudre le silicium a vu le jour. Elle est basée sur la mise en contact à l’échelle nanométrique du silicium avec un métal noble en présence de HF et d’un agent oxydant (e. g. H2O2). Le métal joue le rôle de catalyseur permettant une dissolution localisée avec une résolution de quelques nm seulement. Récemment, un groupe japonais a démontré qu'il est aussi possible avec cette méthode d'utiliser des électrodes de taille micrométrique en Pt.

Le projet PATTERN a pour objectif de mettre au point un nouveau procédé de gravure basé sur ce principe, permettant une « nano-impression » par contact direct d'une électrode métallique sur le silicium en une seule étape d’(électro)chimie. Le but visé est de pouvoir répliquer une large variétés de forme, pores, tranchées à facteur de forme élevé, pyramides inversées, micro-piliers, à la fois avec une grande précision (~10 nm) et à grande échelle (> cm2). Le verrou principal réside dans la nécessité d’avoir une interface nanostructurée assurant un triple contact Silicium/Électrolyte/Métal indispensable à la gravure. L’aspect novateur consiste à élaborer et utiliser des électrodes volumiques poreuses de métaux nanostructurés assurant ce triple contact quelles que soit les dimensions envisagées et par ailleurs utilisables un grand nombre fois dans de futurs procédés industriels. Une première application du procédé sera testée dans le domaine des cellules solaires au silicium.

PATTERN s'articule en 3 tâches selon une approche multidisciplinaire alliant microélectronique, optique, métallurgie des poudres, électrochimie des semiconducteurs, modélisation électroniques des interfaces :

T1- Élaboration d’électrodes poreuses nanostructurées à relief déterminé (IEMN). Production de moules avec des motifs périodiques basiques ou complexes; Élaboration d'empreintes métalliques nanoporeuses par frittage de poudre.

T2- Gravure par contact du silicium (ICMPE). Étude de la gravure et de la qualité du transfert de forme de l'électrode au substrat de silicium, selon différents métaux et agents oxydants ; Optimisation des conditions chimiques et opératoires.

T3- Modélisation électronique 2D de l’interface Silicium/Électrolyte/Métal (LGEP). Localisation des courants anodiques autour de plots métalliques de ~ 10x10 nm2 ; Étude en fonction des travaux de sortie des métaux, de la polarisation, de l’espacement des plots.

Pour mener à bien le projet, 3 équipes de recherche spécialisées en microélectronique (IEMN), gravure (électro)chimique du silicium (ICMPE), et modélisation des propriétés électroniques des semiconducteurs (LGEP) se sont réunis. Ils ont une expertise reconnue dans les applications concernant l'optoélectronique et le photovoltaïque avec la prise de nombreux brevets internationaux.