Technologie améliorée d'amincissement du substrat en nitrure de gallium
Le passage à un plasma à base d'hydrogène permet une gravure à haute vitesse des substrats de GaN. Des ingénieurs de l'Université d'Osaka, au Japon, affirment avoir réalisé une avancée majeure dans l'amincissement des substrats de nitrure de gallium (GaN) grâce à ce plasma. La technique mise au point par l'équipe, avec des vitesses de gravure atteignant 4 µm/min, offre une solution viable pour l'amincissement des substrats destinés aux dispositifs de puissance verticaux. Cette avancée est essentielle pour réduire la résistance à l'état passant de ces dispositifs et leur permettre de rivaliser avec les solutions performantes pour les véhicules électriques.
L'équipe de l'Université d'Osaka a mis au point une alternative prometteuse aux procédés d'usinage existants, tels que la rectification et le polissage, actuellement utilisés pour l'amincissement des substrats. Ces méthodes mécaniques sont efficaces pour l'amincissement des dispositifs de puissance en silicium, mais moins performantes pour l'amincissement de matériaux comme le carbure de silicium et le nitrure de gallium, en raison de problèmes tels que la fissuration, la formation de bavures et le gauchissement.
Pour amincir le substrat de GaN, des ingénieurs de l'Université d'Osaka ont utilisé une méthode appelée traitement par gazéification chimique au plasma (PCVM), qu'ils utilisent et perfectionnent depuis plus de 25 ans. « Au départ, nous travaillions sur des plaquettes de silicium pour le rayonnement synchrotron, des plaquettes SOI et des miroirs à rayons X en silicium », explique Yasuhisa Sano, porte-parole de l'équipe. Ils ont commencé à traiter des substrats de SiC il y a une quinzaine d'années, puis des substrats de GaN et de Ga₂O₃ ces dernières années. Une caractéristique notable du PCVM est l'utilisation de pressions de plasma de l'ordre de quelques dixièmes d'atmosphère, ce qui garantit un parcours moyen court des molécules de gaz et une faible énergie des ions. Par conséquent, le réactif n'est pas un ion, mais un radical libre neutre, qui ne détruit pas l'arrangement atomique de la surface usinée et ne déforme pas le substrat.
En 2021, Sano et ses collègues ont rapporté l'utilisation de SF6 pour amincir un substrat de SiC de 2 pouces par PCVM à une vitesse de 15 µm/min. Malheureusement, cette méthode ne peut être directement appliquée au GaN, car le SF6 ne garantit pas l'effet de gravure. Les gaz chlorés ne sont pas non plus des candidats évidents, car ils sont corrosifs et risquent d'endommager la surface des dispositifs en nitrure de gallium. Ces problèmes ont incité l'équipe à envisager l'utilisation d'hydrogène. L'utilisation d'hydrogène lors de la croissance HVPE du nitrure de gallium, ainsi que la présence de Ga₂H₆, sont autant de facteurs positifs pour une possible réussite.
Les études sur l'hydrogène ont débuté avec un générateur de plasma RF de 13,56 MHz conçu sur mesure. Ce générateur était constitué d'une électrode tubulaire de 2 mm de diamètre extérieur et de 0,3 mm d'ouverture, et d'un substrat de GaN de 2 pouces de diamètre et de 0,4 mm d'épaisseur. Dans un premier temps, l'équipe a utilisé un rapport hélium/hydrogène de 9:1, un débit de 100 sccm et une puissance RF de 130 W, 150 W, 180 W et 200 W afin d'étudier l'évolution des taux d'élimination après cinq minutes. L'expérience a également pris en compte la température du substrat et a permis de déterminer que la puissance la plus élevée était le principal facteur d'amélioration du taux d'élimination, car elle augmentait le nombre de radicaux libres d'hydrogène.
Sano et ses collègues ont poursuivi l'étude des effets du débit de gaz, la puissance étant fixée à 180 W. Ils ont comparé les vitesses de gravure à des débits de 100 sccm, 500 sccm et 800 sccm, cette fois avec un rapport hélium/hydrogène de 19:1, qui, d'après des études préliminaires, accélère le processus de gravure. Au débit le plus élevé, la vitesse de gravure atteint 4 μm/min, mais la qualité de la surface est altérée, formant un aspect dit « peau de poire » (voir figure).
La microscopie électronique à balayage a révélé des dépôts de gallium en surface pour un débit de 100 sccm. L'équipe attribue cette morphologie à des dépôts sphériques de gallium, qui peuvent être éliminés par simple chauffage de la surface à 40 °C, suivi d'un essuyage. Mais une solution plus élégante existe : l'ajout d'oxygène au procédé. La microscopie à force atomique a démontré que l'introduction d'oxygène permettait d'obtenir une surface lisse, d'une rugosité de seulement 0,9 nm.
Selon Sano, l'équipe de recherche s'efforce actuellement de déterminer les conditions de traitement permettant d'obtenir une bonne rugosité de surface. « Parallèlement, nous travaillons au traitement de surfaces plus grandes afin de rapprocher notre technologie d'applications concrètes. »
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