Caractérisation de sondes RTD prototype

Après avoir complété la microfabrication des capteurs, on a procédé à réaliser la caractérisation. On a commencé par une caractérisation physique. La fig. 3.7 montre un capteur prototype de l’échantillon identifié comme H555-P.

Figure 3.7 Image par microscopie électronique à balayage d’une µRTD prototype fabriquée avec Pt.

Afin de déterminer les dimensions réelles des RTDs prototype par rapport au design, on a pris des mesures de l’image SEM agrandie, tel que montré dans la fig. 3.8.

La fig. 3.8 montre que la dimension LRTD qui a été dessinée à 2 µm présente une dimension

réelle d’environ 2,24 µm. Cette différence est tout à fait attendue avec le type de procédé utilisé. Cependant, on observe que les bords ne sont pas complètement définis. Ainsi, il y a un excès de métal qui est resté accroché aux bords. Cette situation inattendue n’impose pas de restrictions au fonctionnement du dispositif mais devra être corrigée avant de fabriquer les µRTDs dans les HEMTs.

L’autre dimension à obtenir est l’épaisseur du métal EMRTD. Pour obtenir ce paramètre, on a

réalisé plusieurs profilométries optiques sur plusieurs µRTDs. La valeur moyenne obtenue a été EMRTD = 394 nm, valeur qui dépasse de façon importante la valeur visée de 300 nm.

Cependant, la valeur de 300 nm était plutôt une limitation technologique, ainsi ce résultat veut dire que l’épaisseur que l’on peut faire par évaporation de Pt est plus élevée que ce qui a été suggéré. Comme conséquence du dépassement de l’épaisseur de l’ordre 25 %, les valeurs de résistance calculées vont être modifiées.

Après avoir obtenu les dimensions réelles du dispositif, on recalcule sa résistance en considérant la même résistivité du Pt pur. Ainsi :

𝑅20 °𝐶 =1,06∙10

−7_{∙(250+250+7,7)∙10}−6

2,24∙10−6_{∙0,394∙10}−6 ∙𝛺∙𝑚∙𝑚_𝑚∙𝑚 = 60,97 𝛺 Eq. 3.22

L’étape suivante consiste à la mesure de la résistance des µRTDs fabriquées. Ces mesures ont été réalisées avec la méthode à quatre pointes avec une station sous pointes équipée d’une plaque chauffante.

Avant de commencer les mesures, on a essayé plusieurs valeurs de IRTD entre les limites

préétablies de IRTD-MIN et de IRTD-MAX. On a trouvé qu’avec une valeur IRTD = 100 µA il n’y avait

pas de changement de la résistance des µRTDs à température ambiante (pas d’autoéchauffement). On a aussi collé un élément RTD commercial d’environ 2 mm x 2 mm sur l’échantillon comme témoin, afin de prendre en compte la différence de température entre

l’arrière de la plaque en contact avec la plaque chauffante et la surface de la plaque où se trouvent les µRTDs. La fig. 3.9 montre le montage utilisé.

Figure 3.9 Images du montage de caractérisation de résistance-température des µRTDs prototype.

On a mesuré les échantillons H555-N, H555-O et H555-P. Chaque échantillon comprend six µRTDs. Dans la fig. 3.10 on présente le résultat de la mesure de l’échantillon H555-P après le dépôt de Pt. Les résultats des échantillons H555-N et à H555-O sont semblables.

Figure 3.10 Caractéristiques résistance-température des µRTDs 1 à 6 de l’échantillon prototype H555-P

Les courbes de la fig. 3.10 montrent plusieurs problématiques par rapport au comportement des µRTDs. Premièrement un comportement non linéaire par rapport à la température trop prononcée pour la gamme de valeurs de températures utilisées. Deuxièmement, une dispersion importante des valeurs de résistance des µRTDs. Troisièmement, des valeurs de résistances très éloignées de la valeur de résistance calculée. Finalement, quelques points de mesure loin de la tendance du reste des points. Par conséquent, l’utilisation des µRTDs prototypes avec le comportement décrit ci-dessus n’est pas adéquate pour la caractérisation thermique des HEMTs.

En ce qui concerne à la problématique décrite ci-dessus, la littérature aborde le sujet du recuit de Pt pour applications de thermométrie [Corruccini, R., 1951]. Dans cette publication on a mentionné que la température de recuit du Pt pour RTDs devrait être au moins 450 °C ou plus, en présence d’oxygène ou encore plus haute si la température de mesure serait plus élevée. Selon notre analyse, ce recuit est possible pour l’application, car il est compatible avec le

budget thermique du procédé de fabrication des HEMTs AlGaN/GaN et permettrait de réaliser des mesures avec la µRTD jusqu’à 450 °C, ce qui a été considéré suffisant. Ainsi, on a réalisé le recuit de l’échantillon H555-P durant 1 h, mais, sous atmosphère d’azote. Cette condition a été choisie en fonction de l’intégration de la µRTD aux HEMTs. Après le recuit on a répété le procédé de mesures résistance-température. Le résultat est présenté dans la fig. 3.11.

Figure 3.11 Caractéristiques résistance-température des µRTDs 1 à 6 de l’échantillon prototype H555-P après recuit à 450 °C, 1 h sous atmosphère d’azote.

Les résultats de la fig. 3.11 montrent une importante amélioration de la réponse des µRTDs prototype. Pour simplifier l’analyse de ce résultat, on a réalisé une approximation de la réponse de chaque capteur à une régression linéaire. Les paramètres obtenus sont présentés dans le tableau 3.3.

Tableau 3.3 Paramètres d’une régression linéaire appliquée aux résultats de la Fig. 3.11

Paramètre µRTD1 µRTD2 µRTD3 µRTD4 µRTD5 µRTD6 _𝑋�

Pente (𝛼′_{) 0,3983 0,3990 0,3935 0,3891 0,3916 0,3815 0,3922}

Interception (R0) 187,70 186,83 183,73 183,98 181,29 182,36 184,31 Coefficient R2 _{0,9993 0,9997 0,9998 0,9987 0,9999 0,9996 0,9995} Dans le tableau ci-dessus, le paramètre décrit comme 𝛼′_{est la pente de la régression linéaire}

pour chaque capteur dans la portée des valeurs de mesure (25 à 275 °C). On peut observer que les pentes ne sont pas identiques, mais très semblables. Ainsi, on peut dire que la variation de la résistance des capteurs par rapport à la température est très semblable. Le paramètre R0

montre qu’il existe encore une variation de la résistance de base entre les capteurs. Ainsi, la déviation standard est de 2,5 Ω et la variance est de 6,24 Ω. Par conséquent on peut affirmer que la dispersion de la valeur de la résistance des µRTDs a diminué de façon importante, par rapport à la dispersion obtenue avant le recuit. Cependant, il est évident que la résistivité du Pt déposé par évaporation à faisceau d’électrons est encore d’environ trois fois plus élevée que celle du Pt massif.

En ce qui concerne la linéarité des capteurs on peut voir que toutes les µRTDs sauf la µRTD4 ont présentés de coefficients de corrélation R2 _{supérieurs à 0,999 entre 25 et 275 °C, ce qui}

veut dire que le comportement des µRTDs est très semblable à une ligne droite. L’effet de saturation a complètement disparu. Par conséquent, on considère que le recuit utilisé est suffisant pour obtenir des µRTDs utilisables pour réaliser la caractérisation thermique des HEMTs. Néanmoins, il y a encore des opportunités d’améliorations à appliquer par rapport à la qualité de la photolithographie et par rapport au procédé de mesures. Ces opportunités seront discutées plus loin.