Conception du masque optique

Le choix de la lithographie optique par projection implique l’utilisation d’un masque spécifique, compatible avec le stepper. Les motifs qui apparaîtront sur le masque optique sont codés à l’aide du logiciel CleWin4 sous forme de fichiers GDSII, compatible avec la machine de réalisation des masques. A noter que les masques sont à l’échelle x5 car le procédé d’insolation choisi réduit les motifs présents sur le masque d’un facteur 5.

Les masques sont fabriqués au laboratoire par écriture laser directe à l’aide de l’équipement Heidelberg Instruments DWL 200. Le masque est une plaque de verre carrée, de 5 pouces de côté et d’épaisseur 2.5 mm, sur laquelle sont déposées une couche de chrome de 110 nm d’épaisseur et une résine photosensible positive de 530 nm d’épaisseur. La modulation et le balayage des faisceaux laser permettent l’écriture directe des dessins sur la résine photosensible (figure 3.10). Cet appareil utilise un laser He-Cd de 125 mW et de longueur d’onde de 442 nm. Le balayage du faisceau se fait tous les 200 µm, ce qui signifie que, sur le masque, les raccords de champ sont situés tous les 200 µm. Le diamètre du faisceau est de 800 nm et la résolution est de 200 nm.

Figure 3.10 : Principe de l'écriture laser directe pour la réalisation des masques optiques.

Pour la réalisation des masques des réseaux de diffraction 1D, nous avons choisi d’écrire des lignes horizontales plutôt que des lignes verticales ou obliques. En effet, les raccords de champ qui apparaissent lors de l’inscription des motifs sur le

vertical. Par conséquent, le risque est d’avoir des largeurs de traits ou de sillons qui ne seront pas homogènes et, de ce fait, qui induiront un déphasage lors du fonctionnement du filtre. Les lignes obliques, quant à elles, comportent des flancs « dentelés » qui seront reproduits sur l’échantillon. Pour éviter toutes rugosités des flancs des lignes et inhomogénéités dans les motifs des réseaux, les lignes horizontales sont alors privilégiées car cette configuration est la moins sensible à d’éventuels défauts pouvant apparaître au niveau des raccords de champs sur le masque.

a)Masqued’étalonnage

Pour les premiers essais de calibration, un masque d’étalonnage ou « masque-test » a été dessiné. Ce masque comporte un échantillonnage de motifs de lignes horizontales présentant une gamme étendue de rapports d’ouvertures allant de 30% à 70% (figure 3.11-gauche).

Figure 3.11 : (Gauche) Dessin du masque-test comportant des réseaux de lignes horizontales.

Ensemble de réseaux de taille 8 mm x 6 mm ayant la même période d = 3.96 µm (d = 5 Λ)

et différents rapports d’ouvertures. (Droite) Aperçu d’un masque de réseau de lignes présentant un rapport d’ouverture de 50%.

Sur le masque d’étalonnage, chaque réseau de lignes est de dimension 8 mm x 6 mm et de période constante de 3.96 µm. Cette période sera réduite par un facteur 5 lors de l’insolation, ce qui conduit à la période recherchée pour la

pour permettre de déterminer les paramètres d’exposition optimaux en fonction du rapport d’ouverture souhaité.

Après insolation des motifs sur le masque, la résine est développée. Le chrome est ensuite gravé pour révéler les motifs. Les motifs sur le masque sont ensuite observés au microscope confocal afin de vérifier la période et la taille des sillons en fonction des rapports d’ouvertures visés. Une photographie d’un réseau de lignes du masque-test présentant un rapport d’ouverture de 50% est montré dans la figure 3.12. Sur cette figure, on observe également un raccord de champ vertical dont l’influence, sur un réseau complet de lignes horizontales, est négligeable.

Figure 3.12 : Photographie d’un réseau sur le masque-test observé au microscope confocal. Ce réseau de lignes présente un pas de 3.96 µm avec un rapport d’ouverture égal à 50%.

b)Masquedispositif

Le masque final, que nous appellerons « masque dispositif », consiste en un réseau de lignes horizontales. Etant donné que le filtre final sera de l’ordre de 2 cm², un seul réseau, à l’échelle 5, de dimension 85 mm x 95 mm avec un rapport d’ouverture de 50% peut être dessiné sur un masque de 5 pouces (figure 3.13). Sur ce masque est inscrite la période du réseau pour faciliter l’identification de chacun d’eux dans le cas où plusieurs réseaux de périodes différentes seront insolés sur la même plaquette.

Figure 3.13 : Dessin du masque final comportant un réseau de lignes horizontales ayant un rapport d’ouverture de 50% et la période correspondante.

Pour la réalisation des réseaux 1D croisés de la structure complète, les réseaux seront insolés sur la même face de la plaquette de sorte qu’ils soient

séparés d’un angle ξ lors du collage substrat contre substrat (cf partie 3.4). Pour

déterminer l’angle selon lequel les réseaux doivent être insolés, nous raisonnons en termes d’orientation des traits des réseaux. Pour la structure simplifiée, on a vu que

ξ = -5.44°. Les traits des réseaux sont donc séparés de 90° - ξ (comme montré sur la

figure 3.14-gauche). Etant donné que la moitié des réseaux insolés sera retournée et collée, il faut donc insoler les motifs avec un angle de ^ 47.7

2 90



.

Figure 3.14 : (Gauche) Schéma représentant l’orientation des réseaux de lignes après insolation à 47.7°, découpe et collage substrat contre substrat. (Droite) Vue de dessus des deux réseaux croisés

Un jeu de masque est donné dans la figure 3.16. Les réseaux de lignes sont orientés avec un angle de 47.7° par rapport au méplat. Trois paires de réseaux de lignes sont ainsi obtenus sur une plaquette de 4 pouces. Chaque réseau est placé de sorte à faciliter la découpe de l’échantillon selon les directions indiquées par les croix de découpe qui sont placées à chaque intersection des réseaux.

Figure 3.16 : Un jeu de masque des réseaux de lignes (rectangle foncé) orientés sur un substrat de 4 pouces (délimité par le cercle). Le champ d’insolation (rectangle clair entourant le rectangle foncé) et les réseaux font un angle de 47.7° par rapport au méplat. Les croix de découpe délimitent les chemins

de découpe des réseaux.

Pour l’insolation de ces motifs, les coordonnées précises de la position de chaque réseau devront être déterminées. Le « stepper » assure une précision de ± 0.1° sur l’angle de rotation du substrat. Le motif de découpe, en forme de croix « + » de 50 µm x 50 µm, sera placé à chaque extrémité des chemins de découpe pour faciliter l’alignement de la scie diamantée. Un masque spécifique comprenant ce motif de découpe existe déjà mais il est destiné à des insolations réalisées selon l’orientation conventionnelle. Ici, la position de ce motif doit être déterminée avec précision pour éviter tout empiètement du trait de scie sur les champs d’insolation inclinés.