Dépôt des contacts métalliques

Une fois la technique  pochoir  bien mise en place grâce à l'échantillon test sur silice, nous avons donc entrepris de fabriquer des échantillons  pochoir  directement sur graphène. Dans un premier temps, la grille TEM a été nettoyée plusieurs fois dans une solution d'eau régale (1 : 3 HNO3/HCl), rincée à l'eau distillée et puis séchée (Figure 4.5).

Figure 4.4  Images prises au microscope optique des carrés métalliques obtenus après dépôt par évaporation sur l'échantillon test

Figure 4.5  Images prises au microscope optique de la grille TEM avant/après nettoyage à l'eau régale

Le même procédé de dépôt que l'échantillon test est appliqué avec une métallisation en évaporation classique de Ti/Au (20/80 nm). On obtient des carrés de 70 µm espacés de 5 µm (Figure4.6).

An d'étudier l'impact des diérentes étapes de cette technique sur les propriétés du gra- phène, des analyses de spectroscopies Raman et Auger ont été eectuées à chaque étape du procédé de fabrication :

 Sur le graphène avant toutes étapes de fabrication  Après dépôt métallique

Figure 4.6  Images prises au microscope optique des carrés métalliques obtenus après dépôt par évaporation sur l'échantillon graphène

Des mesures de spectroscopie Auger ont été eectuées à la fois sur une zone périphérique (Figure 4.7) et une zone centrale (Figure 4.8) de l'échantillon, juste après le dépôt métallique et donc avant la découpe laser, pour évaluer l'eet de la métallisation sur le graphène.

Figure 4.7  Spectre Auger d'un échantillon pochoir juste après le dépôt métallique et avant la découpe laser, zone périphérique

Figure 4.8  Spectre Auger d'un échantillon pochoir juste après le dépôt métallique et avant la découpe laser, zone centrale

A la périphérie du réseau (Figure 4.7), la zone 2 correspond bien à un plot d'or (spectre bleu). Néanmoins, on détecte également la présence parasite d'or et de titane entre les plots d'or (photo 102, zone 1), ce qui correspond en réalité à un canal en graphène.

Sur une zone centrale de l'échantillon (Figure 4.8), les pics caractéristiques de l'or et du titane sont encore plus intenses entre les plots d'or (photo 104, zones 1 et 2). Cet eet se traduit par la présence d'un fond continu sur le spectre Raman (Figure4.9). On représente ci-dessous les spectres Raman correspondant à ces zones.

Figure 4.9  Spectre Raman d'un échantillon pochoir juste après le dépôt métallique et avant la découpe laser, zones périphérique et centrale

La forte présence métallique au niveau des zones centrales 1 et 2 de la photo 104 explique bien les spectres modiés observés (en vert et rouge) avec un graphène couvert de traces de métaux, à l'inverse des spectres (en bleu et noir) représentatifs de la zone 1 de la photo 102 avec peu de traces métalliques.

Ces mesures Raman et Auger combinées ont ni par démontrer l'eet de certains phéno- mènes souvent observés lors de dépôts : le  blurring  et le "clogging" qu'on va étudier dans les paragraphes suivants.

Etant donné la présence de traces métalliques sur le canal en graphène à la suite du dépôt métallique, nous avons essayé d'apporter des améliorations lors de cette étape, intitulée "stencil lithography" (Figure4.10).

Figure 4.10  Stencil lithography Eet du gap entre la grille et le substrat

L'eet de "ou" ou blurring fait référence à un élargissement de la zone de dépôt comme une sorte d'auréole qui l'entoure. Il a été démontré que la cause essentielle était le gap entre la grille et le substrat (Figure 4.11 (c)) [129]. O. Vazquez-Mena et al. dénissent deux types de blurring :

1. Le blurring géométrique (BG) qui, comme son nom l'indique, est dû à la géométrie de

la conguration source-grille-substrat. Une relation de linéarité a été démontrée entre le gap entre la grille et le substrat (Figure 4.11 b) :

BG=

GS

D (4.1)

Si D  T, G  T et S  A avec G, le gap en question, S la largeur de la source de dépôt, D distance source-substrat et T l'épaisseur de la grille. La conguration Source- Grille-Substrat est présentée dans la Figure 4.11a).

2. Le halo-blurring (BH), qui est dû aux résidus de particules métalliques qui se propagent

sous la grille et se dispersent autour de la zone de dépôt, augmente non seulement avec le gap grille-substrat mais également avec la taille des ouvertures au niveau du masque (a) ( b) de la Figure 4.11) .

Figure 4.11  a) La conguration Source-Grille-Substrat b) Dépendance du blurring c) Rela- tion gap-blurring. Images extraites de [129]

En vue de ces résultats, la première solution envisagée a été de diminuer au maximum le gap entre la source et la grille, un contact direct source-grille n'étant pas possible avec ce genre de dépôt étant donné les courbures des wafers et les contraintes de membrane.

Les mesures Auger eectuées suite à ces dépôts démontrent que le micro pochoir (grille),même directement collé sur l'échantillon n'empêche pas les atomes de titane et d'or de se déposer au niveau du canal (Figure4.12).

Figure 4.12  Spectres Auger d'un échantillon graphène après dépôt métallique à travers un pochoir

Nous avons essayé d'estimer l'importance du blurring obtenu sur nos échantillons. Une image AFM d'un canal d'un dispositif pochoir avec son prol de mesure en hauteur est présentée à la Figure4.13. On estime le blurring BG pour un dépôt métallique de 100 nm à environ 6 µm.

Cette présence métallique (Figure4.14a)) peut également s'expliquer par un eet de "clog- ging" ou colmatage (Figure4.14 b)). Ce terme désigne l'accumulation de particules évaporées sur et à l'intérieur de la grille TEM lors du dépôt. Ce phénomène a un impact sur la géométrie des ouvertures du masque, ce qui change évidemment le prol de dépôt [130] [131]. An de réduire l'eet de ce paramètre, la grille est nettoyée à l'eau régale après chaque dépôt.

Des analyses avec des cartographies Auger ont révélé l'uniformité de répartition de ces résidus et leur ne épaisseur. En eet, ils correspondent juste à une fraction de monocouche et ne font pas nécessairement un court-circuit. Ce constat a également été conrmé par des mesures d'isolation électrique.

Figure 4.13  a) Image et b) prol de mesure AFM d'un échantillon graphène pochoir après dépôt métallique

Figure 4.14  Phénomènes de a) Blurring (ou)et b) Clogging (colmatage) (images tirées de [131])

Eet du type de métal

Il s'est avéré que le phénomène de blurring était indépendant de la nature du métal . En eet, on retrouve également des traces métalliques sur un dépôt test de nickel (Figure4.15)[129]. De plus, le prol de mesure en hauteur à l'AFM de l'échantillon était semblable à celui du Ti/Au. Eet de la dynamique de dépôt

Par la suite, nous avons essayé d'optimiser les paramètres de dépôt par évaporation. D'habi- tude, un dépôt s'eectue en rotation, c'est-à-dire, en tournant l'échantillon pendant le dépôt. An de visuliser l'impact de ce paramètre sur le blurring, nous avons donc eectué deux dépôts métalliques sur le même échantillon : l'un sans et l'autre avec rotation.

Figure 4.15  Spectre Auger d'un échantillon graphène pochoir après dépôt métallique de nickel

Si on compare l'intensité des pics des mesures Auger (Figure 4.16), on retrouve très peu de résidus métalliques (Ti, Au) au centre de la grille du dépôt sans rotation contrairement au dépôt avec rotation.

Figure 4.16  Spectre Auger d'un échantillon graphène pochoir après dépôt métallique de nickel avec rotation (a) et sans rotation (b)

Toute cette étude sur le blurring nous a permis d'optimiser notre procédé de fabrication de dispositifs type  pochoir  à base de graphène en réduisant progressivement l'impact de cet eet.