Echantillons SWIFTS1 ConceptionConception

Il s’agit ici de définir un couplage RF optimal entre le résonateur et la ligne de transmission

et de vérifier que le facteur de qualitéQi des résonateurs ne soit pas dégradé dans le

disposi-tif SWIFTS. Ces questions ont été adressées par la simulation, mais des mesures contradictoires (présentées dans le chapitre 7) ont motivé une démarche expérimentale en parallèle. Chaque échantillon se compose de groupes de 6 à 10 résonateurs, à chaque groupe correspond une valeur différente d’un paramètre étudié. Quatre échantillons TEST permettent de tester les paramètres suivants :

– TEST.1 : la géométrie du couplage RF. L’objectif est d’obtenir un facteur de qualité de

cou-plageQc voisin deQi, ce dernier est estimé par la mesure. 10 groupes de 6 résonateurs

couplés différemment à la ligne de transmission sont testés.

– TEST.2 la distance court-circuit - guide. Les éventuelles pertes du résonateur vers le guide

d’onde se traduiraient par une dégradation deQi. 6 groupes de 5 résonateurs sont

fabri-qués.

– TEST.3 la largeur de l’extrémité du résonateur. Dans le cas du couplage millimétrique à

un guide CPW : il s’agit de vérifier queQin’est pas dégradé par ce type de géométrie qui est

voisine d’une antenne. 6 groupes de 5 résonateurs sont fabriqués dans cet échantillon.

Fabrication

Ces échantillons sont fabriqués sur substrat de silicium pur. Puisque seuls les résonateurs sont testés, la fabrication se résume à un dépôt d’aluminium, une étape de lithographie suivie d’une gravure humide. On note que ce procédé simple est celui de la fabrication des matrices de détecteurs KID utilisés en aujourd’hui astronomie et qu’il en constitue d’ailleurs un des avantages. Les résultats des mesures sur les échantillons TEST sont présentés dans en 7.2.2.

5.5 Echantillons SWIFTS1

Les échantillons SWIFTS1 sont constitués de 32 détecteurs séparés de 180µm, ils permettent

donc potentiellement un pouvoir de résolutionR≃15 à 150 GHz (voir section 2.2.2). L’antenne

est positive, elle est déposée sur substrat plein, sa géométrie est inspirée de travaux antérieurs à cette thèse [34]. Deux échantillons ont été conçus, ils diffèrent par la géométrie de couplage millimétrique.

– SWIFTS1.1: la distance entre les KID et le guide d’onde est de 2µm. – SWIFTS1.2: la distance entre les KID et le guide d’onde est de 1µm.

Fabrication

Le procédé P1illustré ci-après utilise des substrats de silicium de 350µmd’épaisseur dont la résistivité est choisie très élevée (> 1000 ohm.cm) dans le but de limiter les pertes diélectriques dans les résonateurs. Il débute par les dépôts successifs des deux couches de métaux : 30 nm

d’alu-minium suivi de 100 nm de niobium et une lithographie utilisant le masqueM1.1dont une partie

est représentée sur la figure 5.1. Une étape de gravure RIE suivie d’une gravure humide permet alors de dessiner l’intégralité du motif dans les deux couches. Il reste alors à éliminer le niobium situé sur les résonateurs car ceux-ci doivent être en aluminium. Ceci est réalisé en procédant à

une deuxième lithograhie utilisant le masqueM1.2consistant à ouvrir la résine au niveau des KID

seulement. Une dernière étape de gravure RIE suffit alors à éliminer le niobium situé sur les réso-nateurs.

Cette étape de gravure peut être problématique dans la mesure où elle agit sur le silicium situé entre la ligne centrale du résonateur et la masse avec une vitesse de gravure beaucoup plus im-portante. Lorsque le silicium situé sous le métal est gravé (les profils de gravure sont un peu ani-sotropes), des parties métalliques peuvent être endommagées (voir la figure 5.4). Un procédé dif-férent mais utilisant les mêmes masques a été mis au point, il s’achève sur une gravure humide de l’aluminium et présente donc l’intérêt de conserver le silicium intact.

D’autre part, nous observons sur l’échantillon SWIFTS1.2 que l’espace de 1µmentre les

résona-teurs et le guide d’onde n’est pas toujours gravé (figure 5.4), on se situe donc à la limite de réso-lution du procédé. Une soréso-lution consiste à utiliser un mode d’exposition différent de type “hard contact” ou “vacuum contact”, ceux-ci n’ont pas été testés dans le cadre de cette thèse.

Les résultats des mesures sur les échantillons SWIFTS1 sont présentés dans en 7.3.2.

5.5.1 Détails du procédé P1 Substrat de départ

– Si : wafer 4 pouces, 350µmd’épaisseur

– ρ> 1000 ohm.cm

– orientation <100>

Etape 1 :dépôt d’aluminium

– plasma argon, 250V, (300 sec) – dépôt de 30 nm - 0,1 nm/sec

FIGURE5.4 – A gauche : portion de guide et extrémité du résonateur en fin du procédé P1. Parties claires : aluminium, parties fonçées : niobium, parties grises : silicium. L’inspection met en évidence la gravure du silicium entre la ligne centrale et la masse des résonateurs et la dégradation du motif qui en résulte. A droite :

Le procédé de lithographie utilisé ne permet pas toujours l’ouverture d’un gap de 1µm (sur cette photo,

l’en-semble des parties est en aluminium)

Etape 2 :dépôt de niobium

– puissance DC : 2,5 kW, – 100 nm - 33 nm/min

Etape 3 :lithographie 1

– étalement de la résine AZ1512HS : 4000tr/min (60 sec), recuit 110°C (90 sec)

– lithographie - masque M1.1 -soft contact

- 6 mW/cm²

– développement AZ developper (25 sec) – rinçage et séchage

Etape 4 :gravure du niobium

– O₂40 sccm / puissance COIL : 300W,

PLA-TEN : 10W

– 10 nm/min (_≃10 min )

– couche d’arrêt : aluminium

Etape 5 :gravure de l’aluminium

– Alu etch, 30 nm/min, (120 sec)

– rinçage, séchage

Etape 6 :nettoyage

– acétone, éthanol – séchage

Etape 7 :lithographie 2

– étalement de la résine AZ5214 : 4000 tr/min (60 sec), recuit 100°C (120 sec)

– lithographie - masque M1.2Soft contact

1,5 mW/cm²recuit 120°C (120 sec)

– lithographie pleine plaqueSoft contact 3

mW/cm²

– développement AZ developper (40 sec) – rinçage et séchage

Etape 8 :gravure du niobium (résonateurs)

– O₂40 sccm / puissance COIL : 300W,

PLA-TEN : 10 W

– 10 nm/min (_≃10 min )

– détection de fin de gravure par réflecto-métrie Etape 9 :nettoyage – acétone, éthanol – séchage

5.6 Echantillons SWIFTS2