Fabrication des échantillons

4.2.1 Techniques de nanofabrication

Il existe plusieurs techniques de fabrication, toutes issues du domaine de la

micro-électronique. Ces techniques reposent, pour la plupart, sur une phase de lithographie

au cours de laquelle le motif est obtenu par insolation d’une résine. Cette phase

d’exposition est la plus critique, car c’est elle qui détermine en grande partie la

résolution, la propreté et la qualité finale de l’échantillon. Les deux techniques de

lithographie utilisées au laboratoire sont :

• la lithographie par faisceau d’électrons (LFE). Elle permet de

réali-ser des motifs point par point à l’aide d’un faisceau d’électrons. Elle a pour

avantage d’offrir une résolution très précise de l’ordre de quelques dizaines de

nanomètres mais elle a pour inconvénient d’être très lente (plusieurs minutes

pour réaliser un motif de 1 µm×1 µm).

• la photolithographie UV.Elle permet de réaliser un grand nombre de motifs

en une seule exposition en utilisant un masque. Cette technique est donc rapide,

c’est pourquoi elle est utilisée dans l’industrie pour la production de masse.

Cependant, elle offre une résolution nettement moins bonne que la LFE. Avec

un aligneur de masques tel que celui utilisé au cours de ce travail, obtenir des

guides de largeur où w = 400 nm est difficile et requiert une grande maîtrise.

Le système ne permet pas de réaliser des échantillons où w < 400 nm. Nous

détaillerons plus en détail la technique de photolithographie UV au chapitre

5. Elle sera utilisée pour fabriquer les échantillons caractérisés au paragraphe

4.6 ainsi qu’aux chapitres 5 et 6.

La photolithographie UV par aligneur de masques, bien que plus rapide, ne nous

permet pas de réaliser des guides ayant une largeur de w = 300 nm, c’est

pour-quoi nous avons choisi d’utiliser la LFE. La fabrication se fait en plusieurs étapes

schématisées sur la figure 4.2 :

• dépôt du métal par évaporation.

• dépôt du film de PMMA par tournette.

• réalisation des motifs par insolation de faisceau d’électrons.

• développement.

• recuit.

e-

e-a b c

Figure4.2 – Schéma représentant les différentes étapes de fabrication d’un échantillon par LFE.

(a) Dépôt du PMMA, (b) insolation par faisceau d’électrons et (c) développement du PMMA.

4.2.2 Lithographie par faisceau d’électrons

Evaporation de métal

La première étape de fabrication consiste à déposer une couche de métal sur

un substrat de verre. Les substrats de verre que nous utilisons sont des carrés de

20mm×20mmet ont une épaisseur de160µm. Afin d’obtenir une bonne adhésion

entre le verre et le métal, on peut ajouter une fine couche de chrome d’épaisseur

inférieure à 5 nm déposée à l’aide d’un canon à électrons. Pour obtenir une faible

rugosité de surface, le métal doit être déposé à très basse pression et la vitesse

de dépôt doit être très faible. Ici, l’or est déposé par évaporation thermique à une

vitesse de 0.1 nm/s sous une pression de 10

mbar. L’épaisseur est contrôlée par

une balance à quartz.

Dépôt de la résine

La deuxième étape (figure 4.2 (a)) est le dépôt d’un film de PMMA sur la couche

d’or évaporée. L’épaisseur du PMMA à déposer doit correspondre à l’épaisseur

dé-sirée du guide final. Le dépôt du film de PMMA est réalisé par tournette

("spin-coating"). A l’aide d’une micro-pipette, on dépose un volume de 160 µL de PMMA

dilué dans du chlorobenzène au centre du substrat. On applique ensuite au substrat,

avec la tournette, une force centrifuge qui permet la répartition uniforme du

poly-mère à sa surface. Puis, afin d’évaporer les restes de solvant, on recuit le substrat

sur une plaque chauffante à 170

C pendant 5 min. L’épaisseur obtenue dépend de

la vitesse de rotation et de la dilution du PMMA. Par exemple, pour obtenir une

épaisseur d’environ t = 350 nm, nous avons dilué une dose et demi de PMMA (4%

en masse dans du chlorobenzène) dans une dose de chlorobenzène pur. La vitesse de

rotation de 4000 tr/min pendant 50 s conduit à l’épaisseur désirée.

Insolation par faisceau d’électrons

La résine est insolée avec un faisceau d’électrons décrivant le motif voulu. Pour

cette étape, on utilise un microscope électronique à balayage (MEB) de marque

JEOL JSM-6500 équipé d’un canon à effet de champ. Le canon à effet de champ

permet des magnifications allant jusqu’à 450000 tout en gardant une très bonne

résolution. Le pilotage du faisceau d’électrons est géré à l’aide du logiciel Elphy

Quantum de RAITH GmbH. Ce logiciel permet la conception des motifs désirés.

Pour obtenir une largeur de guide d’environ w = 350 nm, on applique le canon

à électron sur la surface mis à part à l’endroit désiré du guide. Le logiciel permet

aussi de gérer les paramètres d’exposition tels que le temps d’insolation ou le pas

entre les pixels. Avant d’effectuer la lithographie, l’utilisateur règle la tension

d’ac-célération, le courant d’extraction, les réglages d’alignement ainsi que les corrections

d’astigmatisme.

Développement

L’exposition modifie la composition chimique de la résine qui devient ainsi soluble

dans une solution de MIBK (Methyl-Isobutyl-Ketone) et de IPA (alcool

isopropy-lique). Le développement consiste à dissoudre les parties exposées dans une solution

de MIBK-IPA en proportion 1 : 3 durant40 s. La solution de MIBK dissout aussi à

plus faible échelle les parties non-exposées, c’est pourquoi on stoppe la dissolution

par un rinçage de45 s dans une solution d’IPA. A l’issue de cette étape, on obtient

le motif lithographié.

Avec les paramètres décrits précédemment, nous avons réalisé un guide ayant les

caractéristiques suivantes : un film d’or d’épaisseurd= 50 nm, un ruban de PMMA

de largeur w = 240 nm et d’épaisseur t = 330 nm. Les figures 4.3 (a) et 4.3 (b)

montrent des images MEB des guides obtenus. Les parties claires correspondent aux

couches d’or alors que les parties foncées correspondent aux régions couvertes par

le PMMA. Les guides peuvent prendre plusieurs formes. Ici, nous représentons un

guide droit (figure 4.3). La région élargie à droite du guide sert à exciter un mode.

a b

DLSPPW

DLSPPW

Surface en or

Surface en or

Couche de

PMMA

Zone élargie

Figure4.3 – Image obtenue au microscope électronique à balayage d’un DLSPPW. (a) Vue de

dessus avec la zone élargie. (b) Vue en perspective.