Fabrication des conducteurs par dépôt localisé

La fabrication des conducteurs par dépôt localisé consiste à déposer localement la couche métallique à travers un masque ou à l’intérieur d’un moule de résine.

La technique la plus couramment mise en œuvre utilise une résine à profil inversé (’’lift-off’’) [Dra. 94m] qui sert de masque lors d’un dépôt par évaporation ou par pulvérisation cathodique. Cette technique a été utilisée par l’université de Michigan avec une épaisseur de 1,2 µm [Dra. 94m] mais elle est limitée à des épaisseurs de cet ordre (1 à 1,5 µm).

Plusieurs autres techniques font appel à des moules de résine dans lesquels sont réalisés des dépôts électrochimiques. La première est la technique LIGA qui permet de réaliser des couches épaisses (plusieurs centaines de µ m) avec un rapport d’aspect (hauteur/largeur) de 100/1 ; mais elle nécessite la fabrication d’un masque à rayon X et la disponibilité d’un synchrotron pour l’insolation [Rog. 92m]. De plus l’irradiation est très longue et se fait point par point.

La deuxième utilise des résines photosensibles de type négatif à base de polyimide permettant de réaliser des épaisseurs de 150 µ m avec des rapports d’aspect de 10 à 15/1. Ces résines n’ont pas été retenues dans le cadre de cette thèse, en raison de leur faible solubilité dans le bain de nettoyage après dépôt métallique, ce qui est un inconvénient pour la réalisation de microstructures fragiles [All. 93d].

La solution développée au LAAS par le service TEAM [Con. 97r] utilise une résine photosensible positive polymérisable par rayons ultraviolets. C’est cette technique que nous détaillons dans ce qui suit.

III.3.2.a) Mise en œuvre du dépôt localisé Le moule de résine

Le moule de résine est réalisé de la façon suivante :

- Déshydratation de longue durée de la plaquette dans une étuve (12 heures)

- Dépôt monocouche d’une résine positive à haute viscosité (Novolak AZ 4562 Hoechst) à la tournette. Les épaisseurs obtenues peuvent aller de 16 µm à 63 µm. L’uniformité d’épaisseur est meilleure que 2,5 %.

- Pré-recuit (10 minutes) dans une étuve (à 50 °C) puis sur différentes plaques chauffantes se caractérisant par une rampe de 50 à 105 °C.

- Insolation par lampe U.V. (de longueurs d'onde 405 et 365 nm). Pendant l’insolation, le coefficient d’absorption du composé sensible à la lumière diminue à cause de sa conversion en acide carboxylique. L’optimisation du traitement de la résine est basée sur l’étude de sa transparence durant l’insolation et dépend de l’épaisseur de résine désirée. Elle a permis de choisir les conditions du pré- recuit et de l’insolation pour élever la transparence de la résine en cours d’insolation. L’efficacité de l’insolation en est accrue et cela permet ensuite une gravure en grande profondeur sans nécessiter une deuxième insolation.

- Gravure par immersion dans un bain révélateur (AZ400K).

Dans le cadre de cette étude, la hauteur du moule de résine est de 16 µ m. La Figure III.11 présente l’aspect d’un moule obtenu pris au microscope électronique à balayage. Les murs de résine obtenus ont une excellente verticalité (proche de 90°) [Ese. 97m].

Figure III.11 : Moule de résine pris au MEB Le dépôt localisé

Après confection du moule de résine, il est procédé à un dépôt électrolytique comme décrit au § III.III.2.2/. Enfin le moule est dissous dans un bain d’acétone. La Figure III.12 présente une vue au microscope électronique à balayage d’un dépôt localisé d’or avant recuit. La métallisation a une épaisseur de 10 µm, nous pouvons remarquer son profil bien abrupt. [Ese. 97p]

Figure III.12 : Extrémité d’un dépôt localisé électrochimique d’Au La gravure de la couche d’accrochage

La couche d’accrochage est ensuite gravée dans des bains d’iodure de potassium et d’iode (KI+I2) pour l’or (environ 1 minute) et d’acide fluorhydrique tamponné (buffer HF) pour le titane (quelques secondes). Il s’agit en fait d’une gravure généralisée de tous les conducteurs. Il est donc nécessaire de surdimensionner l’épaisseur de 0,6 µm en prévision de cette gravure. La Figure III.13 représente une vue partielle d’un dispositif. Nous pouvons remarquer l’excellente définition des lignes obtenues par ce procédé, malgré les cotes du démonstrateur très défavorables (fentes larges ou étroites).

200 µm _{200 µm}

25 µm

25 µm

Figure III.13 : Vue d’un démonstrateur après dépôt localisé pris au microscope optique

III.3.2.b) Résultats obtenus Précision de la gravure

Nous avons réalisé de nouveau une étude portant sur la surgravure potentielle en réalisant des circuits à partir du masque défini à la Figure III.8. La gravure généralisée, en même temps qu’elle amincit l’ensemble des conducteurs de 0,6 µm devrait normalement élargir toutes les fentes de 2x0,6 = 1,2 µm. Nous nous sommes d’abord assurés de la gravure complète de toutes les fentes. Le Tableau III.11 présente les résultats statistiques des fentes mesurées sur 10 motifs d’une même plaquette.

Tableau III.11 : Etude statistique de gravure de fentes après dépôt localisé

fente : a fente : b fente : c fente : d

largeur des fentes sur le masque 27 µm 27 µm 50 µm 50 µm

largeur moyenne des fentes

gravées dans l’or

27,2 µm 27,1 µm 50,0 µm 50,1 µm

écart type 0,69 µm 0,78 µm 0,83 µm 0,75 µm

La surgravure nulle observée est expliquée par une compensation entre un phénomène de surgravure du moule de résine et la gravure de l’or comme cela est illustré sur la Figure III.14.

x ∆x t₀ résine Au (a) (b) (c) (d) (e) x x ∆x ∆x t₀ x _x

Figure III.14 : Compensation des surgravures du moule (∆x) et du métal (t0)

Lors de la gravure de la zone insolée de la résine dans le révélateur (a), il existe une surgravure de largeur ∆x liée au caractère non parfaitement anisotropique de la gravure (b). Le dépôt d’or électrochimique s’étend donc au-delà de la surface fixée par le masque d’une valeur ∆x (c). Lors de la gravure de la couche d’accrochage d’épaisseur t0, le métal subit une surgravure égale à t0 (d). En final la fente à une largeur de x-2∆x+2t0 ≈ x+0,2 µm ≈ x (e).

Ce phénomène de compensation quasi-parfaite est reproductible tant que l’on ne modifie pas la hauteur du moule (16 µ m) et celle de la couche d’accrochage (0,6 µ m). D’ailleurs nous avons effectué par la suite la même étude avec une épaisseur de métallisation de 5 µm. Les résultats obtenus concernant la surgravure se sont révélés identiques à ceux obtenus avec 2,5 µm.

Le procédé de confection des conducteurs par dépôt électrolytique localisé permet donc de contrôler finement les dimensions des conducteurs quelle que soit l’épaisseur de métallisation.

Dimensions minimales des fentes réalisables

Pour déterminer la dimension minimale des fentes réalisables, nous avons conçu un masque d’évaluation formé de bandes parallèles de 200 µ m de large et de 4 ou 6 mm de longueur. Les fentes séparant ces bandes ont respectivement pour largeurs : 4, 6, 7, 10 et 20 µm.

La Figure III.15 présente un schéma du démonstrateur avec ses cotes.

4 à 20 µm

600 µm 200 µm

6000 µm

Figure III.15 : Schéma du démonstrateur en vue de la détermination des dimensions minimales des fentes

Les dispositifs réalisés avec ce masque ont permis d’effectuer les observations consignées dans le Tableau III.12.

Tableau III.12 : Observations sur la réalisation de fentes plus ou moins larges sur une longueur de 4 et 6 mm

largeur de fente entre 2 rubans de

longueur 6 mm

observations conclusion

4 µm fentes non formées en

certains points la résine a été entièrement surgravée localement.

6 et 7 µm quelques défauts dans la gravure des fentes

le mur de résine est intègre sur les 6 mm de longueur, mais des défauts de définitions des cotes apparaissent.

10 et 20 µm aucun défaut apparent et respect des cotes

la photolithographie du moule s’est déroulée de façon satisfaisante

A titre d’illustration, nous présentons sur la Figure III.16, deux fentes, l’une de 6 µm l’autre de10 µ m. Les photographies ne présentent qu’un tronçon de ligne de 6 mm.

6 µm

Au 10 µm

Au Au

Au

Figure III.16 : Fentes de 10 et 6 µm

Des fentes de largeur inférieure à 7 µ m n’offrent pas un respect géométrique suffisant pour nos réalisations. Nous pouvons conclure qu’en l’état actuel de cette technologie, nous pouvons assurer un excellent respect des cotes sur plusieurs millimètres (6 mm) pour une taille minimale de fente (mur de résine) de 10 µm. Ce qui correspond à un rapport de forme de 600.