Fabrication des membranes

Les wafers de silicium utilisés pour la gravure des membranes ont une épaisseur de 350 µm. Ils sont tout d’abord recouverts sur la face avant d’une couche d’isolant qui peut être en SiO2 ou en Si3N4 (Fig. 3.10.a). Il est également possible d’utiliser une bicouche

SiO2/Si3N4 [201]. Le SiO2 est obtenu par oxydation thermique tandis que le nitrure est

déposé par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Les microélectrodes en Au sont ensuite fabriquées sur la couche d’isolant (Fig. 3.10.b) par lithographie optique suivie d’un lift-off (section 3.3.2). La face arrière est nettoyée puis enduite de 11 µm d’épaisseur d’une résine négative sol-gel à base de Zr. Cette résine est mise au point à la centrale technologique du LAAS mais il est également possible d’utiliser à la place la résine positive commerciale du type AZ 4562. Une lithographie optique définit une ouverture de

membrane PLASMA SiO₂ou Si₃N₄ 40 µm Puits de gravure Face avant Face arrière Si (a) (b) (c) (d) _(e) 350Pm

Fig. 3.10 – Principales étapes de fabrication des membranes par gravure RIE pro- fonde [206]. (a) Dépôt de la couche d’isolant. (b) Fabrication des microélectrodes en Au sur la face avant par lithographie optique et lift-off. (c) La face arrière du wafer est enduite d’une résine, utilisée comme masque de gravure. Une lithographie optique définit une ou- verture dans la résine, alignée par rapport aux électrodes métalliques de la face avant. (d) Gravure de la face arrière par RIE (procédé BOSCH). (e) Echantillon après gravure. Le wafer de silicium est gravé sur toute son épaisseur. La position de la membrane coïncide avec la zone de contactage des nanotubes où les électrodes métalliques convergent en face avant.

40 µm de large dans la résine, alignée par rapport à la zone où les électrodes métalliques de la face avant convergent (Fig. 3.10.c). Cette résine est utilisée comme masque pour la gravure RIE (Reactive Ion Etching) profonde réalisée avec un mélange de gaz SF6/C4F8

dans un système ICP STS Multiplex (procédé BOSCH). La RIE creuse un puits de gravure dans le substrat de silicium (Fig. 3.10.d) dont la largeur et la forme sont définies par le masque de résine. Du fait de la différence entre les vitesses de gravure du silicium et de la couche d’isolant, il est possible d’arrêter la gravure juste au niveau de l’isolant [201]. Après gravure totale du wafer de silicium (Fig. 3.10.e), la couche d’isolant est suspendue au dessus de la zone gravée et forme une membrane. Le temps nécessaire pour graver le substrat sur toute son épaisseur est d’environ 4 heures. Le masque de résine sol-gel est particulièrement résistant à la gravure RIE et après 4 heures de gravure, son épaisseur n’est réduite que de 3 µm. La figure 3.11 présente des images optiques de membranes de SiO2

de 300 nm d’épaisseur obtenues par cette technique. Le motif d’électrodes métalliques réalisé par lithographie optique est analogue à celui de la figure 3.6. La membrane est

a

_b

c

d

150 µm 10 µm

10 µm 150 µm

Fig. 3.11 – Images optiques en réflexion (a, b) et en transmission (c, d) du motif d’élec- trodes muni d’une fenêtre transparente constituée de 300 nm de SiO2. Le substrat de si-

licium est gravé localement sur toute son épaisseur au milieu du motif où les électrodes convergent. Les carrés métalliques sont les marques d’alignement utilisées ensuite pour le contactage par lithographie électronique des nanotubes sur la membrane.

localisée à l’endroit où les électrodes convergent. Des membranes de 200 nm d’épaisseur de Si3N4 ont aussi été fabriquées. La technique peut s’appliquer de la même manière à la

fabrication de membranes d’environ 50 nm d’épaisseur de SiO2/Si3N4 [206]. L’épaisseur

et la nature de la couche d’isolant déterminent fortement les propriétés mécaniques des membranes. Ces propriétés influent en particulier sur les contraintes de la membrane et ainsi sur son profil au repos. Le film de SiO2 déposé par oxydation thermique est contraint

en compression. Pour des membranes de 300 nm d’épaisseur comme celle représentée sur la figure 3.11, ces contraintes conduisent à des membranes en forme de « cuvettes » telle que la hauteur entre le milieu de la membrane et une de ses extrémités est d’environ 300 nm. Lorsque l’épaisseur de la membrane diminue, la courbure de la membrane augmente et conduit par exemple pour des membranes de 100 nm d’épaisseur à une différence de hauteur supérieure à 1 µm [201] entre le centre et le bord de la membrane. Ces courbures deviennent génantes pour le contactage ultérieur des nanotubes par lithographie électronique sur la membrane. Le SiO2 déposé dans ces conditions ne peut ainsi être utilisé que pour fabriquer

des membranes relativement épaisses (>200-300 nm). Par contre, le Si3N4 que nous avons

utilisé est contraint en tension et conduit à des membranes plus planes que pour le SiO2.

Ainsi, pour des membranes en Si3N4 de 200 nm d’épaisseur, les différences maximales de

hauteurs sont de 30 nm et de 90 nm pour des membranes de 100 nm d’épaisseur [201]. Cependant, pour des membranes en Si3N4 encore plus fines de quelques dizaines de nm

d’épaisseur, la tension du film de Si3N4 conduit à des déformations plus importantes de

la membrane. C’est ainsi que l’utilisation d’une bicouche de SiO2/Si3N4 est intéressante

pour mieux contrôler les contraintes de la membrane en ajustant les épaisseurs des deux films de SiO2 et de Si3N4 [206]. L’ajustement des contraintes de la membrane est ainsi

intéressant pour réaliser des membranes moins déformées et donc plus rigides. Le contrôle des contraintes est important pour fabriquer de manière reproductible des membranes plus fines et ainsi plus transparentes aux électrons. Dans ce travail, nous nous sommes limités à la fabrication et l’utilisation de membranes relativement épaisses (>200 nm) qui sont moins difficiles à confectionner et bien adaptées pour être manipulées et utilisées pour le contactage des nanotubes.