3.1 Adaptation du procédé de métallisation « electroless »
Afin d’atteindre notre objectif, qui est de métalliser sélectivement nos électrodes en réalisant des pistes de largeur ~ 100 μm espacées d’une distance équivalente, notre procédé de métallisation « electroless » doit être enrichi d’un nouveau dispositif, optique cette fois-ci. Le
schéma V.1 reprend celui du procédé de métallisation chimique décrit au chapitre IV en y
112 Schéma V.1 : Schéma général du procédé de métallisation sélective
Cette nouvelle étape de traitement s’insère naturellement dans le diagramme du procédé de métallisation « electroless », qui reste dans son ensemble inchangé. Elle intervient avant que le nickelage chimique n’ait lieu et après que le palladium ait été réduit à l’état de palladium métallique Pd0. Il s’agit cependant de mettre au point un procédé optique assez complexe qui permette de traiter des pièces de géométrie torique avec une fiabilité maximum, en un temps limité, et avec une précision élevée, de l’ordre de quelques µm.
Le schémaV. 2 ci-dessous, détaille les processus physico-chimiques sous-jacents au procédé de métallisation sélective.
Schéma V.2 : Diagramme des étapes de la métallisation sélective (a) : Greffage de fonctions azotées par plasma froid.
(b) : Chimisorption du palladium ionique dans une solution de chlorure de palladium.
(c) : Réduction du palladium ionique en palladium métallique dans une solution d’hypophosphite de sodium.
(d) : Ablation par rayonnement UV de la pré-couche de palladium.
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3.2 Choix du type de rayonnement UV utilisé
Les phénomènes d’ablation par rayonnement UV à la surface d’un polymère, ont fait l’objet de nombreuses recherches dans le cadre du développement de la lithographie sub-micronique depuis la fin des années 1980 (Jain et al. 1990), (Basting et al. 2005). Ces procédés, font intervenir des lasers pulsés délivrant une densité de puissance très élevée (supérieure au MW/cm2) et sont capables de sublimer le matériau ablaté. Il s’agit essentiellement de lasers à gaz excimère constitués de complexes gazeux excités, appelés des exciplexes. Ils sont constitués de gaz rares : Argon, Krypton ou Xénon mélangés à un halides, Fluore ou Chlore. La production des molécules excitées dans la décharge électrique, repose sur des réactions plasma complexes. La durée des impulsions est de l’ordre de 10 ns. Les gaz les plus couramment utilisés induisent une émission à une longueur d’onde de 351 nm (XeF), 308 nm (XeCl), 248 nm (KrF), 193 nm (ArF), ou 157 nm (F2). Il est en principe aussi possible d’utiliser un laser Nd-YAG triplé fonctionnant en mode pulsé à 355 nm ou bien un Nd-YAG quadruplé émettant à 266 nm.
Concernant le choix de la longueur d’onde à utiliser pour ablater un matériau à sa surface, les expériences montrent qu’un coefficient d’absorption α du substrat supérieur à 104
cm-1 permet une ablation à une densité d’énergie (on parle de fluence, exprimée en mJ/cm2) assez facilement accessible avec un laser excimère (Liu et al. 1988), (Philipp et al. 1989),
(Liu et al. 1993). On comprend qu’avec un tel coefficient d’absorption l’énergie du pulse laser est concentrée sur l’extrême surface du matériau, sur une profondeur de l’ordre du µm. La concentration de cette énergie dans le volume occupé par le matériau en surface, entraine une très forte élévation de sa température, ce qui implique sa sublimation à l’état de plasma. Une partie de ce plasma se condensera sur le substrat mais de façon relativement diffuse. Il est aussi possible de protéger le substrat de ce type de dépôts.
Ayant choisi l’Ultem pour réaliser nos électrodes, la figure V.4 fournit le coefficient d’absorption de ce matériau sur une large gamme de longueur d’ondes. Il est de 3.5x104
cm-1 à 308nm (Philipp et al. 1989) tandis qu’il augmente à 2.5x105
114 Figure V.4 : Coefficient d’absorption de l’Ultem, fonction de la longueur d’onde, (Philipp et al. 1989)
Un laser excimère de type XeCl émettant à 308 nm semble donc être adapté à un procédé d’ablation sur un substrat d’Ultem. L’utilisation d’un laser KrF à 248nm est possible mais sa longueur d’onde, proche de l’énergie de dissociation de l’oxygène moléculaire (correspondant à une longueur d’onde de 244 nm), peut poser des problèmes de génération d’ozone. A 193 nm ou 157 nm, il est nécessaire de travailler sous flux d’azote ou sous vide, ce qui présente des contraintes.
3.3 Effet de seuil dans l’ablation du palladium par laser
L’une des caractéristiques les plus remarquables des phénomènes d’ablation de plastique par laser excimère, est que celle-ci est à effet de seuil, c’est-à-dire une valeur de la fluence au-dessous de laquelle l’ablation n’a pas lieu (Esrom et al. 2000), (Liu et al. 1988),
(Srinivasan et al. 1983). Ceci est vrai pour l’ablation d’un polymère aussi bien que pour l’ablation d’un matériau déposé à sa surface. La figure V.5 ci-dessous, illustre ce phénomène ablatif à effet de seuil dans le cas qui nous intéresse, c’est-à-dire dans celui de l’ablation de palladium déposé à la surface d’un échantillon d’Ultem.
115 Figure V.5: Analyse XPS, illustration du phénomène ablatif à effet de seuil, (Liu et al. 1988)
Les courbes ci-dessus illustrent le résultat d’une analyse XPS menée par Liu et al. (Liu et al. 1988). Cette méthode d’analyse permet de connaître l’énergie de liaison des molécules présentes à la surface d’un matériau, en étudiant le spectre en énergie des photo-électrons émis par un échantillon après son irradiation par des rayons X. La première courbe, en haut à gauche de la figure V.5, présente le spectre XPS d’un échantillon témoin qui n’a pas été traité par un rayonnement UV. Celui-ci comporte du palladium à sa surface (pic entouré en rouge). Le second spectre XPS, en haut à droite, est celui d’un échantillon comportant du palladium à sa surface et ayant été irradié par un laser ArF à 193 nm, à une fluence inférieure à la fluence seuil d’ablation du palladium. Il est à noter que le pic, correspondant au palladium, est toujours visibile. Enfin, le dernier spectre est celui d’un échantillon qui contenait du palladium mais a été irradié, avec un unique pulse, à une fluence supérieure à la fluence seuil d’ablation du palladium. Par ailleurs, le nombre de pulses n’a aucun effet sur ces résultats : il suffit d’un pulse de fluence supérieure au seuil d’ablation pour faire complètement disparaître le palladium, alors qu’un nombre élevé de pulses à une fluence inférieure à ce seuil ne parviendront pas à supprimer le palladium de la surface de l’échantillon.