Chapitre II: Optimisation de la photolithographie sur diamant
II.1 Les limites de la photolithographie classique sur diamant
La photolithographie permet de définir des motifs dans de la résine photosensible. C’est donc une étape primordiale dans l’élaboration de structures sur des échantillons de diamant puisqu’elle permet par exemple de créer des masques de gravure ou de déposer des plots ou des pistes métalliques. La photolithographie est caractérisée par la succession de trois étapes :
- l’étalement de résine photosensible classiquement réalisé par centrifugation ou « spin
coating »,
- l’insolation de cette résine par de la lumière UV au travers d’un masque physique (chrome sur verre),
- la révélation dans un produit chimique adapté qui va dissoudre la résine en fonction de son insolation à l’étape précédente, selon si elle est positive ou négative.
Les deux premières étapes posent problème dans le cas des échantillons de diamant, les moyens technologiques de lithographie classiquement utilisés étant généralement adaptés à des substrats de grande taille, au-delà d’un pouce de diamètre, et non à des échantillons de dimensions millimétriques.
II.1.1 Étalement de la résine par spin coating
L’étalement de la résine sur des échantillons de dimensions millimétriques est une étape critique du procédé de photolithographie. La méthode classique, appelée spin coating, consiste à placer l’échantillon sur une tournette et à y déposer une épaisseur précise de résine en jouant sur la vitesse, l’accélération et le temps de rotation de cette tournette. Cette technique rapide et peu coûteuse permet d’obtenir une couche homogène de résine sur un substrat [Lawrence88], sauf en périphérie où un « effet de bord » peut apparaître : en effet une petite quantité de résine peut s’y accumuler et un bourrelet se former dont la largeur peut aller jusqu’à 500µm [Tyona13]. Cela ne pose pas en général de problèmes sur des substrats standards circulaires mais devient critique pour un échantillon carré d’autant plus s’il est de petite taille comme le sont les échantillons diamant, de superficie 2x2mm2 ou 3x3mm2.
La Figure II.1 montre le type de bourrelet obtenu en utilisant cette technique sur un échantillon de diamant. Le bourrelet de résine recouvre près de 50% de la surface de l’échantillon et limite donc fortement sa surface utile.
Il est donc impératif de développer une technique de dépôt de résine photosensible adaptée pour permettre la microfabrication de composants de puissance sur diamant.
51 Figure II.1 a) Vue de dessus au microscope optique et b) schéma en coupe d’un dépôt de résine sur substrat diamant par spin
coating
II.1.2 Insolation de la résine avec masque physique
L’insolation de la résine, c’est-à-dire son exposition à la lumière UV, est l’étape qui permet de définir des motifs dans celle-ci. Dans le cas d’une résine positive, la partie exposée aux UV sera dissoute par la révélation (immersion de l’échantillon dans un bain chimique appelé révélateur). Au contraire, une résine négative insolée sera polymérisée par les UV et ne sera pas dissoute par le révélateur.
La méthode classiquement utilisée (Figure II.2) consiste à mettre en contact avec l’échantillon un masque de verre comprenant des motifs en chrome et d’exposer le tout à une lumière UV (avec une lampe à mercure ou à LED par exemple).
Figure II.2 Schéma de principe de l'insolation de résine photosensible
L’insolation de la résine par la méthode classique pose également problème. La taille des échantillons ne permet pas l’utilisation de machines de photolithographie et d’alignement automatisées ou semi-automatisées. Les systèmes de photolithographie manuels, quant à eux, limitent fortement la résolution maximale d’insolation et d’alignement (~5µm minimum) puisque le contact entre les masques et les échantillons utilisés est mauvais à cause de la forte différence de taille entre les deux et de l’inhomogénéité de la résine déposée. On peut voir sur la Figure II.3 plusieurs exemples de problèmes qui peuvent survenir. La Figure II.3 a) montre que la résine n’étant pas uniforme, l’échantillon peut coller au masque au niveau des bourrelets
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de résine, causant après retrait du masque un manque de résine par endroits. Les différentes épaisseurs de résine peuvent également avoir un fort impact sur la résolution des motifs de l’échantillon. En effet la dose d’UV restant la même malgré l’épaisseur plus importante de résine sur les bords, elle est donc insuffisante pour obtenir la résolution souhaitée à cet endroit. Sur la Figure II.3 b) on peut observer une photo MEB d’un motif réalisé avec cette technique d’insolation : la résolution et la définition du motif ne sont pas correctes, avec des bords dentelés et non droits, à cause du mauvais contact entre le masque et l’échantillon qui entraîne une diffraction de la lumière UV. Toujours pour les mêmes raisons, on peut observer sur la Figure II.3 c) les difficultés d’alignement entre deux niveaux de masquage (dans ce cas désalignement entre ouverture dans l’oxyde et métallisation de contact).
Figure II.3 Problèmes typiques observés sur diamant en lithographie classique : a) défauts de résine dus au contact entre masque et substrat b) mauvaise définition des motifs c) mauvais alignement entre masque physique et substrat. Ces techniques de lithographie ont été utilisées dans différents travaux réalisés au laboratoire depuis 2005. Cependant, les techniques et outils disponibles en salle blanche ayant considérablement évolués, une optimisation des techniques a été réalisée dans le but d’améliorer fortement la résolution et la définition des motifs réalisés, l’homogénéité de ces motifs et la surface utile de ces échantillons.