Lithographie électronique

Après dépôt (Fig. 3.7.a), les nanotubes de carbone isolés sont localisés et repérés préci- sément par AFM. Leurs positions sont mesurées par rapport aux repères et aux électrodes métalliques fabriquées au préalable par lithographie optique. Seuls les portions de nano- tubes les plus rectilignes et les plus propres sont sélectionnées pour le contactage. On étale ensuite sur le substrat de la résine PMMA (Polyméthylmétacrylate) par rotation (« spin coating »). L’épaisseur de la couche de résine est d’environ 160 nm et aucun recuit n’est effectué après l’enduction. L’adhésion des nanotubes de carbone sur la surface (par in- teraction coulombienne ou par des forces de Van der Waals) est suffisamment forte pour empêcher les nanotubes d’être emportés avec l’excès de résine pendant l’enduction (Fig. 3.7.b).

La résine est ensuite insolée (Fig. 3.7.c) en balayant un faisceau d’électrons focalisés sui- vant un motif prédéfini pour chaque nanotube. Ce motif relie le nanotube aux électrodes

fabriquées au préalable par lithographie optique [202]. Il est nécessaire d’aligner l’insola- tion par rapport à la position des nanotubes localisés par AFM. Les marques d’alignement sont des carrés d’environ 3 µm de côtés, placés tout autour de la région à insoler. La pro- cédure d’alignement consiste à repérer la position de deux marques opposées, placées de part et d’autre de la zone d’insolation. L’alignement est manuel et permet d’obtenir une précision comprise, suivant les échantillons, entre 50 et 300 nm. Cette précision est suffi- sante pour aligner systématiquement les électrodes sur un nanotube. Au début de la thèse, l’insolation était réalisée dans un microscope Philips FEG STEM (Scanning Transmission Electron Microscope) CM20 à une tension d’accélération de 200 kV. Ce microscope électro- nique en transmission, pas destiné initialement à la lithographie électronique, a été équipé d’un module de pilotage et d’escamotage du faisceau d’électrons ainsi que d’un module de contrôle de déplacement de l’échantillon. Ce système a été remplacé par la suite par un masqueur électronique RAITH 150 qui présente un meilleur confort d’utilisation. Ce microscope fonctionne à une tension d’accélération de 20 kV avec des courants typiques de 100 pA. Dans ce travail, la taille du champ d’insolation était de 160×160 µm2 _{pour une}

dose de 350 µC.cm−2_.

L’irradiation de la résine par les électrons du faisceau provoque une scission des chaînes de polymère en fragments plus petits et plus solubles dans un solvant donné. Les petites chaînes sont dissoutes par un mélange (1 :3) de méthyl-isobutyl-ketone (MIBK) et d’iso- propanol (IPA). Le temps de révélation est d’environ 45 secondes à 20˚C. L’arrêt de la révélation se fait par rinçage à l’IPA. La résine est en général sur-révélée afin d’éviter la présence de résidus de PMMA pouvant limiter la qualité du contact électrique. Une fois sorti de l’IPA, l’échantillon est ensuite séché proprement sous un flux d’azote. A ce stade, on obtient un masque de résine structuré suivant le motif décrit par le faisceau électronique (Fig. 3.7.d).

L’échantillon est ensuite recouvert entièrement d’un film métallique d’environ 50 nm d’épais- seur. Le métal est déposé sur toute la surface de l’échantillon. Il recouvre à la fois la résine et les parties du substrat révélées (Fig. 3.7.e)). La dissolution de la résine est réalisée indif- férement dans un bain d’acétone ou de trichloréthylène et ne conserve que le métal déposé aux endroits insolés. Cette technique s’appelle le « lift-off » et permet ainsi de définir des électrodes métalliques suivant le motif désiré (Fig. 3.7.f)). L’emploi d’ultrasons s’est avéré parfois utile pour aider la résine à se dissoudre complètement et à enlever le métal en excès. Par contre, il est important de bien contrôler la puissance du bain d’ultrasons pour ne pas décoller et arracher les électrodes métalliques. Le substrat est ensuite rincé à l’acétone puis à l’eau désionisée et séché avec un jet d’azote de sorte que la surface du substrat et des nanotubes connectés soient bien propres. La figure 3.8 présente un exemple de dispositifs réalisés. La surface de contact entre le nanotube et les contacts électriques est optimisée de sorte que les électrodes métalliques recouvrent le nanotube sur une surface minimale typique de 300 nm de large. La distance entre les contacts est minimisée entre 100 et 300 nm afin de limiter l’effet des défauts sur les propriétés de transport du nanotube et de se placer dans une limite de transport balistique.

Si ++

SiO

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Nanotube

PMMA

Pd

Fig. 3.7 – Principales étapes de la connexion d’un nanotube de carbone par lithographie électronique. (a) Dépôt et localisation du nanotube par AFM. (b) Enduction du substrat avec de la résine PMMA. (c) Insolation de la résine par un faisceau d’électrons focalisés. (d) Révélation. (e) Métallisation. (f ) Lift-off conduisant à un nanotube connecté par deux électrodes métalliques.

1.5 µm

1.6 µm

a

b

c

Fig. 3.8 – Clichés AFM présentant les principales étapes conduisant à la connexion d’un nanotube de carbone à des électrodes métalliques. (a) Localisation à l’AFM des nanotubes préalablement déposés sur la surface. On peut voir en bas à gauche de l’image une électrode en Au fabriquée par lithographie optique. Cette électrode sert de repère pour la localisation des nanotubes. (b) Fabrication par lithographie électronique d’électrodes métalliques alignées sur le nanotube repéré en (a). (c) Image agrandie du fagot de SWNTs de 4 nm de diamètre et de 3.3 µm de long connecté à cinq électrodes en Pd de 50 nm d’épaisseur. Les électrodes métalliques situées à proximité du nanotube servent de grilles électrostatiques latérales.