Lithographie

Nous avons vu au chapitre 2 que la cavité du cristal photonique était réalisée en décalant les trous au centre du guide de quelques nanomètres seulement. Ainsi, il est évident que lors de la fabrication, une variation de la taille ou la position des trous constituant la cavité au centre du cristal photonique modifie complètement son com-portement. Ces variations seront d’autant plus impactantes que la taille des motifs à réaliser sera faible. Ainsi, pour la réalisation des cristaux photoniques dont les para-mètres ont été optimisés à l’aide des simulations, une technique de précision a été choisie pour la réalisation de nos motifs. Si la lithographie optique est essentiellement destinée aux motifs de taille supérieure à un micromètre, la lithographie électronique permet quant à elle d’atteindre des résolutions largement submicroniques. La salle blanche de l’IEF dispose de deux machines de lithographie électronique dont une, la Nanobeam 4, a une résolution théorique de 1 nm et une taille de spot d’environ 5 nm pour une tension d’accélération de 80kV.

3.5.1.1 Principe

Quelle que soit la technique utilisée, le principe général demeure sensiblement le même. La lithographie, qui consiste à reproduire un motif sur un substrat par l’inter-médiaire d’une résine, se décompose essentiellement en trois étapes :

– une couche de résine électronique la plus homogène possible est déposée sur l’échantillon à structurer.

– l’échantillon est ensuite exposé au faisceau électronique en suivant le dessin du masque, au format GDS dans notre cas. Sous l’action des électrons, les propriétés physico-chimiques de la résine, comme sa solubilité par exemple, sont modifiées.

– l’échantillon est révélé dans un solvant spécifique que l’on appelle développeur. Le motif est enregistré dans l’épaisseur de la couche de résine.

Figure 3.18 – Schéma d’un appareil de lithographie électronique [225]

A la suite de la lithographie, le motif défini dans la résine est transféré dans le substrat pour former la structure souhaitée. L’appareil de lithographie fonctionne de la façon suivante. A l’image d’un MEB, un faisceau d’électrons est émis puis accéléré par une source de tension. Il est ensuite mis en forme à l’aide d’un système optique constitué de lentilles et de diaphragmes puis balayé suivant les axes x et y par 2 paires de bobines de déflexion pour reproduire le motif sur l’échantillon. Un exemple d’appareil de lithographie électronique est représenté sur la figure3.18.

3.5.1.2 Conception du masque GDS

En lithographie électronique, un logiciel sert d’interface avec l’utilisateur et sert à préparer les motifs et l’exposition, ainsi qu’à exécuter l’exposition. Dans le cas de la Nanobeam 4, le faisceau d’électron reproduit le motif généré à partir d’un masque au format GDS. Les masques ont été créés à partir du logiciel L-Edit, un logiciel de dessin de circuits intégrés permettant de générer des masques à ce format. Ce logiciel dispose d’un compilateur en langage C++ qui permet de créer des sous-programmes au sein du masque permettant l’automatisation de la réalisation du dessin de la cavité à cristaux photoniques, des guides d’accès maintenus par les nanopoutrelles ou des tapers. Ce type de dessin en approche membranaire ayant déjà été réalisé lors de thèses précédentes [181, 182, 183], les masques ont été repris et les paramètres correspondant ont été ajustés.

3.5.1.3 Enrésinement

Le choix de la résine est important car elle doit permettre d’avoir la meilleure résolution possible du motif à transférer tout en gardant une bonne résistance à la gravure. Parmi les résines disponibles (e.g. UV3, ZEP, PMMA, HSQ) une résine positive a été choisie car elle permet de réaliser plus facilement des trous qu’une résine négative. De ce fait la HSQ ne convenait pas. La ZEP520A constituait le meilleur choix car elle est réputée pour avoir une résistance à la gravure par plasma plus grande que les autres résines.

La ZEP est tout d’abord diluée dans de l’anisole (méthoxybenzène) en proportion 1 :1 afin de pouvoir déposer une épaisseur de résine plus fine. Une attention particulière est portée au mélange de ces deux composés afin de limiter au maximum la présence de bulles d’air. On procède ensuite à l’enrésinement de la surface de l’échantillon par spin-coating. Un promoteur d’adhérence est d’abord déposé, puis la ZEP avec les para-mètres suivants : une accélération d’environ 800 tours/min/s pendant 6s et une vitesse de rotation de 5000 tours/min maintenue pendant une minute. Nous obtenons une épaisseur finale de 150 nm. Un recuit de 2 min 30 s à 180 °C sur une plaque chauffante permet d’évaporer le solvant contenu dans la résine et de la durcir. Il est préférable de laisser un temps de pause de quelques minutes entre l’enrésinement et le recuit afin de dissiper les contraintes résiduelles au sein de l’échantillon et d’assurer la bonne tenue du film déposé.

3.5.1.4 Insolation

Contrairement à la lithographie optique, les temps d’insolation en lithographie électronique sont grands. Ceci est dû au fait que le faisceau d’électrons va insoler point par point les zones définies par le masque pour créer la structure. La surface exposée par le faisceau d’électrons sans déplacement mécanique de la platine supportant l’échantillon est appelée champ d’écriture. Sur la nanobeam 4, les champs ont une taille maximale de 500 µm, et sont divisés en sous-champs d’une taille maximale de 20 µm. Un décalage, appelé raccord de champ, de 20 nm au maximum, peut survenir entre deux champs d’écriture du fait du déplacement de la platine. Les raccords de sous-champs sont eux en général négligeables. Les guides à cristaux photoniques que nous souhaitons réaliser faisant une longueur totale de 500 µm et 1 mm, il faut donc prévoir la position des champs d’écriture pour éviter les erreurs d’alignement des motifs liés aux raccords de champs (cf figure 3.19).

Par ailleurs, la dose d’insolation, exprimée en Coulomb par mètre carré, est un critère important en lithographie car elle est directement liée à la taille finale des cercles

Figure 3.19 – Dessin d’un cristal photonique sur le masque GDS divisé en plusieurs champs (en jaune) et sous champs d’écriture (en bleu). En haut à gauche : la structure fait 500 µm et peut être lue dans un seul champ de la même taille. En bas à gauche : la structure fait 1 mm de long. Plutôt que d’utiliser deux champs de 500 µm, on évite les erreurs de raccord de champ au centre de la cavité en centrant la structure sur une zone couverte par trois champs d’écriture dont le champ central vaut 500 µm. A droite : sous champ de 20 µm centré sur la cavité.

obtenus et à la précision des motifs obtenus. Sur le masque, on remarque que certains motifs se recouvrent, comme par exemple le guide d’onde et les trous de la première colonne du cristal photonique. Cela signifie qu’ils sont exposés deux fois au faisceau d’électrons. Ce phénomène peut se compenser en choisissant une dose plus faible. De la même façon, pour les très larges motifs comme les tranchées servant à la découpe, la dose peut être diminuée par rapport aux plus petits motifs comme des trous de cristal photoniques. La dose étant fixée, l’écriture sera d’autant plus rapide que le courant est élevé. Cependant, l’électronique de commande du système de lithographie ayant une vitesse finie, les courants élevés (10 nA) sont mieux adaptés aux motifs larges comme les guides alors que les faibles courants (0.8 nA) permettent d’avoir une meilleure résolution et sont donc adaptés aux petits motifs comme les nôtres. Compte tenu de tous ces paramètres, le temps d’écriture nécessaire à la réalisation de quelques milliers de guides à cristaux photoniques associés à leur guide d’accès sur un substrat de la taille d’un quart de 2 pouces atteint plusieurs heures.

3.5.1.5 Développement

La dernière étape de la lithographie est le développement. L’appellation résine positive signifie que ce sont les zones insolées qui sont éliminées lors du développement. La ZEP est développée avec un développeur spécifique, le ZED-N50, pendant 1min30. Spécialement conçu pour ce type de résine, le développeur va solubiliser la partie insolée pour ne laisser que la résine non exposée aux électrons. Le substrat est ensuite immergé pendant 20 s dans de l’isopropanol pour stopper la réaction puis séché sous flux d’azote.

Le temps de développement doit être maitrisé, à la seconde près, afin d’éviter un « sur-développement » ou un « sous-sur-développement » des motifs dont la taille ou la verticalité des flancs serait alors modifiée. La qualité du développement est alors vérifiée par microscopie optique.