Lithographie

a quartz nous permettant de mesurer l’´epaisseur de mat´eriau d´epos´ee. En effet, la fr´equence de

r´esonance de la balance d´epend de la masse de l’ensemble quartz-d´epˆot. Les mat´eriaux couramment

d´epos´es grˆace `a notre bˆati d’´evaporation sont le titane, l’or et l’aluminium. Pour des raisons

pratiques, essentiellement de gain de temps, nous effectuons toujours les d´epˆots d’aluminium

concernant les transducteurs par pulv´erisation cathodique magn´etron cit´ee pr´ec´edemment.

2.2.3 Lithographie

Commen¸cons par un peu d’´etymologie, le terme lithographie est compos´e du terme d’origine

grecque litho signifiant pierre et du terme graphie signifiant ´ecriture. Ce qui nous donne donc

litt´eralement ”´ecriture sur pierre”. Cette technique remonte `a une ancienne m´ethode d’impression

en noir et blanc `a partir d’une pierre calcaire sur laquelle est report´e un motif, `a l’envers, `a l’aide

d’une encre. Le motif est ensuite transf´er´e par contact sur le support `a imprimer. Ce proc´ed´e est

`

a la base de ceux utilis´es dans la fabrication des microsyst`emes. Dans les microtechnologies, le

principe g´en´eral de la lithographie consiste `a reproduire une image sur un substrat recouvert d’une

couche de r´esine. On fait subir `a cette r´esine une transformation chimique grˆace `a un rayonnement

ultraviolet, de rayons X, de faisceaux d’ions ou de faisceaux d’´electrons. En fonction du type de

r´esine utilis´ee (positive ou n´egative) et des zones insol´ees ou non, on pourra obtenir le motif

souhait´e apr`es d´eveloppement. Comme vous pouvez le constater, le principe de base est toujours

le mˆeme. Ce qui diff`ere essentiellement d’une technique `a l’autre de lithographie, c’est le type

de rayonnement utilis´e pour irradier la r´esine. Au laboratoire, les deux techniques utilis´ees sont

la lithographie ´electronique et la photolithographie. Au cours de ces travaux, nous n’avons fait

appel qu’`a la photolithographie. C’est pourquoi nous n’´evoquons que rapidement la lithographie

´

electronique et d´etaillons davantage la photolithographie.

Lithographie ´electronique

Les principaux travaux r´ealis´es au laboratoire avec ce type d’appareil (Microscope Electronique

`

a Balayage JEOL 6500F et un syst`eme ext´erieur RAITH Elphy plus pour assurer la d´eflexion du

faisceau) sont dus `a B. Assouar travaillant sur la r´ealisation de cristaux phononiques par inversion

de domaine et P. Kirsch, dans le cadre de sa th`ese, sur la r´ealisation de dispositifs SAW tr`es haute

fr´equance avec des r´esolutions submicroniques. La lithographie ´electronique date des ann´ees 1960,

les premi`eres machines ´etaient bas´ees sur le principe des microscopes ´electroniques `a balayage. Par

rapport aux ´el´ements essentiels d’une colonne de microscopie ´electronique, c’est-`a-dire le canon

`

a ´electrons, le syst`eme de focalisation et de balayage du faisceau, ont ´et´e ajout´es, juste apr`es

le canon, des plaques permettant d’agir sur le faisceau ainsi qu’une motorisation contrˆol´ee du

d´eplacement de l’´echantillon. L’ensemble du syst`eme est pilot´e par un ordinateur qui re¸coit les

informations du motif `a r´ealiser et les transforme pour les transmettre aux diff´erents ´el´ements de

la colonne qui agissent ainsi sur le faisceau d’´electrons de fa¸con `a reproduire le motif souhait´e. Au

cours de son d´eplacement le faisceau d’´electrons irradie une r´esine recouvrant le substrat. Cette

irradiation provoque une transformation chimique de la r´esine et la rend ainsi soluble ou non dans

un r´ev´elateur appropri´e. On obtient donc apr`es d´eveloppement le motif de d´epart. La lithographie

´

electronique permet d’obtenir de tr`es hautes r´esolutions (de l’ordre du nanom`etre). Elle offre une

grande flexibilit´e mais poss`ede quelques inconv´enients tels qu’une lenteur d’ex´ecution par rapport

`

Techniques de r´ealisation et de caract´erisation 35

Photolithographie

En ce qui concerne la photolithographie ou lithographie optique, la transformation de la r´esine

se fait `a l’aide d’un rayonnement ultraviolet (UV). L’insolateur de l’appareil (MA 750 de la soci´et´e

S¨ussMicrotec) utilis´e dans notre cas, poss`ede une longueur d’onde de 400 nm et un flux de 5

mW/cm

²

. La r´esine polym`ere est sensible aux radiations UV et afin de contrˆoler les zones

in-sol´ees, un masque est intercal´e entre la source lumineuse et le substrat. Ce masque est une plaque

de quartz sur laquelle un d´epˆot de chrome a ´et´e grav´e suivant les motifs souhait´es. En fonction de

la position du masque par rapport au syst`eme optique et le substrat, on distingue trois types de

photolithographie : par contact, proximit´e ou projection. Celle que nous utilisons est une

photo-lithographie de contact. En effet, le masque est en contact direct avec le substrat. Cette m´ethode

poss`ede l’avantage d’ˆetre simple et peu coˆuteuse par rapport aux autres mais g´en`ere parfois, de par

leur contact, des d´efauts sur le masque ou le substrat. Bien ´evidemment ces d´efauts augmentent

avec le temps d’utilisation. La r´esolution obtenue avec cette technique d´epend fortement du

pla-quage entre le masque et la r´esine du substrat. Dans le cas optimal, on peut esp´erer obtenir, avec

une longueur d’onde de la source de 400 nm, des r´esolutions de l’ordre de 1 `a 2µm. Le processus

complet de photolithographie est compos´e de quatre ´etapes :

– d´epˆot de r´esine

– recuit

– insolation

– d´eveloppement

Nous d´etaillons dans ce qui suit ces diff´erentes ´etapes.

D´epˆot de r´esine : La premi`ere chose `a faire, primordiale lorsque l’on fait de la

photolithogra-phie, c’est le nettoyage de l’´echantillon. En effet, comme nous l’avons signal´e pr´ec´edemment la

r´esolution d´epend du plaquage entre le masque et la r´esine du substrat. On comprend ais´ement

que si l’´echantillon est couvert de poussi`eres, lorsqu’on l’enduit de r´esine, celle-ci pr´esente des

d´efauts induisant un mauvais plaquage ou g´enerant un trou ou un court-circuit dans les

trans-ducteurs. La propret´e de l’´echantillon est par cons´equent l’´el´ement cl´e de la photolithographie. Ce

nettoyage se fait, dans notre cas, par un bain d’ac´etone soumis `a des ultrasons pendant 5 min suivi

d’un bain d’isopropanol dans les mˆemes conditions, nous finissons par un rin¸cage `a l’eau d´eionis´ee

et un s´echage `a l’azote sec. On peut maintenant passer `a l’enduction du substrat par la r´esine

photosensible. Ceci se fait par spin coating grˆace `a une tournette (cf. figure 2.4). L’´echantillon est

Fig. 2.4: Photographie de la tournette utilis´ee pour les d´epˆots de r´esine

plaqu´e par le vide sur un porte-substrat positionn´e sur un plateau. On d´epose quelques gouttes

de r´esine au centre de l’´echantillon, on ferme le capot de la tournette et on lance la rotation du

36 2.2 R´ealisation des dispositifs SAW

plateau. L’´etalement de la r´esine se fait donc par forces centrifuges. Les param`etres tels que la

vitesse, l’acc´el´eration de la rotation et le temps peuvent ˆetre contrˆol´es. L’´epaisseur de la couche

de r´esine d´epend essentiellement de la vitesse de rotation, de la viscosit´e de la r´esine et de la taille

de l’´echantillon. L’acc´el´eration et le temps, quant `a eux, influent d’avantage sur l’homog´en´eit´e, la

plan´eit´e du d´epˆot. Les param`etres que nous utilisons classiquement sont une vitesse de rotation

de 3000 tr/min, une acc´el´eration de 5000 tr/min/s pendant 60s. Cette rotation permet d’´etaler de

fa¸con homog`ene la r´esine mais aussi de commencer `a ´evaporer le solvant de cette r´esine. En effet,

les r´esines photosensibles sont compos´ees pour l’essentiel de trois mat´eriaux :

– une matrice polym`ere qui procure au film ses propri´et´es m´ecaniques et physiques

– un compos´e photoactif

– un solvant qui d´etermine la viscosit´e de la r´esine (et donc son ´epaisseur apr`es ´etalement) et

constitue environ 70% de la r´esine

Il existe deux types de r´esines photosensibles : positive et n´egative. Si la partie de la r´esine soumise

au rayonnement UV se dissout dans le r´ev´elateur, la r´esine est dite positive. Si elle est insoluble,

la r´esine est dite n´egative. Dans les deux cas, l’exposition au rayonnement UV provoque une

r´eaction du compos´e photoactif qui combin´e `a la matrice polym`ere va induire, en fonction du cas,

une dissolution ou pas dans le r´ev´elateur. En ce qui nous concerne, nous utilisons des r´esines de

la marque Shipley positives de diff´erentes viscosit´es. Le solvant n’est l`a que pour d´eterminer la

viscosit´e de la r´esine. Il est donc pr´ef´erable de l’´eliminer au maximum apr`es ´etalement du film

et ainsi en permettre la polym´erisation. Une partie du solvant a d´ej`a ´et´e supprim´ee lors de la

rotation de l’´echantillon dans la tournette mais pour en ´eliminer un maximum, on utilise une

phase de recuit.

Recuit : Imm´ediatement apr`es l’´etalement de la r´esine, on place l’´echantillon sur une plaque

chauffante (hot plate, cf. figure 2.5). La temp´erature est r´egl´ee `a 115˚C pendant une dur´ee de 30

secondes. Ceci permet d’´evaporer le solvant et de durcir la r´esine en permettant sa polym´erisation.

On refroidit ensuite l’´echantillon grˆace `a la soufflette d’azote. L’´echantillon est maintenant prˆet

pour l’insolation.

Fig. 2.5: Photographie de la plaque chauffante utilis´ee pour le recuit de la r´esine

Insolation : L’alignement et l’insolation se font sur l’appareil situ´e en figure 2.6. L’´echantillon est

positionn´e avec pr´ecision par rapport au masque grˆace `a un microscope. Une fois le positionnement

correct, l’´echantillon est plaqu´e contre le masque et l’insolation peut alors commencer. La dur´ee de

l’insolation est d’environ 2 `a 3 s et d´epend de l’´epaisseur de r´esine, de l’´emissivit´e du substrat et du

motif `a r´ealiser. Une fois l’´etape d’insolation termin´ee, nous pouvons effectuer le d´eveloppement.

Techniques de r´ealisation et de caract´erisation 37

Fig. 2.6: Photographie de l’aligneuse-masqueuse MA 750

D´eveloppement : La derni`ere ´etape consiste `a d´evelopper la r´esine insol´ee en utilisant un

d´eveloppeur adapt´e. Dans notre cas, nous utilisons le MF 319. La dur´ee de d´eveloppement d´epend

du temps d’insolation et de l’´epaisseur de r´esine. En g´en´eral, le d´eveloppement se fait en 40 `a

60 s. Au cours du d´eveloppement, on agite l’´echantillon de mani`ere `a obtenir un d´eveloppement

relativement homog`ene. On stoppe le d´eveloppement par un rin¸cage abondant `a l’eau d´eionis´ee et

on s`eche l’´echantillon grˆace `a la soufflette d’azote sec. L’´echantillon est maintenant prˆet pour la

phase de gravure du m´etal permettant de faire apparaˆıtre les motifs souhait´es.

Dans le document Réalisation et caractérisation d'un capteur de gaz à ondes de Love à base de la structure Polyaniline/ZnO/Quartz (Page 48-51)