Ces techniques de photolithographie UV représentent une grosse partie de mon travail de thèse. En effet, j’ai réalisé de nombreux tests de durée d’insolation pour des masques réalisés en plastique ou bien en verre, pour avoir la meilleure résolution possible dans la définition de géo- métries particulières sur l’échantillon, tout en étudiant quelles étapes lors du procédé de micro- fabrication pouvait être critique pour les propriétés magnétiques du matériaux utilisé. J’ai aussi étudié quelle méthode de développement était la plus appropriée selon l’étape dans le procédé de micro-fabrication.
3.2.1
Photolithographie
La photolithographie, ou lithographie UV est un procédé visant à définir une géométrie par- ticulière pour la couche étudiée en transférant un motif à partir d’un masque. Nous pouvons mentionner par exemple une géométrie en croix de Hall pour les mesures de magnéto-transport, qui seront décrites à la section suivante. Ou bien en bandes droites, ce qui aide à mesurer les vitesses de parois de domaines.
Le principe est basé sur le transfert d’une structure géométrique dessinée sur un masque, sur une résine photosensible qui est déposée au préalable sur notre échantillon, ceci en exposant l’en- semble à la lumière. Pour cela, nous avons utilisé l’aligneur de lithographie par contact ,MJB3 , avec lampe DUV (Deep UV ) de la plateforme Nanofab.
Echantillon i. Résine photo- sensible (S1818) ii. Echantillon Résine photo- sensible (S1818)
Masque
iii. Echantillon Résine Echantillon Résine iv.Substrat Si/SiO2 Substrat Si/SiO2 Substrat Si/SiO2 Substrat Si/SiO2
UV
DéveloppeurFIGURE3.4: Différentes étapes nécessaires à la définition d’un motif sur l’échantillon. Ces étapes
sont décrites dans le texte. iii. représente l’exposition à la lumière UV . Figure adaptée de [4]. La résolution que nous pouvons obtenir en lithographie UV concerne des géométries dont les dimensions peuvent aller jusqu’à 10µm de large. Pour des motifs plus réduits en dimension, il faut alors utiliser une méthode de lithographie électronique.
Nous allons décrire les étapes nécessaires pour obtenir un motif. Nous avons utilisé une résine photosensible standard de type Shipley S1818. Cette résine étant positive, les parties qui sont exposées à la lumière seront dissoutes lors du développement après insolation. Elle est déposée par centrifugation grâce au Spincoater de la plateforme Nanofab, et a une épaisseur estimée à ≈ 1 , 8 µm de résine [4]. Cette résine est ensuite recuite à 115◦C durant une minute afin d’éliminer le solvant encore présent. Cette étape correspond à l’étape i. de la figure3.4.
Ensuite le masque est mis en contact avec l’échantillon et une étape d’alignement avec les motifs définis au cours de lithographies précédentes peut être nécessaire (étape ii.).
S’ensuit alors une étape d’exposition de l’ensemble à la lumière UV . Selon la puissance de l’appareil et le type de masque utilisé (plastique ou verre), les temps d’insolation pouvaient diffé- rer (étape iii.). L’exposition directe à la lumière induit une modification des propriétés chimiques de la résine, les zones exposées seront alors sensibles à la solution utilisée pour le développement. L’étape de développement consiste alors à plonger l’échantillon + résine insolée dans la solu- tion utilisée comme développeur, durant 1 minute. La résine insolée se dissout et fait apparaître la géométrie souhaitée dans la résine non-insolée. La géométrie est alors visible (étape iv.). Nous réalisons ensuite un rinçage de l’ensemble dans l’eau distillée durant 1 minute.
Nous allons maintenant décrire deux types de procédé de micro-fabrication qui peuvent être employés après cette étape préliminaire de photolithographie.
3.2.2
Méthodes de développement
Lift-off
La technique dite de "lift-off" consiste à déposer un nouveau matériau sur tout l’échantillon : le matériau adhère à l’échantillon dans les zones où il n’y a plus de résine. Cette méthode est qua- lifiée d’additive (comparé à une méthode de gravure soustractive, "etching", que nous décrirons par la suite). Cette technique est résumée en figure3.5a). Après ce dépôt une étape de rinçage est nécessaire (généralement dans de l’acétone) venant éliminer la résine restante ainsi que le maté- riau qui se trouvait au-dessus. La géométrie ainsi définie sera représentée par les motifs restants sur les zones qui avaient été insolées. De plus, un phénomène dit de "de lift-off ears" peut être obtenu. L’épaisseur du métal couvrant les bords du motif en résine peut être plus importante et peut être mal retirée lors du procédé de lift. Ce métal peut alors tomber sur les reste de la structure et créer une couche supplémentaire non désirée.
Les principaux avantages de cette technique sont sa rapidité et le fait qu’elle ne requiert pas l’utilisation de technique particulière. Toutefois, la qualité du motif peut être altérée par le fait que les particules de métal en solution peuvent se redéposer de manière aléatoire sur l’échantillon, induisant parfois des court-circuits non désirés.
Gravure
La méthode de gravure par faisceau d’ions ("ion beam etching") se décrit comme la com- plémentaire de la méthode de lift [4]. Elle consiste à diriger un faisceau d’ions sur la surface de l’échantillon photolithographié et le bombardement de ces ions sur les atomes de la surface vient les arracher, grâce à un transfert de moment cinétique. Ceci se produit dans les zones non protégées par la résine (cf fig.3.5b)) et le motif de la résine est donc transféré sur l’échantillon. La résine restante est ensuite dissoute dans l’acétone.
Echantillon Résine Matériau à lifter Echantillon Substrat Si/SiO2 Echantillon Résine a) b) Faisceau d'ions Substrat Si/SiO2 Echantillon
Substrat Si/SiO2 Substrat Si/SiO2
FIGURE 3.5: a) Méthode dite de "lift-off", ou de définition d’un motif par arrachage après le
dépôt du matériau à définir.
b) Méthode dite de gravure "etching" qui consiste à définir le motif désiré en gravant directement le matériau.
Figure adaptée de [4].
Cette méthode requiert un équipement spécial et est donc réalisée dans une chambre de gra- vure, maintenue sous vide secondaire durant toute l’étape de gravure. Un spectromètre de masse (SIMS4) permet de contrôler la progression de la gravure. L’échantillon est mis en rotation pour graver de manière homogène. Le suivi du procédé de gravure grâce au SIMS permet d’avoir une idée très précise sur les vitesses de gravure et donc de s’arrêter dans une couche déterminée. Cette méthode est considérée comme plus propre que le lift, car le pompage permanent de la chambre élimine les atomes retirés en surface et aucun phénomène analogue au "lift off ears" n’est attendu. Cependant, la forte énergie des ions du faisceau induit un léger recuit des extrémités des zones à graver, et cela peut entrainer une modification locale des propriétés magnétiques des matériaux.
Au cours de cette thèse, la méthode de gravure a surtout été utilisée pour créer des motifs au sein de notre métal ferromagnétique. Et la méthode de lift a été employée pour définir les motifs du diélectrique et des contre-électrodes d’ITO , utiles à l’application du champ électrique.