Fabrication des microstructures
A. METHODES EXPERIMENTALES D’ELABORATION ET DE CARACTERISATION DES PLOTS DE COBALT
1.1. Principe de la lithographie
une expérience de lithographie performante installée sur le rayonnement synchrotron délivré par l’anneau de stockage de LURE « Super-ACO ». L’étape de lithographie est suivie d’une étape de gravure ionique sèche réalisée avec le concours de l’Institut d’Electronique Fondamentale (IEF) à Orsay. Après avoir décrit les deux techniques de fabrication ainsi que la technique de caractérisation chimique, le microscope Auger, nous passerons à la présentation des résultats expérimentaux.
A. METHODES EXPERIMENTALES D’ELABORATION ET DE
CARACTERISATION DES PLOTS DE COBALT.
L'objectif de cette partie est la description des différentes techniques de microfabrication utilisées en soulignant leurs avantages et inconvénients. Dans une première partie, j’exposerai les principes généraux de la lithographie en m’étendant davantage sur la lithographie par rayons X et je décrirai ensuite la technique de gravure ionique sèche.
1. L
A LITHOGRAPHIE PAR RAYONSX
1.1. Principe de la lithographie
Le principe de la photolithographie est de projeter l’image d’un masque dans un film photosensible qui servira de masque pour des traitements ultérieurs. Ce film est un polymère dont les propriétés physiques sont modifiées en l’éclairant par un rayonnement électromagnétique. Le procédé comprend essentiellement 3 étapes :
1.1.1. L'enrésinement
figure 3.1a : dépôt de la résine sur l’échantillon
Cette étape consiste à déposer la résine photosensible sur l'échantillon à lithographier en films minces d’épaisseurs comprises entre 0.2 et 2 µm. L'utilisation d'un plateau, appelé tournette, tournant à grande vitesse permet d'étaler des couches d'épaisseur bien contrôlée.
résine
RAYONNEMENT UV, X ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓
figure 3.1b : mise en place du masque
1.1.3. La révélation
Cette dernière étape développe la résine faisant apparaître une image en relief obtenue par les différences de solubilité entre les zones de résine exposées et celles qui ne l'ont pas été. Nous avons utilisé deux types de résine :
figure 3.1c : profil après révélation pour une résine positive.
figure 3.1d : profil après révélation pour une résine négative.
masque résine
échantillon
La résine est positionnée en face d’un masque dont on veut reproduire le motif. Suivant le type de lithographie utilisé, le masque est en contact ou à proximité de la résine. L’image du masque peut également être projetée sur la résine dans le cas de la lithographie optique. Le faisceau irradie préférentiellement les zones non masquées de la résine, celles qui sont masquées le seront aussi dans le cas des rayons X, mais beaucoup moins.
la résine positive
les parties insolées sont solubles alors que celles qui ne l'ont pas été sont insolubles. Elle est appelée positive car elle reproduit le motif du masque. Dans ce cas, l'énergie absorbée sous l'influence du rayonnement conduit à une dégradation de la chaîne principale du polymère ou à la destruction d’un inhibiteur à la dissolution joint à la résine.
la résine négative
les parties non insolées sont solubles alors que les autres ne le sont pas. Elle est appelée négative car elle reproduit le motif inverse du masque. Dans ce cas, l'énergie absorbée permet une réticulation entre macromolécules ou favorise la polymérisation du composé, le rendant moins soluble.
figure 3.2 : profil d'intensité lumineuse dans la résine (a) dans le cas idéal qui ne présente pas de diffraction du rayonnement incident et (b) dans le cas réel [Tre]
figure 3.3 : profil physique de la résine obtenu après développement dans le cas idéal (courbe (a)) et réel (courbe (b)) pour une résine positive (α)[Tre] et une résine négative (β).
1.2.1. L'enrésinement
L’enduction de la surface par la résine se fait par centrifugation à partir de quelques gouttes du mélange déposées sur l’échantillon. Les épaisseurs sont calibrées sur des courbes «étalon» en fonction de la viscosité de la solution, de la vitesse de rotation ainsi que l'accélération du plateau tournant qu’il est donc important de maîtriser. Le contrôle de l'épaisseur est d'autant plus difficile que la viscosité de la résine augmente avec le temps. L'épaisseur du film polymère dépend également de la forme de l'échantillon. En effet, la forme rectangulaire de nos échantillons favorise des dépôts non homogènes dus à des effets de bord plus importants que dans le cas d’échantillons circulaires couramment utilisés en micro électronique.
1.2.2. L'exposition et le développement de la résine : problème de diffraction
L'exposition de la résine se fait à travers un masque qui comporte des parties transparentes au rayonnement et des parties absorbantes. S'il n'y avait pas de diffraction, la répartition de l'énergie lumineuse au niveau de la résine suivrait la courbe (a) de la figure 3.2. En réalité, l'énergie lumineuse suit la courbe (b) de la figure 3.2 à cause de la diffraction de la lumière par les bords du motif. Ceci est gênant dans la lithographie classique utilisant une résine positive car les flancs des motifs après développement ne sont pas droits comme on peut le constater sur la figure 3.3.α. La taille latérale des plots de résine est alors plus grande que celle des plots du masque entraînant un pas de réseau plus petit. Par contre, cet effet sera mis à profit pour la technique de lift-off (voir paragraphe 1.3). En effet, si une résine négative est utilisée, nous sommes en mesure d’obtenir un profil en « casquette » qui est représenté sur la figure 3.3.β.
Ce problème de diffraction existe pour toutes les techniques lithographiques nécessitant un masque mais l’effet peut être réduit en diminuant la longueur d’onde du rayonnement utilisé. De plus, des effets de diffraction supplémentaires peuvent apparaître si la longueur d’onde est de l’ordre de grandeur de la taille des motifs du masque [Bar 96]. C’est pourquoi, pour réaliser des structures de plus en plus petites avec une bonne définition, il est souhaitable d’utiliser un rayonnement de courte longueur d’onde dans le domaine des rayons X par exemple. Dans ce cas, la résolution, ζ, est limitée par le type de résine utilisé et par la loi
ζ α λ= g (3.1)
où
α dépend du procédé et varie entre 0 et 2.5, λ est la longueur d’onde du rayonnement et g est la distance entre le masque et l’échantillon. Les flancs de résine obtenus en lithographie X sont toujours plus verticaux qu’avec la lithographie optique.
figure 3.4 : principe du lift-off. Après le dépôt et la révélation de la couche de résine (a), le moule obtenu est recouvert d’un matériau métallique (b). Puis, le motif final de gravure est obtenu après le retrait de la résine restante (c).
figure 3.5 : réalisation d'un profil inversé pour un meilleur lift-off. Le dépôt discontinu de la couche métallique assure une meilleure solubilité de la résine formant le moule.
1.3.1. Le principe
Bien souvent, la gravure ionique nécessite l’utilisation d’un masque de protection qui n’est pas ou peu modifié par les effets thermiques et physiques du bombardement ionique. Comme les résines fluent lorsqu’elles sont chauffées et qu’elles sont fortement abîmées par les impacts des ions, il est parfois préférable que le masque de protection soit composé d’un autre matériau. Dans la technique du lift-off, le motif transféré dans la résine après son insolation et sa révélation constituera un moule (figure 3.4a) pour le dépôt du masque de protection (figure 3.4b). Le retrait de la résine qui n’a pas été dissoute lors de la première étape entraîne la couche protectrice superflue laissant place au motif à graver (figure 3.4c).
Généralement, le lift-off se fait avec une couche protectrice de métal. Dans notre cas, nous avons utilisé de l'aluminium car, d’une part, il est couramment utilisé en micro-électronique et, d’autre part, il s'enlève facilement dans une solution à base de soude (NaOH 1N diluée 5 fois).
Le dépôt de métal dans le cas d’une procédure lift-off est de bonne qualité lorsque le film métallique est discontinu sur le bord de la résine. Cette discontinuité permettra ultérieurement le passage des éléments chimiques qui dissolvent la résine restante révélant ainsi le motif à graver. Pour cela, l'épaisseur de résine doit être plus importante que celle du film métallique. Dans la pratique, elle doit être 3 à 6 fois plus épaisse. La réalisation de profils inversés en forme de « casquette » qui peuvent être obtenus à l’aide d’une résine négative comme cela a été montré sur la figure 3.3.β entraînera une discontinuité du film métallique au niveau de l’ouverture de la résine car le métal n’a pas la possibilité de se déposer sur les flancs du trou (figure 3.5).