Protocole de fabrication des antennes interdigitées

La fabrication d'antennes interdigitées se réalise en quatre étapes : 1. Fabrication d'un masque pour lithographie optique

2. Lithographie du motif interdigité - Première métallisation 3. Isolation électrique du motif interdigité

4. Réalisation de la grille de masquage - Seconde métallisation

3.2.2.1 Etape 1 : Fabrication d'un masque pour lithographie optique La première étape du processus de fabrication consiste à dessiner, à l'aide d'un logiciel de Dessin Assisté par Ordinateur, les diérents motifs nécessaires aux dif- férentes étapes de fabrication des antennes. Le logiciel de DAO utillisé est Tanner L-Edit. La gure 3.9 présente le dessin que nous avons réalisé pour une antenne

Figure 3.9  Etape 1 : Dessin réalisé pour une antenne interdigitée avec un espace inter-électrode de 10µm. (a) Motif pour la première métallisation. (b)Motif pour la gravure de l'isolant. (c) Motif pour la grille de seconde métallisation.

Figure 3.10  Photo prise au microscope optique du motif sur le masque d'une antenne interdigitée d'espace inter-électrode de 10 µm.

3.2. Fabrication des antennes photoconductrices interdigitées 61 interdigitée avec un espace inter-électrode de 10 µm.

Ce dessin est utilisé par la suite pour la réalisation d'un masque optique. Les masques ont tous été fabriqué dans la salle blanche de l'UPMC en collaboration de R. Gohier. Les motifs sont reproduits à l'aide d'un appareil de lithographie laser de marque "Heidelberg Instruments". Ce procédé permet d'illuminer une résine pho- tosensible déposée sur une plaque en quartz dont une face est enduite de chrome. Un laser focalisé reproduit automatiquement les motifs dessiné par ordinateur sur la résine chimiquement réactive à la longueur d'onde de ce laser. Par la suite, la technique repose sur le principe décrit au paragraphe 3.2.1.1. La gure 3.10 montre une photo du masque chrome correspondant au motif de première métallisation en gure 3.9. La partie blanche sur la photo correspond à la partie chromée du masque. Les deux croix et carrés observables aux coins opposés du motifs sont des marqueurs d'alignement qui permettent de s'assurer de la bonne superposition du motif de se- conde métallisation sur ce motif.

3.2.2.2 Etape 2 : Lithographie du motif interdigité et première métalli- sation

La gure 3.11 présente schématiquement la seconde étape de fabrication. La pre- mière métallisation est réalisée en plaçant le masque contenant le motif interdigité en contact direct avec le substrat enduit de résine et préalablement durcie pendant 1min45 à 125C sur une plaque chauante. L'échantillon est soumis à la première exposition UV symbolisée par les èches bleue pendant 5 s. Puis, l'échantillon est à nouveau chaué (renversement de l'image) pendant 1min50 à 125C. Il est ensuite exposé à nouveau, mais cette fois-ci sans masque, aux UV pendant 25 s. Enn, il est plongé dans la solution de développement pendant 30 s. S'ensuit l'évaporation métallique et le lift-o.

La gure 3.12 est une photo prise au microscope optique après cette première étape pour une antenne interdigitée avec un espace inter-électrode de 10µm. La zone comportant les doigts interdigitées est situé entre les deux surfaces métalliques per- mettant la connexion électrique.

Le tableau suivant récapitule les paramètres optimaux pour la lithographie UV (350 nm) avec résine négative AZ 5214E :

Enduction résine Soft bake 1ere _exposition

4000 tr/min, 30s 1'45, 125C 5s Hard bake 2eme_{exposition Développement}

Figure 3.11  Etape 2 : Réalisation de la première métallisation. (a) : Première ex- position avec masque optique. (b) : Résine après processus complet de lithographie. (c) : Echantillon après évaporation métallique. (d) : Echantillon après lift-o

Figure 3.12  Photo au microscope optique de la première métallisation d'une antenne interdigitée.

3.2. Fabrication des antennes photoconductrices interdigitées 63

Figure 3.13  Etape 3 Isolation de la zone interdigitée. A Echantillon après dépôt de SiO et résine de protection. B Echantillon après gravure ionique réactive. C Echantillon après dissolution de la résine restante.

3.2.2.3 Etape 3

La gure 3.13 montre l'étape d'isolation de la partie interdigitée. Une fois la pre- mière métallisation achevée, le dépôt de SiO est réalisé. Puis, un second processus de lithographie avec les mêmes paramètres que l'étape 1 doit être opéré. Un masque consistant en un carré dont les dimensions permettent de couvrir la zone interdigitée est utilisé. Après le processus de développement de la résine, l'aire interdigitée est protégée par une couche de résine (A). L'échantillon est préparé pour la gravure ionique réactive et est uniformément gravé jusqu'au substrat, excepté la partie pro- tégée par la résine (B). Enn, la résine est dissoute dans un solvant (C).

3.2.2.4 Etape 4

La dernière étape de ce processus de fabrication consiste à déposer la grille de masquage. La même technique de lithographie est employée. A l'aide de l'aligneur de masque muni d'un microscope, le motif de la grille sur le masque est aligné (à l'aide de marqueurs d'alignement) sur le motif interdigité de première métallisation. Cette partie est la plus délicate du processus de fabrication car il faut s'assurer, d'une part que la grille ne pourra induire de court-circuit avec la zone interdigitée et d'autre part, qu'un espace inter-électrodes sur deux est parfaitement masqué. De plus, la résolution de ce système tant du point de vue du microscope d'alignement que de la nesse du motif dans la résine atteint rapidement ses limites à partir d'éléments inférieurs à 2µm. C'est pourquoi les antennes fabriquées les plus nes

Figure 3.14  Etape 4 Réalisation de la grille de masquage. A Exposition aux UV du motif de la grille. B Après lithographie. C Après évaporation métallique. D Après lift-o.

dont les caractéristiques sont présentées dans la suite de ce chapitre ont un espace inter-électrodes de 2 µm. Des résolutions inférieures au µm peuvent être atteintes par lithographie par projection [Levinson 2005].

La gure 3.15 est une photo d'une antenne interdigitée nale. De manière géné- rale, un grand nombre d'antennes peut être fabriqué en une seule fois avec un masque optique approprié. Usuellement, le quart d'un wafer de GaAs de 2 pouces permet de réaliser une matrice de 20 antennes espacées de 2 mm les unes des autres an de disposer d'un certain confort lors de l'utilisation et du montage de l'échantillon sur un support optique. L'échantillon comportant les antennes est collé à la laque d'argent sur une plaque de cuivre dans laquelle un trou est percé pour le passage de l'onde THz. Le cuivre et la laque d'argent permettent de plus une meilleure tenue en température par une meilleure dissipation thermique. Des plots en céramique en- duits d'une couche d'or sont collés de part et d'autre de l'échantillon sur lesquelles des ls de cuivres gainés sont soudés pour la connexion électrique. Les antennes sont reliées connectées à ces plots par microsoudure à ultra-son de ls d'or ou d'alumi- nium de 25 µm. Le dispositif est ensuite collé à une monture optique commerciale pour y être inséré comme source dans le montage de spectroscopie THz. La gure 3.16 présente une photo du montage nal d'une série de 12 antennes photoconduc- trices interdigitées dont l'espace inter-électrodes varie de 2 à 20 µm.

3.2. Fabrication des antennes photoconductrices interdigitées 65

Figure 3.15  Photo au mircroscope optique de la structure nale d'une antenne interdigitée.

Figure 3.16  Photo du montage nale d'une série de 12 antennes photoconcduc- trices

3.3 Etude de l'accordabilité des antennes photoconduc-

trices interdigitées

Nous présentons dans cette section, l'étude concernant l'optimisation des an- tennes interdigitées, qui montre qu'il est possible de décaler le spectre d'émission des antennes interdigitées vers les hautes fréquences en réduisant la largeur de l'es- pace inter-électrodes [Madéo 2010]. Les antennes interdigitées sont des dispositifs récents et aucune étude sur l'aspect géométrique n'a encore été réalisée. De plus, Il est aisé d'étudier l'inuence de la largeur de l'espace inter-électrodes sur une struc- ture interdigitée car cette géométrie permet, contrairement aux antennes simples, de conserver la surface totale excitée, même avec des espacements inter-électrodes diérents. Alors, seul l'eet de la géométrie de l'espace inter-électrodes sur les impul- sions THz générées peut être étudié et découplé de la densité de puissance optique d'excitation qui reste constante d'une antenne à l'autre.

3.3.1 Mesure des spectres et champs électriques THz des antennes fabriquées

Nous avons fabriqué une série d'antennes interdigitées symétriques avec des es- paces entre électrodes de 2 µm, 5 µm, 10 µm et 20 µm. La surface excitable de cha- cune de ces antennes est de 6x104 _µm2 _{pour une surface totale de l'aire interdigitée}

de 2.5x105 _µm2_{. Les caractéristiques de l'émission sont mesurées par spectroscopie}

THz munie d'un cristal de détection de ZnTe de 200 µm. La surface des antennes est illuminée par un faisceau d'excitation d'un diamètre de l'ordre de l'aire interdigitée (∼ 500 µm). Les mesures présentées ont été réalisées avec une puissance moyenne d'excitation de 600 mW et un champ appliqué de 30 kV/cm correspondant à une tension de 60 V, 30 V, 15 V et 6 V pour les antennes de 20 µm, 10 µm, 5µm et 2 µm respectivement. La gure 3.17 présente les mesures des spectres en fréquences et des champs électriques en fonction du temps obtenues pour les quatre types d'antennes fabriquées.

Les fréquences associées aux pics des spectres sont 0.73, 1.04, 1.25 et 1.33 THz pour les antennes de 20 µm, 10 µm, 5µm et 2 µm, respectivement. Le spectre se décale vers des fréquences plus élevées à mesure que l'espace entre électrodes est réduit. Par exemple, à 2.75 THz l'amplitude spectrale est de 0.09, 0.14, 0.19, et 0.24 pour les antennes de 20 µm, 10 µm, 5µm et 2 µm, respectivement.