Protocoles mis en œuvre

Les substrats utilisés ont été élaborés par les techniques conventionnelles de photolithographie sur des wafers 4 pouces Si/SiO2 préalablement traitées par un plasma O2, une déshydratation à 150 °C, et un dépôt d’héxaméthyldisilazane (HMDS) qui est un promoteur d’adhérence avant le dépôt de résine.

i. Protocole n°1 : double lift-off

Ce premier protocole s’appuie sur le procédé du ‟double lift-offˮ. Une couche de résine photosensible négative (nLOF), épaisse de 2,5 µm, est déposée sur le wafer par enduction centrifuge. A la suite d’un recuit, la résine est insolée suivant un premier niveau de photolithographie à l’aide d’un masque dénommé L1 :

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Figure III.2: Etapes de photolithographie nécessaires à la réalisation du dispositif selon le double lift-off.

A l’étape de la révélation de la résine dans un bain chimique, les zones non exposées aux rayonnements ultraviolets sont sélectivement dissoutes. On effectue ensuite une métallisation de Cr (40 nm) / Pt (200 nm) par dépôt physique en phase vapeur sur le wafer entier. Le métal se dépose alors sur le Si/SiO2 selon le dessin du dispositif, avec une couche de chrome servant comme couche d’accroche entre le platine et le SiO2.

Le wafer est ensuite envoyé à l’institut Jean Lamour à l’Université de Lorraine pour effectuer un dépôt de ruthénium métallique de 100 nm sur le wafer complet. Le dépôt physique en phase vapeur est effectué à une pression de 1 Pa, sans chauffage intentionnel, mais peut atteindre une température de 50 °C lors du dépôt.

L’étape du double lift-off est ensuite effectuée sur le wafer. Celle-ci consiste en un retrait de la résine nLOF par immersion du wafer dans un bain d’acétone. On parle ici de double lift-off car il permet le retrait de la résine après deux dépôts métalliques successifs. Celui-ci peut-être plus compliqué que le lift-off classique du fait de l’épaisseur métallique recouvrant la résine, plus importante que dans le cas d’un seul dépôt. Ainsi, l’accès à la résine par le solvant est plus long et parfois plus difficile, voire impossible. Dans notre cas, on observe des zones métalliques bien définies et un retrait impeccable de la résine nLOF. A l’issue des procédés, le dispositif sur le wafer est entièrement recouvert de Pt (200 nm) / Ru (100 nm).

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ii. Protocole n°2 : lift-off en deux temps

Le deuxième protocole que nous avons effectué est similaire au premier, à la différence que celui- ci s’effectue sur deux niveaux de photolithographie. Un premier dépôt de résine nLOF est effectué dans les mêmes conditions suivant le masque L1, permettant la sélectivité de tout le dispositif à l’insolation ultraviolet. Une fois la résine révélée, une métallisation Cr (40 nm) / Pt (200 nm) est effectuée, suivie du premier lift-off de la résine nLOF.

Figure III.3: Etapes de photolithographies nécessaires à la réalisation du dispositif utilisant un lift-off en deux temps.

L’immersion dans un bain d’acétone permet le retrait de la résine recouverte du métal conservant uniquement les zones métalliques du dispositif. Comme schématisé sur la figure III.3, un deuxième niveau de photolithographie est effectué, consistant en un autre dépôt de résine photosensible nLOF à l’aide du même masque L1. On peut voir ce dépôt de résine après métallisation en figure III.4 sur une image réalisée au microscope électronique.

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Figure III.4: Image au microscope de la résine du deuxième niveau de photolithographie

Cette deuxième protection sélective permet à l’équipe de l’Institut Jean Lamour de procéder au dépôt métallique de ruthénium (100 nm) sur la couche de platine dans les mêmes conditions. Le dispositif résultant de ce protocole est identique à celui fabriqué selon le premier protocole, et nous permet de valider deux protocoles différents. Le lift-off direct effectué en deux niveaux de photolithographie est effectivement contraignant car il nécessite un alignement précis du motif déjà réalisé sur le wafer avec le motif du masque pour le second lift-off. A cette résolution (motif de 5 µm x 25 µm), l’alignement du masque est une étape très délicate. Le dispositif résultant sur le wafer est entièrement recouvert de Pt (200 nm) / Ru (100 nm).

iii. Protocole n° 3 : lift-off en deux temps

Pour le dernier protocole, nous avons voulu tester l’absence d’une couche de platine sous la couche de ruthénium métal. Nous avons pour cela procédé à deux lift-off comme lors du second protocole, mais selon deux masques différents. Lors du premier niveau de photolithographie, le dépôt de résine nLOF se fait selon le masque L2, qui présente une absence de chrome dans la zone active du dispositif comme indiqué en figure III.5, afin d’avoir une couche de platine seulement sur les prises de contact et pas dans la zone active de 5 µm x 25 µm. Comme dans les deux protocoles précédents, on effectue un dépôt métallique Cr (40 nm) / Pt (200 nm) après révélation de la résine photosensible nLOF.

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Figure III.5: Etapes de photolithographies nécessaires à la réalisation du dispositif avec un lift-off en deux temps utilisant deux masques différents.

Ainsi, à l’issue de la métallisation, on effectue le lift-off dans un bain d’acétone de la résine recouverte de platine. La réalisation du deuxième niveau de photolithographie se fait selon le masque L1 où la zone active est accessible au dépôt de ruthénium après révélation de la résine nLOF. Comme on le voit en figure III.6, la zone active n’est pas recouverte de platine, et l’image au microscope électronique montre bien l’alignement effectué avec le masque L1 lors du deuxième niveau de photolithographie. Le dépôt de ruthénium métallique est effectué dans les mêmes conditions que précédemment pour une épaisseur de 100 nm. Le dispositif résultant est donc uniquement recouvert d’une bicouche Pt (200 nm) /Ru (100 nm) sur les prises de contact macroscopiques.

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Figure III.6 : Image au microscope électronique du deuxième niveau de photolithographie

Une fois la micro-fabrication des dispositifs achevée sur les wafers, nous avons effectué les dernières étapes nécessaires à la conception des nano-supercondensateurs. Dans la partie suivante, nous nous sommes focalisés 1) sur la gravure du Ru afin de définir deux électrodes dans la zone active, 2) sur le dépôt d’une couche fine de passivation des zones non actives et 3) sur la transformation du ruthénium métallique en matériau pseudo-capacitif.