Shadow Evaporation

La technique par pont suspendu ( Dolan Bridge ) [30] ou technique par

shadow evaporationpermet de r´ealiser des jonctions tunnel `a l’aide de seulement une seule ´etape de photolithographie. Elle consiste `a fabriquer un pont de r´esine photosensible.

La figure2.3montre un pont de r´esine suspendu. Celui-ci fait environ8µm de long et2µm de large. On voit que la r´esine reste tr`es droite malgr´e le fait qu’elle soit suspendue au-dessus du vide. On remarque aussi que la r´esine sous le pont n’est pas compl`etement enlev´ee. Cela va r´eduire grandement la taille du recouvrement des deux contacts de m´etal, car lors du soul`evement la r´esine va enlever le m´etal qui s’est d´epos´e sur elle-mˆeme. Un d´eveloppement prolong´e de la r´esine pourrait permettre de r´esoudre en partie ce probl`eme.

Le sch´ema de la figure2.4montre les ´etapes importantes requises pour fabriquer une jonction tunnel par cette technique deshadow evaporation. Premi`erement, on voit le substrat oxyd´e apr`es nettoyage. L’´etape 1 consiste `a ´etaler les r´esines

F i g u r e 2.3 – Photographie d’un pont de r´esine suspendu prise au microscope

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electronique.

sur l’´echantillon. L’´etape 2 est l’exposition de la r´esine S1805 aux rayons UV. Le changement de couleur de la r´esine sur la figure repr´esente les changements de propri´et´es chimiques qui ont lieu. Le d´eveloppement par immersion dans le MF-319

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a l’´etape 3 permet d’enlever la r´esine S1805 expos´ee et la r´esine LOR30B sous-jacente, qui est toujours sensible au d´eveloppeur. Les ´etapes 4 `a 6 comprennent l’´evaporation

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a angle, l’oxydation de la premi`ere couche de m´etal puis le d´ep ˆot de la deuxi`eme couche. On d´epose un premier m´etal qu’on oxyde avant la deuxi`eme ´evaporation.

Cette oxydation se faitin-situ, par entr´ee d’oxyg`ene `a l’int´erieur de l’´evaporateur.

Finalement, la r´esine restante est enlev´ee en immergeant le dispositif dans un solvant, c’est le proc´ed´e nomm´e soul`evement.

Le sch´ema de l’´evaporation du m´etal montre l’utilit´e d’avoir un espacement sous le pont le plus grand possible. Si le pont n’est pas assez ´elev´e, il sera tr`es difficile

Figure 2.4 – Sch´ema ´etape par ´etape de la fabrication d’une jonction tunnel.

d’avoir un recouvrement large entre les deux d´ep ˆots. En effet, plus le pont est bas et plus l’angle de d´eposition requis se rapprochera de l’horizontale, diminuant la pr´ecision du proc´ed´e. On peut ´eviter ce probl`eme en s’assurant d’avoir une hauteur de pont aussi grande que la largeur du recouvrement voulu. Puisque les jonctions r´ealis´ees avaient un recouvrement d’une largeur d’environ 2μm, l’´epaisseur de 2.7μm de la LOR30B ´etait ad´equate. La figure2.5, qui permet de trouver l’angle d’´evaporation en fonction du recouvrement voulu, aide aussi `a comprendre ce ph´enom`eme. Sur cette figure, A repr´esente la hauteur du pont avant le premier d´ep ˆot (ou la hauteur de la r´esine de soul`evement LOR30B), C est la largeur du

Figure 2.5 – Sch´ema du pont de r´esine permettant de calculer l’angle d’´evaporation.

pont de r´esine photosensible (S1813) et B la largeur du d´ep ˆot m´etallique sous le pont. A’ est la hauteur sous le pont avant le deuxi`eme d´ep ˆot. Si le pont est tr`es haut devant l’´epaisseur du premier d´ep ˆot, ce qui est une assez bonne approximation, A A. B est suppos´e le mˆeme pour les deux d´ep ˆots, car cela simplifie les calculs.

Le recouvrement D peut alors ˆetre trouv´e par la formule D=C−(C−B)−(C−B)

=2B−C. (2.1)

Les angles de d´ep ˆot sont calcul´es `a l’aide deθ =arctan(A/B)etα =arctan(A/B). La figure2.6montre une image prise au microscope ´electronique d’une jonction tunnel faite par lithographie. La r´egion encadr´ee en rouge montre l’aire de recou-vrement. Cette jonction n’est pas celle qui a ´et´e utilis´ee pour prendre les mesures obtenues dans ce m´emoire. Toutefois, mˆeme si celle pr´esent´ee ici est beaucoup plus petite que celle utilis´ee, leur forme est tr`es semblable.

La figure 2.4se concentre seulement sur la partie centrale o `u la jonction est

F i g u r e 2.6 – Image d’une jonction tunnel prise au microscope ´electronique.

situ´ee. Elle ne montre pas les contacts de chaque c ˆot´e, o `u il y a aussi recouvrement entre les deux d´ep ˆots sur toute leur grandeur. Toutefois, puisque les contacts sont si grands, cela ne fait que cr´eer une jonction de tr`es faible r´esistivit´e de chaque c ˆot´e de la jonction. Ces jonctions n’ont aucun effet notable sur le transport. De plus, les soudures qui sont r´ealis´ees sur les contacts de chaque c ˆot´e pour les relier au circuit ext´erieur r´eduisent encore plus leur effet.

J’ai fabriqu´e toutes les jonctions durant ma maˆıtrise (dont celle utilis´ee pour extraire les r´esultats exp´erimentaux pr´esent´es plus loin) `a l’aide de la technique par

shadow evaporation. La recette compl`ete de fabrication par photolithographie est d´etaill´ee `a l’annexeA.

Montage exp´erimental

Une fois la jonction tunnel fabriqu´ee, le montage exp´erimental peut ˆetre assembl´e afin de mesurer la densit´e spectrale des fluctuations de notre ´echantillon. Avant tout, le dispositif que nous avons fabriqu´e doit ˆetre mont´e sur un porte-´echantillon permettant le lien entre les composants ´electroniques usuels et notre dispositif.

Ensuite, le montage peut ˆetre assembl´e en prenant bien soin de choisir les composants ad´equats.

3.1 Porte-´echantillon

Une fois la jonction tunnel fabriqu´ee, elle doit ˆetre mont´ee sur un porte-´echantillon.

Le design de celui-ci est tr`es important. Il faut s’assurer que les imp´edances entre les composants ´electroniques ext´erieurs et la jonction tunnel sont le mieux adapt´ees possible. Puisque les c ˆables et composants disponibles sur le march´e ont tous une imp´edance de 50Ω, la jonction utilis´ee avait une r´esistance de 51Ω. En adaptant ainsi son imp´edance, les r´eflexions sont minimis´ees (maximisant le signal de sor-tie). Il est important que le porte-´echantillon soit lui aussi adapt´e aux c ˆables qui se connectent `a l’entr´ee. Pour ce faire, le porte-´echantillon doit avoir un port ex-terne de connexion de type K. Les connecteurs de type K sont tr`es semblables aux connecteurs SMA, ´etant de la mˆeme taille, mais permettent de mesurer jusqu’ `a de plus hautes fr´equences. Ces connecteurs sont utilisables jusqu’ `a 40 GHz. Ensuite,

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il faut faire la connexion entre le connecteur K et la jonction tunnel. S’il ´etait pos-sible de souder directement l’un sur l’autre, ce serait l’id´eal. Malheureusement, les techniques connues de nos jours mettraient trop de stress sur la jonction tunnel. Il faut donc un composant interm´ediaire. On utilise une ligne `a transmission de type

microstrip. Cette microstrip est en fait un guide d’onde d’imp´edance 50Ωfait de cuivre et ayant comme di´electrique de la c´eramique. Il est alors possible de faire une soudure conventionnelle `a l’´etain pour faire la connexion entre la microstrip et le connecteur K. La microstrip est visible sur les figures3.1et3.2a la gauche des images.` Finalement, des microsoudures enwedge bondingsont faites pour connecter la jonction tunnel et la microstrip. Ces soudures par pontage sont r´ealis´ees avec un fil d’aluminium de 25 µm de diam`etre. Ces soudures cr´eent une petite inductance, de l’ordre du nH/mm. Pour r´eduire cette inductance, plusieurs microsoudures sont faites le plus pr`es possibles l’une de l’autre. Les figures3.1et3.2montrent deux jonctions tunnel mont´ees sur un porte-´echantillon en cuivre. La Fig.3.1montre un ancien design de jonction connect´ee `a la microstrip avec des soudures par pontage.

La Fig.3.2montre une jonction faite avec le design discut´e dans le chapitre2soud´ee

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a l’aide d’un ruban d’aluminium. Ce ruban permet de r´eduire l’inductance due `a cette soudure, mais n’´etait pas disponible lors de ma maˆıtrise.

F i g u r e 3.1 – Jonction tunnel mont´ee sur un porte-´echantillon (ancien design).

F i g u r e 3.2 – Jonction tunnel mont´ee sur un porte-´echantillon.

Puisque notre ´echantillon est compos´e d’aluminium, il est n´ecessaire d’empˆecher sa transition supraconductrice sous les 1.2 K. Pour ce faire, un aimant est plac´e sur la face arri`ere du porte-´echantillon. Le champ critique de l’aluminium ´etant un tr`es faible 100 Gauss, la force de cet aimant n’a pas `a ˆetre d’une grandeur qui affecterait les caract´eristiques de transport de notre ´echantillon.