Techniques de lithographie

La réalisation de dispositifs à base de graphène repose sur des techniques de lithographie. C'est une étape clé qui permet de dénir les motifs à réaliser. On a eu recours à deux méthodes lithographiques largement utilisées dans le milieu de la micro et nano fabrication : la lithographie optique et la lithographie électronique.

3.1.2.1 Lithographie optique

La lithographie optique ou photolithographie permet de transférer les motifs d'un masque sur un substrat avec une résolution de 0.5 µm. Le principe de cette technique se décompose en 3 étapes qui sont détaillées ci-dessous.

Enduction de résine (Figure 3.4 a))

La première étape consiste à déposer une résine photosensible sur toute la surface de l'échan- tillon. Ce lm est étalé de manière uniforme grâce à une enduction centrifuge eectuée à l'aide d'une tournette en salle blanche. L'épaisseur de la résine est dénie par la vitesse de rotation de la tournette et dépend de la viscosité de la résine. Il existe plusieurs résines, le choix se fera en fonction de la technique de lithographie (optique, électronique), de l'épaisseur souhaitée (viscosité), de la résolution demandée, etc . . . Cette étape d'enduction de résine est suivie d'un recuit an d'éliminer les solvants et d'assurer une épaisseur uniforme de la couche de polymère.

Insolation (Figure 3.4 b))

L'insolation de l'échantillon se déroule sous une exposition à des radiations ultraviolettes UV (λ = 365 nm) à travers un masque en quartz comportant des zones transparentes et des zones

opaques. Cette étape nécessite un bon alignement du masque sur l'échantillon. L'aligneuse de masque utilisée au cours de ces travaux est la Karl Suss MA4 (Figure3.3). Etant donné qu'un procédé de fabrication comprend plusieurs étapes correspondant à plusieurs niveaux du masque, il est nécessaire d'eectuer un alignement à chaque étape.

Figure 3.3  Photographies de l'aligneuse de masque MA4

La lumière UV modie les propriétés de solubilité de la résine photosensible exposée à travers les zones transparentes du masque (Figure 3.4). Le temps de d'exposition est un paramètre variable selon le type de résine choisie.

Développement de la résine (Figure 3.4 c))

Cette étape consiste à dissoudre les zones insolées (respectivement non insolées) avec une résine positive (respectivement négative) an de révéler les motifs. La polarité de la résine est également un facteur clé pour la lithographie. En eet, il y a deux catégories de résines : les résines positives et les résines négatives. Dans le cas des résines positives, la région exposée à la lumière est dissoute lors du développement à cause de la rupture qui intervient au niveau des molécules. Alors que, pour les résines négatives, la région exposée aux UV subit une réaction de polymérisation et devient insoluble dans la solution de développeur et la région non-insolée est donc dissoute. La Figure 3.4 résume cette spécicité de la polarité. La nature du bain (généralement une solution aqueuse basique) pour le développement de la résine après insolation dépend de la nature de la résine utilisée. Par exemple, pour la résine SPR 700, on utilise un développeur MF 319 et pour la PMMA, un mélange de MIBK/IPA.

Par la suite, le transfert du motif dans le matériau se fera par gravure ou lift-o.

Transfert du motif par lift-o La dissolution de la résine s'eectue tout simplement par une attaque chimique dans un bain d'acétone. Cette technique est particulièrement utilisée lors de la formation des plots métalliques par lift-o. Il s'agit de déposer le métal sur les plots de résine et également sur les zones développées et donc directement sur le substrat. Lors du lift- o, l'acétone s'inltre entre les deux niveaux des couches et permet donc d'éliminer la couche métallique se trouvant au-dessus de la résine tandis que celle qui est en contact avec le substrat reste intacte. Le bain d'ultrasons n'est pas approprié dans notre cas puisqu'on risque d'arracher la couche de graphène. Le schéma décrivant cette technique est présenté dans la Figure3.5.

Figure 3.4  Principe général de la lithographie selon la polarité de la résine

Figure 3.5  Procédé général du lift-o 3.1.2.2 Lithographie électronique

La lithographie électronique est une technique indispensable pour la fabrication des dispo- sitifs de taille nanométrique (50 - 500 nm). Il s'agit de balayer l'échantillon avec un faisceau d'électrons (3-4 nm de diamètre) an d'agir sur les propriétés d'une résine électrosensible et donc de dessiner directement les motifs sur la résine. Le recours à cette technique est primordial dans deux cas : d'abord, pour l'obtention de structures de très haute résolution (10 nm). Ceci

a été par exemple le cas pour la fabrication des structures TLM avec des trous au niveau du contact graphène-métal. L'absence de commande de masque constitue également un deuxième avantage qui justie le recours à la lithographique électronique surtout pour les structures dites  tests  qui servent à mettre au point le procédé technologique. Nous avons travaillé avec le nanomasqueur Nb4 de NanoBeam (Figure3.6).

Figure 3.6  Photographie du nanomasqueur Nb4 de NanoBeam

La préparation de l'échantillon nécessite comme en lithographie optique une étape d'en- duction de résine et de recuit. Deux résines ont été utilisées au cours de nos tests : la PMMA (polymethyl-methacrylate) et l'UVIII. Par la suite, l'échantillon est placé dans le nanomas- queur. Enn, les zones irradiées par le faisceau électronique sont dissoutes dans la solution de développeur.

Principe Les électrons sont accélérés sous l'eet d'une haute tension. Le faisceau est foca- lisé et scanné à l'aide d'une colonne électronique maintenue sous ultra-vide (5.10-10 _mbar). Durant le procédé d'écriture, on peut diérencier deux types de phénomènes d'interaction élec- tron/matière :

 la diusion des électrons du faisceau ou forward scattering : les électrons subissent de multiples pertes d'énergie dues aux collisions avec les atomes de la résine ; ce qui produit une poire d'interaction de 1 à quelques mirons (voir Figure3.30a)). Pour que cette poire d'interaction soit localisée bien en dessous de la couche de résine, on utilise de préférence un faisceau de haute énergie (ici 80 keV) ;

 la rétrodiusion ou backscattering : les électrons sont rétrodiusés dans toutes les direc- tions même vers la résine ; ce qui donne lieu à une exposition de la résine autour des motifs. Si les motifs sont proches, leur forme sera modiée (eet de proximité).

Dans notre cas, nous avons xé l'énergie à 80 keV. La résolution est également déterminée par l'énergie apportée par le faisceau d'électrons appelée dose d'exposition et qui dépend du courant et du temps d'insolation. La dose est dénie par le nombre d'électrons reçus par unité d'aire exprimée en µC/cm2 _{comme suit :}

D = I.Dt

Avec D dose surfacique µC/cm2 I courant du faisceau (nA)

Dt temps d'exposition sur un même point (ms)

∆pas d'exposition d'un point à l'autre (µm)

An de bien calibrer nos procédés, nous avons eectué à chaque fois des "tests de dose" sur des échantillons sans graphène an d'éviter tout risque de surexposition (les eets de proximité) et donc d'optimiser les conditions d'utilisation de la lithographie électronique. La dose dépend de plusieurs paramètres et plus particulièrement le type de résine et du niveau de lithographie. Bien que très avantageuse de par ses performances en matière de résolution nanométrique, le traçage séquentiel rend la lithographie électronique moins attrayante vu son manque de rapidité d'exécution.