CHAPITRE III:

FABRICATION, CARACTERISATION ET MODELISATION DE LIGNES COPLANAIRES SUR MEMBRANE

INTRODUCTION

Dans ce chapitre, nous allons nous intéresser à la fabrication et à la caractérisation de structures de propagation de type coplanaires sur membrane diélectrique. Comparativement aux travaux publiés dans la littérature sur ce sujet, limités jusqu'à présent aux membranes fabriquées sur Silicium, l'originalité vient de l'utilisation du GaAs. La motivation première de ce changement de matériau est l'ouverture vers l'intégration des composants actifs et passifs. Il n'est plus à démontrer à présent que les composants à l'état solide dans le matériau III-V sont capables de couvrir un très large domaine de très hautes fréquences et il peut s'avérer indispensable dans l'avenir d'intégrer monolythiquement les systèmes, que ce soit pour des raisons de coût, ou d'amélioration des performances.

Dans un premier temps, nous essaierons de situer dans le contexte des travaux sur les lignes de propagation, l'intérêt que peuvent avoir les réalisations sur membranes. Nous avons pour nous aider le travail très important effectué par l'Université du Michigan sur ce thème auquel nous ferons référence.

Dans un second temps, nous présenterons les techniques de fabrication mises au point dans ce travail de thèse en passant tout d'abord en revue les différentes possibilités pour former la couche diélectrique.

Ensuite nous étudierons relativement en détail les procédures de dépôt de lignes coplanaires avec des contraintes relativement importantes entre les dimensions des métallisations et des fentes, pour terminer par les procédés de gravure du substrat.

La réalisation d'un jeu de masque de lignes de différentes impédances caractéristiques et la conception d'une transition entre lignes sur substrat épais et déposées sur membranes feront l'objet d'un troisième paragraphe.

Ces lignes seront caractérisées puis analysées dans une toute dernière partie avec des résultats encourageants concernant les caractéristiques de propagation notamment en terme de vitesses de phase et de pertes.

1. INTERÊT ET CONTEXTE DES MEMBRANES

Pour comprendre ce qu'est une ligne de propagation, déposée sur membrane, nous avons reporté sur la figure III.1 une coupe transversale d'une ligne de propagation de type ligne coplanaire sur membrane Si₃N₄ élaborée par gravure profonde d'un substrat de Silicium. Ce type de structure qui ne comporte plus, sous la ligne de propagation, de semiconducteur, dont la permittivité est généralement élevée (e_r de l'ordre de 12 pour le Silicium), permet d'obtenir une situation équivalente à une ligne suspendue dans l'air. Intuitivement, on peut penser s'affranchir ainsi des pertes diélectriques. En fait, ce n'est pas la motivation primordiale de ce type de ligne dans la mesure où les pertes diélectriques sont souvent bien inférieures à d'autres types de pertes notamment ohmiques pour les lignes classiques. Par contre, le fait de travailler avec un milieu environnant la ligne de permittivité relative très peu différente de 1 donne un certain nombres d'avantages comparativement à des lignes sur substrat épais, les membranes servant également à d'autres applications [1][2][3].

Le premier de ces avantages concerne l'absence de dispersion jusqu'à des fréquences extrêmement élevées avec la propagation d'un mode quasi T.E.M. Ce n'est pas le cas pour une structure conventionnelle sur substrat épais, pour laquelle des phénomènes de dispersion apparaissent dès le début du spectre millimétrique. Cette absence de dispersion qui a été démontrée aux longueurs d'ondes millimétriques mais aussi submillimétriques est un atout majeur en électronique impulsionnelle. Rappelons que dans ce cas, l'énergie véhiculée sous forme d'impulsions ultracourtes se répartit sur un grand spectre de fréquence. On peut s'attendre dans le cas d'une ligne dispersive à un élargissement de l'impulsion au cours de sa propagation. Egalement, la vitesse de phase n'est plus, comme dans le cas de lignes sur substrat de permittivité élevée, réduite par le fait de travailler sur des structures inhomogènes que caractérise généralement un e_f (effectif) de l'ordre de 6. Pour cette valeur, la vitesse serait réduite d'un facteur de l'ordre de 2,5.

En ce qui concerne les termes de perte, l'utilisation de membrane s'avère judicieuse car cela permet d'éviter les problèmes de rayonnement dans le substrat avec la propagation de modes parasite de substrat. Nous verrons cependant que ces termes de pertes n'interviennent que pour des fréquences relativement élevées de l'ordre de 100 GHz.

Si l'on considère d'autres types de structures présentant en particulier des discontinuités, le fait de travailler avec un milieu effectif comparable à l'air permet de limiter l'effet parasite de ces discontinuités.

En contrepartie, le passage entre un substrat épais et les structures sur membrane, pose un certain nombre de difficultés. Nous proposerons dans la suite une solution pour pallier cette difficulté en tirant partie des angles de gravure lors de la formation de la cavité, mais il nous semble que c'est un problème réel.

Le second désavantage concerne la fragilité des structures. Nous n'avons pas au cours de ce travail, rencontré de problème particulier, les membranes se révélant stables dans le temps. Cependant, il peut s'avérer problématique de les utiliser dans un environnement difficile, avec en particulier des accélérations importantes ou des vibrations. Nous n'avons pas effectué d'étude sur ce sujet, et cette question reste ouverte.

Enfin, on constate sur la figure III.1 qu'il est possible de blinder les lignes de propagation, soit sur un demi-espace, comme cela est représenté ici avec l'utilisation d'un substrat métallisé accolé à la cavité, soit sur l'ensemble de la structure. L'avantage essentiel lié à ce blindage est l'isolation électromagnétique qui en résulte et l'obtention d'un boîtier manipulable plus facilement.

Si à présent, on considère les travaux effectués à l'Université du Michigan, principalement par Gabriel Reibeitz [4] pour les aspects fabrication et caractérisation et Linda Katehi [5][6] pour les aspects simulation, on constate qu'ils ont proposé une grande variété de structures, notamment des lignes de propagation, des filtres et des antennes. Rappelons que les membranes sont dans leur cas déposées sur Silicium qui se grave relativement facilement à l'aide d'Hydroxyde de Potassium (KOH) suivant des plans cristallins bien définis.

Les membranes sont presque exclusivement fabriquées à l'aide de structures tri-couches SiO₂/Si₃N₄/SiO₂. La motivation de cette structure est essentiellement d'ordre technologique avec des compensations de contrainte entre l'oxyde de Silicium et le Nitrure de Silicium. Pour l'oxydation du Silicium, en partant généralement d'un oxyde natif, on utilise des procédés d'oxydation vers 1100°C. Pour le Si₃N₄, il est déposé par technique de L.P.C.V.D. (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Cette fabrication est donc faite à température relativement importante, non accessible par les moyens de dépôt actuellement disponibles au laboratoire. Egalement des montées en température aussi élevées peuvent être préjudiciables aux couches semiconductrices des composants à hétérostructure.

Actuellement, ces structures ont été utilisées en technologie hybride avec des techniques dite de lift-off épitaxial qui tendent à se développer de plus en plus et qui sont une alternative également intéressante comparativement à une voie monolithique. Ces techniques tirent parti des sélectivités de gravure des matériaux III-V dont certains exemples ont été présentés dans le chapitre I, pour désolidariser de son substrat la couche active du composant. Cette couche, constituée généralement des matériaux épitaxiés en surface, est ensuite "greffée" sur la structure de type membrane avec une adhérence par les forces de Van der Waals.

2. TECHNIQUE DE FABRICATION SUR GaAs

2.1. FORMATION DE LA COUCHE DIELECTRIQUE

2.1.1. CONTRAINTES TECHNOLOGIQUES ET ELECTRIQUES:

Nous allons tout d'abord discuter des ordres de grandeurs, respectivement de l'épaisseur et des dimensions latérales de la membrane.

Pour les dimensions latérales, il s'agit de choisir une longueur suffisante pour qu'en hautes fréquences, 30 GHz typiquement, on puisse observer la propagation de l'onde. Rappelons que la longueur de l'onde électromagnétique doit se comparer à celle du vide, ce qui donne le centimètre comme premier ordre de grandeur. Pour la direction transversale à la propagation, il est nécessaire d'éloigner suffisamment les limites entre substrat épais et membrane pour éviter des fermetures du champ par le diélectrique. Nous verrons que pour respecter un niveau d'impédance caractéristique proche de 50 W, la dimension hors tout de la ligne centrale et des fentes est de l'ordre de 500 µm. On peut raisonnablement prendre une largeur de membrane de quelques millimètres.

Pour le choix de l'épaisseur de la membrane, il faut se rappeler que pour des lignes coplanaires, les champs électromagnétiques se concentrent près de la surface. A titre d'ordre de grandeur, pour une ligne 50 W sur un substrat épais, on a typiquement des largeurs de fentes de 50 µm. Dans ces conditions, on peut tabler sur une pénétration de l'énergie électromagnétique sur une distance équivalente. En d'autres termes, il faut impérativement réaliser une membrane d'épaisseur bien inférieure à cette valeur. On serait tenté à l'opposé de réaliser une membrane extrêmement mince, typiquement de 1000 Å. On se heurte cependant dans ce cas à des contraintes de fabrication, compte-tenu d'un rapport d'aspect très important entre dimensions latérales et épaisseur. Pour des membranes d'épaisseur très faible, environ 1000 Å, il y a risque de déchirure lors du micro usinage de la cavité. Inversement, pour des dépôts Si₃N₄ notamment trop épais, les contraintes, illustrées sur la figure III 2 sont telles que l'on s'expose à des risques de décollement du film diélectrique avant tout procédé de gravure.

L'étude des contraintes qui peuvent être d'origine thermique compte-tenu de la différence entre les coefficients de dilatation des matériaux support et déposé en particulier, est un sujet en lui-même. En ce qui nous concerne, nous nous sommes limités à deux types de dépôts en reproduisant aussi fidèlement que possible les conditions donnés par les fabricants. Il s'agit d'une part de films de Nitrure de Silicium déposés par P.E.C.V.D. (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) et de films de Polyimide déposés par centrifugation avec des procédures développées plus en détail dans les paragraphes suivants.

2.1.2. FORMATION DE LA COUCHE NITRURE

Fondamentalement, le dépôt s'effectue à partir de deux sources de gaz, respectivement le Silane (SiH₄) comme source de Silicium et le gaz ammoniac (NH₃) comme source d'azote [7]. En pratique ces gaz élémentaires sont dilués dans un gaz porteur, l'azote généralement avec des proportions de l'ordre de quelques pourcents.

Le processus de dépôt sur le semi-conducteur se fait en plusieurs étapes qui sont détaillées sur la figure III 3.

Dans un premier temps l'Ammoniac et le Silane réagissent entre eux dans l'enceinte plasma pour former un gaz précurseur le Tétra-amino-Silane (Si(NH₂)₄) et de l'Hydrogène (H₂). (figure III 3a). La réaction s'écrit:

SiH₄ + 4 NH₃ Ô Si(NH₂)₄ + 4 H₂

Les molécules formant ce gaz précurseur perdent ensuite chacune un groupe aminé (NH₂ ) permettant ainsi l'adsorption des molécules en surface (figure III 3b).

Enfin, il y a élimination des molécules avoisinantes d'hydrogène grâce au chauffage du substrat pour former une couche réticulée par des liaisons Silicium-Azote. Ce processus s'accompagne d'un dégagement d'ammoniac (figure III.3c). Cette réaction peut s'écrire:

3 Si(NH₂)₄ Ô Si₃N₄ + 8 NH₃

Le système utilisé lors des dépôts est schématisé sur la figure III.4. Il s'agit d'un bâti plasma mis sous vide avant l'introduction des gaz à 10^-8 Torr, comportant une source radio-fréquence alternative à la fréquence de 13,56 MHz.

Les conditions de dépôt de film Si₃N₄ ont fait l'objet dans la littérature d'un très grand nombre d'études, avec des études systématiques de l'influence de la composition des mélanges et des flux gazeux, de la pression dans le réacteur et de la température du substrat, et enfin de la puissance et de la fréquence de l'excitation radiofréquence. A titre d'exemple, citons la publication de Claassen et al [8] des laboratoires Philips dans laquelle sont établies les conditions de dépôt pour des températures variant entre 300 et 700°C et des fréquences d'excitation entre 100 kHz et 20 MHz. En ce qui nous concerne, nous recherchons un dépôt présentant des contraintes en tension. Plusieurs possibilités peuvent être envisagées. En premier lieu, comme cela est montré dans la référence [8], il est possible de travailler à haute température. On montre qu'au delà de 550°C, le film est alors en tension avec une contrainte de + 100 MPa à 600°C et de + 600 MPa à 700°C. On peut également définir l'état de contrainte en jouant sur la fréquence d'excitation du plasma. Ainsi pour des fréquences de 100 kHz le film est en compression avec des contraintes d'environ - 800 MPa. On peut estimer l'absence de contrainte (transition entre l'état de compression et de tension) vers 4 MHz. Au delà de cette fréquence, notamment à la fréquence qui nous intéresse ( f = 13,56 MHz ), le film est en tension avec un état de contrainte résiduelle légèrement supérieur à 300 MPa. Ces résultats ont été obtenus sur des dépôts monocouches. Il est bien évident que l'on pourrait également obtenir une compensation globale des contraintes, soit par des dépôts multi-couches ou des procédures de dépôt multi-fréquences. En pratique, dans la mesure où, par l'utilisation de fréquences élevées, nous satisfaisons à la condition de tension, nous avons préféré travailler à basse température avec une valeur nominale de 300 °C.

Dans ces conditions de température et de fréquence de plasma, les autres données de dépôt sont les suivantes:

Le gaz ammoniac est introduit sans dilution avec un débit de 20 S.C.C.M. (Standard Cubic Centimeter per minute, c'est-à-dire cm³/min).

Par contre le gaz Silane est dilué fortement dans le diazote dans une proportion de 3%, avec un débit de 600 S.C.C.M.

La pression dans l'enceinte lors du dépôt est de 1 Torr.

Enfin, la puissance d'entrée radiofréquence est de 20 Watt.

Dans ces conditions la vitesse de dépôt est d'environ 120 Å/min ce qui fait un temps de process d'approximativement 1h30 pour une membrane d'épaisseur 1 µm qui est la valeur nominale pour la plupart des membranes fabriquées.

Nous ne disposons pas au laboratoire actuellement de moyen de contrôler l'état de contrainte des films déposés en routine.

Cependant, nous avons vérifié à l'aide d'un profilomètre de marque DEKTAK 8000 possédant l'option de mesure de contrainte que les couches déposées sont effectivement en tension. Avec les données suivantes, une épaisseur de substrat de 405 µm pour un film de 1,1 µm, la valeur moyenne de la contrainte est de l'ordre de + 1200 MPa.

2.1.3. FORMATION DE LA COUCHE EN POLYIMIDE

Contrairement au dépôt de Nitrure de Silicium, le dépôt des films polyimide se fait avec très peu de moyen technologique puisqu'il est déposé à la tournette (spin coating) comme une résine. Cette facilité de mise en œuvre concerne les dépôts uniformes. Ceci peut ne pas être le cas si l'on doit par la suite graver cette couche diélectrique dans la mesure où cela se fait par gravure plasma. Comme dans le cas précédent, nous limiterons l'épaisseur de dépôt entre 1 et 2 µm pour la fabrication des membranes. Ces valeurs ne sont pas limitatives, et nous avons pu vérifier lors de la fabrication de structures de test par gonflement que des épaisseurs plus importantes, supérieures à 6 µm, peuvent être obtenues en préservant la qualité des dépôts. Nous cherchons également un film en tension pour faciliter la tenue mécanique lors de l'usinage du substrat. En fait, on peut s'attendre à ce que le polyimide présente un comportement mécanique du type élastique pour des faibles déformations avec retour à l'état d'équilibre lorsqu'il est soumis à des perturbations de pression.

Un autre problème rencontré concerne l'adhérence du film sur le substrat. Pour le résoudre, nous avons utilisé comme pour les résines, un promoteur qui permet d'éviter le décollement de la membrane. Le dépôt du promoteur comme du polyimide se fait généralement en deux temps. Le promoteur et le polyimide sont fournis par la société ULTRADEL. Pour le promoteur d'adhérence (A200:1,B200:2000) les conditions de dépôt sont les suivantes.

premier dépôt capot ouvert:
vitesse de rotation:	500 tours.min^-1
accélération:	500 tours.min^-1.s^-1
durée	30 secondes
deuxième dépôt capot fermé:
vitesse de rotation:	4000 tours.min^-1
accélération:	4000 tours.min^-1.s^-1
durée	30 secondes

Tableau III.A: Conditions de dépôt du promoteur

Le dépôt du polyimide suit immédiatement celui du promoteur:

premier dépôt capot ouvert:
vitesse de rotation:	500 tours.min^-1
accélération:	500 tours.min^-1.s^-1
durée	30 secondes
deuxième dépôt capot fermé:
vitesse de rotation:	2500 tours.min^-1
accélération:	2500 tours.min^-1.s^-1
durée	60 secondes

Tableau III.B: Conditions de dépôt du Polyimide

Ces dépôts en deux temps sont justifiés dans la mesure où la première phase permet un premier étalement du produit, le second permettant de définir l'épaisseur.

Cette procédure de dépôt est suivie de deux recuits dans les conditions suivantes:

Premier recuit: il peut se faire, soit au four à 100°C pendant 30 minutes, soit sur plaque à 100°C pendant une minute. C'est cette dernière solution qui a été préférée pour réduire les temps de process.

Second recuit: il peut se faire, soit en four tubulaire sous flux d'azote (température 300°C, durée: 1 heure) si l'on ne processe qu'un quart de plaquette, soit dans un four conventionnel pour des échantillons de plus grande surface, le premier procédé étant préférable compte-tenu de l'atmosphère contrôlée.

2.2. DEPOT DES LIGNES COPLANAIRES

La couche de diélectrique Nitrure de Silicium ou de polyimide ayant été déposée, il convient de procéder au dépôt des lignes coplanaires.

Celles-ci seront déposées par dépôt électrolytique avant de dégager la membrane par attaque chimique face arrière en utilisant un procédé de résinage soit négatif soit positif. Dans les deux cas nous effectuons une pré-évaporation d'un film Titane-Or pour assurer la continuité électrique.

Evaporation Titane-Or

Le dépôt de la couche Titane-Or a été effectué dans un bâti d'évaporation à canon à électrons. Rappelons très brièvement que dans ce cas, l'évaporation des matériaux Titane et Or placés dans des creusets se fait à l'aide d'un bombardement par un faisceau d'électrons accéléré. Ce faisceau électronique est émis à partir d'une électrode en Tungstène. Ce faisceau est par ailleurs incurvé dans un champ magnétique puis dirigé sur les cibles. En pratique, le dépôt s'effectue dans des conditions de vide relativement poussées, à 10^-8 Torr, le substrat étant refroidi entre 15 et 20°C à l'aide d'un circuit de refroidissement par eau. La couche de Titane sert de couche d'accrochage, son épaisseur a été choisie à 200 Å. Nous avons pris les mêmes valeurs pour l'épaisseur de la couche d'Or qui va permettre d'amorcer le dépôt électrolytique.

Les deux procédés de résinage positif ou négatif se distinguent principalement par le fait que dans le premier cas la croissance électrolytique se fait localement, les motifs de fente ayant été protégés par de la résine, alors que pour la seconde option, le dépôt se fait uniformément. Dans ce dernier cas de figure, la structuration en ligne de propagation se fait par attaque chimique de l'or.

Procédé de résinage positif:

Les différentes étapes technologiques sont schématisées sur la figure III.5a. Une première insolation de la résine positive, dans les conditions de masquage précisées sur cette figure, permet, après révélation, de découvrir les motifs de lignes. Pour le dépôt électrolytique nous recherchons généralement des épaisseurs relativement importantes demandant par conséquent de déposer des films de résine de quelques µm. Dans ce but, deux types de résines ont été essayées, respectivement les résines TF20 et 5214. D'autres types de résines peuvent être utilisées par ailleurs [9]

dépôt capot fermé:
vitesse de rotation:	3000 tours.min^-1
accélération:	5000 tours.min^-1.s^-1
durée	10 secondes
Insolation:	15 secondes, avec le masque des motifs de lignes coplanaires
Révélation:	90 secondes, dans une solution contenant 50% de "Microposit Developper" et 50% d'eau désionisée
Rinçage:	à l'eau désionisée
Séchage:	à l'azote

Tableau III.C: Conditions de dépôt de la résine TF20:

dépôt capot fermé:
vitesse de rotation:	2000 tours.min^-1
accélération:	3000 tours.min^-1.s^-1
durée	7 secondes
Recuit:	5 minutes, sur une plaque chauffante à 120°C
Insolation:	30 secondes, avec le masque des motifs de lignes coplanaires
Révélation:	30 à 35 secondes, dans le révélateur AZ524 pur
Rinçage:	à l'eau désionisée
Séchage:	à l'azote

Tableau III.D: Conditions de dépôt de la résine 5214:

Dans les deux cas, nous pratiquons un recuit 5 à 10 minutes sur plaque à 120°C avant d'effectuer le dépôt électrolytique qui sera détaillé par la suite.

Après le dépôt, nous dérésinons à l'acétone et nettoyons à l'alcool. Nous effectuons alors une attaque de l'or résiduel par une solution de Iodure de Potassium (KI) et d'Iode (I₂) diluée dans l'eau, suivie d'une attaque du Titane par B.O.E. pour isoler électriquement les lignes coplanaires.

Le principal avantage du procédé de résinage positif réside dans une bonne définition des cotes des lignes initialement prévues. Nous verrons ultérieurement que des variations d'impédance résultant d'un élargissement non intentionnel des pentes peut se traduire par des pertes en réflexion résultant de la désadaptation d'impédance.

En revanche, il existe des risques de décollement de la résine et donc de début de croissance électrolytique sous la résine aux extrémités des lignes.

Procédé de résinage négatif:

Ce procédé est illustré sur la figure III.5b.

Nous effectuons tout d'abord un dépôt électrolytique d'Or sur toute la surface du wafer.

Dépôt électrolytique:

Le dépôt est effectué dans un bain électrolytique qui consiste en une solution de Cyanure d'Or et de Cyanure de Potassium.

La température du bain est choisie égale à 30°C pour éviter la formation de gaz toxique acide cyanhydrique (HCN).

Les conditions d'électrolyse ont fait l'objet d'une étude relativement systématique en essayant en particulier de déterminer la densité de courant optimale pour obtenir des dépôts de bonne qualité présentant notamment une fine granulation. Nous sommes partis de l'étude relativement complète de B. Kebabi [10] traitant des conditions de dépôts pour la réalisation de motifs sub-microniques pour masque Rayons X. En ce qui nous concerne, nous avons opéré dans des conditions de densité de courant de quelques mA/cm². Concrètement, nous mesurons un courant débité par un générateur de courant. Il nous faut donc estimer la densité de courant grâce à une évaluation de la surface où s'effectue l'électrodéposition. Dans le cas du procédé de dépôt uniforme, cette estimation est directe en calculant la surface du substrat. Il faut par ailleurs prendre en compte la surface du contact électrique que nous avons estimée à 1 cm². Par contre, pour le procédé précédent, ce calcul de la densité de courant équivalente passe par la détermination de la surface métallique des lignes. L'amélioration de l'uniformité est garantie par une agitation modérée.

Ensuite, nous définissons les lignes en déposant une résine négative et en l'enlevant dans les régions correspondant aux motifs de fente et d'isolation.

Un dépôt de 4 heures sur un wafer complet avec un courant de 15 à 16 mA (densité de courant de l'ordre de 1 mA/cm²) nous permet d'obtenir une épaisseur d'Or électrolytique de 3,2 µm, avec une bonne qualité de grain.

Procédé PREGOS:

Après ce dépôt électrolytique, nous procédons à la définition des lignes coplanaires à l'aide d'un procédé d'insolation en deux temps: le procédé PREGOS.

La résine AZ5214 est tout d'abord déposée sur le wafer. Le dépôt a lieu par centrifugation capot fermé dans les conditions suivantes:

dépôt capot fermé:
vitesse de rotation:	3000 tours.min^-1
accélération:	4000 tours.min^-1.s^-1
durée	7 secondes

Tableau III.E: Conditions de dépôt de la résine AZ5214

dans le cadre du procédé PREGOS

Dans un premier temps, après un premier recuit sur plaque à 120°C pendant 90 secondes, on procède à une insolation aux ultraviolets (U.V.) des motifs de lignes durant 5,5 secondes avec le masque précédant qui est positif.

Ensuite on effectue un second recuit sur plaque à 120°C pendant 90 secondes.

Dans un deuxième temps, nous procédons à une nouvelle insolation sans masque pendant 35 secondes.

La révélation dure environ 30 secondes dans le révélateur AZ524 pur. Ce temps est assez critique et dépend fortement de l'agitation. Il convient donc de vérifier au microscope optique si la révélation est bonne.

Le rinçage se fait classiquement à l'eau désionisée et le séchage à l'azote.

Isolation électrique des lignes:

Nous procédons ensuite à la gravure de l'Or électrolytique et de la couche d'Or évaporée.

La solution de gravure utilisée consiste en un mélange de 30 g d'Iode (I₂) et de 100 g d'Iodure de Potassium (KI) pour un litre d'eau désionisée. Elle est ensuite diluée une fois. Même si la vitesse de gravure est importante, il faut plus de 20 minutes pour graver la totalité de l'Or, notamment entre les plans de masse et le conducteur central, où la gravure se révèle plus difficile.

La solution étant brune et particulièrement opaque, il faut apporter un soin particulier lorsque l'on agite l'échantillon dans le bêcher en Téflon. D'autre part, pour contrôler l'avancement de la gravure, il convient de retirer régulièrement l'échantillon, de le rincer à l'eau désionisée pour arrêter la réaction de gravure, et de l'observer au microscope optique.

Nous dégageons ensuite la couche de Titane. Deux possibilités s'offrent à nous:

- Une gravure sèche du type R.I.E.

- Une gravure humide de type chimique.

Pour des raisons de facilité, nous avons choisi de pratiquer l'attaque chimique de la couche d'accrochage en Titane.

La solution chimique utilisée est une solution de B.O.E., constituée d'acide Fluorhydrique dilué (à manipuler avec précaution parce que très toxique). L'attaque de la couche de 200 Å de Titane dure 25 secondes sans agitation.

La fin de la réaction de gravure de la couche est parfaitement perceptible par un intense dégagement gazeux durant deux secondes environ.

A ce stade, l'échantillon doit être rapidement sorti de la solution au risque d'attaquer le film Nitrure dans le cas contraire.

Le wafer est ensuite rincé à l'eau désionisée et séché à l'azote.

On contrôle au microscope optique que toute trace de Titane a disparu, ainsi que l'aspect général des lignes qui sont, à ce stade, terminées.

Le procédé de résinage négatif a pour avantage principal de ne plus faire apparaître de décollement de résine, et de permettre d'obtenir un dépôt d'Or bien uniforme, en particulier, sans bourrelet.

Cependant ce procédé entraîne l'existence d'une sous-gravure des motifs lors de l'attaque chimique, se traduisant par une variation de la taille des motifs de ligne, avec une légère augmentation de la taille des fentes.

2.3. GRAVURE DU SUBSTRAT

Après avoir défini les lignes coplanaires, il reste essentiellement à graver le substrat en Arséniure de Gallium pour dégager la membrane. Nous avons déjà précisé dans le chapitre 1 les conditions de gravure profonde du GaAs.

Ici, il s'agit de graver complètement le wafer sur une épaisseur de 410 à 420 µm avec arrêt sélectif sur le diélectrique.

En pratique, nous avons retenu le mélange d'acide sulfurique, d'eau oxygénée et d'eau dans les proportions suivantes:

H₂SO₄:1, H₂O₂:8, H₂O:1

Cette solution très acide (pH proche de -1,15) permet une gravure du GaAs avec une vitesse de l'ordre de 15 µm par minute.

La durée totale de l'attaque est par conséquent de l'ordre de 30 à 35 minutes.

Un des problèmes rencontrés est celui de l'alignement:

Dans les premiers essais, nous ne disposions pas de l'aligneur "double face". Pour pallier cet inconvénient nous avons développé une technique de via-hole nécessitant un troisième niveau de masque qui sert de repère pour les deux faces. Il faut noter cependant que la pré-gravure de ces repères fragilise le substrat en rendant plus délicats les dépôts de résine par centrifugation.

En fait, pour des structures blindées, ces connexions à travers le substrat sont nécessaires pour assurer la continuité du potentiel de masse.

Par la suite, nous avons pu disposer d'un aligneur double-face permettant de superposer le masque de gravure face arrière au masque de définition des lignes coplanaires implanté sur la face avant.

Enfin, lors de la gravure du substrat, nous maintenons celui-ci verticalement, pour pouvoir l'extraire plus aisément en fin de gravure. Or, la solution d'attaque est plus active en haut qu'en bas du bêcher où s'effectue la gravure. C'est pourquoi il s'est avéré judicieux de retourner le substrat haut vers bas en milieu de gravure (15-20 minutes).

Nous présentons sur la figure III.6 une photographie et un schéma en coupe transversale de la structure réalisée.

Figure III.6.a: Schéma en coupe transversale de la structure réalisée

Dans ces conditions, les membranes ne présentent pas des formes parfaitement rectangulaires, avec des déformations aux extrémités. Il nous semble qu'à l'avenir, ces effets, qui n'ont pas d'implication directe sur les caractéristiques mais peuvent par contre influencer la reproductibilité des procédés, puissent être résolus en disposant horizontalement les échantillons dans une nacelle.

Figure III.6.b: Clichés des lignes vues de dessus

face arrière (à gauche) et face avant (à droite)

3. REALISATION D'UN JEU DE MASQUES

3.1. POSITION DU PROBLEME

Le but recherché est ici de caractériser la propagation des ondes électromagnétiques sur la membrane, en particulier de déterminer le mode de propagation, la vitesse de rotation de phase, et les pertes.

De façon générale, on peut avoir accès à ce type d'information par la réalisation de lignes de différentes longueurs qui sont caractérisées en structure quadripôle. Par ailleurs, il convient d'effectuer ces mesures le plus simplement possible sans montage des lignes en boîtier. Les caractérisations sous pointes hyperfréquence se révèlent donc particulièrement bien adaptées de ce point de vue et elles ont été largement utilisées pour la caractérisation de lignes sur substrat épais. Dans le cas qui nous intéresse, le milieu à caractériser est fragile mécaniquement et il n'est pas concevable de déposer directement les pointes sur la membrane au risque de la détériorer ou de la déformer.

En conséquence, les motifs de test vont comporter deux zones distinctes. L'une sur substrat épais constituant les zones d'accès où seront déposées les pointes, l'autre, sur membrane qui constitue le milieu de propagation à caractériser. Nous reviendrons plus en détail sur la façon d'extraire la constante de propagation complexe.

Quoi qu'il en soit, dans ce paragraphe, il nous faut définir la géométrie des lignes dans les deux milieux (substrat épais et membrane) ainsi que la transition entre ces deux milieux.

3.2. DESSIN DE LIGNE

Pour la ligne d'accès sur substrat épais, nous choisissons une impédance caractéristique de 50 W correspondant à celle des instruments de mesure avec le souci de respecter l'écartement des pointes hyperfréquence égal à 125 µm. Ce type de ligne est bien caractérisé au laboratoire et nous avons repris les côtes des lignes coplanaires 50 W avec la largeur du conducteur central W = 70 µm et la largeur des fentes S = 50 µm.

Pour la détermination de l'impédance caractéristique des lignes sur membrane, nous avons dans une première approche, utilisé le modèle analytique de la référence [11]. Par la suite, ces résultats ont été validés par des analyses électromagnétiques permettant de résoudre numériquement les équations de Maxwell en incluant notamment les termes de perte [12][13].

La détermination de l'impédance, relativement complexe, est réalisée grâce à la méthode de transformation conforme.

Dans le cas d'une épaisseur de métallisation nulle, il a été montré que l'impédance caractéristique Zc de la ligne peut s'exprimer par:

où h₀ est l'impédance du vide

e_eff est la permittivité effective

et K(k) est l'intégrale elliptique complète de première espèce, avec pour arguments

k et k' qui dépendent des dimensions géométriques de la ligne.

Nous nous intéressons au cas d'une ligne coplanaire symétrique avec des plans de masse de longueur finie. La topologie est schématisée sur la figure III.7.

W : largeur du conducteur central

S : largeur des fentes

d : distance interplan de masse

a : largeur des plans

b: largeur de la ligne

h : épaisseur du substrat

Les arguments k et k' dépendent de cette topologie et sont donnés par:

et

La permittivité effective e_eff, qui intervient dans la détermination de Zc, est déterminée par la méthode de superposition des capacités partielles. C' étant la capacité totale de la ligne:

C' = C'₀ + C'_e

expression dans laquelle, C'₀ et C'_e sont respectivement les capacités relatives à l'air et au diélectrique données par:

C'₀ = 4e

C'_e = 2e₀(er - 1)

k et k' étant définis précédemment, k₁ et k'₁ sont définis par les expressions suivantes:

<