En pre­mier lieu, on fait l’acquisition de wafers vierges de 3 pouces. Ces wafers sont des SOI (Sil­i­con On Insu­la­tor), c’est-à-dire qu’au lieu d’être en sili­ci­um brut, ils con­ti­en­nent une fine couche d’isolant en SiO2 d’un micron d’épaisseur.
Cette couche de sil­ice est prise en sand­wich entre une couche mince de sili­ci­um (5 μm) et une autre beau­coup plus épaisse (400 ou 500 μm). Ce wafer sert unique­ment de sup­port mécanique à la réal­i­sa­tion de toutes les autres étapes et au main­tient de l’ensemble, il n’intervient pas active­ment dans le fonc­tion­nement d’un bolomètre, à part pour sa ther­mal­i­sa­tion avec la tem­péra­ture de bain. En revanche c’est l’épaisseur de ces couch­es qui matéri­alise la dis­tance entre l’absorbeur et le back­short.

Par LPCVD, la mem­brane en Si3N4 est déposée à la com­mande avec une très faible con­trainte (ultra-low stress) sur toute la sur­face du wafer. La faible con­trainte est cen­sée assur­er la bonne répar­ti­tion des forces de ten­sion lors du dépôt pour min­imiser la casse au moment de la libéra­tion des mem­branes. La couche a une épais­seur de 500 nm et le procédé est tel qu’elle est déposée sur les deux faces du wafer, même si seule la face avant (du côté de la couche finede sili­ci­um) est utile.

Les wafers sont livrés au CSNSM. Par éva­po­ra­tion au canon à élec­trons, on dépose en pleine plaque face avant (du côté fin du sili­ci­um) une épais­seur de 30 nm de NbxSi1−x qui devien­dra plus tard le ther­momètre. Puis, dans la foulée et dans la même machine sans cass­er le vide, on éva­pore aus­si une couche d’aluminium de 200 nm sur l’ensemble de l’échantillon, par dessus celle de NbxSi1−x. Cette couche d’aluminium servi­ra par la suite à toute l’alimentation élec­trique de la matrice : élec­trodes des ther­momètres, routage desser­vant chaque pix­el, plots de con­nex­ion.

On effectue une pre­mière lith­o­gra­phie sur la couche d’aluminium puis on l’attaque par gravure humide où il n’est pas masqué, à l’issue de quoi appa­rait le réseau des fils. La résine résidu­elle est élim­inée à l’acétone.

C’est au tour de la couche de NbxSi1−x d’être lith­o­graphiée (le masque en résine créé ayant pour motif les ther­momètres) puis d’être gravée, cette fois ci par RIE ou éventuelle­ment au XeF2 jusqu’à l’affleurement de la mem­brane de Si3N4 tout autour. La couche est ensuite égale­ment net­toyée de sa résine à l’acétone.

À la fin de cette étape, il est pos­si­ble de pra­ti­quer des tests élec­triques à tem­péra­ture ambiante pour véri­fi­er l’état du routage

Une troisième lith­o­gra­phie est effec­tuée sur la mem­brane pour la réal­i­sa­tion de la grille absorbante. Par dessus cette couche de résine, l’absorbeur est déposé par éva­po­ra­tion sur une épais­seur de 10 nm pour le pal­la­di­um. La grille est ensuite dégagée par lift-off dans un bain d’acétone.

On dis­pose à ce stade de toutes les couch­es ser­vant aux dif­férents élé­ments des pix­els (ther­momètres, pistes élec­triques, absorbeur). Il reste encore à struc­tur­er la mem­brane et la libér­er pour effectuer le décou­plage ther­mique.

Pour cela, on retourne le wafer et on effectue une qua­trième lith­o­gra­phie sur la face arrière, à l’aplomb des dépôts réal­isés en face avant grâce à un aligneur dou­ble-face. La résine util­isée ici doit être épaisse car elle est con­servée pour
dif­férentes étapes de gravure. Le motif de la résine déposée est une trame, une grille car­rée dont les trous sont de la taille du pix­el qui sera ultérieure­ment sus­pendu.
On fait aus­si appa­raître le con­tour car­ré de la future matrice découpée dans le wafer. Ce masque de résine sert dans un pre­mier temps à retir­er sur la face arrière par RIE la couche inutile de Si3N4 qui se trou­ve sous le pix­el.

Puis, avec la même résine, l’échantillon est placé dans le bâti de gravure ICPRIE. Ce dernier étant prévu pour un wafer de 4 pouces, l’échantillon est col­lé côté face avant à un wafer-tam­pon de 4 pouces via une graisse ther­mique.

Lors de l’étape de gravure, l’échantillon peut chauf­fer beau­coup, c’est pourquoi il est cap­i­tal de bien ther­malis­er l’échantillon avec le sup­port refroi­di à l’hélium de l’ICP (on rap­pelle qu’un recuit des ther­momètres aurait pour effet de baiss­er
leur tem­péra­ture cri­tique et pour­rait dur­cir les résines).

Ensuite, par D‑RIE, la couche épaisse de sili­ci­um est retirée sous le pix­el. Cette tech­nique a générale­ment
ten­dance à atta­quer les échan­til­lons de manière légère­ment inho­mogène : les pix­els situés en périphérie sont gravés 5 à 10 % plus vite que ceux du cen­tre, et la vitesse générale de gravure peut vari­er d’une matrice à l’autre. La
fine couche d’isolant en sil­ice présente dans l’épaisseur du wafer de départ se grave beau­coup moins vite que le sili­ci­um. Elle sert donc de couche d’arrêt à la gravure qui per­met d’égaliser l’épaisseur restante sous les mem­branes.

Quand la gravure pro­fonde est ter­minée dans toutes les zones de la matrice, on grave alors la couche d’arrêt d’un micron de sil­ice dans le même bâti mais sans D‑RIE, par une autre recette. Comme l’épaisseur con­sid­érée est nég­lige­able
com­parée aux 400 ou 500 μm de la couche épaisse de sili­ci­um, la gravure de la sil­ice est homogène sur les dif­férents pix­els. Les résidus des polymères de pas­si­va­tion sont ensuite net­toyés à la RIE ain­si que la graisse ther­mique à
l’isopropanol et la résine à l’acétone.

Une fois l’échantillon net­toyé, on retourne une nou­velle fois le wafer pour une cinquième lith­o­gra­phie, sur la face avant. Celle-ci est par­ti­c­ulière­ment déli­cate car elle délim­ite les zones à ajour­er de la mem­brane en Si3N4 (et le con­tour
général de la matrice). La couche en Si3N4 est ensuite gravée par RIE. À l’issu de cette étape, la mem­brane est évidée dans le mail­lage de l’absorbeur, et les bras de sus­pen­sion de l’ensemble absorbeur/thermomètre sont mis à nu. En
revanche, tout est encore main­tenu par une couche de 5 μm de sili­ci­um du wafer vierge de départ. La matrice est quant à elle découpée à sa forme car­rée finale.

La dernière couche de résine est con­servée en guise de pro­tec­tion, puis le sili­ci­um restant est gravé par face avant au XeF2. Comme la gravure est sèche et isotrope, elle arrive à pass­er sous le pix­el par les ajours dans la mem­brane.
C’est à ce moment que les mem­branes sont entière­ment libérées, il s’agit donc d’une étape par­ti­c­ulière­ment cri­tique et déli­cate.

Ce n’est pas la nature du procédé en lui-même mais le fait de retir­er le sup­port de sili­ci­um qui peut révéler
des con­traintes plus ou moins fortes sur les mem­branes (dépen­dant égale­ment, entre de nom­breux autres paramètres, des dépôts et des gravures des couch­es précé­dentes) et les frag­ilis­er.

Les derniers résidus de résine sont sup­primés à l’aide d’un délaquage au plas­ma 02, tout net­toy­age par voie humide étant pro­scrit pour ne pas frag­ilis­er davan­tage les struc­tures sus­pendues par des forces capil­laires lors d’un séchage. Les
matri­ces de 248 pix­els sont alors ter­minées et prêtes à être inté­grées pour des tests à tem­péra­ture cryo­génique.