elaboration de matériaux micro et...

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Elaboration de matériaux micro et nanostructurés

Thierry FOURNIERCNRS/Institut Néel

[email protected] Tel:0476889071

SMB2009 Sciences de la Miniaturisation et Biologie

• There’s plenty of room at the bottom…

• What I want to talk is the problem of manipulating and controlling things on a small scale….

• Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Britannica on the head of a pin…

FEYNMAN 29/12/1959conference APS

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Pourquoi ?

• Accès à une nouvelle Physique– Petite dimension– Effets quantiques

• Miniaturisation des circuits– Des systèmes électroniques plus petits, plus légers, plus rapides– Plus d’informations sur la même surface– Electronique moléculaire

• Effets de chimie surface (grand rapport surface/volume)

• Technologies de plus en plus performantes

Avantage en biologie

• Fabrication en parrallele– Fort rendement, nombreux circuits, bas cout

– Electronique intégrée : Labs on chips– Microfluidique intégrable

– Contrôle de la géométrie– Petits échantillons, cellule unique

– Mais, couts de développement importants…

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Acces au « Nano-monde »

• Top-Down– Réduire les tailles de notre « macroworld »

– Lithographie

• Bottom-up– Construire des nano-objets à partir de briques

individuelles ( atomes, molécules)

– autoorganisation

Lithographie« Ecrire sur la pierre »

• Reproduire un motif sur un substrat– Utilisation d’une résine

• Lithographie optique• Lithographie électronique• Lithographie ionique

– Écriture sans résine• Faisceau d’ions Focalisés (FIB)• Lithographie de proximité

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PROCEDE RESINE• 1/ Substrat plan

• 2/ Elalement résine• Spin coating

• 3/ Exposition• UV, DUV, électrons• Modifications chimiques• Variation solubilité

• 4/Developpement• Résine positive• Résine négative

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RésineDose= Incident Energy/Surface

T(D)= T0γln(D/D0) T: Epaisseur de résine après développement

D: Dose γ= contrast

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Transfert

Gravure– Chimique, ions

• Lift-Off

• Croissance électrolytique

Déposition:

Metal,oxide

Dissolution de la résine

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2-a-Lithographie Optique

Les Lithographies optiques

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CONTACT/PROXIMITY

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Contact/Proximité

+Méthode simple et économique

Fabrication en parallèlePrésente dans les labos de recherche

_Endommagement masque et résineSubstrate flatnessMask 1:1Résolution pratique 0.5 micron

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Design des Masques

Multi-level design

Differents layers

100 mm 1:1 mask

Cr/Glass UV Process

Cr/Quartz DUV Process

Test Device

Layer1Layer 2

Cross alignement

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Lithographie par projection

Resolution ( diffraction)

R=k λ/N.A

– k: parametre de procédé

Rayleigh criteria = 0.61

– λ: UV wavelengh

– N.A Ouverture numérique

=nsini

2i

1:4 to 1:20

UV source

Lithographie par projectionR=k λ/N.A

k: process parameter ( résine, process dépendant)Améliorer la résolution

-Diminuer la longueur d’onde-360 nm, 248 nm, 193 nm, 157 nm-Extreme UV (13.5 nm), RX

-Augmenter N.A (n sini)-Augmenter l’angle (aberrations…)-Augmenter n ( H2O)

-Réduire k- MasquesOPC (Optical Proximity correction)PSM (Phase Shifting Masks)

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Extreme UV

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Lithographie X-Ray

• Longueur d’onde: 0.8nm- 1.6nm

• Source parrallèle Synchroton

• Difficulté principale: La fabrication des masques

Silicium gravé

Si3N4, SiC membrane: 1 micron

Absorbeur : Au, W,

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Augmenter l’ouverture numérique

N.A= nsini• Augmenter i

– de 0.5 en 1990 à 0.8 en 2004• Limitations: aberrations, taille de l’image

• Augmenter n– Remplacer l’air par un

liquide transparent

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Réduire k: optical engineering• From 0.8 (1980) to

0.4Masks

• OPC (Optical Proximity correction)

• PSM (Phase Shifting Masks)

• Off-Axis illumination• Process• Double exposition

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Réduire k: optical engineering• From 0.8 (1980) to

0.4Masks

• OPC (Optical Proximity correction)

• PSM (Phase Shifting Masks)

• Off-Axis illumination• Process• Double exposition

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Amélioration de la résolution :Augmentation des couts !!!

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2-b Lithographie électronique et ionique

Lithographie électronique

• Écriture directe: pas de masque physique

• Small spots ( 3-10 nm)– SEM

• Tres petite longueur d’onde (pas de diffraction)

• Résolution dépend plus de la résine que de la taille du spot

• Ecriture séquentielle donc très lente.

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E-Beam and Ion Lithography

EBL: Compromis entre haute résolution et vitesse d’écriture

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EBL

E.B.L: Gaussian scan

EBL: Shaped beam scan

Déplacement continu

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Solutions pour la lithographie électronique

• -Industrial e-Beam Lithography System ( Leica, Jeol, Crestec, Hitachi, Raith,…)

• -Cout élevé(de 1 M€ à 10 M€…)

• -Très haute résolution, haute tension, vitesse d’écriture

élevée• -Taille d’échantillon importante

(up to 300 mm)• -Platine interférométrique

Leica VB6

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• -Transformation Microscope électronique à Balayage

– FEI, Jeol , Carl Zeiss,Hitachi…– + logiciel pilotage Faisceau (Raith,

Nabity)

• -Cout « limité » ( de 0.2 M€ to 0.5 M€)

• -Haute résolution, faible tension, faible vitesse d’écriture

• -Echantillon petite taille, versatile

SEM Leo 1530 + Raith Elphy + FIB Orsay Physics

Nanofab- CNRS Grenoble-Institut Néel

Solutions pour la lithographie électronique

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2-c Lithographie ionique

• Sous le faisceau d’ionsEmission d’électrons et

d’ionsimage

• Ecriture directe– Lithographie sans resine– Gravure 3D

• Implantation ionique• Chimie

– Dépôt ou gravure locale

FIB

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Dual Beam SEM/FIB

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LPN Marcoussis

Thierry FOURNIER CNRS/Institut Néel-Septembre 2008

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3D EtchingLithography/Etching of non planar object.

Hole on a superconducting Wire

Thierry FOURNIER CNRS/Institut Néel-Septembre 2008 41

Patterning of non planar objects

Charged Density Wave Crystals : NbSe3, NbSe2, TaSe2

Etching of junctions 1x1x0.2 microns

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FIB Functionalized substrates

LPMCN, Lyon

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LPN Marcoussis

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2-4 Solutions émergeantesA-Nanoimprint

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LPN. Marcoussis

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Microfluidic

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N.I.L

• Procédé lent• Besoin masques 1:1 ( e-Beam)• Faible Aspect ratio• Faible cout• Résolution jusqu’à 10 nm !!!

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2-d Solutions émergeantes

B-Lithographies champ proche

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Near Field Lithography

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• Optical Lithography

-Contact/proximité: +Economique, présent dans les labos0.5 mic

-Endommagement résines et masques

-Projection +Progrés constant, excellente résolution 32 nm-De plus en plus couteux, inaccessible en labo

-EUV + Next technique? 15-30nm-Très cher, en développement

• Electron Beam Lithography+Pas de masques, solutions peu couteuses, accessible en labo

1nm-Faible vitesse d’écriture, Effet de proximité

• Ion Beam lithography+ Ecriture directe, gravure et dépôt 3D 5 nm-Pas d’effet de proximité, vitesse d’écriture tres faible

• Near Field lithography+ résolution atomique, solution labo

1-10nm-Vitesse d’écriture très faible

• Nanoimprint, softlithography+Economique rapide 10 nm-Nécessité masque 1:1, alignement difficile

3- Transferts

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3-Transfert

Etching– Attaque chimique

• Liquide

• gazeuze

– Ion Beam (IBE)

– Reactive Ion Etching

• Lift-Off

• Electrolytic growth

Dépot

Metal,oxide

Dissolution de la résine

Attaque chimique humide

Avantages: grande sélectivité car phénomènes purement chimiques

Inconvénients: Difficile à contrôler, sécurité, généralement isotropeLiquide sauf vapor HF, Xe F2

Tirer partie de l’isotropie

Attaque anisotrope du siliciumAttaque anisotrope du silicium monocristallin

-KOH, Alcool-KOH (masque Si3N4)-Pyrocatechol , TMAH (masque SiO2)

Vitesse attaque 111 ≤ 110 ≤ 110

Fabrication canaux

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Gravure Plasma

• La gravure plasma a dans de très nombreux cas remplacé la gravure chimique car la gravure directionnelle est possible dans les réacteurs plasma.

– Gravure directionnelle: : Présence d’ions dans le plasma et d’un champ électrique

– Le réacteur peut être conçu afin de favoriser la gravure directionnelle ou isotrope

– Les systèmes plasma utilise une combinaison d’espèces ioniques et chimiquement

– Attaque ionique grande sélectivité– Attaque ionique directionnalité

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Reactive Ion Etching

• Tension d’autopolarisation Vdc 100-900V• Composantes physique (mécanique) et chimique présente• Diminuer la pression augmente Vdcc et la directionnalité

– 10-100 mTorr– Réduit la densité de plasma

• Contrôle de la surgravure– Pression– Chimie– Polarisation d’électrode

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Gravure ionique assistée

– La gravure chimique est assistée par les ions

– Création d’une couche passivante

• Des polymères recouvrent les flancs

• Les polymères sont gravés mécaniquement par les ions

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Deep RIE

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3-b Lift-Off

Parametres-Résines/dépôts-Profils résines-Nature dépôt

-Basse température-Dégazage résine-adhérence métaux

-Lift-Off-Solvants-Particule, propretés

Lift-off et bio…Croissance guidée de neuronesC. Villard -Institut Néel

Organisation de cellules vivantesH.Guillou – Institut néel

Les moyens de nano/microfabrication

• Les grandes centrales– CEA-LETI

– Le réseau Renatech

• Les centrales de proximité

• Les laboratoires

Les grandes centrales de technologies

Les centrales de proximité• NanoLyon ( Lyon)• NanoFab ( Grenoble)

• Paris –Centre• Atelier de nanofabrication CEA/DRECAM (Saclay)

• Centrale de Technologie Spécifique Grand-Est, Nancy,Strasbourg

• Centrale de Technologie de Rennes

• Atemi (Université de Montpellier)• C(PN)2 Paris –Nord

• Centrale de Proximité CT-PACA, Sophia Antipolis et Marseille

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