Elaboration de matériaux micro et nanostructurés

Elaboration de matériaux micro et nanostructurés Thierry FOURNIER CNRS/Institut Néel thierry.fournier@grenoble.cnrs.fr Tel:0476889071 SMB2009 Sciences de la Miniaturisation et Biologie 1

FEYNMAN 29/12/1959 conference APS 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

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 3

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

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 5

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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

1/ Substrat plan PROCEDE RESINE 2/ Elalement résine Spin coating 3/ Exposition UV, DUV, électrons Modifications chimiques Variation solubilité 4/Developpement Résine positive Résine négative 8

Résine Dose= Incident Energy/Surface T(D)= T0γln(D/D0) T: Epaisseur de résine après développement D: Dose γ= contrast 9

Transfert Gravure Chimique, ions Lift-Off Déposition: Metal,oxide Dissolution de la résine Croissance électrolytique 10

2-a-Lithographie Optique 11

Les Lithographies optiques

CONTACT/PROXIMITY 13

Contact/Proximité + _ Méthode simple et économique Fabrication en parallèle Présente dans les labos de recherche Endommagement masque et résine Substrate flatness Mask 1:1 Résolution pratique 0.5 micron 14

Design des Masques Test Device Layer1 Layer 2 Multi-level design Differents layers 100 mm 1:1 mask Cr/Glass UV Process Cr/Quartz DUV Process Cross alignement 15

Lithographie par projection UV source Resolution ( diffraction) R=k λ/n.a k: parametre de procédé Rayleigh criteria = 0.61 2i λ: UV wavelengh N.A Ouverture numérique =nsini 1:4 to 1:20 16

Lithographie par projection R=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 - Masques OPC (Optical Proximity correction) PSM (Phase Shifting Masks)

Extreme UV 18

Lithographie X-Ray Longueur d onde: Source parrallèle 0.8nm- 1.6nm Synchroton Difficulté principale: La fabrication des masques Absorbeur : Au, W, Silicium gravé Si3N4, SiC membrane: 1 micron 19

Lithographie par projection R=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 - Masques OPC (Optical Proximity correction) PSM (Phase Shifting Masks)

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 21

Lithographie par projection R=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 - Masques OPC (Optical Proximity correction) PSM (Phase Shifting Masks)

Réduire k: optical engineering From 0.8 (1980) to 0.4 Masks OPC (Optical Proximity correction) PSM (Phase Shifting Masks) Off-Axis illumination Process Double exposition 23

Réduire k: optical engineering From 0.8 (1980) to 0.4 Masks OPC (Optical Proximity correction) PSM (Phase Shifting Masks) Off-Axis illumination Process Double exposition 24

Amélioration de la résolution : Augmentation des couts!!! 25

2-b Lithographie électronique et ionique 26

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.

E-Beam and Ion Lithography EBL: Compromis entre haute résolution et vitesse d écriture 28

EBL 29

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 33

Solutions pour la lithographie électronique -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 34

2-c Lithographie ionique 35

FIB Sous le faisceau d ions Emission d électrons et d ions image Ecriture directe Lithographie sans resine Gravure 3D Implantation ionique Chimie Dépôt ou gravure locale

Dual Beam SEM/FIB 37

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LPN Marcoussis 39

3D Etching Lithography/Etching of non planar object. Hole on a superconducting Wire Thierry FOURNIER CNRS/Institut Néel- Septembre 2008 40

Patterning of non planar objects Charged Density Wave Crystals : NbSe 3, NbSe 2, TaSe 2 Etching of junctions 1x1x0.2 microns Thierry FOURNIER CNRS/Institut Néel-Septembre 2008 41

FIB Functionalized substrates LPMCN, Lyon 42

LPN Marcoussis 43

2-4 Solutions émergeantes A-Nanoimprint 44

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LPN. Marcoussis 48

Microfluidic 49

N.I.L Procédé lent Besoin masques 1:1 ( e-beam) Faible Aspect ratio Faible cout Résolution jusqu à 10 nm!!! 50

2-d Solutions émergeantes B-Lithographies champ proche 51

Near Field Lithography 52

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Optical Lithography -Contact/proximité: 0.5 mic +Economique, présent dans les labos -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 Near Field lithography 1-10nm + Ecriture directe, gravure et dépôt 3D 5 nm -Pas d effet de proximité, vitesse d écriture tres faible + résolution atomique, solution labo -Vitesse d écriture très faible Nanoimprint, softlithography +Economique rapide -Nécessité masque 1:1, alignement difficile 59 10 nm

3- Transferts

3-Transfert Etching Attaque chimique Liquide gazeuze Ion Beam (IBE) Reactive Ion Etching Dépot Metal,oxide Lift-Off Dissolution de la résine Electrolytic growth 61

Attaque chimique humide Avantages: grande sélectivité car phénomènes purement chimiques Inconvénients: Difficile à contrôler, sécurité, généralement isotrope Liquide sauf vapor HF, Xe F2

Tirer partie de l isotropie

Attaque anisotrope du silicium Attaque anisotrope du silicium monocristallin -KOH, Alcool-KOH (masque Si3N4) -Pyrocatechol, TMAH (masque SiO2) Vitesse attaque 111 110 110

Fabrication canaux

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 68

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 69

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 70

Deep RIE 71

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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 73

Lift-off et bio Croissance guidée de neurones C. Villard -Institut Néel Organisation de cellules vivantes H.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