Fabrication par approche top-down

Nous venons de voir comment synthétiser des nanols par une approche

bottom-up. L'obtention de ces nanols semi-conducteurs se fait à faible coût, mais deux

points clés sont encore à développer : tout d'abord le dopage de ces structures 1D

et ensuite, leur assemblage. Ces deux problèmes n'ont pas lieu dans les approches

top-down puisque le dopage est le dopage du substrat qui est bien maîtisé dans la

micro-électronique actuelle, et que l'on sait précisément à quel endroit du substrat

les nanols sont fabriqués.

La résolution de la lithographie optique conventionnelle est limitée par le critère

de Rayleigh, qui exprime le fait qu'il n'est pas possible de fabriquer des objets plus

petits que la longueur d'onde utilisée pour la lithographie

3

:

d

_min

=k. ^λ

N A (I.34)

avec k=0.7-0.8, λ est la longueur d'onde du faisceau utilisé lors de l'insolation, et

N Aest l'ouverture numérique du système optique. L'ouverture numérique est dénie

par :

N A=n.sinθ (I.35)

avecn l'indice de réfraction du milieu de propagation, généralement égal à 1 (air ou

vide), et θ est l'angle maximum du cône du faisceau optique.

3Il existe maintenant des lithographies par immersion qui permettent d'obtenir une résolution inférieure à λ grâce à l'utilisation de liquide (d'indice de réfraction plus élevé) à la place de l'air entre le masque et la résine [65].

I.3 Les nanols, systèmes 1D nanométriques

Pour augmenter la résolution, il faut donc diminuer la distance d

_min

. La marge

de man÷uvre sur l'ouverture numérique étant limitée, c'est la longueur d'onde du

faisceau qui peut permettre de descendre en résolution. Cependant, la majorité des

lithographies actuelles (lumière visible, ultraviolet, ultraviolet profond) n'orent pas

la possibilité d'aller en deçà de 50 nm. C'est pourquoi d'autres techniques sont

utili-sées pour fabriquer des dispositifs de tailles inférieures, par exemple, la lithographie

électronique, la lithographie en microscopie champ proche, ou encore le nanoimprint.

Nous allons maintenant décrire brièvement la façon d'obtenir des nanols par ces

3 approches. Les deux premières seront détaillées plus amplement dans les prochains

chapitres.

I.3.2.1 Lithographie électronique

La lithographie électronique consiste à envoyer des électrons sur une résine

sen-sible aux électrons an d'en modier les propriétés structurales. La résolution

at-teinte ici peut alors être de l'ordre de quelques nanomètres seulement.

Ainsi, pour une résine dite négative, la région insolée sera polymérisée, ce qui

aura pour eet de rendre cette région plus dense. De ce fait, lors de l'étape suivante

qui consiste à révéler la résine en plongeant l'échantillon dans un développeur, les

régions insolées étant plus denses vont rester sur le substrat alors que les autres

régions vont être dissoutes par le développeur. La résine servant alors de masque, une

étape de gravure permet de transférer les motifs obtenus au substrat. Cette gravure

peut être faite soit par voie humide (par exemple pour le silicium, en utilisant un

bain d'hydroxyde de potassium) ou par voie sèche (par exemple une gravure plasma

RIE (Reactive Ion Etching) qui permet d'obtenir des ancs de gravure anisotropes).

Les diérentes étapes sont résumées à la gure I.27, en prenant l'exemple de nanols

de silicium sur SOI (Silicon On Insulator).

Fig. I.27 Les diérentes étapes de la lithographie électronique pour obtenir un

nanol de silicium à partir d'un substrat SOI

CHAPITRE I. SYSTÈMES 1D À L'ÉCHELLE NANOMÉTRIQUE

Par cette méthode, des nanols de silicium avec des largeurs de l'ordre de 10 nm

ont pu être obtenus [21] (gure I.28).

Fig. I.28 Nanol de 15 nm de large obtenu par lithographie électronique [21]

I.3.2.2 Lithographie en microscopie champ proche

L'apparition de la microscopie en champ proche (Scanning Probe Microscopy,

SPM) en 1982 pour le microscope à eet tunnel (ou Scanning Tunneling

Micro-scope, STM) [66], et en 1986 pour le microscope à force atomique (ou Atomic Force

Microscope, AFM) [67] a permis l'observation de surfaces à l'échelle atomique, ainsi

que la fabrication d'objets de taille nanométrique [68]. Le principe du STM est

d'avoir une pointe métallique xée à un tripode piézo-électrique permettant le

dé-placement de celle-ci dans les 3 directions de façon extrêmement précise, de l'ordre

de l'angström. Ensuite, une boucle de contre-réaction permet de garder un courant

constant entre la pointe et l'échantillon, ce qui donne une image de la topographie

de surface. Pour l'AFM, la pointe se trouve au bout d'un levier souple oscillant et la

boucle de contre-réaction assure une amplitude d'oscillation constante qui conduit

également à une image de la topographie de surface. Ainsi, ces microscopes

per-mettent de venir manipuler des objets de taille nanométrique, mais également de

changer les propiétés des matériaux.

Prenons le cas du silicium. Lorsque l'on applique une diérence de potentiel

susamment importante entre la pointe et la surface de l'échantillon, les molécules

d'eau présentes en surface vont s'ioniser en ions O

−

et OH

−

et vont alors diuser vers

l'intérieur du silicium pour former du SiO

2

. Comme l'apex de la pointe est de l'ordre

de quelques nanomètres, l'oxydation qui en résulte est du même ordre de grandeur, et

l'on peut ainsi obtenir des ls d'oxyde de l'ordre de la dizaine de nanomètres [12, 69

71]. La hauteur de l'oxyde formé étant très faible (de l'ordre du nanomètre), il faut

avoir une grande sélectivité entre le silicium et l'oxyde pour permettre le transfert

de ce masque au substrat. La gravure RIE n'étant pas susamment sélective, c'est

une gravure humide au KOH ou au TMAH (Tétra-Méthyle-Amino-Hydroxyde) qui

est utilisée. Une fois le l gravé, un amincissement de celui-ci peut être fait par des

cycles d'oxydation-désoxydation. Legrand et al. ont obtenu par cette méthode des

ls de 10 nm de large sur 5,5 nm de haut [72](voir gure I.29).

I.3 Les nanols, systèmes 1D nanométriques

Fig. I.29 Nanol de 10 nm de large obtenu par lithographie AFM après des cycles

d'oxydation-désoxydation [69]

I.3.2.3 Le nanoimprint

Le principal défaut des lithographies électronique et AFM est leur temps

d'écri-ture. En eet, contrairement à la lithographie optique où l'ensemble du motif est écrit

en même temps, l'écriture lors de ces lithographies est séquentielle, ce qui se traduit

par des temps d'écriture beaucoup plus long, pouvant atteindre plusieurs heures.

D'autres techniques permettant d'obtenir des structures de taille nanométrique de

façon beaucoup plus rapide sont utilisées, comme le nanoimprint.

La fabrication par nanoimprint est mécanique et consiste à appuyer un tampon

sur un substrat couvert de résine. Ce tampon est fabriqué par des techniques

conven-tionnelles, par exemple par lithographie électronique, puis gravure RIE. Une fois la

résine chauée au-delà de son point de transition vitreuse, le tampon est pressé sur

celle-ci, puis il est retiré une fois l'ensemble refroidi (voir gure I.30). Le dessin du

tampon se retrouve ainsi formé dans la résine, et il est transféré au substrat par

gravure RIE ou par évaporation métallique par exemple.

Fig. I.30 Etapes de transfert du masque par nanoimprint

L'avantage de cette méthode est qu'elle est extrêmement rapide. En revanche, il

est actuellement très dicile de pouvoir aligner plusieurs niveaux entre eux.

Jung at al. ont pu fabriquer un moule en nanols de silicium de 15 nm de larges

espacés de 19 nm. Ainsi, en deux étapes successives par nanoimprint (en transférant

les motifs par une évaporation de titane et de platine, puis lift-o), des jonctions de

nanols métalliques ayant les mêmes largeurs que le moule ont été fabriquées [73]

CHAPITRE I. SYSTÈMES 1D À L'ÉCHELLE NANOMÉTRIQUE

(voir gure I.31).

Fig. I.31 (A)Moule formé par des nanols de silicium de 15nm de large séparés

par 19 nm (B)Réalisation de crossbar métallique par deux étapes successives de

nanoimprint [73]

De nombreuses autres techniques physiques existent pour fabriquer des structures

de tailles nanométriques et sont détaillées dans le chapitre 7 de la référence [58].

Dans le document Fabrication top-down, caractérisation et applications de nanofils silicium (Page 35-39)