Lithographie classique

proche... 39

II.1.3 Techniques « atypiques » pour la nanofabrication... 39

II.2 Microscope en champ proche : outil topographique et de nanofabrication... 41

II.2.1 Les SPMs comme outils d’imagerie topographique... 41

II.2.1.1 Imagerie avec un STM ... 41

II.2.1.2 Topographie à l’aide d’un AFM... 42

II.2.2 Les SPMs comme outils de nanofabrication ... 44

II.2.2.1 Lithographie par insolation électronique... 45

II.2.2.2 Techniques lithographiques par oxydation ... 46

II.2.2.3 Techniques lithographiques par dépôt local... 48

II.2.2.4 Gravure et indentation... 48

II.2.2.5 Manipulation d’atomes ou de molécules... 49

II.2.2.6 Lithographie « Dip-pen » ... 49

II.2.2.7 Conclusions sur les techniques de fabrication en champ proche ... 50

II.3 Nanostructures de silicium fabriquées par oxydation locale à l’aide d’un AFM sur

silicium sur isolant : principe... 51

II.3.1 Substrats de silicium sur isolant ... 51

II.3.1.1 Le SOI UNIBOND

^TM

par SmartCut

^TM

... 52

II.3.1.2 Dopage et amincissement localisé des substrats SOI... 53

II.3.2 Lithographie AFM sur SOI ... 56

II.3.3 Gravure... 61

II.4 Fabrication de nanostructures de Si par AFM : étapes et paramètres de notre procédé

………...65

II.4.1 Nettoyage et passivation... 65

II.4.2 Lithographie AFM... 66

II.4.3 Gravure TMAH ... 67

II.5 Conclusion pour la nanofabrication ... 69

II.6 Bibliographie... 71

II Nanofabrication de nanostructures de silicium à l’aide

d’un microscope à force atomique

La taille d’un nano-objet détermine de façon cruciale ses propriétés physiques

intrinsèques. De même, la distance vis-à-vis d’un contact détermine son couplage à

l’environnement. Par conséquent, l’un des aspects les plus importants des dispositifs

nanométriques est la capacité de les fabriquer d’une manière reproductible, tout en contrôlant

leurs tailles et leur positionnement.

Dans le cadre de la nanofabrication l’étape critique est la lithographie. Le mot

lithographie vient du grec et signifie littéralement « écriture dans la pierre ». Dans la

technologie des semiconducteurs, la lithographie est l’étape de fabrication pendant laquelle

sont définies les dimensions latérales d’un niveau structurel, la dimension verticale étant

contrôlée par les étapes de dépôt et/ou gravure. Dans ce contexte, la lithographie par

microscopie en champ proche est une technique particulièrement appropriée, car il s’agit d’un

procédé de nanofabrication facile à mettre en œuvre, peu coûteux et très flexible, qui de plus

s’affranchit de limitations physiques présentes dans les techniques concurrentes.

Dans ce chapitre nous présentons un état de l’art des techniques de lithographie

avancées en donnant quelques détails sur les lithographies par rayonnement ultraviolet, par

rayonnement X, par faisceau d’électrons (« e-beam ») ou d’ions, la nano-impression

(« nanoimprint ») et la lithographie par microscopie en champ proche. Les avantages et les

inconvénients de chaque technique seront détaillés et comparés avec cette dernière.

Nous présenterons par la suite un rapide panorama des différentes variantes de

lithographie par microscopie en champ proche. Nous argumenterons notre choix de fabriquer

les nanostructures par oxydation locale à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM).

Finalement, nous présenterons l’ensemble de notre procédé de fabrication qui implique

notamment des substrats silicium sur isolant (SOI) que nous utilisons et nous donnerons les

détails (les principes et les paramètres) du procédé, suivis de quelques exemples de

nanostructures réalisées.

II.1 Technologies avancées pour la fabrication de

nanostructures

II.1.1 Lithographie classique

La lithographie est l’étape de définition d’un motif latéral sur un substrat. Typiquement,

un système de lithographie classique est composé de trois parties principales : une source de

radiation, le substrat à lithographier, le plus souvent couvert de résine, et un système optique

qui permet la projection d’une radiation sur les zones à insoler (cf. Figure 1). Le motif ainsi

défini sur la résine peut être ensuite révélé puis transféré sur le substrat pendant une étape de

gravure ou de lift-off. Le rôle de la résine est de protéger les parties couvertes du substrat

pendant cette dernière étape.

(b) (c)

(a)

Source de

radiation

Système optique

Substrat

Figure 1 : Schéma du procédé de lithographie par projection avec une résine positive [1].

Le système lithographique contient trois parties importantes : une source de radiation, un

système optique de contrôle de l’illumination et un substrat couvert de résine (a). Les

propriétés chimiques de la résine insolée sont changées par la radiation (b). Pendant le

développement, la résine insolée est dissoute (c).

Une vision d’ensemble des différentes techniques de lithographie se trouve dans la

Figure 2. Le point de départ pour la lithographie est le motif à réaliser sur le substrat, qui est

fourni généralement par un fichier informatique transféré soit sur un support matériel

(masque), soit guidant une sonde ponctuelle.

Le système de contrôle peut être constitué par un masque et, dans ce cas, il s’agit de

lithographie en mode contact, de proximité ou de projection, suivant la distance entre le

masque et le substrat. Le masque possède des zones transparentes à la radiation utilisée et des

zones opaques. Le matériau des masques dépend de la radiation utilisée. Ces types de

lithographie permettent la fabrication de plusieurs motifs en même temps : la fabrication se

fait en parallèle.

La lithographie peut également se faire sans masque, par écriture directe sur la résine

(c’est le cas pour l’e-beam, par exemple). Pour ce type de lithographie, l’inconvénient

principal est que chaque motif doit être dessiné indépendamment (lithographie en série) ;

ainsi il faut beaucoup de temps pour réaliser les motifs sur une plaquette entière.

Figure 2 : Vision d’ensemble sur les différentes techniques de lithographie [1]. Toutes les

lithographies ont comme point de départ un fichier informatique soit transféré sur un

support matériel (masque), soit permettant de guider une sonde ponctuelle. Dans le premier

cas, l’insolation à travers le masque permet la fabrication des plusieurs motifs en parallèle.

Quand le motif est directement dessiné par une sonde ponctuelle, le transfert se fait motif

par motif (technique série). Ce type de lithographie est plus long.

Concentrons nous maintenant sur les sources d’insolation. L’évolution des techniques de

lithographie a été motivée par le besoin de fabriquer des motifs plus petits pour augmenter la

densité et la rapidité des circuits intégrés de silicium dans la microélectronique. Ainsi, l’un

des paramètres majeurs qualifiant un type de lithographie concerne la résolution. La

résolution est la largeur du motif le plus petit qui peut être réalisé par la technique. La

distance entre les plus proches motifs sur le masque, qui sont transférables (résolus) sur un

substrat est un paramètre tout aussi important.

Pour toutes les lithographies réalisées par l’intermédiaire de la composante propagatrice

d’une onde traversant un masque, la résolution est limitée par le phénomène de diffraction au

bords des motifs sur le masque. La résolution est donnée par le critère de Rayleigh. La plus

petite distance entre deux motifs pour qu’ils soient résolus est

NA

k _⋅ λ

1

, avec k

1

une constante

dépendante du système optique, λ la longueur d’onde de la source utilisée et NA l’ouverture

numérique du système optique. L’augmentation de la résolution est obtenue en minimisant

cette distance. Ainsi, afin d’obtenir des structures nanométriques, il faut diminuer la longueur

d’onde de la radiation utilisée. Ceci explique l’évolution des techniques lithographiques vers

des radiations ayant une longueur d’onde de plus en plus faible. Suivant la radiation utilisée et

sa longueur d’onde, il y a plusieurs types de lithographie :

• lithographie en lumière visible (400nm – 700nm) ;

• lithographie en ultraviolet (365nm – 436nm) ;

• lithographie en ultraviolet profond (deep UV ou DUV, 157nm – 250nm) ;

• lithographie en ultraviolet extrême (extreme UV ou EUV, 11nm – 14nm) ;

• lithographie par rayonnement X (< 10nm) ;

• lithographie par faisceau d’électrons, e-beam (écriture directe) ;

• lithographie par faisceau d’ions (écriture directe).

En termes de longueur d’onde et, donc, de résolution, les sources les plus intéressantes

pour fabriquer des structures plus petites que 100nm, sont celles de l’extrême ultraviolet, du

rayonnement X, d’électrons ou d’ions. Les principaux inconvénients pour ces techniques sont

énoncés dans le Tableau 1.

Radiation Inconvénients

Extrême

ultraviolet

(EUV)

λ ~ 10nm

L’absorption de la lumière dans ces courtes longueurs d’onde est très forte,

donc les lentilles habituelles (et les masques) doivent être remplacées par des

systèmes optiques en réflexion (des miroirs multicouches). Cependant ces

miroirs doivent être de haute qualité et leur fabrication n’est pour le moment

pas maîtrisée à l’échelle industrielle.

Rayonnement X

λ ~ 1nm

Les longueurs d’onde correspondant au rayonnement X sont tellement faibles

qu’il est impossible de réaliser les chemins optiques que ce soit en réflexion

ou en réfraction. La préparation des masques est par ailleurs très délicate [1].

Faisceau

d’électrons

Les principaux inconvénients sont les effets de proximité liés à la

rétro-diffusion des électrons et l’endommagement du substrat à cause des électrons

très énergétiques. Plus de détails seront donnés par la suite.

Faisceau d’ions

La lithographie peut se faire par faisceau d’ions à travers un masque ou en

écriture directe (« focused ion beam », FIB), avec moins d’effets de proximité

que pour le faisceau d’électrons mais la technique est pour l’instant peu

développée par rapport à la lithographie par faisceau d’électrons.

Tableau 1 : Principaux inconvénients des techniques classiques de lithographie capables de

fabriquer des structures de dimensions plus petites que 100nm.

La plus développée de toutes ces techniques est la lithographie par faisceau d’électrons,

appelée également « e-beam lithography » (EBL). Pour ce type de lithographie, l’écriture se

fait à l’aide d’un faisceau d’électrons, générés soit par émission thermoïonique soit par

émission de champ. Des lentilles appropriées (électrostatiques et magnétiques) permettent la

focalisation du faisceau d’électrons jusqu’à 1nm de diamètre. Deux approches sont possibles :

l’écriture directe de la résine à l’aide des électrons ou la lithographie de projection de masque.

Pour la lithographie par e-beam, la résine utilisée doit être sensible aux électrons.

La faible longueur d’onde des électrons (négligeable devant la taille du faisceau) permet

d’atteindre de très bonnes résolutions ; ainsi il est possible d’obtenir des structures de l’ordre

de 10 – 20nm après le transfert de masque. En termes de résolution, un autre facteur est à

prendre en compte pour la lithographie par faisceau d’électrons : les interactions des électrons

avec la matière. Des électrons accélérés sont envoyés dans la résine. Avant de perdre

complètement leur énergie, ils subissent une diffusion vers l’avant (« forward-scattering ») et

vers l’arrière (« back-scattering »). Le résultat est que l’on passe d’un spot fin d’électrons,

typiquement de 1nm de diamètre, à une « poire de diffusion » beaucoup plus élargie en

largeur et en profondeur (cf. Figure 3). Ainsi, la partie exposée de la résine est plus grande

que la taille du faisceau incident à cause des électrons rétro-diffusés, induisant une irradiation

partielle. Ce phénomène donne lieu à des effets de proximité. Pour des traits voisins, ce

phénomène implique une sur-insolation par rapport à un trait isolé. Afin de réduire cet effet

on peut introduire des corrections de doses, mais ceci induit quand même une limitation sur la

résolution de cette technique. On peut palier à ce problème en travaillant avec des électrons

encore plus rapides (>50keV), dont la poire de rétro-difussion s’affine [2].

x (µm)

2 1 0 1 2 3 2 1 1 2 3

0

0

1

2

3

4

z (µm)

(a) 10 kV _{(b) 20 kV}

Figure 3 : Simulations de type Monte-Carlo, des trajectoires électroniques dans la résine

(PMMA) et dans le silicium pour un faisceau accéléré à 10keV (a) et 20keV (b) [1]. Les

électrons sont diffusés dans la résine et dans le silicium jusqu’à la perte totale de leur

énergie. Les motifs s’élargissent à cause des électrons rétro-diffusés dans la résine et qui

insolent plus que le faisceau incident.

Du point de vue industriel, l’inconvénient majeur de la lithographie par faisceau

d’électrons est le temps pris pour dessiner la structure car il s’agit d’une écriture « en série »

des motifs par le pinceau d’électrons les uns après les autres. Actuellement ce type de

lithographie est utilisé pour la fabrication des masques ou pour des applications particulières

en recherche et en développement.

II.1.2 Techniques de lithographie en champ lointain versus

Dans le document Effet de champ et blocage de Coulomb dans des nanostructures de silicium élaborées par microscopie à force atomique (Page 40-46)