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sous la pointe par eet électrochimique. En eet, les molécules d'eau présentent dans

le ménisque qui se forme entre la pointe et la surface vont s'ioniser, se diriger vers

l'anode (le silicium dans notre cas, en appliquant une tension positive sur le substrat,

la pointe étant à la masse) et y réagir pour former un oxyde (voir gure II.7).

Fig. II.7 La nano-oxydation du silicium s'obtient à l'air en appliquant une

dif-férence de potentiel entre la pointe AFM et le substrat (tension inférieure sur la

pointe)

La première expérience de ce genre a été faite avec un STM sur une surface

de silicium en 1990 par Dagata et al. [9]. Cette technique a ensuite été étendue à

l'AFM [10], outil plus adapté grâce à sa plus grande facilité d'utilisation à l'air par

rapport au STM. Par la suite, cette technique d'anodisation par SPM s'est étendue à

diérentes surfaces, notamment aux métaux en couche ultra mince (quelques

nano-mètres) tels le niobium [11], le titane [12] ou encore l'aluminium [13]. Cette oxydation

peut se faire en mode contact ou en mode non-contact, ce dernier mode présentant

l'avantage de moins abîmer les pointes mais requiert l'application de tensions plus

élevées. Grâce à cette technique de lithographie sur du silicium, des motifs d'oxyde de

dimensions nanométriques peuvent être réalisés. Ces motifs d'oxyde peuvent ensuite

servir de masque pour obtenir des nanostructures de silicium.

Une étude plus détaillée sur le mécanisme d'oxydation, la tension à appliquée et

la cinétique sera donnée dans le chapitre suivant.

L'AFM peut donc nous servir à la fois pour la topographie des échantillons, mais

également pour créer des structures nanométriques comme nous le verrons dans le

chapitre suivant. L'autre voie envisagée en parallèle pour créer les nanols de silicium

est l'utilisation de la lithographie électronique.

II.3 Le nanomasqueur électronique

Le principe de la lithographie électronique a été expliqué dans le chapitre I, au

paragraphe I.3.2.1 (page 31). La première expérience d'écriture avec un faisceau

électronique date de la n des années 1960 [14]. Le diamètre de spot du faisceau

d'électrons étant de quelques nanomètres seulement, cet outil est le plus performant

pour la fabrication de structures aussi petites que 3 à 5nm [15, 16]. L'écriture étant

séquentielle, le temps d'écriture peut être très long, pouvant atteindre plusieurs

CHAPITRE II. OUTILS DE FABRICATION ET DE

CARACTÉRISATION DE STRUCTURES NANOMÉTRIQUES

heures. De ce fait, les rendements de production présentés par cette technologies

sont faibles et ont un impact direct sur les coûts des dispositifs. C'est pourquoi

cette technologie est principalement utilisée dans les laboratoires. Cependant, pour

pallier à ce problème de productivité, des systèmes à faisceaux multiples ont été

montrés, permettant d'écrire plusieurs champs en même temps, et de ce fait,

amé-liorer le temps d'écriture. En 2005, Van Bruggen et al. ont présenté un système à

100 faisceaux d'électrons, rendant cette technologie plus compétitive [17].

Nous allons donc voir maintenant les diérentes parties du bâti, le principe de

fonctionnement du nanomasqueur électronique et ses caractéristiques, et nous

ver-rons dans le chapitre suivant les eets du faisceau d'électver-rons sur la résine.

Le nanomasqueur électronique utilisé et décrit ici est le nanomasqueur EBPG

5000+ de Vistec Lithography Inc.(gure II.8).

Fig. II.8 Photographie du nanomasqueur EBPG 5000+ de Vistec lithography Inc.

Le bâti est constitué (voir synoptique en gure II.9) : d'un sas d'introduction

(1), d'une chambre où l'échantillon est placé lors de l'écriture (2), et de la colonne

électronique et du canon à électrons (3). Le vide dans l'ensemble de ce bâti est assuré

par des pompes turbo-moléculaires et des pompes ioniques. Ainsi, le vide au sein de

la colonne électronique est inférieure à 4.10

7

Torr, et au niveau du canon à 1.10

9

Torr. Dans la chambre, le vide est de l'ordre de 10

6

Torr.

Le système utilisé pour la formation du faisceau électronique et pour l'écriture

est composé de 4 parties : une source d'électrons (canon à électrons), une colonne

électronique (qui sert à former le faisceau), une platine mécanique permettant de

dé-placer le substrat et un ordinateur de contrôle. La gure II.10 présente un schéma de

la colonne complète du nanomasqueur. Comme nous le verrons par la suite (voir II.6),

la colonne d'un nanomasqueur électronique ressemble à celle d'un microscope

élec-tronique à balayage.

En haut de la colonne se trouve le canon à électrons. Il existe 2 familles de canon

à électrons selon le principe utilisé pour extraire les électrons : l'émission

thermo-électronique et l'émission par eet de champ. L'émission thermo-thermo-électronique utilise

II.3 Le nanomasqueur électronique

Fig. II.9 Synoptique du bâti complet du nanomasqueur

CHAPITRE II. OUTILS DE FABRICATION ET DE

CARACTÉRISATION DE STRUCTURES NANOMÉTRIQUES

des laments de tungstène ou des pointes en LaB

6

qui de part leur faible travail de

sortie vont permettre d'extraire facilement les électrons de la cathode par chauage.

Pour le canon à émission de champ, le principe est d'utiliser une cathode en tungstène

en forme de pointe très ne et d'appliquer un fort champ électrique entre la pointe

et une électrode. On produit ainsi, par eet de pointe, un champ électrique très

intense à l'extrémité de la cathode. Les électrons sont alors extraits de la pointe par

eet tunnel. Cette technique permet d'obtenir une source virtuelle beaucoup plus

petite que celle obtenue par un canon thermo-électronique et c'est pourquoi elle est

maintenant beaucoup plus utilisée.

Dans le cas de l'EBPG5000+, le faisceau d'électrons est généré par un procédé

d'émission de champ assisté thermiquement, permettant d'extraire plus facilement

les électrons. Le champ électrique est produit entre l'émetteur (pointe en tungstène)

et l'extracteur (la tension mise sur la cathode est de 20kV, 50kV ou 100kV). Le

suppresseur est une électrode entourant la cathode sauf au niveau de la pointe,

utilisée an de supprimer l'émission d'électrons par le côté de la tige. Une source

virtuelle d'électrons d'environ 20 nm est ainsi créée. Une électrode supplémentaire

permet de focaliser le faisceau qui est ensuite accéléré via l'anode.

Dans la suite de la colonne, des bobines et des lentilles servent à aligner le faisceau

et à le focaliser correctement, permettant d'obtenir une taille de spot sur l'échantillon

pouvant atteindre 5 nm pour de faibles courants. Les lentilles L1 et L2 jouent un

rôle équivalent au zoom pour un microscope optique, ce sont elles qui vont permettre

de dénir le courant du faisceau. La zone de blanking sert à couper le faisceau

en appliquant un champ électrique transverse, permettant de déplacer l'échantillon

sans risque d'écriture sur la résine. Enn, lors de l'écriture, le faisceau sera dééchi

par des bobines magnétiques situées juste avant la dernière lentille de focalisation.

Ces bobines ne peuvent pas dééchir le faisceau sur toute la surface de l'échantillon,

et le masque à écrire est donc coupé en plusieurs champs, dont la taille maximum

dépend de l'énergie des électrons utilisée. Au sein de ces champs nanomasqueur,

le masque est découpé en trapèzes. En eet, pour gagner du temps et garder une

haute précision, deux systèmes de bobines indépendantes sont utilisées : un système

plus lent pour la déection principale au sein du champ entier (forte déection), et

un système plus rapide pour l'écriture des trapèzes (faible déection). Une fois un

champ écrit, la platine portant le substrat se déplace au champ suivant.

An d'assurer une bonne focalisation du faisceau sur l'échantillon lors de

l'écri-ture, un interféromètre laser est utilisé pour mesurer les variations de hauteur, par

rapport à la hauteur de référence du porte-échantillon. La gure II.11 présente un

porte-échantillon pour un substrat 3 pouces.

Des ressorts permettent de venir plaquer le substrat sur des butées (1) se

trou-vant dans le même plan que les marques de calibration se situant en haut du

porte-échantillon (2). A côté de ces marques se trouvent une cage de Faraday (3) qui

permet de mesurer le courant du faisceau. Au niveau de l'échantillon, les charges

sont évacuées par deux pattes métalliques (4) que l'on vient poser à la surface du

sub-strat. Enn, une vis micrométrique (5) est utilisée pour pouvoir tourner légèrement

le substrat par rapport au porte-échantillon. En eet, si la réalisation du dispositif

nécessite plusieurs étapes de lithographie électronique, il est nécessaire d'aligner les

diérents niveaux entre eux. Des marques de repérage (typiquement des marques de