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
−7Torr, et au niveau du canon à 1.10
−9Torr. Dans la chambre, le vide est de l'ordre de 10
−6Torr.
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
6qui 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
Dans le document
Fabrication top-down, caractérisation et applications de nanofils silicium
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