T. Fournier - Grenoble INP

Elaboration de matériaux micro et
nanostructurés
Thierry FOURNIER
CNRS/Institut Néel
[email protected] 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
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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
6
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
PROCEDE RESINE
• 1/ Substrat plan
• 2/ Elalement résine
• Spin coating
• 3/ Exposition
• UV, DUV, électrons
• Modifications chimiques
• Variation solubilité
• 4/Developpement
• Résine positive
• Résine négative
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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
Déposition:
• Lift-Off
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
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Design des Masques
Test
Device
Layer1
Layer 2
Multi-level design
Differents layers
100 mm 1:1 mask
Cr/Glass UV Process
Cross alignement
Cr/Quartz DUV Process
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Lithographie par projection
UV source
Resolution ( diffraction)
R=k λ/N.A
– k: parametre de procédé
Rayleigh criteria = 0.61
– λ: UV wavelengh
2i
– N.A Ouverture numérique
=nsini
1:4 to 1:20
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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
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Lithographie X-Ray
• Longueur d’onde:
• Source parrallèle
0.8nm- 1.6nm
Synchroton
• Difficulté principale: La fabrication des masques
Absorbeur : Au, W,
Si3N4, SiC
membrane: 1
micron
Silicium
gravé
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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
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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
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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
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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 GrenobleInstitut Néel
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2-c Lithographie ionique
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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
38
LPN Marcoussis
39
3D Etching
Lithography/Etching of non
planar object.
Thierry FOURNIER
CNRS/Institut NéelSeptembre 2008
Hole on a
superconducting Wire
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Patterning of non planar objects
Charged Density Wave Crystals : NbSe3, NbSe2, TaSe2
Etching of junctions 1x1x0.2 microns
Thierry FOURNIER CNRS/Institut Néel-Septembre 2008
41
FIB Functionalized substrates
LPMCN, Lyon
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LPN Marcoussis
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2-4 Solutions
émergeantes
A-Nanoimprint
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46
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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 !!!
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2-d Solutions
émergeantes
B-Lithographies champ
proche
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Near Field Lithography
52
53
54
55
56
57
58
•
Optical Lithography
-Contact/proximité:
0.5 mic
+Economique, présent dans les labos
-Endommagement résines et masques
-Projection
+Progrés constant, excellente résolution
-De plus en plus couteux, inaccessible en labo
-EUV + Next technique?
32 nm
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
+ Ecriture directe, gravure et dépôt 3D
-Pas d’effet de proximité, vitesse d’écriture tres faible
•
5 nm
Near Field lithography
+ résolution atomique, solution labo
1-10nm
-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
Dissolution
de la résine
• Lift-Off
• 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
– Attaque ionique
grande sélectivité
directionnalité
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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
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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
72
3-b Lift-Off
Parametres
-Résines/dépôts
-Profils résines
-Nature dépôt
-Basse température
-Dégazage résine
-adhérence métaux
-Lift-Off
-Solvants
-Particule, propretés
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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