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Elaboration de matériaux micro et nanostructurés
Thierry FOURNIERCNRS/Institut Néel
[email protected] Tel:0476889071
SMB2009 Sciences de la Miniaturisation et Biologie
• 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…
FEYNMAN 29/12/1959conference APS
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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
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…
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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
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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
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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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RésineDose= Incident Energy/Surface
T(D)= T0γln(D/D0) T: Epaisseur de résine après développement
D: Dose γ= contrast
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Transfert
Gravure– Chimique, ions
• Lift-Off
• Croissance électrolytique
Déposition:
Metal,oxide
Dissolution de la résine
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2-a-Lithographie Optique
Les Lithographies optiques
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CONTACT/PROXIMITY
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Contact/Proximité
+Méthode simple et économique
Fabrication en parallèlePrésente dans les labos de recherche
_Endommagement masque et résineSubstrate flatnessMask 1:1Résolution pratique 0.5 micron
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Design des Masques
Multi-level design
Differents layers
100 mm 1:1 mask
Cr/Glass UV Process
Cr/Quartz DUV Process
Test Device
Layer1Layer 2
Cross alignement
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Lithographie par projection
Resolution ( diffraction)
R=k λ/N.A
– k: parametre de procédé
Rayleigh criteria = 0.61
– λ: UV wavelengh
– N.A Ouverture numérique
=nsini
2i
1:4 to 1:20
UV source
Lithographie par projectionR=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- MasquesOPC (Optical Proximity correction)PSM (Phase Shifting Masks)
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Extreme UV
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Lithographie X-Ray
• Longueur d’onde: 0.8nm- 1.6nm
• Source parrallèle Synchroton
• Difficulté principale: La fabrication des masques
Silicium gravé
Si3N4, SiC membrane: 1 micron
Absorbeur : Au, W,
Lithographie par projectionR=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- MasquesOPC (Optical Proximity correction)PSM (Phase Shifting Masks)
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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
Lithographie par projectionR=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- MasquesOPC (Optical Proximity correction)PSM (Phase Shifting Masks)
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Réduire k: optical engineering• From 0.8 (1980) to
0.4Masks
• 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
0.4Masks
• OPC (Optical Proximity correction)
• PSM (Phase Shifting Masks)
• Off-Axis illumination• Process• Double exposition
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Amélioration de la résolution :Augmentation des couts !!!
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2-b Lithographie électronique et ionique
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.
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E-Beam and Ion Lithography
EBL: Compromis entre haute résolution et vitesse d’écriture
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EBL
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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• -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 Grenoble-Institut Néel
Solutions pour la lithographie électronique
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2-c Lithographie ionique
• Sous le faisceau d’ionsEmission d’électrons et
d’ionsimage
• Ecriture directe– Lithographie sans resine– Gravure 3D
• Implantation ionique• Chimie
– Dépôt ou gravure locale
FIB
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Dual Beam SEM/FIB
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LPN Marcoussis
Thierry FOURNIER CNRS/Institut Néel-Septembre 2008
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3D EtchingLithography/Etching of non planar object.
Hole on a superconducting Wire
Thierry FOURNIER CNRS/Institut Néel-Septembre 2008 41
Patterning of non planar objects
Charged Density Wave Crystals : NbSe3, NbSe2, TaSe2
Etching of junctions 1x1x0.2 microns
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FIB Functionalized substrates
LPMCN, Lyon
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LPN Marcoussis
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2-4 Solutions émergeantesA-Nanoimprint
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LPN. Marcoussis
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Microfluidic
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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
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• Optical Lithography
-Contact/proximité: +Economique, présent dans les labos0.5 mic
-Endommagement résines et masques
-Projection +Progrés constant, excellente résolution 32 nm-De plus en plus couteux, inaccessible en labo
-EUV + Next technique? 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 5 nm-Pas d’effet de proximité, vitesse d’écriture tres faible
• Near Field lithography+ résolution atomique, solution labo
1-10nm-Vitesse d’écriture très faible
• Nanoimprint, softlithography+Economique rapide 10 nm-Nécessité masque 1:1, alignement difficile
3- Transferts
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3-Transfert
Etching– Attaque chimique
• Liquide
• gazeuze
– Ion Beam (IBE)
– Reactive Ion Etching
• Lift-Off
• Electrolytic growth
Dépot
Metal,oxide
Dissolution de la résine
Attaque chimique humide
Avantages: grande sélectivité car phénomènes purement chimiques
Inconvénients: Difficile à contrôler, sécurité, généralement isotropeLiquide sauf vapor HF, Xe F2
Tirer partie de l’isotropie
Attaque anisotrope du siliciumAttaque anisotrope du silicium monocristallin
-KOH, Alcool-KOH (masque Si3N4)-Pyrocatechol , TMAH (masque SiO2)
Vitesse attaque 111 ≤ 110 ≤ 110
Fabrication canaux
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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 grande sélectivité– Attaque ionique 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
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Deep RIE
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3-b Lift-Off
Parametres-Résines/dépôts-Profils résines-Nature dépôt
-Basse température-Dégazage résine-adhérence métaux
-Lift-Off-Solvants-Particule, propretés
Lift-off et bio…Croissance guidée de neuronesC. Villard -Institut Néel
Organisation de cellules vivantesH.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