Mise en œuvre de la nanolithographie, pour fabriquer des objets de taille nanométrique

Objectif

Utiliser l'AFM comme outil de fabrication et de caractérisation d'un dispositif nanométrique. Dans une première phase, l'AFM est utilisé comme un outil de nanolithographie, pour réaliser des nanofils de silicium par oxydation locale de surface et gravure sélective. Dans une seconde phase, après avoir fabriqué les dispositifs nanométriques, l'AFM est utilisé pour les observer et les caractériser.

 

Environnement

Ce stage bénéficie du soutien de l’’IEMN (Institut d’’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie) qui met à disposition, dans le cadre de ce TP, un microscope à force atomique ainsi qu’’un accès limité à la salle blanche « recherche ».

 

Niveau

Ce stage s’’adresse aux étudiants du Master recherche Microélectronique et Nanotechnologies de l’’Université de Lille. Ce stage est uniquement proposé aux étudiants ayant déjà suivi un premier stage d’’initiation à la technologie en salle blanche. En effet, compte tenu de la toxicité et de la dangerosité des produits utilisés pour la préparation des surfaces, il est indispensable que les règles de sécurité soient scrupuleusement suivies.

 

Durée du stage

1 journée / 7 heures

 

1 - Substrat SOI (silicium sur isolant)

Vignette

 

2 - Traitement chimique la de surface

Vignette
  • Nettoyage à l’’aide d’’acétone et d’’isopropyl alcool (5 min.)
  • Rinçage eau désionisée
  • Hydrogénation de la surface dans une solution de HF 10%
  • Rinçage eau désionisée

 

3 - Utilisation du microscope AFM

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  • Microscope AFM Multimode Digital Instruments
  • Utilisation en mode Tapping
  • Pointes en silicium, rayon de courbure de l’’ordre de 10 nm
  • Balayage maximum : 15 x 15 μm²
  • Résolution latérale : ~5-10 nm, résolution verticale : < 1 nm

 

4 - Lithographie AFM

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  • Application d’’un potentiel pointe-surface
  • Oxydation anodique locale de la surface de silicium
    Si + 4h+ + 2OH- → SiO2 + 2H+
  • Résolution de l’’ordre de 20 nm
  • Epaisseur de l’’oxyde formé : 1-2 nm

 

5 - Gravure humide des motifs

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  • Solution de KOH 1 mol.l-1
  • Vitesse de gravure : 20 nm/min à 20 °C
  • Arrêt de gravure sur l'oxyde enterré
  • Sélectivité Si/Masque : 40/1

 

6 - Observation AFM des nanofils obtenus

Vignette

 

Résultats obtenus par les étudiants

thumb lithographie

Etape de lithographie : l'épaisseur de l'oxyde est de l'ordre de 2 nm. On remarque une forte pollution à l'échelle nanométrique de la surface due à un nettoyage insuffisant.

Observation après gravure

Observation après gravure : les motifs sont élargis à cause de la forte anisotropie de la gravure KOH. Les faces {111} se gravent beaucoup moins vite que les faces {100}.

 

Conclusion

Ce stage d’initiation à la microscopie à sonde locale et à la fabrication de structures à l’échelle nanométrique est très apprécié des étudiants. Il permet de manipuler un microscope de type AFM qui est un instrument répandu dans les laboratoires de recherche et dans l’industrie. Les performances de l’AFM associées à une mise en oeuvre aisée permettent de travailler facilement à l’échelle du nanomètre dans le cadre de ce TP d’initiation aux nanotechnologies. Une évolution possible de ce TP consiste à caractériser électriquement les nanofils de silicium en ayant préalablement disposé sur la surface des plots métalliques au contact desquels les nanofils sont fabriqués.