EP2210258A1 - Lentille a immersion solide et procede de realisation associe - Google Patents

Lentille a immersion solide et procede de realisation associe

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EP2210258A1
EP2210258A1 EP08804254A EP08804254A EP2210258A1 EP 2210258 A1 EP2210258 A1 EP 2210258A1 EP 08804254 A EP08804254 A EP 08804254A EP 08804254 A EP08804254 A EP 08804254A EP 2210258 A1 EP2210258 A1 EP 2210258A1
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EP
European Patent Office
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layer
solid immersion
immersion lens
lens according
nano
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08804254A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mickaël BRUN
Salim Mimouni
Sergio Nicoletti
Ludovic Poupinet
Hubert Moriceau
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2210258A1 publication Critical patent/EP2210258A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00317—Production of lenses with markings or patterns
    • B29D11/00346—Production of lenses with markings or patterns having nanosize structures or features, e.g. fillers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper
    • G01Q70/12—Nanotube tips
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B7/1374—Objective lenses
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1387—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector using the near-field effect

Definitions

  • Solid immersion lens and method of making the same.
  • the field of the invention is that of immersion lenses for writing or reading optical information to submicron sizes.
  • the focusing of an electromagnetic wave by a conventional far-field optical system is normally limited by the Rayleigh criterion to a radius r equal to ⁇ / 2n.sin ⁇ , where r is the focus focus size, ⁇ the length wave of the electromagnetic wave, n the optical index of the material in which said wave propagates, and ⁇ the maximum opening angle of the focusing lens system.
  • r is the focus focus size
  • ⁇ the length wave of the electromagnetic wave
  • n the optical index of the material in which said wave propagates
  • ⁇ the maximum opening angle of the focusing lens system
  • the first is to increase as much as possible the numerical aperture NA equal to n.sin ⁇ . This is done either by immersion in a liquid of high optical index, or by immersion in a solid material also of high index thanks to a hemispherical or super hemispherical lens. These lenses are said to be solid immersion and are still called "SIL", an acronym for "Solid Immersion Lens", their focal point located in the plane of the hemisphere or the super hemisphere. In practice, these techniques make it possible to focus the light on a smaller focus by a factor n or n 2 than a conventional system keeping a transmission close to 100%, the factor being a function of the shape of the lens. The limitation of this technique is related to the optical index of the material which does not exceed a few units.
  • the second possible way is to concentrate this field by so-called optical near-field methods, which exploit the natural localization of the electromagnetic field in the immediate vicinity of a nano-object in the form of a non-propagative field due to the diffraction:
  • nano-object means an object of which at least one dimension does not exceed a few tens of nanometers
  • the geometry, the spatial distribution of this field and its amplitude are determined firstly by the nature, the geometry and the size of the nano-object, and on the other hand, the polarization and wavelength characteristics of the diffracted light.
  • the operation is as follows: an incident wave is sent to a nano-object that diffracts this wave , its size is small in front of the wavelength
  • the resulting field has a classical propagative component and a non propagative component which remains localized near the nano-object and called proc field
  • This near field can then be modified by a second object, also of small size in front of the wavelength.
  • the modification is either a diffraction, a diffusion or a modulation of the field.
  • Many applications use the generation and detection of this localized field for the writing of memory points, the characterization, the excitation and the detection of objects, generally of nanometric dimensions located spatially in this near field created by the first nano- object, so-called near-field microscopy, ... Two types of nano-objects are used in practice to generate the localized field.
  • the first is a nanometric hole in a generally metallic opaque screen. This can be achieved in planar geometry or in a metal coating on a dielectric support such as an optical fiber or a waveguide. In this geometry, the size of the hearth depends only on the size of the hole.
  • the transmission-generated near-field is used by these holes so as to be free from the incident wave, which offers a good signal-to-noise ratio.
  • the effect of exaltation by coupling to plasmon modes can also be used to further increase the signal-to-noise ratio between the local field and the propagative field.
  • the second way is to use a single nano-object of geometry defined as a nano-sphere, a nano-disk or a paraboloid having at least one confined dimension to concentrate the field close to it.
  • the skin effect is not a limitation and the field can potentially be confined to very small dimensions.
  • transmission is generally no longer a problem when considering this approach.
  • This geometry is widely used for the production of sensors or detectors and for near-field optical microscopy said without opening. The manipulation of the unique 0-dimensional nano-objects remains nevertheless difficult and in practice, nanometric objects having at least one macroscopic dimension are more often used.
  • the transmission of the conventional "SNOM" optical tip remains weak as in the case of the previously mentioned aperture points.
  • the nano-object which serves as an antenna is produced by etching the metal mask under focused ion beam.
  • the idea of the present invention is to use a nano-object called 1D semiconductor material such as a nanowire, a carbon nanotube, a single nano-pillar home of a "SIL" as a high-factor tip on the one hand and as an antenna to increase the optical resolution on the other hand.
  • the coupling of the nano-object with the macroscopic world is ensured by the solid immersion lens at the focus of which is positioned this nano-object 1 D.
  • a nano-object is characterized inter alia by its form factor. This corresponds to the ratio between the height of the nano-object above its support divided by its diameter in the plane of the support.
  • a high ratio allows easier servoing of the device relative to the facing surface along which the device moves and / or allows to relax the constraints of flatness on this surface.
  • metallic nano-objects have relatively low form factors, limited to two or three, whereas nano-objects made of semiconductor material can have much higher form factors, of the order of ten.
  • the subject of the invention is a solid immersion lens for optical applications, comprising a spherical sector limited by a flat surface, characterized in that a wire or a tube of cylindrical shape made of semiconductor material of which the generatrices are perpendicular to the planar surface and of which at least one dimension is nanometric is disposed on the flat surface, at the focus of said solid immersion lens.
  • a light-opaque layer having a central opening of nanometric dimensions is disposed on the plane surface, said aperture being centered on the focus of the solid immersion lens.
  • the wire may be silicon, may have at its free end a nanoparticle in gold. It can also be zinc oxide or gailium nitride or be a tubular fullerene.
  • the spherical sector is made of material with a high refractive index.
  • the invention also relates to an optical device comprising an optical lens according to the preceding provisions, the device then comprising either means for generating an electromagnetic wave arranged to excite the object of nanometric dimensions, or detection means for an electromagnetic wave located at the object of nanometric dimensions.
  • the lenses are organized in a matrix comprising several rows of columns, each column comprising several lenses.
  • the lens is made by lithography techniques and the method comprises at least a first embodiment which can be carried out in two different ways.
  • a first embodiment there is deposited: on a substrate of a first material, a first layer of a second material different from the first material capable of being etched isotropically;
  • a second layer of a third material having an opening of nanometric dimensions is deposited on a substrate of a first material capable of being isotropically etched, a second layer of a third material having an opening of nanometric dimensions.
  • the method comprises at least the following steps:
  • Step 2 production through the opening of the second layer of a cavity in the substrate or the first layer of substantially hemispherical shape by oxidation or isotropic etching;
  • Step 3 making a deposit of a fourth material in the hemispherical cavity so as to form a spherical sector;
  • Step 4 removing on the second face of the substrate the portion of the substrate covering the spherical sector so as to disengage it;
  • Step 5 Making an object of nanometric dimensions in or on the first layer, in the center of the opening of the second layer.
  • the first step is followed by a step 1a of producing a nano-pillar centered on the opening of the second layer and step 5 consists in producing the object of nanometric dimensions from this nano- pillar.
  • step 5 is followed by a step 5a of growth of a layer of a fifth material on the object of nanometric dimensions.
  • step 5 is followed by a step 6 of producing a light-opaque layer sparing the object of nanometric dimensions.
  • the third material is an opaque material in the light.
  • the first material is silicon
  • the second material is silicon or silicon oxide
  • the third material is silicon oxide or silicon nitride
  • the fourth material is a material with a high refractive index. as silicon oxide or hafnium oxide.
  • FIG. 1 represents a view of a lens according to the invention.
  • Figures 2 to 7 show the different steps of a first method of producing a lens according to the invention.
  • Figures 8a and 8b show the first step of a second method of producing a lens according to the invention.
  • Figures 9 to 11 show the different stages of preparation for the realization of the nano-object.
  • Figure 1 shows a sectional view of a solid immersion lens according to the invention. It basically includes:
  • a sector spherical 1 limited by a flat surface 11.
  • This sector is a focusing structure of the solid immersion lens type capable of focusing a light beam incident on an area of the structure, called focal zone or focus 12.
  • This lens can be made of silica.
  • This lens can be made in planar geometry by lithography techniques, allowing its integration in parallel;
  • nano-object An object of nanometric dimensions 2 called nano-object and disposed on the flat surface 11, at the focus of said solid immersion lens.
  • This nano-object can serve as a high-form factor tip for applications in which the set comprising the solid immersion lens and the nano-object is scanned in the near-field of a sample to conduct the analysis or to change its nature.
  • These 1D nano-objects with high form factor, nanowires and nanotubes are used as high resolution "AFM” points, "AFM” being the acronym for "Atomic Force Microscopy”.
  • the lens according to the invention can therefore be used as a multifunctional tip in AFM or "SNOM” applications and possibly “STM", an acronym for "Scanning Tunneling Microscopy".
  • the nano-object 2 can:
  • the nano-object 2 is chosen from one or more molecules, one or more aggregates, one or more nanowires, one or more nanotubes or fullerenes, whether organic or inorganic, or semiconductors or insulators that can be "functionalized” or not, doped or not, covered with an additional coating or not.
  • This coating can be metallic.
  • Functionalisation means the ability to modify the nano-object to give it a particular function. In the case of fulierenes, this functionalization can be done inside or outside the carbon cage.
  • the metal catalyst nanoparticle at the end of the nanowire, necessary for the growth phase can serve as a nano-object, offset and positioned in the focus of the lens in a controlled manner during the growth step.
  • the nature of the nano-object makes it possible to modify the nature of the exploitable signal as a function of the desired application.
  • the nano-object is a silicon nanowire
  • the presence of a gold catalyst nanoparticle at the end of the wire allows the generation of a plasmon that concentrates the field to a few nanometers only the nanoparticle.
  • the control of the growth of the wire makes it possible to position and manipulate the plasmon resonator easily;
  • nano-object is a ZnO or GaN nanowire, guided luminescence in the nanowire can be used;
  • nano-object is a carbon nanotube or fullerene, the possibility of functionalizing the inside of the tube with a single molecule can be exploited.
  • the iuminescence of the individual nanowire is exploited.
  • the SIL system associated with the nanowire positioned in its focus makes it possible to effectively couple the light with the nanowire, in order, on the one hand, to excite the photoiuminescence of this individual nanowire, and on the other hand, to collect this luminescence reemitted in the lens. .
  • the luminescence of an individual nanowire is further strongly modified by its immediate environment. For example, the presence of a metal surface a few tens of nanometers can "turn off” the luminescence of the nanowire.
  • the luminescence of the re-coupled nanowire in the lens it is therefore possible to map the metal surface by scanning the surface with the nanowire used as a near-field optical probe.
  • the "SIL" structure associated with the nanowire makes it possible to exploit both ends of the nanowire.
  • the end coupled to the "SIL" serves as the point of entry and exit to the light and the free end is able to probe the environment in the near field of the wire.
  • the probe makes it possible to map the optical index variation of a surface with a resolution of nanometer size of the probe corresponding to the diameter of the nanowire.
  • the nano-object is a carbon nanotube or fullerene
  • it can be used as a cage in which nanometric objects with interesting optical properties can be inserted.
  • organic molecules such as ⁇ -carotene can be introduced into a carbon nanotube by chemical treatment and cleaning of the molecules in excess.
  • the luminescence of this molecule can also be used to image molecular objects deposited on a surface. If the molecule in the nanotube is brought to a few nanometers from another molecule, it can de-energize either radiatively but by yielding its energy to the second molecule in a non-radiative manner by dipolar coupling. The luminescence of the probe molecule is then extinguished, which makes it possible to distinguish the presence of the second molecule and thus to image it or at least to map an optical property.
  • the "molecular" size of the probe makes it possible to envisage mapping with a resolution of typically the size of the probe molecule.
  • an opaque layer 3 to the light beam is disposed against the face of the structure having the focal zone. It is provided with a nanometer hole 31 of dimension smaller than that of the focal zone 12 of the lens in order to reduce the focal zone of the lens.
  • the opening of the opaque layer is self-aligned with the focal zone.
  • this layer is monolayer or multilayer depending on the intended applications.
  • the "SIL" is used in this case to increase the transmission through the hole.
  • the perforated metal mask also serves to align the electric field with the nanowire axis.
  • the nano-object is located in the aperture of the opaque layer and on the focal zone of the focusing structure.
  • the solid immersion lens according to the invention is connected to means for exciting and using the response of the nano-object. Its means are not shown in Figure 1. Its means of use can be:
  • Processing means making it possible to use the response of the nano-object to characterize it, or to characterize the coupling of this response with another nearby object in a sensor-type function;
  • Writing means making it possible to use the response of the nano-object to locally modify a particular recording or lithographic layer;
  • Reading means making it possible to use the response of the nano-object to locally probe the state of a recording layer or to map a local response on a sample of interest or an exposed lithography layer.
  • This type of head combines the advantages of aperture and non-aperture probes in terms of signal-to-noise ratio and resolution while ensuring significant transmission through the lens.
  • These heads provide a variety of functions through the various nano-objects positioned at the focus of the "SIL".
  • FIGS. 2 to 7 These figures represent sectional views of the lens at course of the different stages of its realization.
  • a stack comprising: a first layer 101 of a second material capable of being etched isotropically is produced on a first face of a substrate 100 of a first material; It should be noted that this layer could have been the substrate 100 itself. a second layer 102 formed by at least one third material. This second layer must be both opaque to light and resistant to isotropic etching of the layer lower. Of course, this single layer can be replaced by a stack of layers to obtain the desired effects; This second layer is then made with an aperture of nanometric dimensions 103. The aperture has a diameter smaller than the size of the focusing structure to be produced;
  • the first material may be silicon
  • the second material may be silicon or silicon oxide
  • the third material may be, depending on the sublayers, silicon nitride, silicon oxide and a metal like, for example, gold or platinum.
  • a cavity 106 is made through the opening of the second layer in the substrate of substantially hemispherical shape by isotropic etching. This results in a self-alignment of the focal zone with respect to the opening 103;
  • a first conformal deposition 107 of a fourth material which may be silicon nitride is produced and then a thick layer 108 of a material with a high optical index such as silicon or hafnium oxide in the hemispherical cavity so as to form the spherical sector of the immersion lens.
  • a second "planarization" is then performed on this last deposit; •
  • a fourth step illustrated in Figure 6 is removed by anisotropic etching on the rear face of the substrate, the portion of the substrate covering the spherical sector 108 so as to disengage it;
  • an object 109 of nanometric dimensions is made in the center of the opening of the second layer.
  • This step can be followed by a growth phase of a highly anisotropic nano-object such as a nanowire or a carbon nanotube in the opening on the focal zone.
  • a highly anisotropic nano-object such as a nanowire or a carbon nanotube in the opening on the focal zone.
  • the step of producing the nano-object can be carried out by a so-called “downward” approach, better known as “top-down” where the nano-object is derived from a transfer method of layers associated with a photo-lithography process.
  • the nano-object is then produced in the reported layer by a sequence of standard steps typical of microelectronic technologies.
  • This step consists in transferring a layer constituting the material to the deposit 107 by molecular bonding.
  • This layer is successively shaped to give birth to the nano-object placed in the focus of the "SiL".
  • the method of transferring a layer by molecular bonding to a planar surface composed of several materials is described in US2008 / 0079123. This method allows:
  • nano-objects • To associate all types of materials constituting the future nano-object placed in the focus, even those which are not directly feasible in the form of nano-object by deposit and / or direct growth like nanowires, nanotubes, nano-rods still called “nanorods”, nano-dots still called “nanodots”;
  • a variant of the "mixed top-down" type of the process described above is to use the added layer as a "pattern" layer, more known in the English terminology of "template” layer for the growth of the nano-object.
  • This variant is described in Figures 9, 10 and 11.
  • This variant is useful for nanowires where it is necessary to have a crystalline matrix to guide the growth of the wire in the desired direction.
  • the orientation of the "template” layer is the same as the preferential direction of growth for the nanowire.
  • the crystalline direction is along an axis ⁇ 111>. As indicated in FIG.
  • the added layer may consist of a sandwich comprising the "template” layer 110 which may be made of silicon, a catalyst layer 111 which may be made of gold and a protective layer 112 which can oxidize it. of the lower layer.
  • the nanowire is grown according to known procedures. This growth step can be preceded by a heat treatment step of the catalyst layer as shown in FIG. 11.
  • the advantage of this variant is related to the diameter and the size of the nanowire that can be obtained.
  • chemical vapor deposition techniques also called “CVD” meaning “Chemical Vapor Deposition” son are obtained whose diameter is a few tens of nanometers for sizes that can reach or exceed one micron.
  • a third nano-pillar 104 is also made in the third material centered on the opening of the second layer as illustrated in FIGS. 8a and 8b.
  • Figure 8a is a sectional view and Figure 8b is a perspective view.
  • the opening has a smaller diameter than those of the focusing structure to be produced.
  • a sacrificial layer is deposited on the second layer and "planarization" is carried out on this layer;
  • Steps 2, 3 and 4 are substantially identical to the corresponding steps of the preceding method;
  • a nano-object is produced in the opening on the focal zone from a growth phase using the nano-pillar made during the first step as a support.
  • This variant can be made from an SOI type substrate or the oxide layer is thick enough to manufacture the "SIL". This thickness can be of the order of 2 or 3 microns.
  • the manufacture of the "SIL” is then preceded by the production of a nanometric beam in the crystalline layer of the SOI, which is typically silicon, passing through the opening through which the isotropic etching is carried out.
  • the catalyst is deposited in the "SlL” furnace according to one of the processes described.
  • the catalyst can already be deposited on the semiconductor layer before etching of the beam, selective grafting can also be carried out, etc.
  • the growth of the nanowire or nanotube is carried out.
  • the process described above is well suited to obtaining a nano-object made of a mineral material having a given crystalline structure in the form of a nanowire or in the form of a nanobead.
  • the manufacturing process can be simplified because the growth direction of the nanotube is controlled by the growth conditions and not by the orientation of the nanotube. the underlying layer. it is then sufficient to locate the appropriate catalyst according to one of the techniques already described.

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Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des lentilles à immersion solide pour applications optiques, en microscopie à très haute résolution. La lentille selon l'invention comporte un secteur sphérique (1) limité par une surface plane (11) et un objet (2) de dimensions nanométriques disposé sur la surface plane, au foyer de ladite lentiile à immersion solide. Une couche opaque (3) à la lumière comportant une ouverture centrale (31) de dimensions nanométriques peut être disposée sur fa surface plane, ladite ouverture étant centrée sur le foyer de la lentille à immersion solide. Ce nanoobjet peut être un tube ou un fil de forme cylindrique. La lentille selon l'invention peut être réalisée par des techniques de lithographie.

Description

Lentille à immersion solide et procédé de réalisation associé.
Le domaine de l'invention est celui des lentilles à immersion permettant l'écriture ou la lecture d'informations optiques à des tailles submicroniques.
La possibilité de focaliser une onde électromagnétique sur des zones de très petites dimensions présente, depuis toujours, des applications dans des domaines très variés. On citera ia microscopie, la réalisation de capteurs ou de détecteurs optiques, la réalisation de systèmes optiques d'écriture et/ou de lecture de données sur un média d'enregistrement, et plus généralement toutes les applications où la lumière est utilisée pour sonder ou modifier localement une zone de focalisation ou le matériel qui s'y trouve. De plus, Ia course à la miniaturisation des dispositifs et des systèmes, ainsi que l'avènement des nanosciences et des nanotechnologies, requiert un accroissement des capacités de focalisation des sondes optiques sur des dimensions de plus en plus petites.
Cependant, la focalisation d'une onde électromagnétique par un système optique en champ lointain classique est normalement limitée par le critère de Rayleigh à un rayon r égal à λ/2n.sinθ, où r est la taille du foyer de focalisation, λ la longueur d'onde de l'onde électromagnétique, n l'indice optique du matériau dans lequel se propage ladite onde, et θ l'angle maximal d'ouverture du système de lentille assurant la focalisation. Pour focaliser une onde sur des rayons les plus réduits possibles, plusieurs voies sont généralement suivies.
La première consiste à augmenter au maximum l'ouverture numérique NA égale à n.sin θ. Ceci se fait soit par immersion dans un liquide de haut indice optique, soit par immersion dans un matériau solide également de haut indice grâce à une lentille hémisphérique ou super hémisphérique. Ces lentilles sont dites à immersion solide et sont encore appelées « SIL », acronyme de « Solid Immersion Lens », leur foyer de focalisation se trouvant dans le plan de i'hémisphère ou du super hémisphère. Pratiquement, ces techniques permettent de focaliser la lumière sur un foyer plus petit d'un facteur n ou n2 qu'un système classique en conservant une transmission proche de 100%, le facteur étant fonction de ia forme de ia lentille. La limitation de cette technique est liée à l'indice optique du matériau qui n'excède pas quelques unités.
La seconde voie possible consiste à concentrer ce champ par (es méthodes dites de champ proche optique. Celles-ci exploitent la localisation naturelle du champ électromagnétique à proximité immédiate d'un nano-objet sous forme d'un champ non-propagatif dû à la diffraction. On entend par nano-objet un objet dont au moins une des dimensions n'excède pas quelques dizaines de nanomètres. La géométrie, ia distribution spatiale de ce champ et son amplitude sont déterminées d'une part, par la nature, la géométrie et la taille du nano-objet, et d'autre part, par les caractéristiques de polarisation et de longueur d'onde de la lumière diffractée. Le fonctionnement est le suivant : une onde incidente est envoyée sur un nano- objet qui diffracte cette onde, sa taille étant petite devant la longueur d'onde. Le champ résultant possède une composante propagative classique et une composante non propagative qui reste localisée à proximité du nano-objet et appelée champ proche. Ce champ proche peut ensuite être modifié par un second objet, également de faible dimension devant la longueur d'onde. La modification est soit une diffraction, soit une diffusion, soit une modulation du champ. De nombreuses applications utilisent la génération et la détection de ce champ localisé pour l'écriture de points mémoire, la caractérisation, l'excitation et la détection d'objets, généralement de dimensions nanométriques localisés spatialement dans ce champ proche créé par le premier nano-objet, la microscopie dite de champ proche, ...Deux types de nano-objets sont utilisés en pratique pour générer le champ localisé.
Le premier est un trou nanométrique dans un écran opaque généralement métallique. Celui-ci peut être réalisé en géométrie planaire ou dans un revêtement métallique sur un support diélectrique comme une fibre optique ou un guide d'onde. Dans cette géométrie, la taille du foyer ne dépend que de la taiile du trou. On utilise le champ proche généré en transmission par ces trous de manière à s'affranchir au mieux de l'onde incidente, ce qui offre un bon rapport signal sur bruit. Dans le cas des écrans métalliques, l'effet d'exaltation par couplage aux modes de plasmon peut également être mis à profit pour augmenter encore ie rapport signal sur bruit entre ie champ local et le champ propagatif. Les principales limitations de cette approche viennent d'une part, de ia faible transmission obtenue qui est proportionnelle au facteur (a/λ)4 où a est le diamètre du trou, et d'autre part de la profondeur de pénétration de l'onde lumineuse dans le matériau opaque qui constitue l'écran et qui est liée à l'épaisseur de peau dans les métaux. Théoriquement, la résolution est limitée à environ 15 à 20 nm. Ce type de structure a été abondamment utilisé, par exemple, pour les applications de type microscopie optique en champ proche dites à ouverture. Les techniques de réalisation de ces pointes à base de fibres optiques ne sont généralement pas compatibles des procédés de la microélectronique standard et ces pointes sont donc peu reproductibles. Pour remédier à cela, certains procédés standards ont été proposés. On se reportera, en particulier, à l'article de P. N. Minh et al. paru dans Review of Scientific Instruments - Vol. 71 , 3111 (2000). Cependant, la dimension de l'ouverture nanométrique dans l'écran n'est pas maîtrisée à mieux que 50 nm.
La deuxième voie consiste à utiliser un nano-objet unique de géométrie définie comme une nano-sphère, un nano-disque ou un paraboloïde ayant au moins une dimension confinée pour concentrer le champ à proximité de celle-ci. Dans cette approche, l'effet de peau n'est pas une limitation et le champ peut être potentiellement confiné sur de très petites dimensions. De même, la transmission n'est généralement plus un problème quand on considère cette approche. En revanche, il est nécessaire d'extraire !e signal venant du champ confiné du signal incident. Ceci se fait par des techniques de modulation qui impliquent soit la manipulation physique de ces nano-objets souvent difficile, soit l'exploitation de l'effet d'exaltation via les modes de plasmon de surface pour les structures métalliques. Cette géométrie est abondamment utilisée pour la réalisation de capteurs ou de détecteurs et pour la microscopie optique en champ proche dite sans ouverture. La manipulation des nano-objets uniques 0- dimensionnels reste néanmoins difficile et en pratique, les objets nanométriques ayant au moins une dimension macroscopique sont plus souvent utilisés.
Afin de combiner les avantages des approches avec et sans ouverture de manière à conserver la résolution ultime avec un rapport signal sur bruit favorable, ii est connu d'adjoindre un nano-objet à une nano- ouverture. On citera, à cet égard, l'article de T. H. Taminiau et ai., paru dans Nano Letters Vol. 7, 28 (2007) intitulé "λ/4 résonance of an opticai monopole antenna probed by single molécule fluorescence". Dans ce cas, une antenne métallique est rapportée sur une pointe dite « SNOM », acronyme de « Scanning Near-field Opticai Microscope », ou « NSOM », acronyme de « Near-field Scanning Opticai Microscope », à ouverture classique par des techniques de faisceau d'ion focalisé. Les limitations de cette structure sont multiples. Premièrement, la transmission de la pointe optique « SNOM » classique reste faible comme dans le cas des pointes à ouverture précédemment évoquées. Deuxièmement, le nano-objet qui sert d'antenne est réalisé par gravure du masque métallique sous faisceau d'ions focalisé. Ces techniques de réaiisation sont difficilement exploitables pour une réalisation en parallèle de ces têtes de focalisation avec des techniques de production de masse.
II est également connu d'utiliser des lentilles « SIL » pour générer une excitation ou collection en champ proche de type ouverture, tout en conservant une transmission proche de 100%. La génération d'ondes évanescentes au foyer de la lentille « SIL » est alors liée à la réflexion totale interne à l'interface plane de la lentille due à sa géométrie. Ceci a été abondamment mis à profit pour des applications :
• de type microscopie, on se reportera à la publication de S. M. Mansfield et al., parue dans Applied Physics Letters vol. 57, 2615 (1990) ; • de type enregistrement optique, voir du même auteur, Optics
Letters 18, 305 (1993) ;
• ou encore photolithographie, voir l'article de L. P. Ghislain et al., Applied Physics Letters74, 501 (1999).
De telles lentilles « SlL » ont également été associées à une pointe pyramidale ou conique. Ces solutions sont décrites dans le brevet US
6 441 359. Cette pointe est réaiisée du coté du foyer de Ia lentille, permettant de balayer cette lentilfe à proximité de l'échantillon mesuré, sur une distance proche de la longueur d'onde. De telles pointes présentent un rayon de courbure typique de 500 nm et sont réalisées dans le même matériau que celui constituant le « SIL ». Il est également connu d'adjoindre à cette pointe un revêtement métallique percé d'un trou nanométrique servant à limiter Sa taille du foyer. L'inconvénient principal de ces pointes vient de leur facteur de forme peu élevé, l'angle ouverture au sommet est typiquement de 65 degrés afin de conserver l'effet de focalisation. Cet angle est très défavorabie pour obtenir une bonne résolution topographique en applications de type microscopie en champ proche. Ces pointes peuvent comporter un revêtement métallique mais elles souffrent alors des mêmes limites que les pointes « SNOM » à ouvertures classiques précédemment décrites.
L'idée de la présente invention est d'utiliser un nano-objet dit 1 D en matériau semi-conducteur tel un nanofil, un nanotube de carbone, un nano-pilier unique au foyer d'une « SIL » comme pointe à haut facteur de forme d'une part et comme antenne pour augmenter la résolution optique d'autre part. Le couplage du nano-objet avec le monde macroscopique est assuré par la lentille à immersion solide au foyer de laquelle est positionné ce nano-objet 1 D. Il est particulièrement avantageux de réaliser le nano-objet en matériau semi-conducteur. En effet, un nano-objet est caractérisé entre autres par son facteur de forme. Celui-ci correspond au ratio entre la hauteur du nano-objet au-dessus de son support divisé par son diamètre dans le plan du support. Un ratio élevé permet un asservissement plus facile du dispositif par rapport à la surface en regard le long de laquelle le dispositif se déplace et/ou permet de relâcher les contraintes de planéité sur cette surface. Or, les nano-objets métalliques ont des facteurs de forme assez faible, limité à deux ou trois alors que les nano-objets en matériau semi-conducteur peuvent avoir des facteurs de forme beaucoup plus élevés, de l'ordre de dix.
Plus précisément, l'invention a pour objet une lentille à immersion solide pour applications optiques, comportant un secteur sphérique limité par une surface plane, caractérisé en ce que en ce qu'un fil ou un tube de forme cylindrique en matériau semi-conducteur dont les génératrices sont perpendiculaires à la surface plane et dont au moins une dimension est nanométrique est disposé sur la surface plane, au foyer de ladite lentille à immersion solide.
Avantageusement, une couche opaque à la lumière comportant une ouverture centrale de dimensions nanométriques est disposée sur la surface plane, ladite ouverture étant centrée sur Ie foyer de la lentille à immersion solide. Le fil peut être en silicium, peut comporter à son extrémité libre une nanoparticule en or. Il peut également être en oxyde de zinc ou en nitrure de gailium ou être un fullerène tubulaire. Avantageusement, le secteur sphérique est en matériau à fort indice de réfraction.
L'invention concerne également un dispositif optique comprenant une lentille optique selon les dispositions précédentes, le dispositif comprenant alors soit des moyens de génération d'une onde électromagnétique agencés de façon à exciter l'objet de dimensions nanométriques, soit des moyens de détection d'une onde électromagnétique localisée au niveau de l'objet de dimensions nanométriques.
Avantageusement, les lentilles sont organisées en matrice comportant plusieurs lignes de colonnes, chaque colonne comportant plusieurs lentilles.
Avantageusement, la lentille est réalisée par des techniques de lithographie et le procédé comporte au moins une première étape de réalisation qui peut être effectuée de deux façons différentes. Dans un premier mode de réalisation, on dépose : • Sur un substrat d'un premier matériau, une première couche d'un second matériau différent du premier matériau apte à être gravé de façon isotrope ;
• une seconde couche d'un troisième matériau comportant une ouverture de dimensions nanométriques. Dans un second mode de réalisation, on dépose sur un substrat d'un premier matériau apte à être gravé de façon isotrope, une seconde couche d'un troisième matériau comportant une ouverture de dimensions nanométriques.
Avantageusement, le procédé comporte au moins les étapes suivantes :
• Etape 2 : réalisation à travers l'ouverture de la seconde couche d'une cavité dans le substrat ou la première couche de forme sensiblement hémisphérique par oxydation ou gravure isotrope ; • Etape 3 : réalisation d'un dépôt d'un quatrième matériau dans la cavité hémisphérique de façon à former un secteur sphérique ;
• Etape 4 : suppression sur la seconde face du substrat de ia partie du substrat recouvrant le secteur sphérique de façon à le dégager ;
• Etape 5 : réalisation d'un objet de dimensions nanométriques dans ou sur la première couche, au centre de l'ouverture de la seconde couche. Avantageusement, la première étape est suivie d'une étape 1 bis de réalisation d'un nano-pilier centré sur l'ouverture de la seconde couche et l'étape 5 consiste à réaliser l'objet de dimensions nanométriques à partir de ce nano-pilier.
Avantageusement, l'étape 5 est suivie d'une étape 5bis de croissance d'une couche d'un cinquième matériau sur l'objet de dimensions nanométriques.
Avantageusement, i'étape 5 est suivie d'une étape 6 de réalisation d'une couche opaque à la lumière épargnant l'objet de dimensions nanométriques. Avantageusement, le troisième matériau est un matériau opaque à la iumière.
Avantageusement, le premier matériau est du silicium, le second matériau est du silicium ou de l'oxyde de silicium, le troisième matériau est de l'oxyde de silicium ou du nitrure de silicium et le quatrième matériau est un matériau à fort indice de réfraction comme de l'oxyde de silicium ou de l'oxyde de hafnium.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
La figure 1 représente une vue d'une lentille selon l'invention. Les figures 2 à 7 représentent les différentes étapes d'un premier procédé de réalisation d'une lentille selon l'invention.
Les figures 8a et 8b représentent la première étape d'un second procédé de réalisation d'une lentille selon l'invention. Les figures 9 à 11 représentent les différentes étapes de préparation à la réalisation du nano-objet.
La figure 1 représente une vue en coupe d'une lentille à immersion solide selon l'invention. Elle comprend essentiellement :
• un secteur sphérique 1 limité par une surface plane 11. Ce secteur constitue une structure de focalisation de type lentille à immersion solide apte à focaliser un faisceau lumineux incident sur une zone de la structure, appelée zone focale ou foyer 12. Cette lentille peut être réalisée en silice. Cette lentille peut être réalisée en géométrie planaire par des techniques de lithographie, permettant son intégration en parallèle ;
• un objet de dimensions nanométriques 2 appelé nano-objet et disposé sur la surface plane 11 , au foyer de ladite lentille à immersion solide.
Ce nano-objet peut servir de pointe à haut facteur de forme pour les applications dans lesquelles l'ensemble comprenant la lentille à immersion solide et le nano-objet est scanné en champ proche d'un échantillon afin d'en mener l'analyse ou d'en modifier la nature. Ces nano- objets 1 D à haut facteur de forme, nanofils et nanotubes, sont utilisés comme pointes « AFM » haute résolution, « AFM » étant l'acronyme de « Atomic Force Microscopy ». On peut, par conséquent, utiliser la lentille selon l'invention, comme pointe multifonctions dans des applications soit AFM, soit « SNOM» et éventuellement « STM », acronyme de « Scanning Tunneling Microscopy ». Dans l'application « SNOM », le nano-objet 2 peut :
• être excité par le faisceau lumineux issu de la SIL dans ia zone focale, à transmettre ce signal vers son extrémité opposée et/ou à induire des effets d'exaltation et de localisation spatiale du champ capables de modifier ou sonder localement son environnement. On peut alors l'utiliser, par exemple, pour des fonctions d'écriture d'un média ou d'excitation de molécules, ... ;
• ou détecter un champ électromagnétique localisé et transmettre ce signal à travers sa structure vers le monde macroscopique. Le nano-objet 2 est choisi parmi une ou plusieurs molécules, un ou plusieurs agrégats, un ou plusieurs nanofils, un ou plusieurs nanotubes ou fullerènes, qu'ils soient organiques ou inorganiques, ou semi-conducteurs ou isolants et pouvant être « fonctionnalisés » ou non, dopés ou non, recouvert d'un revêtement supplémentaire ou non. Ce revêtement peut être métallique. On entend par « fonctionnalisation » la capacité de modifier le nano-objet pour lui donner une fonction particulière. Dans le cas des fulierènes, cette fonctionnalisation peut être faite à l'intérieur ou à l'extérieur de la cage de carbone. Dans le cas des nanofils, la nanoparticule de catalyseur métallique à l'extrémité du nanofil, nécessaire à la phase de croissance peut servir de nano-objet, déporté et positionné dans le foyer de la lentille de façon contrôlée pendant l'étape de croissance. Ainsi, la nature du nano-objet permet de modifier la nature du signal exploitable en fonction de l'application recherchée. A titre d'exemples non limitatifs, • Si le nano-objet est un nanofil en silicium, la présence d'une nanoparticule de catalyseur en or à l'extrémité du fil permet la génération d'un plasmon qui concentre le champ à quelques nanomètres seulement de la nanoparticule. Dans ce cas, le contrôle de la croissance du fil permet de positionner et de manipuler le résonateur plasmon aisément ;
• Si le nano-objet est un nanofil en ZnO ou en GaN, la luminescence guidée dans le nanofil peut être utilisée ;
• Si le nano-objet est un nanotube de carbone ou fullerène, la possibilité de fonctionnaliser l'intérieur du tube avec une molécule unique peut être exploitée.
Dans le cas de nanofils photo-luminescents, on exploite la iuminescence du nanofil individuel. Le système SIL associé au nanofil positionné en son foyer permet de coupler efficacement la lumière avec le nanofil, afin d'une part, d'exciter la photoiuminescence de ce nanofil individuel, et d'autre part, de collecter cette luminescence réémise dans la lentille.
Diverses applications peuvent exploiter ce couplage à un fil individuel Ii a, par exemple, été montré qu'un nanofil individuel se comporte comme une nanocavité LASER et peut donner Heu à une émission stimulée, voir à ce sujet l'article « Un effet laser » de Jonhson et al. dans Nature Materials 1 , 106 (2002). On dispose alors d'un laser nanométrique et intégré qui peut être utilisé pour illuminer et/ou modifier une surface, faire de la photolithographie par matrice de nano-lasers, ou comme structure d'injection dans le fil qui se comporte comme un guide d'onde pour des communications optiques sur des grandes distances.
La luminescence d'un nanofil individuel est de plus fortement modifiée par son environnement immédiat. Par exemple, la présence d'une surface métallique à quelques dizaines de nanomètre peut « éteindre » la luminescence du nanofil. En sondant la luminescence du nanofil re-couplé dans la lentille il est donc possible de cartographier la surface métallique en balayant Ia surface avec le nanofil utilisé comme une sonde optique en champ proche. De la même façon, la structure « SIL » associé au nanofil permet d'exploiter les deux extrémités du nanofil. L'extrémité couplée à la « SIL » sert de point d'entrée et sortie à la lumière et l'extrémité libre est à même de sonder l'environnement en champ proche du fil. Si on balaye une surface présentant des indices de réfractions variable, îa proportion de lumière émise du nanofil vers la surface est d'autant plus forte que i'indice du matériau est fort. A puissance d'excitation constante, la partie réémise vers la « SIL » diminue donc d'autant. La sonde permet dans cet exemple de cartographier la variation d'indice optique d'une surface avec une résolution de ia taille nanométrique de la sonde correspondant au diamètre du nanofil.
Lorsque le nano-objet est un nanotube de carbone ou fullerène, il peut être utilisé comme une cage dans laquelle des objets nanométriques aux propriétés optiques intéressantes peuvent être insérés. Par exemple, il a été montré que l'on peut faire entrer dans un nanotube de carbone des molécules organiques comme ie β-carotène par traitement chimique et nettoyage des molécules en excédant. On se reportera à l'article de K. Yanagi et al., Phys. Rev. B 74, 155420 (2006) sur ce point. Cela ouvre la porte à la réalisation d'une sonde nanotube comportant à son extrémité une molécule organique unique, typiquement un chromophore, couplée à une lentille afin d'accéder à ses propriétés électroniques et ayant une extrémité libre pouvant se coupler à son environnement immédiat pour le sonder. On peut par exemple exciter et détecter la luminescence de cette molécule via la « SIL » et enregistrer les modifications de celle-ci afin de remonter aux propriétés optiques de ia surface étudiée comme dans l'exemple précédent. Le phénomène de transfert d'énergie de type Forster encore appelé « FRET » peut également être mis à profit pour imager des objets moléculaires déposés sur une surface. Si ia molécule dans le nanotube est amenée à quelques nanomètres d'une autre molécule, elie peut se désexciter non plus radiativement mais en cédant son énergie à la seconde molécule de manière non radiative par couplage dipolaire. La luminescence de la molécule sonde est alors éteinte ce qui permet de distinguer la présence de la seconde molécule et donc d'imager celle-ci ou au moins d'en cartographier une propriété optique. Ici aussi, la taille « moléculaire » de la sonde permet d'envisager une cartographie avec une résolution de typiquement la taille de la molécule sonde.
Dans le cas de la figure 1 , une couche opaque 3 au faisceau lumineux est disposée contre la face de la structure comportant la zone focale. Elle est munie d'un trou nanométrique 31 de dimension inférieure à celle de la zone focale 12 de la lentille afin de réduire la zone focale de la lentille. Avantageusement, l'ouverture de la couche opaque est auto-alignée avec la zone focale. Par ailleurs, cette couche est monocouche ou multicouches selon les applications visées. La « SIL » sert dans ce cas à augmenter la transmission à travers le trou. Le masque métallique troué sert également à aligner le champ électrique avec l'axe du nanofil. Le nano-objet est situé dans l'ouverture de la couche opaque et sur la zone focale de la structure de focalisation.
La lentille à immersion solide selon l'invention est reliée à des moyens d'excitation et d'utilisation de Ia réponse du nano-objet. Ses moyens ne sont pas représentés sur la figure 1. Ses moyens d'utilisation peuvent être :
• des moyens de traitement permettant d'utiliser la réponse du nano-objet pour le caractériser, ou pour caractériser le couplage de cette réponse avec un autre objet à proximité dans une fonction de type capteur ; • des moyens d'écriture permettant d'utiliser la réponse du nano- objet pour modifier localement une couche notamment d'enregistrement ou lithographique ;
• des moyens de lecture permettant d'utiliser la réponse du nano- objet pour sonder localement l'état d'une couche d'enregistrement ou de cartographier une réponse locale sur un échantillon d'intérêt ou une couche de lithographie insolée.
Il peut-être avantageux d'utiliser de façon matricielle des dispositifs selon l'invention, en particulier pour écrire sur un milieu d'enregistrement ou lithographique ou utiliser de façon simultanée plusieurs capteurs.
La réalisation de la structure d'adressage « SIL » avec son écran métallique troué et son nano-objet est réalisable de façon parallèle avec des techniques de micro-éiectronique standard. Ces techniques sont très reproductives et permettent la production de masse de têtes de lecture
/écriture multiples. Ce type de tête combine les avantages des sondes à ouverture et sans ouverture en termes de rapport signal sur bruit et de résolution tout en assurant une transmission importante grâce à la lentille. Ces têtes assurent une diversité de fonctions au travers des divers nano- objets positionnés au foyer de la « SIL ».
A titre de premier exemple, les étapes d'un procédé de réalisation d'une lentille selon l'invention, typiques de l'industrie microélectronique, sont détaillées sur les figures 2 à 7. Ces figures représentent des vues en coupe de la lentille au cours des différentes étapes de sa réalisation.
• Dans une première étape illustrée en figures 2 et 3, on réalise sur une première face d'un substrat 100 d'un premier matériau un empilement comprenant : o une première couche 101 d'un second matériau apte à être gravé de façon isotrope. Il est à noter que cette couche aurait pu être ie substrat 100 lui même. o une seconde couche 102 formée par au moins un troisième matériau. Cette seconde couche doit être à la fois opaque à la lumière et résistante à la gravure isotrope de la couche inférieure. Bien entendu, on peut remplacer cette couche unique par un empilement de couches pour obtenir les effets souhaités ; o On réaiise ensuite dans cette seconde couche une ouverture de dimensions nanométriques 103. L'ouverture a un diamètre de dimension inférieure à celles de Ia structure de focalisation à réaliser ;
Le premier matériau peut être du silicium, le second matériau peut être du silicium ou de l'oxyde de silicium et le troisième matériau peut être, en fonction des sous-couches, du nitrure de silicium, de l'oxyde de silicium et un métal comme, par exemple, l'or ou le platine.
• Dans une seconde étape illustrée en figure 4, on réalise à travers l'ouverture de la seconde couche une cavité 106 dans le substrat de forme sensiblement hémisphérique par gravure isotrope. On obtient ainsi un auto-alignement de la zone focale par rapport à l'ouverture 103 ;
• Dans une troisième étape illustrée en figure 5, on réalise un premier dépôt conforme 107 d'un quatrième matériau qui peut être du nitrure de silicium puis on dépose une couche épaisse 108 d'un matériau à fort indice optique tel que l'oxyde de silicium ou l'oxyde d'hafnium dans la cavité hémisphérique de façon à former le secteur sphérique de la lentille à immersion. On réalise alors une seconde « planarisation » sur ce dernier dépôt ; • Dans une quatrième étape illustrée en figure 6, on supprime, par gravure anisotrope sur la face arrière du substrat, la partie du substrat recouvrant le secteur sphérique 108 de façon à le dégager ;
• Dans une cinquième étape illustrée en figure 7, on réalise un objet 109 de dimensions nanométriques au centre de l'ouverture de la seconde couche. Cette étape peut être suivie d'une phase de croissance d'un nano-objet à forme fortement anisotrope tel qu'un nanofil ou un nanotube de carbone dans l'ouverture sur la zone focale. On trouvera des informations concernant cette étape de réalisation de l'objet nanométrique dans les publications suivantes : Carbon nanotubes : opportunities and challenges de H. Dai publiée dans Surface
Science 500 (2002) - Epitaxial growth of Hl-V Nanowires on group IV Substrates de E.P.A.M. Bakkers and Al. publiée dans MRS Bulletin (VoL 32
- Fév. 2007) - Verticaily aligned carbon nanofilters and related structures xontrolled synthesis and directed assembly de Melechko and Ai publiée dans Applied Physics Reviews 97 (2005) - Propriétés des nanoparticuies de T.H. Taminiau et al publiée dans Nano Letters 7, 28 (2007).
A titre d'exemple, l'étape de réalisation du nano-objet peut être effectuée par une approche dite « descendante », plus connue sous le terme de « top-down » où le nano-objet est issu d'un procédé de report de couches associé à un procédé de photo-lithogravure. Le nano-objet est alors réalisé dans la couche rapportée par une séquence d'étapes standards typiques des technologies microélectroniques.
Cette étape consiste à reporter une couche constituant le matériau sur le dépôt 107 par collage moléculaire. Cette couche est successivement mise en forme pour donner naissance au nano-objet placé au foyer de la « SiL ». Le procédé de report d'une couche par collage moléculaire sur une surface planaire composée de plusieurs matériaux est décrit dans le brevet US2008/0079123. Cette méthode permet :
• D'associer toutes types de matériaux constituant le futur nano-objet placé au foyer, même ceux qui ne sont pas directement réalisables sous forme de nano-objet par dépôt et/ou croissance directe comme des nanofils, des nanotubes, des nano-tiges encore appelés « nanorods », des nano-points encore appelés « nanodots » ;
• De pouvoir gérer la forme du nano-objet a travers le contrôle dimensionnel mis a disposition par les techniques de photo-lithogravure courantes et d'exploiter par conséquent toutes les propriétés iies à la forme du nano-objet.
Une variante de type « top-down mixte » du procédé décrit ci- dessus est d'utiliser la couche rapportée comme couche « patron », plus connue sous la terminologie anglo-saxonne de couche « template » pour la croissance du nano-objet. Cette variante est décrite sur les figures 9, 10 et 11. Cette variante est utile pour les nanofils où il est nécessaire d'avoir une matrice cristalline pour guider la croissance du fil selon la direction souhaitée. Dans ce cas, l'orientation de la couche « template » est la même que la direction préférentielle de croissance pour le nanofil. Par exemple, pour une structure en silicium, la direction cristalline est selon un axe <111 >. Comme indiqué sur la figure 9, la couche rapportée peut être constituée d'un sandwich comprenant la couche « template » 110 qui peut être en silicium, une couche catalyseur 111 qui peut être en or et une couche de protection 112 qui peut l'oxyde de la couche inférieure. Une fois gravée localement la couche de protection comme indiqué sur la figure 10, on fait croître le nanofil selon les procédures connues. On peut précéder cette étape de croissance d'une étape de traitement thermique de la couche du catalyseur comme indiqué sur la figure 11.
L'intérêt de cette variante est lié au diamètre et à la taille du nanofil que l'on peut obtenir. Par des techniques de dépôt chimique en phase vapeur encore appelées « CVD » signifiant « Chemical Vapor Déposition », on obtient des fils dont le diamètre est de quelques dizaines de nanomètres pour des tailles pouvant atteindre ou dépasser le micron.
A titre de second exemple, les étapes d'un second procédé de réalisation d'une lentille selon l'invention sont détaillées ci-dessous. Ce procédé est une variante du précédent et comprend également cinq étapes de réalisation.
• Durant la première étape du procédé précédent, on réalise en plus dans le troisième matériau un nano-pilier 104 centré sur l'ouverture de la seconde couche comme illustrés en figures 8a et 8b. La figure 8a est une vue en coupe et la figure 8b est une vue en perspective. L'ouverture a un diamètre de dimension inférieure à celles de la structure de focalisation à réaliser. Enfin, on dépose une couche sacrificielle sur la seconde couche et on réalise une « planarisation » sur cette couche;
• Les étapes 2, 3 et 4 sont sensiblement identiques aux étapes correspondantes du procédé précédent ; • Dans une cinquième étape, on réalise un nano-objet dans l'ouverture sur la zone focale à partir d'une phase de croissance en utilisant le nano-pilier réalisé au cours de la première étape comme support.
Cette variante peut être réalisée à partir d'un substrat de type SOI ou la couche d'oxyde est suffisamment épaisse pour y fabriquer la « SIL ». Cette épaisseur peut être de l'ordre de 2 ou 3 microns. La fabrication de la « SIL » est alors précédée par la réalisation d'une poutre nanométrique dans la couche cristalline du SOI, qui est typiquement du silicium, traversant l'ouverture à travers laquelle se fait la gravure isotrope.
La fabrication se poursuit selon ies procédures précédemment décrites jusqu'aux étapes de « planarisation ». Ensuite, le catalyseur est déposé au foyer de la « SlL » selon un des procédés décrits. Ainsi, le catalyseur peut être déjà déposé sur la couche semi-conductrice avant gravure de ia poutre, on peut également réaliser un greffage sélectif, ....On effectue enfin la croissance du nanofil ou du nanotube.
Le procédé décrit ci-dessus est bien adapté à l'obtention d'un nano-objet en matériau minéral ayant une structure cristalline donnée sous forme d'un nanofil ou bien sous forme d'une nano-bille.
Si le nano-objet que l'on souhaite coupler à la « SIL » est un nanotube, le procédé de fabrication peut être simplifié parce que la direction de croissance du nanotube est contrôlée par les conditions de croissance et non plus par l'orientation de la couche sous-jacente. il est alors suffisant de localiser le catalyseur approprié selon une des techniques déjà décrites.

Claims

REVENDICATIONS
1. Lentille à immersion solide pour applications optiques, comportant un secteur sphérique (1 ) limité par une surface plane (11 ), caractérisée en ce qu'un fil (2) ou un tube de forme cylindrique en matériau semi-conducteur dont les génératrices sont perpendiculaires à la surface plane et dont au moins une dimension est nanométrique est disposé sur la surface plane (11 ), au foyer de ladite lentille à immersion solide.
2. Lentille à immersion solide selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'une couche (3) opaque à la lumière comportant une ouverture centrale (31 ) de dimensions nanométriques est disposée sur la surface plane (11 ), ladite ouverture étant centrée sur le foyer de la lentille à immersion solide.
3. Lentille à immersion solide selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le fil est en silicium.
4. Lentille à immersion solide selon la revendication 3, caractérisée en ce que le fil comporte à son extrémité libre une nanoparticule en or.
5. Lentille à immersion solide selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le fil est en oxyde de zinc ou en nitrure de gallium.
6. Lentille à immersion solide selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le tube est un fullerène tubulaire.
7. Lentille à immersion solide selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le secteur sphérique (1 ) est en matériau d'indice de réfraction supérieur à 1.
8. Lentille à immersion solide selon la revendication 7, caractérisée en ce que le secteur sphérique (1 ) est en oxyde de silicium.
9. Lentille à immersion solide selon la revendication 7, caractérisée en ce que le secteur sphérique (1 ) est en oxyde d'hafnium.
10. Dispositif optique comprenant une lentille optique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de génération d'une onde électromagnétique agencés de façon à exciter i'objet de dimensions πanométriques.
11. Dispositif optique comprenant une lentille optique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de détection d'une onde électro-magnétique localisée au niveau de l'objet de dimensions nanométriques.
12. Dispositif optique comprenant des lentilles optiques seion l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les lentilles sont organisées en matrice comportant plusieurs lignes de colonnes, chaque colonne comportant plusieurs lentilles.
13. Procédé de réalisation d'une lentille à immersion solide selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ia lentille est réalisée par des techniques de microfabrication de composants microélectroniques.
14. Procédé de réalisation d'une lentille à immersion solide selon la revendication 13, caractérisé en ce que le procédé comporte au moins une première étape de réalisation : o Sur un substrat d'un premier matériau (100), d'une première couche (101 ) d'un second matériau différent du premier matériau apte à être gravé de façon isotrope ; o D'une seconde couche (102) d'un troisième matériau comportant une ouverture de dimensions nanométriques ;
15. Procédé de réalisation d'une lentille à immersion solide selon la revendication 13, caractérisé en ce que le procédé comporte au moins une première étape de réalisation, sur un substrat d'un premier matériau (100) apte à être gravé de façon isotrope, d'une seconde couche (102) d'un troisième matériau comportant une ouverture de dimensions nanométriques.
16. Procédé de réalisation d'une lentille à immersion solide selon la revendication 14 ou Ia revendication 15, caractérisé en ce que le procédé comporte au moins les étapes suivantes :
• Etape 2 : réalisation dans le substrat ou la première couche, à travers l'ouverture de la seconde couche, d'une cavité (106) de forme sensiblement hémisphérique par oxydation ou gravure isotrope ;
• Etape 3 : réalisation d'un dépôt (108) d'un quatrième matériau dans la cavité hémisphérique de façon à former un secteur sphérique ;
• Etape 4 : suppression sur la seconde face du substrat de la partie du substrat recouvrant le secteur sphérique de façon à le dégager ;
• Etape 5 : réalisation d'un objet (109) de dimensions nanométriques dans la première couche, au centre de l'ouverture de la seconde couche.
17. Procédé de réalisation selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'étape 1 est suivie d'une étape Ibis de réalisation d'un nanopilier (104) centré sur l'ouverture de la seconde couche et que l'étape 5 consiste à réaliser l'objet de dimensions nanométriques sur le nanopilier.
18. Procédé de réalisation selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'étape 5 est suivie d'une étape 5bis de croissance d'une couche d'un cinquième matériau sur l'objet de dimensions nanométriques.
19. Procédé de réalisation selon la revendication 16, caractérisé en ce que le troisième matériau est un matériau opaque à la lumière.
20. Procédé de réalisation selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'étape 5 est suivie d'une étape 6 de réalisation d'une couche opaque à ia lumière épargnant l'objet de dimensions nanométriques.
21. Procédé de réalisation selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'étape 5 comporte une sous-étape de report d'au moins une couche (110, 111 , 112) constituant le matériau sur le dépôt (102) par collage moléculaire.
22. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 14 à 19, caractérisé en ce que le premier matériau est du silicium, le second matériau est du silicium ou de l'oxyde de silicium, le troisième matériau est de l'oxyde de silicium ou du nitrure de silicium et le quatrième matériau est un matériau à fort indice de réfraction comme de l'oxyde de silicium ou de l'oxyde de hafnium.
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