EP4684215A1 - Pointe en silicium de faible masse et à haut rapport d'aspect, sonde comportant une telle pointe en silicium, microscope comportant une telle sonde, et procédé de fabrication de ladite pointe en silicium - Google Patents

Pointe en silicium de faible masse et à haut rapport d'aspect, sonde comportant une telle pointe en silicium, microscope comportant une telle sonde, et procédé de fabrication de ladite pointe en silicium

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Publication number
EP4684215A1
EP4684215A1 EP24713458.8A EP24713458A EP4684215A1 EP 4684215 A1 EP4684215 A1 EP 4684215A1 EP 24713458 A EP24713458 A EP 24713458A EP 4684215 A1 EP4684215 A1 EP 4684215A1
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EP
European Patent Office
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tip
lever
probe
preform
silicon
Prior art date
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Pending
Application number
EP24713458.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Benjamin WALTER
Edouard LEBOUVIER
Marc Faucher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vmicro
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Valenciennes et du Hainaut Cambresis
Universite de Lille
Original Assignee
Vmicro
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Vmicro, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Vmicro
Publication of EP4684215A1 publication Critical patent/EP4684215A1/fr
Pending 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]
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00111—Tips, pillars, i.e. raised structures
    • 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
    • G01Q70/16—Probe manufacture

Definitions

  • the present invention relates to sensors at the base of atomic force microscopes, and more particularly to sensors comprising tips.
  • An atomic force microscope is a type of local probe microscope that overcomes the resolution limitations known for light wave-based microscopes. Indeed, it allows the topography of the surface of a sample to be visualized with a lateral resolution of sub-100 nanometers and a vertical resolution of sub-1 nanometer. These values cannot be achieved in optics due to the limits related to wave diffraction.
  • the AFM technique exploits the interaction (attraction/repulsion) between the atoms of the nanometric apex of a tip and the atoms of the surface of a sample.
  • the atomic force microscope is a device that allows this principle to be put into practice by scanning the surface of a sample using a very fine tip, positioned at the free end of a flexible micro-lever, which can move in all directions in space. This is achieved by means of piezoelectric ceramics that define an X,Y scan. This is then called an ‘XY scan’.
  • the principle of the most commonly used device is to measure in real time the deflection angle of the lever, which is considered to be a measure of the interaction forces occurring between the tip and the sample.
  • This angle is most often measured by the technique known as optical deflection of a laser beam.
  • a laser leaves a source, is reflected on the lever, and reaches a 4-quadrant photodiode.
  • the intensities of the quadrants will vary and it will be possible to generate an electrical output proportional to the deflection angle of the lever.
  • the deflection signal serves as input to a lever height control loop.
  • Imaging modes based on AFM also make it possible to measure physical properties with a resolution of a few nanometers (optical index, permittivity, electric charges, etc.).
  • a first method is based on a technology for manufacturing the tip out of plane of the substrate. Such a method is notably described in a first document: “Microfabrication and application of high-aspect-ratio silicon tips, July 2005, Journal of Vaccum Science & Technology B Microlectronics and Nanometer Structures 23(4), by Yaqiang Wang and Daniel W. van der Weide, doi: 10.1116/1.1947805”.
  • a second method is based on a technology for manufacturing the tip in the plane of the substrate. Such a method is notably described in a second document: "R. P. Ried, H. J. Mamin, B. D. Terris, Long-Sheng Fan and D. Rugar, "6-MHz 2-N/m piezoresistive atomic-force microscope cantilevers with INCISIVE tips," in Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 6, no. 4, pp. 294-302, Dec. 1997, doi: 10.1109/84.650125".
  • This second method is illustrated in particular in Fig. 1 from extracts of a figure from the second document.
  • a preform is etched vertically through the entire upper silicon layer of an SOI substrate (for "Silicon On Insulator” in English) until reaching an oxide layer of this substrate.
  • the preform is then encapsulated in an oxide sheath by thermal oxidation and/or oxide deposition.
  • An opening in a protective mask is then made above said preform.
  • Vertical etching removes the oxide only on the surface of the preform, which leaves an oxide wall around the preform.
  • Anisotropic chemical etching allows preferential etching of silicon planes by revealing said planes after etching.
  • the probe obtained by the second method is illustrated in Fig. 2.
  • This probe consists of three parts, namely, a tip (P), a connecting element which is here a lever (C) also called “Cantilever” and a support (S).
  • connecting element or “lever” means a free embedded element.
  • the lever is configured to deform preferentially in the direction of the tip. The lever also deforms in other directions.
  • the lever has three main dimensions:
  • the length of a tip is defined between one end of the tip, also called the apex (AP) and the face of the lever carrying the tip.
  • the axis of the lever is mainly along the X axis.
  • the axis increases from the anchor of the lever towards the free part.
  • the axis of the tip is mainly along Y.
  • the axis is increasing from the base of the tip, at the lever towards the tip.
  • the Z axis is perpendicular to the X axis and the Y axis.
  • the user might wish to use the probe in an ideal case, in which the tip is vertical above the sample.
  • the probe is mounted in the microscope with a cp angle of a few degrees: of the order of 7 to 13°.
  • the present invention aims to at least partially remedy this need.
  • the present invention relates to a silicon tip capable of being arranged at one end of a lever.
  • the tip comprises a first part and a second part arranged between said first part and the lever, said first part having a tetrahedral shape having a triangular section whose height is continuously variable.
  • the second part has a non-triangular section and at the interface between the first part and the second part of the tip.
  • the height of the triangular section of the first part is less than a width of the lever.
  • the height of the triangular section of the first part corresponds to a dimension in a direction parallel to a direction of the width of the lever.
  • the second part comprises a first portion extending from the lever and a second portion disposed between the first portion and the first part.
  • the first portion comprises an inclined plane, said inclined plane extending between the lever and the second portion.
  • Another object of the invention relates to a probe comprising a support comprising a lever extending from the support, a silicon tip according to the preceding object, said silicon tip being arranged at one end of the lever, opposite the support.
  • the lever comprises a main portion connected to the support and a width-reducing portion extending the main portion.
  • the reduction portion comprises a first inclined plane extending from the main portion and a second inclined plane. extending from the first inclined plane to the probe, the inclination of the first inclined plane being different from the inclination of the second inclined plane.
  • the second inclined plane has the same inclination as the inclined plane of the first portion of the second part of the tip.
  • the first part of the tip comprises an inclined plane, said inclined plane having the same inclination as the first inclined plane of the reduction portion.
  • Another object of the invention relates to a local probe microscope comprising a probe according to the preceding object.
  • Another subject of the invention relates to a method for manufacturing a silicon tip in an SOI substrate, said substrate comprising a lower silicon layer with a thickness of between 150 pm and 700 pm, an oxide layer SiO 2 resting on the lower layer, said oxide layer having a thickness of between 0.2 pm and 2 pm, an upper silicon layer with a thickness E and resting on the oxide layer, said manufacturing method comprising:
  • etching a preform through the upper silicon layer to the oxide layer said preform having a first part, extending in a first direction, intended to form said tip and a second part, connected to said first part, extending in a second direction intended to form a lever for connecting the tip to a support;
  • the first part of the preform has a first width W PF , said first width W PF being less than E/A/2 and/or in said manufacturing method the rectangular window of the mask opens onto the whole of the first part of said preform and partially opens onto the second part of said preform.
  • the opening step comprises an additional step in which all or part of the first part of the preform is partially and locally etched.
  • Figure 1 illustrates a method according to the prior art based on a technology for manufacturing a tip of a probe in the plane of a substrate
  • Figure 2 illustrates a probe obtained by the method of Figure 1;
  • Figure 3 illustrates a prior art SOI substrate suitable for use in the method of Figure 1;
  • Figure 4 illustrates in more detail the method of Figure 1
  • Figure 5 illustrates in more detail a tip of a probe of Figure 2;
  • Figure 6 illustrates a probe having the tip of Figure 5;
  • Figure 7 illustrates the laser spot size on two probe levers of different widths
  • Figure 8 illustrates a measured profile as a function of a sample and the tip geometry
  • Figure 9 illustrates a front and side view of the tip of Figure 5;
  • Figure 10 is a table giving the aspect ratio of the front and side of the tip of Figure 9 as a function of an angle 6;
  • Figure 11 is a zoom of step 1 of the method of Figure 4.
  • Figure 12 is a zoom of step 3 of the method of Figure 4.
  • Figure 13 is a zoom of step 4 of the method of Figure 4;
  • Figure 14 is a zoom of step 3 of the method of Figure 4 with dimensions of the preform according to a first variant embodiment of the method according to the invention;
  • Figure 15 is a zoom of step 4 of the method of Figure 4 with dimensions of the preform according to the first variant embodiment of the method according to the invention
  • Figure 16 illustrates a probe according to a first variant embodiment obtained from the steps of the manufacturing method of Figures 14 and 15;
  • Figure 17 illustrates a probe according to a second variant embodiment obtained from the steps of the manufacturing method of Figures 14 and 15;
  • Figure 18 is a zoom of step 3 of the method of Figure 4 with a particular positioning of an opening window
  • Figure 19 is a zoom of step 4 of the method of Figure 4 following step 3 of Figure 18;
  • Figure 20 illustrates a probe according to a third variant embodiment obtained from the steps of the manufacturing method of Figures 18 and 19;
  • Figure 21 illustrates the probe according to the third embodiment variant of Figure 20 according to another view
  • Figure 22 illustrates a detailed view of a portion of the probe of Figure 21;
  • Figure 23 illustrates a probe according to a fourth variant embodiment
  • Figure 24 illustrates a portion of the probe of Figure 23
  • Figure 25 illustrates a probe according to a fifth variant embodiment
  • Figure 26 illustrates a probe according to a sixth variant embodiment
  • Figure 27 illustrates a probe according to a seventh variant embodiment
  • Figure 28 illustrates a front view of the embodiments of Figures 26 and
  • Figure 29 illustrates a method for manufacturing probes according to the embodiments of Figures 25 to 27;
  • Figure 30 is a photo obtained by scanning electron microscopy illustrating the third variant embodiment of Figures 20 and 21;
  • Figure 31 is a photo obtained by scanning electron microscopy illustrating the third variant embodiment of Figures 20 and 21, according to another orientation.
  • Figure 3 illustrates an SOI substrate suitable for use in a process based on substrate-plane probe tip fabrication technology.
  • Such a substrate consists of three layers.
  • a lower silicon layer of significant thickness (Handle Layer: HL) (150pm-700pm) which serves as a mechanical support, a thin SiO2 oxide layer (0.5pm-2pm) called BOX (buried oxide), then a silicon layer called the ‘active layer’ or ‘Device layer’: DL.
  • HL silicon layer of significant thickness
  • BOX buried oxide
  • Figure 4 illustrates in more detail the process of manufacturing the probe tip in the plane of the SOI substrate of Figure 3.
  • the process thus starts on the SOI substrate.
  • the HL layer is not shown to make it easier to understand.
  • the DL device layer is in white on the hatched BOX silicon oxide.
  • a protective mask is defined in a step E1. This protects the material located inside the geometric shape. Then the silicon layer will be etched up to the BOX using plasma technology which removes the silicon outside the protective mask and produces vertical sides.
  • a step E2 the surface and the sides of the structure etched in the silicon of the “device layer” are then encapsulated in the silicon oxide (by thermal oxidation and/or deposition).
  • a step E3 an opening is made in the oxide in order to expose the upper surface of the silicon structure without removing the oxide on the sides.
  • a specific etching using a base such as TMAH (Tetramethylammonium hydroxide) makes it possible to etch the silicon with a slope. This is obtained because the TMAH etches the (111) planes very little (colored here in light gray).
  • a step E5 the oxide is finally etched everywhere around the probe.
  • the tip of a probe obtained by the steps of the method of Figure 4 is illustrated in Figure 5 in three dimensions. This tip has a tetrahedral shape having a triangular section.
  • the DCA, BCD and ACB planes intersect at point C and are respectively formed by the lower surface of the SOI device layer, by the (111) crystal plane exposed using chemical etching and by a vertical plane defined using vertical etching.
  • the (111) plane is etched at least 10 times slower than the other planes. The etching can then be stopped when only the (111) planes remain visible.
  • the tip thus formed at point C is in the plane of the substrate.
  • the straight line (DC) follows the crystalline direction [110] while an angle 9 is imposed between (DC) and (AC). This angle is defined during the design while the values of a (BCD) and (3(BC ⁇ ) depend only on 9 and the crystalline planes of the silicon and are imposed by:
  • the length of the tip i.e. the distance DC, depends only on the angle 9 and the thickness of the silicon layer E:
  • Figure 6 illustrates in more detail a variant of a probe obtained by the method of Figure 4.
  • This probe consists mainly of four zones.
  • the PT zone is made up of a tetrahedron: the sections of this zone, in the XZ plane, are right triangles that become larger and larger as one travels through the PT zone along the y axis from the apex of the AP point towards the ZI zone.
  • the ZI zone is an intermediate zone extending the tip but not forming part of the tetrahedron. Its sections in the XZ plane can be of arbitrary size with, for example, a rectangular shape.
  • the PT zone and the ZI zone constitute the tip of the probe.
  • the EM zone belongs to a lever C of the probe. This lever is connected to a support of the probe (not shown in figure 6).
  • Figure 7 shows a top view of a probe when the AFM laser is focused to obtain a reflection giving the measurement signal.
  • the lever is formed by vertically etching the “device layer” of the SOI substrate along the Z axis.
  • the width Wc of the lever is equal to the thickness E of the “device layer” of the SOI. More precisely, and throughout this document, the width Wc of the lever corresponds to the dimension of the lever along the Z axis at the level of the anchoring of the lever (i.e. at the level of the anchored end).
  • the thickness t of the lever is given by the photolithography.
  • S D is the diameter of the laser spot LS sent to the lever.
  • the proportion of reflected light is equivalent to the ratio between the illuminated lever surface and the laser spot surface.
  • the illuminated surface is a rectangle of length SD and width Wc, i.e. S D * Wc.
  • the tip length L P of probes made out of plane is typically 10 to 15 pm.
  • the profile obtained during a scan line is always the convolution of the profile of the tip and the local flank of the sample.
  • Figure 8 illustrates a typical profile obtained as a function of the sample.
  • the measured profile SP presents several types of defects:
  • the tip does not fit into a narrow and deep trench: the aspect ratio of the tip is low compared to that of the trench.
  • Figure 9 illustrates a front and side view of the tip of Figure 5.
  • the face or side aspect ratio of the PT area depends only on 6:
  • Figure 10 details the measurement of the front and side aspect ratio as a function of angle 6.
  • a PT zone of 179pm therefore has a mass of 2.5 times that of the lever. This mass will lower the resonance frequency by 40%.
  • a second problem to be solved is to achieve a tip with a high aspect ratio and low mass, without reducing Wc.
  • FIB focused ion beam
  • a third problem is therefore to use a collective manufacturing technique (called “batch process” in English) on a substrate allowing a high aspect ratio to be obtained on all the probes during the manufacturing process.
  • Figures 11, 12 and 13 illustrate in more detail certain steps of the prior art manufacturing method shown in Figure 4.
  • Figure 11 is a zoom of step 1 of the method of Figure 4.
  • the preform is here a silicon part whose sides are vertical. It is made up of two portions.
  • the portion PF extends mainly along the Y axis, forming here a non-zero angle 0 with this axis.
  • the Y axis corresponds to the crystalline direction [110].
  • the portion C extends mainly along the X axis, forming here a non-zero angle T with this axis.
  • the X axis thus corresponds to the normal to the crystalline direction [1 10].
  • a second reference point is defined having as its origin OR, the inflection point between the two preform portions.
  • the process starts on SOI substrate with an active layer DL of thickness E etched until reaching the oxide BOX.
  • the top view shows the future lever C associated with the portion PF of width W PF and length L PF . Being produced by etching along Z, the width Wc of the lever is given by the thickness E of the layer DL while its thickness te is adjustable during design.
  • the thickness E of the active layer DL is between 0.1 pm and 100 pm.
  • the thickness E of the active layer DL is between 2 pm and 40 pm.
  • Figure 12 is a zoom of step 3 of the method of Figure 4.
  • a silicon oxide sheath encapsulates all the silicon of the DL layer.
  • a resin mask is defined which will protect the entire surface except the FO window. By etching, this mask makes it possible to remove the upper layer resting on the top of the DL while retaining MO oxide walls.
  • the oxide layer is not shown in the area outside the FO but it is present. It is possible to see this layer on the section AA'. It is denoted SO.
  • OR is the origin of the reference frame used to measure the position of FO. OR corresponds to the point of intersection of the lever C and the preform PF.
  • MO dx and MO dy measure the offset of the window at the origin OR along the reference frame X1 /Y1. In Figure 12 MO dx and MO dy are negative.
  • Figure 13 is a zoom of step 4 of the method of Figure 4.
  • the silicon oxide then serves as a mask for a chemical etching step (TMAH) which has the particularity of anisotropically etching the different crystalline planes of the silicon.
  • TMAH chemical etching step
  • Figure 14 is a zoom of step 3 of the method of Figure 4 with dimensions of the preform according to a first variant embodiment of the method according to the invention.
  • the first part PF of the preform has a first width W PF and the second part C of the preform has a second width t.
  • W PF width of the preform
  • t width of the preform
  • Figure 15 is a zoom of step 4 of the method of Figure 4 with dimensions of the preform according to the first variant embodiment of the method according to the invention.
  • This method consists in using the MO oxide wall so as to block the etching on the (1 1 1 ) crystal plane as shown in section AA’ of Figure 15. A small tetrahedral portion is then obtained only at the end of the tip. The tetrahedron is truncated and the mass of the tip is reduced.
  • the probe comprises a lever C and a tip.
  • This tip comprises the first part PT and the second part ZI.
  • This second part ZI is arranged between the first part PT and the lever C.
  • the height of the triangular section is less than the width Wc of the lever C.
  • Figure 17 illustrates a probe according to a second variant embodiment obtained from the steps of the manufacturing method of Figures 14 and 15.
  • the probe comprises a lever C and a tip.
  • This tip comprises the first part PT and the second part ZI.
  • This second part ZI is arranged between the first part PT and the lever C.
  • the first part PT of the tip has a tetrahedral shape. It has a triangular section whose height is continuously variable.
  • the second part ZI of the tip has a non-triangular section.
  • the height of the triangular section is less than the width Wc of the lever C.
  • the window FO here opens onto the entire first part PF of the preform.
  • the window FO also partially opens onto the second part of the preform.
  • the window FO is offset by a length MO dx towards the second part of the preform.
  • This window FO then contains the point OR.
  • This point OR corresponds to an inflection point between the first part PF of the preform and the second part of said preform.
  • the tip length can be modulated.
  • the rule consisting of shifting the window FO along the X axis so as to obtain MO dx > 0, is associated with a width W PF of the first part of the preform greater than or equal to E/A/2.
  • the MO dy value is greater than t.
  • this MO dy value is less than or equal to t.
  • Figure 19 is a zoom of step 4 of the method of Figure 4 with dimensions of the preform identical to those of Figure 18.
  • the area etched by the TMAH (gray area) extends partially over the second part of the preform.
  • the total mass of the tip is reduced and the polyhedra forming said tip have thicknesses less than E.
  • Figure 20, Figure 21, Figure 30 and Figure 31 illustrate a probe according to a third variant embodiment obtained from the steps of the manufacturing method of Figures 18 and 19.
  • the probe comprises a lever C and a tip.
  • the lever C comprises a main portion C y intended to be connected to a support (not shown here) and a width-reducing portion C x extending said main portion C y .
  • the main portion C y has a width Wc.
  • the reduction portion C x has a width decreasing continuously between the width Wc and the width of an interface zone between the reduction portion C x and the tip.
  • the tip comprises the first part PT and the second part ZI.
  • This second part ZI is arranged between the first part PT and the lever C.
  • the first part PT of the tip has a tetrahedral shape. It has a triangular section whose height is continuously variable.
  • the second part ZI of the tip has a non-triangular section.
  • said first part PT has a certain height H PT in the triangular section SPT.
  • This height H PT is, here, less than the width Wc of the main part C y of the lever C.
  • Figures 23 and 24 illustrate a probe according to a fourth variant embodiment obtained from the steps of the manufacturing method of Figures 18 and 10.
  • the probe comprises a lever C and a tip.
  • the lever C comprises a main portion C y intended to be connected to a support (not shown here) and a width-reducing portion C x extending said main portion C y .
  • the main portion C y has a width Wc.
  • the reduction portion C x has a width decreasing continuously between the width Wc and the width of an interface zone between the reduction portion C x and the tip.
  • the reduction portion C x comprises a first inclined plane P1 cx extending from the main portion C y and a second inclined plane P2cx extending from the first inclined plane P1 ex to the probe.
  • the inclination of the first inclined plane P1 cx is here different from the inclination of the second inclined plane P2 CX .
  • the tip comprises the first part PT and the second part ZI.
  • This second part ZI is arranged between the first part PT and the lever C.
  • the first part PT of the tip has a tetrahedral shape. It has a triangular section whose height is continuously variable.
  • the first part PT comprises an inclined plane P PT .
  • This inclined plane PPT has the same inclination as the first inclined plane P1 ex of the reduction portion Cx-
  • the second part ZI of the tip has a non-triangular section.
  • This second part here comprises a first portion Zh extending from the lever C and a second portion Zl 2 arranged between the first portion Zh and the first part PT of the tip.
  • the first portion Zh comprises an inclined plane Pzn , this plane extending between the lever C and the second portion Zl 2 .
  • the inclined plane P Z n of the first portion Zh of the second part ZI of the tip has the same inclination as the second inclined plane P2cx of the reduction portion C x .
  • said first part PT has a certain height H PT in the triangular section S PT .
  • This height H PT is, here, less than the width Wc of the main part C y of the lever C.
  • Figures 25, 26 and 27 respectively illustrate a fifth embodiment, a sixth embodiment and a seventh embodiment of the invention.
  • the probe comprises a lever C and a tip.
  • the lever C comprises a main portion C y intended to be connected to a support (not shown here) and a width-reducing portion C x extending said main portion C y .
  • the main portion C y has a width Wc.
  • the reduction portion C x has a width decreasing continuously between the width Wc and the width of an interface zone between the reduction portion C x and the tip.
  • the tip comprises the first part PT and the second part ZI.
  • This second part ZI is arranged between the first part PT and the lever C.
  • the first part PT of the tip has a tetrahedral shape. It has a triangular section whose height is continuously variable.
  • the second part ZI of the tip has a non-triangular section.
  • said first part PT has a certain height in the triangular section. This height is, here, less than the width Wc of the main part C y of the lever C.
  • the zone referenced ZI consists of a portion of arbitrary shape, here a rectangular parallelogram.
  • Figures 26, 27 and 28 show more particularly a tetrahedral part with a plane followed by a trapezoidal zone ZI.
  • the aspect ratio seen from the front is constant and equal to HP/B. Then this ratio decreases, if it is measured more and more towards the lever. It is thus equal to HT/B if we consider the entire zone under the lever C, that is to say the part referenced ZI associated with the part referenced PT.
  • Figure 29 illustrates a manufacturing method for producing the embodiments of Figures 25, 26, 27 and 28. This method includes an additional step 3b in which the portion PF is partially and locally etched.
  • each tip comprises the first part PT and the second part ZI.
  • this second part ZI is arranged between the first part PT and the lever C.
  • the first part PT has a tetrahedral shape having a triangular section whose height is continuously variable.
  • second part ZI has a non-triangular section. At the interface between the first part PT and the second part ZI, the height of the triangular section of the first part PT is less than the width Wc of the lever C.
  • the silicon tip can be used in any device intended to evaluate the topography of a surface.
  • the silicon tip may be integrated into any device comprising microelectrodes.
  • the silicon tip can serve as a microanode or microcathode in a field-effect emission device.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne une pointe en silicium apte à être disposée à une extrémité d'un élément de liaison. Ladite pointe comporte une première partie (PT) et une seconde partie (ZI) disposée entre ladite première partie (PT) et l'élément de liaison, ladite première partie (PT) ayant une forme tétraédrique présentant une section triangulaire dont une hauteur est continument variable, ladite seconde partie (ZI) ayant une section (SZI) non triangulaire et en ce que, à l'interface entre la première partie (PT) et la seconde partie (ZI) de la pointe (P), la hauteur (HPT) de la section (SPT) triangulaire de la première partie (PT) est inférieure à une largeur de l'élément de liaison.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Pointe en silicium de faible masse et à haut rapport d’aspect, sonde comportant une telle pointe en silicium, microscope comportant une telle sonde, et procédé de fabrication de ladite pointe en silicium.
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne les capteurs à la base des microscopes à force atomique, et plus particulièrement les capteurs comportant des pointes.
Technique antérieure
[0002] Un microscope à force atomique (dit « AFM » pour « Atomic Force Microscope » en anglais) est un type de microscope à sonde locale qui dépasse les limitations de résolution connues pour les microscopes basés sur les ondes lumineuses. En effet, il permet de visualiser la topographie de la surface d'un échantillon avec une résolution latérale sub-100 nanomètres et verticale sub-1 nanomètre. Ces valeurs ne peuvent être atteintes en optique en raison des limites liées à la diffraction des ondes.
[0003] La technique AFM exploite l'interaction (attraction/répulsion) entre les atomes de l’apex nanométrique d'une pointe et les atomes de la surface d'un échantillon.
[0004] Le microscope à force atomique est un appareil qui permet de mettre en pratique ce principe en balayant la surface d'un échantillon grâce à une pointe très fine, positionnée à l'extrémité libre d'un micro-levier flexible, pouvant se déplacer dans toutes les directions de l'espace. Ceci est réalisé au moyen de céramiques piézoélectriques qui définissent un balayage X,Y. On parle alors de ‘scan XY’.
[0005] Le principe de l’appareil le plus souvent mis en oeuvre est de mesurer en temps réel l'angle de déflexion du levier, qui est considéré comme une mesure des forces d'interactions intervenant entre la pointe et l'échantillon. Cet angle est le plus souvent mesuré par la technique dite de déflexion optique d’un faisceau laser. Dans ce cas, un laser part d’une source, se réfléchit sur le levier, et atteint une photodiode à 4 quadrants. Lorsque l'angle varie sous l’effet d’une force pointe-surface, les intensités des quadrants vont varier et l’on va pouvoir générer une sortie électrique proportionnelle à l’angle de déflexion du levier. [0006] Pour obtenir une topographie en 3 dimensions de la surface, le signal de déflexion sert d’entrée à une boucle d’asservissement de la hauteur du levier.
[0007] Les enjeux et les domaines des mesures et images réalisées par AFM sont très divers :
- Dans l’industrie des semi-conducteurs : mesure de rugosité, mesure de marche (profilométrie haute résolution en x/y/z) ;
- En biologie, mesure de forces d’interaction, biomolécules, biomatériaux, cellules et bactéries in vitro/en liquide.
[0008] Des modes d’imageries variés basé sur l’AFM (électrique, optique...) permettent également de mesurer des propriétés physiques avec une résolution de quelques nanomètres (indice optique, permittivité, charges électriques, etc...).
[0009] Il est connu de fabriquer des sondes pour microscope à sonde locale à partir d’un substrat de silicium par des procédés de microfabrication issus de la microélectronique et de la micromécanique.
[0010] Il existe ainsi dans l’art antérieur, deux familles de procédés de fabrication permettant de réaliser une pointe locale sur substrat.
[0011] Un premier procédé est basé sur une technologie de fabrication de la pointe hors plan du substrat. Un tel procédé est notamment décrit dans un premier document : « Microfabrication and application of high-aspect-ratio silicon tips, July 2005, Journal of Vaccum Science & Technology B Microlectronics and Nanometer Structures 23(4), par Yaqiang Wang and Daniel W. van der Weide, doi: 10.1116/1.1947805 ».
[0012] Un second procédé est basé sur une technologie de fabrication de la pointe dans le plan du substrat. Un tel procédé est notamment décrit dans un second document : « R. P. Ried, H. J. Mamin, B. D. Terris, Long-Sheng Fan and D. Rugar, "6-MHz 2-N/m piezoresistive atomic-force microscope cantilevers with INCISIVE tips," in Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 6, no. 4, pp. 294-302, Dec. 1997, doi: 10.1109/84.650125 ».
[0013] Ce second procédé est notamment illustré à la Fig.1 à partir d’extraits d’une figure issue du second document. Sur ces extraits, une préforme est gravée verticalement à travers toute la couche supérieure de silicium d’un substrat SOI (pour « Silicon On Insulator » en anglais) jusqu’à atteindre une couche d’oxyde de ce substrat. La préforme est ensuite encapsulée dans une gaine d’oxyde par oxydation thermique et/ou dépôt d’oxyde. Une ouverture dans un masque de protection est ensuite réalisée au-dessus de ladite préforme. Une gravure verticale permet de retirer l’oxyde uniquement en surface de la préforme, ce qui laisse un mur d’oxyde autour de la préforme. Une gravure chimique anisotrope permet de graver préférentiellement des plans du silicium en faisant apparaitre lesdits plans après gravure.
[0014] La sonde obtenue par le second procédé est illustré à la Fig. 2. Cette sonde est constituée de trois parties, à savoir, une pointe (P) un élément de liaison qui est ici un levier (C) également dénommé « Cantilever » et un support (S).
[0015] Dans l’ensemble du présent document, on entend par élément de liaison ou levier, un élément encastré libre. Le levier est configuré pour se déformer préférentiellement dans la direction de la pointe. Le levier se déforme également dans les autres directions. Le levier possède trois dimensions principales :
- une longueur (Le) correspondant à la distance entre une extrémité libre et une extrémité ancrée ;
- une largeur (Wc), la surface du levier portant la pointe étant constituée par la longueur et la largeur ;
- une épaisseur (te), petite devant la largeur.
[0016] La longueur d’une pointe (Lp) est définie entre une extrémité de la pointe, également appelée apex (AP) et la face du levier portant la pointe.
[0017] Les repères sont basés sur la convention suivante :
[0018] L’axe du levier est principalement suivant l’axe X. L’axe est croissant de l’ancrage du levier vers la partie libre.
[0019] L’axe de la pointe est principalement suivant Y. L’axe est croissant depuis la base de la pointe, au niveau du levier vers la pointe.
[0020] L’axe Z est perpendiculaire à l’axe X et à l’axe Y.
[0021] L’utilisateur pourrait souhaiter utiliser la sonde dans un cas idéal, dans lequel la pointe est verticale au-dessus de l’échantillon. Or pour des raisons expérimentales, vu les dimensions de longueur de pointe accessibles sur le marché, typiquement 10 à 15pm, la sonde est montée dans le microscope avec un angle cp de quelques degrés : de l’ordre de 7 à 13°.
[0022] Il existe ainsi un besoin d’améliorer le procédé de fabrication d’une sonde dans le plan d’un substrat afin de permettre de disposer d’une pointe à masse réduite, avec un angle ajustable et ceci pour des largeurs de levier importantes.
[0023] Exposé de l’invention
[0024] La présente invention vise à remédier au moins en partie à ce besoin.
[0025] Plus particulièrement, la présente invention concerne une pointe en silicium apte à être disposée à une extrémité d’un levier. La pointe comporte une première partie et une seconde partie disposée entre ladite première partie et le levier, ladite première partie ayant une forme tétraédrique présentant une section triangulaire dont une hauteur est continûment variable. La seconde partie a une section non triangulaire et à l’interface entre la première partie et la seconde partie de la pointe. La hauteur de la section triangulaire de la première partie est inférieure à une largeur du levier. La hauteur de la section triangulaire de la première partie correspond à une dimension selon une direction parallèle à une direction de la largeur du levier.
[0026] Dans une variante de réalisation, la seconde partie comprend une première portion s’étendant à partir du levier et une seconde portion disposée entre la première portion et la première partie.
[0027] Dans une variante de réalisation, la première portion comprend un plan incliné, ledit plan incliné s’étendant entre le levier et la seconde portion.
[0028] Un autre objet de l’invention concerne une sonde comprenant un support comportant un levier s’étendant à partir du support, une pointe en silicium selon l’objet précédent, ladite pointe en silicium étant disposée à une extrémité du levier, à l’opposé du support.
[0029] Dans une variante de réalisation, le levier comporte une portion principale reliée au support et une portion de réduction en largeur prolongeant la portion principale.
[0030] Dans une variante de réalisation, la portion de réduction comporte un premier plan incliné s’étendant à partir de la portion principale et un second plan incliné s’étendant à partir du premier plan incliné jusqu’à la sonde, l’inclinaison du premier plan incliné étant différente de l’inclinaison du second plan incliné.
[0031] Dans une variante de réalisation, le second plan incliné a une même inclinaison que le plan incliné de la première portion de la seconde partie de la pointe.
[0032] Dans une variante de réalisation, la première partie de la pointe comprend un plan incliné, ledit plan incliné ayant une même inclinaison que le premier plan incliné de la portion de réduction.
[0033] Un autre objet de l’invention concerne un microscope à sonde locale comportant une sonde selon l’objet précédent.
[0034] Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pointe en silicium dans un substrat SOI, ledit substrat comportant une couche inférieure de silicium d’épaisseur comprise entre 150 pm et 700 pm, une couche d’oxyde SiO2 reposant sur la couche inférieure, ladite couche d’oxyde ayant une épaisseur comprise entre 0,2 pm et 2 pm, une couche supérieure de silicium d’épaisseur E et reposant sur la couche d’oxyde, ledit procédé de fabrication comprenant :
- une étape de gravure d’une préforme à travers la couche supérieure de silicium jusqu’à la couche d’oxyde, ladite préforme ayant une première partie, s’étendant selon une première direction, destinée à former ladite pointe et une seconde partie, reliée à ladite première partie, s’étendant selon une seconde direction destinée à former un levier pour une liaison de la pointe avec un support ;
- une étape d’encapsulation de la préforme dans une gaine d’oxyde par oxydation thermique et/ou dépôt d’oxyde ;
- une étape d’ouverture dans la gaine d’oxyde à l’aide d’un masque comportant une fenêtre rectangulaire ouvrant sur une zone de la préforme de sorte à mettre à jour une surface supérieure de la couche supérieure de silicium du substrat SOI sans retirer de l’oxyde sur des parties verticales de ladite préforme ;
- une étape de gravure chimique de la couche supérieure de silicium à travers ladite fenêtre rectangulaire, ladite couche supérieure étant gravée avec une pente ;
- une étape de gravure de l’oxyde autour de la préforme.
[0035] Dans ce procédé de fabrication, la première partie de la préforme a une première largeur WPF, ladite première largeur WPF étant inférieure à E/A/2 et/ou dans ledit procédé de fabrication la fenêtre rectangulaire du masque ouvre sur l’ensemble de la première partie de ladite préforme et ouvre partiellement sur la seconde partie de ladite préforme.
[0036] Dans une variante de réalisation, l’étape d’ouverture comprend une étape supplémentaire dans laquelle on vient graver partiellement et localement tout ou partie de la première partie de la préforme.
[0037] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :
[0038] la figure 1 illustre un procédé selon l’art antérieur basé sur une technologie de fabrication d’une pointe d’une sonde dans le plan d’un substrat ;
[0039] la figure 2 illustre une sonde obtenue par le procédé de la figure 1 ;
[0040] la figure 3 illustre un substrat SOI selon l’art antérieur adapté pour être utilisé dans le procédé de la figure 1 ;
[0041] la figure 4 illustre de manière plus détaillée le procédé de la figure 1 ;
[0042] la figure 5 illustre de manière plus détaillée une pointe d’une sonde de la figure 2 ;
[0043] la figure 6 illustre une sonde comportant la pointe de la figure 5 ;
[0044] la figure 7 illustre la taille de spot laser sur deux leviers de sonde de largeurs différentes ;
[0045] la figure 8 illustre un profil mesuré en fonction d’un échantillon et de la géométrie de la pointe ;
[0046] la figure 9 illustre une vue de face et de profil de la pointe de la figure 5 ;
[0047] la figure 10 est un tableau donnant le rapport d’aspect de face et de côté de la pointe de la figure 9 en fonction d’un angle 6 ;
[0048] la figure 11 est un zoom de l’étape 1 du procédé de la figure 4 ;
[0049] la figure 12 est un zoom de l’étape 3 du procédé de la figure 4 ;
[0050] la figure 13 est un zoom de l’étape 4 du procédé de la figure 4 ; [0051] la figure 14 est un zoom de l’étape 3 du procédé de la figure 4 avec des dimensions de la préforme selon une première variante de réalisation du procédé selon l’invention ;
[0052] la figure 15 est un zoom de l’étape 4 du procédé de la figure 4 avec des dimensions de la préforme selon la première variante de réalisation du procédé selon l’invention ;
[0053] la figure 16 illustre une sonde selon une première variante de réalisation obtenue à partir des étapes du procédé de fabrication des figures 14 et 15 ;
[0054] la figure 17 illustre une sonde selon une seconde variante de réalisation obtenue à partir des étapes du procédé de fabrication des figures 14 et 15 ;
[0055] la figure 18 est un zoom de l’étape 3 du procédé de la figure 4 avec un positionnement particulier d’une fenêtre d’ouverture ;
[0056] la figure 19 est un zoom de l’étape 4 du procédé de la figure 4 suite à l’étape 3 de la figure 18 ;
[0057] la figure 20 illustre une sonde selon une troisième variante de réalisation obtenue à partir des étapes du procédé de fabrication des figures 18 et 19 ;
[0058] la figure 21 illustre la sonde selon la troisième variante de réalisation de la figure 20 selon une autre vue ;
[0059] la figure 22 illustre une vue de détail d’une partie de la sonde de la figure 21 ;
[0060] la figure 23 illustre une sonde selon une quatrième variante de réalisation ;
[0061] la figure 24 illustre une portion de la sonde de la figure 23 ;
[0062] la figure 25 illustre une sonde selon une cinquième variante de réalisation ;
[0063] la figure 26 illustre une sonde selon une sixième variante de réalisation ;
[0064] la figure 27 illustre une sonde selon une septième variante de réalisation ;
[0065] la figure 28 illustre une vue de face des modes de réalisation des figures 26 et
27 ;
[0066] la figure 29 illustre un procédé pour la fabrication de sondes selon les modes de réalisation des figures 25 à 27 ; [0067] la figure 30 est une photo obtenue par microscopie électronique à balayage illustrant la troisième variante de réalisation des figures 20 et 21 ;
[0068] la figure 31 est une photo obtenue par microscopie électronique à balayage illustrant la troisième variante de réalisation des figures 20 et 21 , selon une autre orientation.
[0069] L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et variantes présentées et d’autres modes de réalisation et variantes apparaîtront clairement à l’homme du métier.
[0070] La figure 3 illustre un substrat SOI adapté pour être utilisé dans un procédé basé sur la technologie de fabrication de la pointe d’une sonde dans le plan d’un substrat.
[0071] Un tel substrat se compose de trois couches. Une couche inférieure de silicium d’épaisseur importante (Handle Layer : HL) (150pm-700pm) qui sert de support mécanique, une couche d’oxyde SiÛ2 de faible épaisseur (0,5pm-2pm) appelée BOX (buried oxide), puis une couche de silicium dite ‘couche active’ ou ‘Device layer’ : DL.
[0072] La figure 4 illustre de manière plus détaillée le procédé de fabrication de la pointe de la sonde dans le plan du substrat SOI de la figure 3.
[0073] Le procédé démarre ainsi sur le substrat SOI. Dans la figure 4, la couche HL n’est pas représentée pour en faciliter la compréhension. La couche de « device layer » DL est en blanc sur l’oxyde de silicium BOX en hachuré. Au moyen d’une lithographie, on définit dans une étape E1 un masque de protection. On protège ainsi la matière située à l’intérieur de la forme géométrique. Puis La couche de silicium sera gravée jusqu’au BOX au moyen d’une technologie plasma qui enlève le silicium en dehors du masque de protection et produit des flancs verticaux.
[0074] Dans une étape E2, la surface et les flancs de la structure gravée dans le silicium du « device layer » sont ensuite encapsulés dans l’oxyde de silicium (par oxydation thermique et/ou dépôt).
[0075] Dans une étape E3, une ouverture est réalisée dans l’oxyde afin de mettre à jour la surface supérieure de la structure en silicium sans retirer l’oxyde sur les flancs. [0076] Dans une étape E4, une gravure spécifique utilisant une base telle que le TMAH (Tétraméthylammonium hydroxide) permet de graver le silicium avec une pente. Celle-ci est obtenue car le TMAH grave très peu les plans (111 ) (colorés ici en gris clair).
[0077] Dans une étape E5, l’oxyde est enfin gravé partout autour de la sonde.
[0078] La pointe d’une sonde obtenue par les étapes du procédé de la figure 4 est illustrée à la figure 5 en trois dimensions. Cette pointe a une forme tétraédrique présentant une section triangulaire.
[0079] Plus particulièrement, les plans DCA, BCD et ACB s’intersectent au point C et sont respectivement formés par la surface inférieure de la couche du « device layer » du SOI, par le plan cristallin (111 ) mis à jour à l’aide d’une gravure chimique et par un plan vertical défini grâce à une gravure verticale. Le plan (111 ) est gravé au moins 10 fois moins vite que les autres plans. La gravure peut alors être stoppée quand il ne reste que les plans (111 ) apparents.
[0080] La pointe ainsi formée au point C est dans le plan du substrat. La droite (DC) suit la direction cristalline [110] tandis qu’un angle 9 est imposé entre (DC) et (AC). Cet angle est défini lors de la conception tandis que les valeurs de a (BCD et (3(BCÀ) dépendent uniquement de 9 et des plans cristallins du silicium et sont imposés par :
[0081] a = tan-1( 3 tan 0) (1 )
[0082]/? = tan_1(V2 sin 0) (2)
[0083] L’angle entre le plan (111 ) et le plan (001 ) est fixé par la maille cristalline du silicium, soit 54,7° (tan-1( 2))-
[0084] La longueur de la pointe, c'est-à-dire la distance DC, dépend quant à elle uniquement de l’angle 9 et de l’épaisseur de la couche de silicium E :
[0086] La figure 6 illustre de manière plus détaillée une variante d’une sonde obtenue par le procédé de la figure 4. Cette sonde est constituée principalement par quatre zones. [0087] La zone PT est constituée d’un tétraèdre : les sections de cette zone, dans le plan XZ, sont des triangles rectangles de plus en plus grands au fur et à mesure que l’on parcourt la zone PT suivant l’axe y depuis l’apex de la pointe AP vers la zone ZI.
[0088] La zone ZI est une zone intermédiaire prolongeant la pointe mais ne faisant pas partie du tétraèdre. Ses sections dans le plan XZ peuvent être de taille arbitraire avec, par exemple, une forme rectangulaire.
[0089] La zone PT et la zone ZI constituent la pointe de la sonde.
[0090] La zone EM appartient à un levier C de la sonde. Ce levier est relié à un support de la sonde (non représenté sur la figure 6).
[0091] La figure 7 représente une vue de dessus d’une sonde lorsque l’on focalise le laser de l’AFM pour obtenir une réflexion donnant le signal de mesure.
[0092] Dans le cas d’un levier AFM réalisé dans le plan, le levier est formé en gravant verticalement la couche « device layer » du substrat SOI suivant l’axe Z. Ainsi la largeur Wc du levier est égale à l’épaisseur E du « device layer » du SOI. Plus précisément, et dans l’ensemble du présent document, la largeur Wc du levier correspond à la dimension du levier selon l’axe Z au niveau de l’ancrage du levier (i.e. au niveau de l’extrémité ancrée). L’épaisseur tdu levier est donnée par la photolithographie.
[0093] Le choix du substrat SOI à utiliser dans la fabrication est donc critique pour la suite des opérations.
[0094] Sur la figure 7, il existe une pointe sous chaque levier, référencés C1 et C2. Les pointes ne sont pas ici apparentes.
[0095] SD est le diamètre du spot laser LS envoyé sur le levier.
[0096] Si Wc > à SD ou légèrement inférieur à SD (Wc=W1 ), une grande partie de la lumière du laser sera réfléchie sur la photodiode.
[0097] Si Wc est petit devant SD (WC=W2), seule une partie du laser est réfléchie sur la photodiode pour permettre un asservissement.
[0098] En première approximation, la part de la lumière réfléchie est équivalente au rapport entre la surface de levier éclairé et la surface du spot laser. [0099] Dans le cas où le spot laser ne dépasse pas du levier suivant l’axe X, alors il est fait l’approximation que la surface éclairée est un rectangle de longueur SD et de largeur Wc, soit SD * Wc. On fait également l’hypothèse d’un spot laser circulaire avec une surface totale du spot de ^SD 2. La part de lumière réfléchie est égale en première approximation à 7T S[) . Pour un spot de SD=40pm et un levier de largeur
Wc=30pm, le laser est réfléchi à 95%. Pour un spot de SD=40pm et un levier de largeur Wc=20pm, le laser est réfléchi à 63%. Pour un spot de SD=40pm et un levier de largeur Wc=10pm, le laser est réfléchi à 31%.
[0100] Un premier problème à résoudre est d’avoir un niveau de signal suffisant pour assurer l’asservissement et conserver, en conséquence, Wc=SD-
[0101] En outre, dans l’art antérieur, la longueur de la pointe LP de sondes réalisées hors-plan est typiquement de 10 à 15 pm. Il existe plusieurs géométries de pointes : pyramidale ou tétraédrique.
[0102] D’autre part, la présence de l’angle cp, illustré à la figure 2, va conduire à des difficultés car le profil de la pointe n’est pas symétrique par rapport à la normale à la surface imagée. Les fabricants de pointes cherchent à atténuer les effets de l’angle cp en tentant de le compenser afin d’avoir une pointe symétrique lors de l’imagerie.
[0103] Pour avoir une pointe présentant une arrête normale à la surface une fois la sonde montée dans l’AFM, il faut choisir =(p.
[0104] Pour avoir une pointe symétrique dans le plan XY une fois montée dans l’AFM, il faut choisir =(p-0/2.
[0105] Quel que soit la géométrie choisie, le profil obtenu lors d’une ligne de scan est toujours la convolution du profil de la pointe et du flanc local de l’échantillon.
[0106] La figure 8 illustre un profil typique obtenu en fonction de l’échantillon.
[0107] Les principaux artefacts observables sont :
- Le rayon de courbure à l’apex AP ;
- L’angle du demi-cône ;
- Le rapport d’aspect de la pointe. [0108] Pour un échantillon donné, le profil mesuré SP présente plusieurs types de défauts :
- D1 : pente due à l’angle de demi-cône HCA ;
- D2 : convolution due au rayon de courbure AR ;
- D3 : largeur effective d’un motif à fort rapport d’aspect grande devant la largeur réelle du motif (D1 +D2) ;
- D4 : la pointe ne rentre pas dans une tranchée étroite et profonde : le rapport d’aspect de la pointe est faible devant celui de la tranchée.
[0109] Pour réduire la différence entre le profil réel et le profil mesuré - à rayon de courbure constant - il faut réduire l’angle de demi-cône. En outre, pour imager le fond d’une tranchée étroite, il faut un rapport d’aspect élevé.
[0110] La figure 9 illustre une vue de face et de profil de la pointe de la figure 5.
[0111] Selon le plan observé, nous avons HCA= [3 /2 ou 9/2. D’après les équations
(4) et (5) ci-dessous, le rapport d’aspect de face ou de côté de la zone PT ne dépendent que de 6 :
[0114] La figure 10 détaille la mesure du rapport d’aspect de face et de côté en fonction de l’angle 6.
[0115] La contrainte donnée par le premier problème impose Wc>30 pm. En outre, pour avoir un rapport d’aspect important, c’est-à-dire supérieur à 4, on impose 6 inférieur à 10°. En conséquence, pour les paramètres Wc=40pm, 9 =9°, la zone PT est de 179pm de long.
[0116] La fréquence de résonance de la sonde est donnée par l’équation suivante :
[0118] Avec k la raideur du levier, mEM, mZ| et mPT respectivement les masses des zone PT, ZI et EM. Quand la masse augmente, la fréquence de résonance diminue. Or les performances des sondes AFM sont directement liées au couple fréquence de résonance et raideur. La masse mEM est donnée par le levier choisi lors de la conception.
[0119] Dans le cas d’une sonde standard :
[0120] L=125pm, Wc=30pm, tc=4pm ; soit une raideur de 42N/m. Une zone PT de 179pm a donc une masse de 2,5 fois celle du levier. Cette masse va abaisser de 40% la fréquence de résonnance.
[0121] Un second problème à résoudre est de réaliser une pointe à haut rapport d’aspect et de faible masse, sans réduire Wc.
[0122] Enfin, dans l’art antérieur, pour les pointes fabriquées hors plan, la diminution de l’angle de demi-cône ou l’augmentation du rapport d’aspect sont réalisés en bout de pointe sur les dernières centaines de nanomètres jusqu’à 1 pm.
[0123] Les solutions techniques pour obtenir les plus grands rapports d’aspect sont en générale :
- Utiliser une croissance localisée par faisceau d’électrons (EBD pour « Electron Beam Deposition » en anglais). Le principe est d’utiliser une molécule comme précurseur carboné, cette molécule sera dissociée sous le faisceau et un dépôt de petites dimensions se formera. Ce dépôt peut être optimisé pour en faire une pointe ;
- la gravure localisée par faisceau d’ions focalisés (FIB).
[0124] Dans les deux cas il s’agit d’opérations coûteuses en temps de machine. De plus les sondes sont réalisées pointe par pointe. Cela entraine un prix final supérieur au modèle identique de levier sans pointe à haut rapport d’aspect.
[0125] Un troisième problème est donc d’utiliser un technique de fabrication collective, (dite « batch process » en anglais) sur substrat permettant d’obtenir un grand rapport d’aspect sur toutes les sondes durant le procédé de fabrication.
[0126] Les figures 11 , 12 et 13 illustrent de manière plus détaillée certaines étapes du procédé de fabrication de l’art antérieur présenté à la figure 4.
[0127] Ainsi, la figure 11 est un zoom de l’étape 1 du procédé de la figure 4.
[0128] La préforme est ici une pièce en silicium dont les flancs sont verticaux. Elle est constituée de deux portions. La portion PF s’étend t principalement selon l’axe Y en formant ici un angle non nul 0 avec cet axe. L’axe Y correspond à la direction cristalline [110]. La portion C s’étend principalement selon l’axe X en formant ici un angle non nul T avec cet axe. L’axe X correspond ainsi à la normale à la direction cristalline [1 10]. Ces deux angles sont définis par le concepteur de la sonde. Comme expliqué précédemment, 0 impacte directement le rapport d’aspect du tétraèdre de la zone PT, tandis qu’en fixant T, le concepteur peut choisir l’angle formé entre la pointe et le levier. Cet angle peut, par exemple, servir à compenser l’angle cp pour présenter une pointe verticale par rapport à l’échantillon. Selon les applications visées, cet angle peut varier entre -90 et+ 180°.
[0129] On définit un second repère ayant pour origine OR, le point d’inflexion entre les deux portions de préforme. Les axes X1 et X2 sont notés tel que X1 = -X et Y1 = - Y. Le procédé démarre sur substrat SOI avec une couche active DL d’épaisseur E gravée jusqu’à atteindre l’oxyde BOX. La vue de dessus présente le futur levier C associé à la portion PF de largeur WPF et de longueur LPF. Étant réalisé par gravure selon Z, la largeur Wc du levier est donnée par l’épaisseur E de la couche DL tandis que son épaisseur te est ajustable lors de la conception.
[0130] On notera que l’épaisseur E de la couche active DL est comprise entre 0,1 pm et 100 pm.
[0131 ] Préférentiellement, l’épaisseur E de la couche active DL est comprise entre 2 pm et 40 pm.
[0132] La figure 12 est un zoom de l’étape 3 du procédé de la figure 4.
[0133] Après oxydation du substrat, une gaine d’oxyde de silicium encapsule tout le silicium de la couche DL. Par technique de photolithographie, on définit un masque en résine qui va protéger toute la surface sauf la fenêtre FO. Par gravure, ce masque permet de retirer la couche supérieure reposant sur le haut de la DL tout en conservant des murs d’oxyde MO.
[0134] Sur la figure 12 la couche d’oxyde n’est pas représentée sur la zone en dehors de la FO mais elle est bien présente. Il est possible de voir cette couche sur la coupe AA’. On la note SO. On note OR l’origine du repère permettant de mesurer la position de FO. OR correspond au point d’intersection du levier C et de la préforme PF. MOdx et MOdy mesure le décalage de la fenêtre à l’origine OR suivant le repère X1 /Y1 . Sur la figure 12 MOdx et MOdy sont négatifs.
[0135] La figure 13 est un zoom de l’étape 4 du procédé de la figure 4. [0136] L’oxyde de silicium sert ensuite de masque pour une étape de gravure chimique (TMAH) qui a la particularité de graver de manière anisotrope les différents plans cristallins du silicium. L’intersection du plan (1 1 1 ), de la face verticale droite de la préforme et de la face inférieure (en contact avec la couché de SiO2 (BOX), permet de former un tétraèdre.
[0137] La figure 14 est un zoom de l’étape 3 du procédé de la figure 4 avec des dimensions de la préforme selon une première variante de réalisation du procédé selon l’invention.
[0138] Dans cette première variante, la première partie PF de la préforme a une première largeur WPF et la seconde partie C de la préforme a une seconde largeur t. Dans cette première variante, nous avons la relation suivante entre les largeurs : WPF <E/A/2.
[0139] La figure 15 est un zoom de l’étape 4 du procédé de la figure 4 avec des dimensions de la préforme selon la première variante de réalisation du procédé selon l’invention.
[0140] Ce procédé consiste à utiliser le mur d’oxyde MO de manière à bloquer la gravure sur la plan cristallin (1 1 1 ) tel qu’il est représenté sur la coupe AA’ de la figure 15. On obtient alors une petite portion tétraédrique uniquement au bout de la pointe. Le tétraèdre est tronqué et la masse de la pointe est réduite.
[0141 ] On notera que pour la préforme des figures 14 et 15, la valeur de MOdy est supérieure à t. Pour rappel, t correspond à l’épaisseur du levier comme cela est illustré à la figure 2.
[0142] En variante, l’équation WPF <E/A/2 est également valable pour des valeurs de MOdy inférieure ou égale à t.
[0143] La figure 16 illustre une sonde selon une première variante de réalisation obtenue à partir des étapes du procédé de fabrication des figures 14 et 15.
[0144] Comme il a déjà été décrit, la sonde comprend un levier C et une pointe. Cette pointe comprend la première partie PT et la seconde partie ZI. Cette seconde partie ZI est disposée entre la première partie PT et le levier C.
[0145] La première partie PT de la pointe a une forme tétraédrique. Elle présente une section triangulaire dont la hauteur est continûment variable. [0146] La seconde partie ZI de la pointe a une section non triangulaire.
[0147] A l’interface entre la première partie PT et la seconde partie ZI, la hauteur de la section triangulaire est inférieure à la largeur Wc du levier C.
[0148] La sonde de la figure 16 est réalisée à l’aide des paramètres suivants de fabrication :
- MOdy>t ;
- WPF <E/A/2 ;
- MOdx<0.
[0149] La figure 17 illustre une sonde selon une seconde variante de réalisation obtenue à partir des étapes du procédé de fabrication des figures 14 et 15.
[0150] Comme il a déjà été décrit, la sonde comprend un levier C et une pointe. Cette pointe comprend la première partie PT et la seconde partie ZI. Cette seconde partie ZI est disposée entre la première partie PT et le levier C.
[0151] La première partie PT de la pointe a une forme tétraédrique. Elle présente une section triangulaire dont la hauteur est continûment variable.
[0152] La seconde partie ZI de la pointe a une section non triangulaire.
[0153] A l’interface entre la première partie PT et la seconde partie ZI, la hauteur de la section triangulaire est inférieure à la largeur Wc du levier C.
[0154] La sonde de la figure 17 est réalisée à l’aide des paramètres suivants de fabrication :
- MOdy>t ;
- WPF <E/A/2 ;
- MOdx=0.
[0155] La figure 18 est un zoom de l’étape 3 du procédé de la figure 4 avec des dimensions de la préforme identiques à celle de la figure 14 et avec une règle de fabrication particulière. Cette règle consiste à décaler la fenêtre FO suivant l’axe X de sorte à obtenir MOdx > 0.
[0156] Ainsi, la fenêtre FO ouvre ici sur l’ensemble de la première partie PF de la préforme. [0157] Dans le mode de réalisation spécifique de la figure 18, la fenêtre FO ouvre également partiellement sur la seconde partie de la préforme. Dit autrement, la fenêtre FO est décalée d’une longueur MOdx vers la seconde partie de la préforme. Cette fenêtre FO contient alors le point OR. Ce point OR correspond à un point d’inflexion entre la première partie PF de la préforme et la seconde partie de ladite préforme.
[0158] Ainsi la gravure des plans cristallins démarre sur une zone de cette seconde partie. La longueur nécessaire pour faire apparaitre la pointe de la sonde est ainsi réduite.
[0159] En outre, en fonction du décalage MOdx, la longueur de la pointe peut être modulée.
[0160] On notera que, en variante, la règle consistant à décaler la fenêtre FO suivant l’axe X de sorte à obtenir MOdx > 0, est associée à une largeur WPFde la première partie de la préforme supérieure ou égale à E/A/2.
[0161 ] Dans le mode de réalisation de la figure 18, la valeur MOdy est supérieure à t.
[0162] En variante, cette valeur MOdy est inférieure ou égale à t.
[0163] On notera enfin que la gravure sur la zone de la seconde partie de la préforme ouverte par la fenêtre FO pourrait créer un profil asymétrique sur le levier et dégrader en conséquence la fréquence de ce levier. Dans un tel cas, il suffira de modifier légèrement la longueur du levier pour atteindre une valeur de fréquence cible.
[0164] La figure 19 est un zoom de l’étape 4 du procédé de la figure 4 avec des dimensions de la préforme identiques à la figure 18. La zone gravée par le TMAH (zone grisée) s’étend partiellement sur la seconde partie de la préforme. La masse totale de la pointe est réduite et les polyèdres formant ladite pointe sont d’épaisseurs inférieures à E.
[0165] La figure 20, la figure 21 , la figure 30 et la figure 31 illustrent une sonde selon une troisième variante de réalisation obtenue à partir des étapes du procédé de fabrication des figures 18 et 19.
[0166] Comme il a déjà été décrit, la sonde comprend un levier C et une pointe. [0167] Le levier C comporte une portion principale Cy destinée à être reliée à un support (non représentée ici) et une portion Cx de réduction en largeur prolongeant ladite portion principale Cy.
[0168] La portion principale Cy présente une largeur Wc. La portion de réduction Cx présente une largeur diminuant de manière continue entre la largeur Wc et la largeur d’une zone d’interface entre la portion de réduction Cx et la pointe.
[0169] La pointe comprend la première partie PT et la seconde partie ZI. Cette seconde partie ZI est disposée entre la première partie PT et le levier C.
[0170] La première partie PT de la pointe a une forme tétraédrique. Elle présente une section triangulaire dont la hauteur est continûment variable.
[0171] La seconde partie ZI de la pointe a une section non triangulaire.
[0172] Comme il est plus particulièrement visible à la figure 22, à l’interface entre la première partie PT et la seconde partie ZI, ladite première partie PT présente une certaine hauteur HPT dans la section triangulaire SPT. Cette hauteur HPT est, ici, inférieure à la largeur Wc de la partie principale Cy du levier C.
[0173] La sonde de la figure 20 est réalisée à l’aide des paramètres suivants de fabrication :
- MOdy>t ;
- WPF <E/A/2 ;
- MOdx>0.
[0174] Les figures 23 et 24 illustrent une sonde selon une quatrième variante de réalisation obtenues à partir des étapes du procédé de fabrication des figures 18 et 10.
[0175] Comme il a déjà été décrit, la sonde comprend un levier C et une pointe.
[0176] Le levier C comporte une portion principale Cy destinée à être reliée à un support (non représentée ici) et une portion Cx de réduction en largeur prolongeant ladite portion principale Cy.
[0177] La portion principale Cy présente une largeur Wc. La portion de réduction Cx présente une largeur diminuant de manière continue entre la largeur Wc et la largeur d’une zone d’interface entre la portion de réduction Cx et la pointe. De plus, la portion de réduction Cx comporte une premier plan incliné P1 cx s’étendant à partir de la portion principale Cy et un second plan incliné P2cx s’étendant à partir du premier plan incliné P1 ex jusqu’à la sonde. L’inclinaison du premier plan incliné P1 cx est ici différente de l’inclinaison du second plan incliné P2CX.
[0178] La pointe comprend la première partie PT et la seconde partie ZI. Cette seconde partie ZI est disposée entre la première partie PT et le levier C.
[0179] La première partie PT de la pointe a une forme tétraédrique. Elle présente une section triangulaire dont la hauteur est continûment variable. Dans un mode de réalisation particulier, la première partie PT comprend un plan incliné PPT. Ce plan incliné PPT a une même inclinaison que le premier plan incliné P1 ex de la portion de réduction Cx-
[0180] La seconde partie ZI de la pointe a une section non triangulaire. Cette seconde partie comprend ici une première portion Zh et s’étendant à partir du levier C et une seconde portion Zl2 disposée entre la première portion Zh et la première partie PT de la pointe. La première portion Zh comprend un plan incliné Pzn , ce plan s’étendant entre le levier C et la seconde portion Zl2. On notera également que le plan incliné PZn de la première portion Zh de la seconde partie ZI de la pointe a une même inclinaison que le second plan incliné P2cx de la portion de réduction Cx.
[0181 ] Comme il est plus particulièrement visible à la figure 24, à l’interface entre la première partie PT et la seconde partie ZI, ladite première partie PT présente une certaine hauteur HPT dans la section triangulaire SPT. Cette hauteur HPT est, ici, inférieure à la largeur Wc de la partie principale Cy du levier C.
[0182] La sonde des figures 23 et 24 est réalisée à l’aide des paramètres suivants de fabrication :
- MOdy>t ;
- WPF <W/A/2 ;
- MOdx>0.
[0183] Les figures 25, 26 et 27 illustrent respectivement un cinquième mode de réalisation, un sixième mode de réalisation et un septième mode de réalisation de l’invention.
[0184] Comme il a déjà été décrit, la sonde comprend un levier C et une pointe. [0185] Le levier C comporte une portion principale Cy destinée à être reliée à un support (non représentée ici) et une portion Cx de réduction en largeur prolongeant ladite portion principale Cy.
[0186] La portion principale Cy présente une largeur Wc. La portion de réduction Cx présente une largeur diminuant de manière continue entre la largeur Wc et la largeur d’une zone d’interface entre la portion de réduction Cx et la pointe.
[0187] La pointe comprend la première partie PT et la seconde partie ZI. Cette seconde partie ZI est disposée entre la première partie PT et le levier C.
[0188] La première partie PT de la pointe a une forme tétraédrique. Elle présente une section triangulaire dont la hauteur est continûment variable.
[0189] La seconde partie ZI de la pointe a une section non triangulaire.
[0190] A l’interface entre la première partie PT et la seconde partie ZI, ladite première partie PT présente une certaine hauteur dans la section triangulaire. Cette hauteur est, ici, inférieure à la largeur Wc de la partie principale Cy du levier C.
[0191] Dans ces modes de réalisation, la zone référencée ZI est constituée d’une portion de forme arbitraire, ici un parallélogramme rectangle.
[0192] Les figures 26, 27 et 28 montrent plus particulièrement une partie tétraédrique avec un plan suivi d’une zone trapézoïdale ZI. Le rapport d’aspect vu de face est constant et égal à HP/B. Puis ce rapport diminue, si on le mesure de plus en plus vers le levier. Il est ainsi égal à HT/B si on considère toute la zone sous le levier C, c’est-à-dire la partie référencée ZI associée à la partie référencée PT.
[0193] La figure 29 illustre un procédé de fabrication pour la réalisation des modes de réalisation des figures 25, 26, 27 et 28. Ce procédé comprend une étape supplémentaire 3b dans laquelle on vient graver partiellement et localement la portion PF.
[0194] On notera également que dans les modes de réalisation des figures 16, 17, 20, 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27, chaque pointe comporte la première partie PT et la seconde partie ZI. Comme il a déjà été précisé, cette seconde partie ZI est disposée entre la première partie PT et le levier C.
[0195] Dans ces modes de réalisation, la première partie PT a une forme tétraédrique présentant une section triangulaire dont la hauteur est continûment variable. La seconde partie ZI a une section non triangulaire. A l’interface entre la première partie PT et la seconde partie ZI, la hauteur de la section triangulaire de la première partie PT est inférieure à la largeur Wc du levier C.
[0196] L’invention a été présentée ici dans le cadre de l’utilisation d’une pointe en silicium pour une sonde d’un microscope à force atomique.
[0197] La pointe en silicium peut être utilisée dans tout dispositif destiné à évaluer la topographie d’une surface.
[0198] En variante, la pointe en silicium peut être intégrée dans tout dispositif comportant des micro-électrodes.
[0199] En variante, la pointe en silicium peut servir de micro-anode ou de microcathode dans un dispositif d’émission par effet de champ.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Pointe en silicium apte à être disposée à une extrémité d’un levier (C) caractérisée en ce que ladite pointe comporte une première partie (PT) et une seconde partie (ZI) disposée entre ladite première partie (PT) et le levier (C), ladite première partie (PT) ayant une forme tétraédrique présentant une section triangulaire dont une hauteur est continûment variable, ladite seconde partie (ZI) ayant une section (SZi) non triangulaire et en ce que, à l’interface entre la première partie (PT) et la seconde partie (ZI) de la pointe (P), la hauteur (HPT) de la section (SPT) triangulaire de la première partie (PT) selon une direction parallèle à une direction d’une largeur (Wc) du levier (C) est inférieure à la largeur (Wc) du levier (C).
2. Pointe en silicium selon la revendication 1 , dans laquelle la seconde partie (ZI) comprend une première portion (Zh) s’étendant à partir du levier (C) et une seconde portion (Zl2) disposée entre la première portion (Zh) et la première partie (PT).
3. Pointe en silicium selon la revendication 2, dans laquelle la première portion (Zl-i) comprend un plan incliné (Pzn), ledit plan incliné s’étendant entre le levier (C) et la seconde portion (Zl2).
4. Sonde comportant :
- un support ;
- un levier (C) s’étendant à partir du support ;
- une pointe en silicium selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ladite pointe en silicium étant disposée à une extrémité du levier (C), à l’opposé du support.
5. Sonde selon la revendication 4, dans laquelle le levier (C) comporte une portion principale (Cy) reliée au support et une portion (Cx) de réduction en largeur prolongeant la portion principale (Cy).
6. Sonde selon la revendication 4, dans laquelle la portion de réduction (Cx) comporte un premier plan incliné (P1 cx) s’étendant à partir de la portion principale (Cy) et un second plan incliné (P2cx) s’étendant à partir du premier plan incliné (P1 cx) jusqu’à la sonde (ZI, PT), l’inclinaison du premier plan incliné (P1 cx) étant différente de l’inclinaison du second plan incliné (P2Cx).
7. Sonde selon la revendication 4, dans laquelle le second plan incliné (P2cx) a une même inclinaison que le plan incliné (Pzn) de la première portion (Zh) de la seconde partie (ZI) de la pointe.
8. Sonde selon l’une des revendications 6 ou 7, dans laquelle la première partie (PT) de la pointe comprend un plan incliné (PPT), ledit plan incliné (PPT) ayant une même inclinaison que le premier plan incliné (P1 Cx) de la portion de réduction (Cx).
9. Microscope à sonde locale comportant une sonde selon l’une quelconque des revendications 4 à 8.
10. Procédé de fabrication d’une pointe en silicium dans un substrat SOI, ledit substrat comportant une couche inférieure (HL) de silicium d’épaisseur comprise entre 150 pm et 700 pm, une couche d’oxyde (BOX) SiO2 reposant sur la couche inférieure (HL), ladite couche d’oxyde (BOX) ayant une épaisseur comprise entre 0,2 pm et 2 pm, une couche supérieure (DL) de silicium d’épaisseur E et reposant sur la couche d’oxyde (BOX), ledit procédé de fabrication comprenant :
- une étape de gravure (E1 ) d’une préforme à travers la couche supérieure (DL) de silicium jusqu’à la couche d’oxyde (BOX), ladite préforme ayant une première partie (PF), s’étendant selon une première direction, destinée à former ladite pointe et une seconde partie, reliée à ladite première partie, s’étendant selon une seconde direction destinée à former un levier (C) pour une liaison de la pointe avec un support ;
- une étape (E2) d’encapsulation de la préforme dans une gaine d’oxyde par oxydation thermique et/ou dépôt d’oxyde ;
- une étape (E3) d’ouverture dans la gaine d’oxyde à l’aide d’un masque comportant une fenêtre (FO) rectangulaire ouvrant sur une zone de la préforme de sorte à mettre à jour une surface supérieure de la couche supérieure (DL) de silicium du substrat SOI sans retirer de l’oxyde sur des parties verticales de ladite préforme ;
- une étape (E4) de gravure chimique de la couche supérieure (DL) de silicium à travers ladite fenêtre (FO) rectangulaire, ladite couche supérieure (DL) étant gravée avec une pente ;
- une étape (E5) de gravure de l’oxyde autour de la préforme, ledit procédé de fabrication étant caractérisé en ce que la première partie (PF) de la préforme a une première largeur WPF, ladite première largeur WPF étant inférieure à E/A/2 et/ou ledit procédé de fabrication étant caractérisé en ce que la fenêtre rectangulaire (FO) du masque ouvre sur l’ensemble de la première partie (PF) de ladite préforme et ouvre partiellement sur la seconde partie de ladite préforme.
11 . Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel l’étape (E3) d’ouverture comprend une étape supplémentaire (E3b) dans laquelle on vient graver partiellement et localement tout ou partie de la première partie (PF) de la préforme.
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