WO2010106248A1 - Procédé de lithographie électronique a imagerie de cathodoluminescence - Google Patents

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electron beam
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Fabrice Donatini
Dang Le Si
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3174—Particle-beam lithography, e.g. electron beam lithography
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • the invention relates to an electronic lithography method for producing devices (making electrical contacts, making photonic crystals, etc.) around objects of micrometric or nanometric dimensions, whether on the surface of a substrate ( nanowires, nanotubes, nanoparticles ...), buried within a few micrometers (quantum boxes ...), or embedded in objects (quantum well or quantum dot in a nanowire for example).
  • Nano-objects or nanostructures such as nanowires, nanotubes, nanoparticles or quantum dots are the subject of intense research activity both fundamental and applied. Indeed, these elements are considered as being the basic elements of new electronic or optoelectronic components to exceed the performance of traditional components made from macroscopic crystals of semiconductor materials.
  • Nano-objects or “objects of nanometric dimensions” are understood to mean objects having at least one dimension - and preferably at least two dimensions - smaller than one micrometer.
  • a nanowire or a nanotube may have a diameter of a few tens or hundreds of nanometers and a length of several micrometers.
  • object of micrometric dimensions means an object having at least one dimension - and preferably at least two dimensions - less than one millimeter.
  • Quantum boxes which are usually buried, are made by techniques that do not allow to know their spatial distribution.
  • the manufacture of electrical contacts by electronic lithography on a nanowire is difficult, because the lithographic pattern must be aligned very precisely on said nanowire.
  • the latter is not visible just before the lithography operation itself, because it is covered with a thick layer of electron-sensitive resin. Under these conditions, the observation of the nanowire by conventional electron microscopy is not possible without insolating the resin, while the usual optical microscopy techniques have insufficient resolution.
  • the procedure is as follows. Registration pins are deposited on the substrate before spreading the resin, and an electron microscopy image is acquired so as to precisely determine the position of the nanowire relative to said pads. After spreading a layer of resin, the pads remain observable by electron microscopy because of their thickness and / or their chemical contrast. It is therefore possible to acquire a second image of said pads at a very low dose, without causing insolation. Then, the two images (without resin and with resin) are realigned, which makes it possible to control the beam of electrons "in blind".
  • the invention aims to solve the aforementioned drawbacks of the prior art.
  • the basic idea of the invention is to observe the object by cathodoluminescence after deposition of the resin, just before the lithography step itself.
  • the electronic beam of insolation can thus be driven directly on the basis of a digital image of the object, without the need for tracking pads.
  • Cathodoluminescence is a well-known physical effect that consists of the emission of infrared, visible or ultraviolet light by a sample irradiated by an electron beam.
  • the inventors have realized that a cathodoluminescence image having a sufficient resolution can be obtained by using a low electronic dose, insufficient to insolate the resin, which is not possible in conventional electron microscopy. To do this, it is sufficient to choose a substrate having, at least in a spectral range of observation, a cathodoluminescence substantially lower or stronger than that of the object, and a sufficiently transparent resin in said spectral range. However, experience shows that this condition is most often satisfied, especially since it is possible to freely choose the spectral range of observation. The inventors have also realized that it is advantageous to operate at low temperature, for example between 250 K (cooling with liquid nitrogen) and 3 K (cooling with liquid helium).
  • An object of the invention is therefore an electronic lithography method for producing devices from objects of micrometric or nanometric dimensions deposited or integrated on a substrate, comprising: a) the deposition of a layer of resin above a surface of said substrate; b) exposing the resin by scanning an electron beam to selectively release predefined regions of the resin; c) developing the insolated resin to selectively release predefined regions from said surface; and d) the manufacture of the device by etching and / or deposition of material through the resin mask thus obtained; characterized in that it also comprises, after deposition of the resin but prior to its insolation, the acquisition of an image of said object obtained by scanning the surface of the substrate by an electron beam at a dose insufficient to insoluate the resin, and by detecting the cathodoluminescence thus induced; said image being used for controlling the electron beam during said insolation step.
  • Said image acquisition and insolation steps can be performed by cooling the substrate to a temperature of between 3K and 250K.
  • Said step of acquiring an image can be performed in a limited spectral range by means of a monochromator.
  • the substrate may be chosen to have, in an observation spectral region, a cathodoluminescence emissivity that is at least an order of magnitude less than that of said object.
  • the substrate may be chosen so as to have, in a spectral region of observation, a cathodoluminescence emissivity greater than at least an order of magnitude to that of said object, so as to allow the observation of a projected shadow by the latter.
  • Said resin may have a transmission greater than 50%, and preferably greater than or equal to 70%, in an observation spectral region of between 115 and 1700 nm.
  • FIG. 1 a simplified diagram of an apparatus for electronic lithography adapted for the implementation of the invention
  • FIG. 2 an image obtained by detecting secondary electrons of a ZnO nanowire deposited on an Si / SiO 2 substrate before deposition of the lithography resin
  • FIG. 3 a secondary electron image of the same nanowire obtained after spreading the resin, at the maximum allowed observation dose
  • FIG. 4 a panchromatic cathodoluminescence image of the same nanowire, produced with the same electronic dose as in the case of FIG. 3 but at a temperature of 5 K;
  • FIGS. 5 and 6 two secondary electron images of the same nanowire, showing the electrical contacts produced by electronic lithography using the method of the invention.
  • the cathodoluminescence imaging electronic lithography device of FIG. 1 essentially comprises: an electron beam emitting electron gun 11 that can be used both to acquire an image or to irradiate an electronic lithography resin; a parabolic mirror 20, having an orifice 21 for the passage of the beam 11 and for collecting and collimating the light emitted by photoluminescence by a sample 50; a monochromator 30 provided with light detectors 31 and 32, receiving the light collected by the mirror 20; a cold plate 40 on which the sample 50 is placed, constituted by a substrate 52 and a nanowire 55 deposited on said substrate; and a computer 60 connected to the monochromator 30 for acquiring a cathodoluminescence image by scanning the sample 50 and for controlling the beam 11 emitted by the electronic gun 10.
  • the assembly is kept under vacuum.
  • the electronic cannon 10 is that of a conventional scanning electron microscope; the whole device is actually made from such a microscope. It may be, for example, a Quanta 200 microscope marketed by the company FEI, whose electron source is a tungsten filament.
  • the electron acceleration voltage can be varied between 200 V and 30 kV and the beam current between 5 pA and 50 nA.
  • the steering of the beam can be achieved by a conventional control device, such as a DigiScan II device from Gatan.
  • the parabolic mirror 20 can be made by machining the diamond tool with an aluminum block.
  • the positioning of the mirror with respect to the sample and the axis of the electron beam is achieved through a system positioning in the xy plane (perpendicular to the direction of the beam 11, indicated by z); the adjustment in the z direction is done by vertical displacement of the plate 40.
  • the mirror is positioned, to within a few micrometers, so that its focus is located on the surface of the sample, in correspondence of the point through which the l beam axis 11.
  • the opening 21 has a diameter of the order of 2 mm.
  • the light collected by the mirror is focused on the entrance slot of the monochromator by a plano-convex lens.
  • the monochromator 30 may be for example a HR460 Jobin Yvon 2 networks, 600 and 1800 lines / mm respectively, blazed in the near UV.
  • the associated detectors are a photomultiplier and a CCD matrix of 256 x 1024 pixels cooled to 140 K by liquid nitrogen.
  • the photomultiplier is used for panchromatic or monochromatic cathodoluminescence imaging in a spectral range between 200 and 900 nm, but also for obtaining spectra by rotation of the network; the CCD matrix allows rapid acquisition of spectra and spectrum profiles.
  • the cold platinum is a liquid helium-cooled Gatan CF302 turntable for setting the sample temperature between 5 and 300 K.
  • the sample 50 consists of a substrate 52 made of Si coated with a layer of 500 nm of SiO 2 , on which is deposited a nanowire 55 made of ZnO having a diameter of the order of 100 nm and a length of 5 ⁇ m. .
  • FIG. 2 shows an image of this sample, acquired by observation of secondary electrons with a dose of 1 ⁇ C / cm 2 of accelerated electrons at 30 kV, at a temperature of 300 K (ambient).
  • Figure 3 shows an image taken under the same conditions, but after depositing a layer of lithographic resin
  • FIG. 4 shows a panchromatic image of cathodoluminescence (in negative) of the nanowire 55 under the resin, the sample having been cooled to 5K.
  • the spectral range of the image is 200 - 900 nm; the transmission of PMMA in this range is greater than 70%.
  • This image was also acquired with an electronic dose of 1 ⁇ C / cm 2 , but this time the nanowire is perfectly visible.
  • the insolation dose of the resin went from 250 ⁇ C / cm 2 (at 300 K) to 550 ⁇ C / cm 2 : the safety margin on the dose thus more than doubled.
  • the pattern may consist in making four contacts along the wire and pads for external connection under points connected to said contacts.
  • the resin is then developed with a standard mixture MIBMPA (methyl isobutyl ketone / isopropyl alcohol), and a metallization bilayer (140 nm Ti - 40 nm Au) is deposited by evaporation. Then, the metal deposited on the uninsulated resin is removed (so-called "lift-off” stage) with acetone or N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
  • Figures 5 and 6 show two images, at two magnifications and different angles, electrical connections thus obtained.
  • the cathodoluminescence of the nanowire over the entire spectral range considered was much more intense than that of the substrate, which made it possible to produce panchromatic images.
  • a significant difference in emissivity will be observed only in a range determined spectral: it will therefore be necessary to make a narrow-band image using the monochromator 30 (the cathodoluminescence spectra of the nano-object and the substrate can be acquired before spreading the resin).
  • the cathodoluminescence of the nanowire will be lower than that of the substrate: in this case we can acquire an image of the shadow projected by said nano-object.
  • the method can be easily generalized to other objects, other substrates and also other resins of electronic lithography.
  • the application of the method is not limited to the production of electrical contacts.
  • many other applications are possible, such as the production of photonic crystals by deposition of dielectric materials through the openings made in the resin, the deposition of micro-turns to apply magnetic fields to quantum boxes, etc.

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Abstract

Procédé de lithographie électronique pour la réalisation de dispositifs incluant des objets de dimensions micrométriques ou nanométriques déposés ou intégrés sur un substrat, comportant : a) le dépôt d'une couche de résine au-dessus d'une surface dudit substrat; b) l'insolation de la résine par balayage d'un faisceau d'électrons pour libérer sélectivement des régions prédéfinies de la résine; c) le développement de la résine insolée pour libérer sélectivement des régions prédéfinies de ladite surface; et d) la fabrication du dispositif par gravure et/ou dépôt de matière à travers le masque de résine ainsi obtenu; caractérisé en ce qu'il comporte également, après dépôt de la résine mais préalablement à son insolation, l'acquisition d'une image dudit objet obtenue par balayage de la surface du substrat par un faisceau d'électrons à une dose insuffisante pour insoler la résine, et par détection de la cathodoluminescence ainsi induite; ladite image étant utilisée pour le pilotage du faisceau d'électrons lors de ladite étape d'insolation.

Description

PROCEDE DE LITHOGRAPHIE ELECTRONIQUE A IMAGERIE DE CATHODOLUMINESCENCE
L'invention porte sur un procédé de lithographie électronique pour la réalisation de dispositifs (prise de contacts électriques, fabrication de cristaux photoniques...) autours d'objets de dimensions micrométriques ou nanométriques qu'ils soient sur la surface d'un substrat (nanofils, nanotubes, nanoparticules...), enterrés à moins de quelques micromètres (boîtes quantiques...), ou intégrées dans des objets (puit quantique ou boîte quantique dans un nanofil par exemple). Les nano-objets ou nanostructures tels que les nanofils, les nanotubes, les nanoparticules ou les boîtes quantiques font l'objet d'une intense activité de recherche aussi bien fondamentale qu'appliquée. En effet, ces éléments sont pressentis comme pouvant constituer les éléments de base de nouveaux composants électroniques ou optoélectroniques permettant de dépasser les performances des composants traditionnels réalisés à partir de cristaux macroscopiques de matériaux semi-conducteurs.
On entend ici pour « nano-objets » ou « objets de dimensions nanométriques » des objets présentant au moins une dimension - et de préférence au moins deux dimensions - inférieure au micromètre. Par exemple, un nanofil ou un nanotube peut présenter un diamètre de quelques dizaines ou centaines de nanomètres et une longueur de plusieurs micromètres. De même, par « objet de dimensions micrométrique » on entend un objet présentant au moins une dimension - et de préférence au moins deux dimensions - inférieure au millimètre. Pour pouvoir caractériser et/ou exploiter les propriétés physiques diverses de ces objets, il est généralement nécessaire de réaliser des dispositifs plus ou moins complexes sur et/ou autour desdits objets (pistes électriques planaires réalisées sur un nanofil posé sur un substrat isolant, cristal photonique ou nano-spire centré e sur une boîte quantique enterrée, etc.). Pour lesdits objets, dont la taille et la position ne sont pas connues de façon déterministe, cette opération est complexe. En effet, les nanofils, les nanotubes ou les nanoparticules sont le plus souvent fabriqués en grand nombre avec une certaine dispersion en taille à partir de substrats incompatibles avec leur caractérisation ou utilisation, voire même en milieu liquide. Il est donc nécessaire de les déposer sur un substrat différent, par exemple en silicium avec éventuellement une couche de Siθ2. Les boîtes quantiques, qui sont généralement enterrées, sont réalisées par des techniques qui ne permettent pas de connaître leur répartition spatiale. Par exemple, la fabrication de contacts électriques par lithographie électronique sur un nanofil est difficile, car le motif de lithographie doit être aligné très précisément sur ledit nanofil. Or, ce dernier n'est pas visible juste avant l'opération de lithographie proprement dite, car il est recouvert d'une épaisse couche de résine sensible aux électrons. Dans ces conditions, l'observation du nanofil par microscopie électronique conventionnelle n'est pas possible sans insoler la résine, tandis que les techniques usuelles de microscopie optique présentent une résolution insuffisante.
Conventionnellement on procède donc de la manière suivante. Des plots de repérage sont déposés sur le substrat avant l'étalement de la résine, et une image en microscopie électronique est acquise de manière à déterminer précisément la position du nanofil par rapport auxdits plots. Après étalement d'une couche de résine, les plots restent observables en microscopie électronique du fait de leur épaisseur et/ou de leur contraste chimique. Il est donc possible d'acquérir une deuxième image desdits plots à très faible dose, sans provoquer d'insolation. Ensuite, les deux images (sans résine et avec résine) sont réalignées, ce qui permet de piloter le faisceau d'électrons « en aveugle ».
Des procédés de réalisation de contacts électriques sur nano- objets basés sur le principe exposé ci-dessus sont décrits par les articles suivants : E. Stern et al. « Methods for fabricating Ohmic contacts to nanowires and nanotubes », J. Vac. Sci. Technol. B 24(1), 2006, pp. 231 - 236 ;
Th. Weimann et al. « Electrical and structural characterisation of single ZnO nanorods », Microelectronic Engineering 85 (2008), pp. 1248 - 1252 ;
R. M. Langford et al. « Comparison of différent methods to contact to nanowires », J. Vac. Sci. Technol. B 24(5), 2006, pp. 2306 - 2311 ; et - Y. F. Hsiou et al. « On the Ohmic Contact between
Multiwalled Carbon Nanotubes and Nano-electrodes », Chinese Journal of Physics, Vol. 43, No. 1-11, pp. 293 - 298 (2005).
Ces procédés présentent l'inconvénient d'être complexes et coûteux, nécessitant des étapes technologiques supplémentaires pour le dépôt des plots de repérage. En outre, la précision de l'alignement est affectée défavorablement par son caractère indirect.
Des problèmes semblables se posent également dans le cas où l'objet à contacter n'est pas déposé sur le substrat, mais intégré dans ce dernier (ce qui est le cas des boîtes quantiques qui sont généralement enterrées à quelques centaines de nanomètres sous la surface) ou lorsque deux contacts doivent être pris le plus près possible d'un puit quantique ou d'une boîte quantique présente dans un nanofil mais dont la position n'est pas connue précisément.
L'invention vise à résoudre les inconvénients précités de l'art antérieur.
L'idée à la base de l'invention consiste à observer l'objet par cathodoluminescence après le dépôt de la résine, juste avant l'étape de lithographie proprement dite. Le faisceau électronique d'insolation peut ainsi être piloté directement sur la base d'une image numérique de l'objet, sans besoin de plots de repérage. La cathodoluminescence est un effet physique bien connu qui consiste en l'émission de lumière infrarouge, visible ou ultra-violette par un échantillon irradié par un faisceau d'électrons.
Il est connu d'exploiter cet effet pour obtenir des images optiques à haute résolution. Pour ce faire, un échantillon cathodoluminescent est placé dans un microscope électronique, et balayé par un faisceau d'électrons. La lumière émise par cathodoluminescence est captée par un système optique prévu à cet effet, et utilisée pour former une image point par point dudit échantillon. La résolution spatiale de ladite image dépend seulement du diamètre du faisceau électronique et du pas de balayage, et n'est pas limitée par la longueur d'onde de la lumière : elle peut donc atteindre les 10 nm. Cette technique est décrite, par exemple, dans la note technique « High Spatial Resolution Cathodoluminescence », Simon A. Galloway, 2002, accessible sur le site Internet de la société Gatan (http://www.gatan.com/files/PDF/products/High_Spatial_note.pdf).
Voir également l'ouvrage « Microscopie électronique à balayage et Microanalyses », Publication du Groupement National de Microscopie Electronique à Balayage et de MicroAnalyses, éditée par François Brisset, EDP Sciences 2008, ISBN 978-2-7598-0082-7, et en particulier son chapitre XXX, « Une introduction à la cathodoluminescence des semi-conducteurs » par l'un des inventeurs (F. Donatini).
Les inventeurs se sont rendu compte du fait qu'une image de cathodoluminescence présentant une résolution suffisante peut être obtenue en utilisant une faible dose électronique, insuffisante pour insoler la résine, ce qui n'est pas possible en microscopie électronique conventionnelle. Pour ce faire, il suffit de choisir un substrat présentant, au moins dans une plage spectrale d'observation, une cathodoluminescence sensiblement plus faible ou plus forte que celle de l'objet, ainsi qu'une résine suffisamment transparente dans ladite plage spectrale. Or, l'expérience montre que cette condition est le plus souvent satisfaite, d'autant plus qu'il est possible de choisir librement la plage spectrale d'observation. Les inventeurs se sont également rendu compte du fait qu'il est avantageux d'opérer à basse température, par exemple entre 250 K (refroidissement à l'azote liquide) et 3 K (refroidissement à l'hélium liquide). En effet un abaissement de la température augmente la cathodoluminescence - ce qui permet d'augmenter le contraste de l'image à dose électronique égale - et diminue la sensibilité de la résine - ce qui permet d'augmenter la dose, et donc le contraste de l'image, sans provoquer d'insolation.
Un objet de l'invention est donc un procédé de lithographie électronique pour la réalisation de dispositifs à partir d'objets de dimensions micrométriques ou nanométriques déposés ou intégrés sur un substrat, comportant : a) le dépôt d'une couche de résine au-dessus d'une surface dudit substrat ; b) l'insolation de la résine par balayage d'un faisceau d'électrons pour libérer sélectivement des régions prédéfinies de la résine ; c) le développement de la résine insolée pour libérer sélectivement des régions prédéfinies de ladite surface ; et d) la fabrication du dispositif par gravure et/ou dépôt de matière à travers le masque de résine ainsi obtenu ; caractérisé en ce qu'il comporte également, après dépôt de la résine mais préalablement à son insolation, l'acquisition d'une image dudit objet obtenue par balayage de la surface du substrat par un faisceau d'électrons à une dose insuffisante pour insoler la résine, et par détection de la cathodoluminescence ainsi induite ; ladite image étant utilisée pour le pilotage du faisceau d'électrons lors de ladite étape d'insolation.
Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :
Lesdites étapes d'acquisition d'une image et d'insolation peuvent être réalisées en refroidissant le substrat à une température comprise entre 3K et 250K. Ladite étape d'acquisition d'une image peut être réalisée dans une plage spectrale limitée au moyen d'un monochromateur.
Le substrat peut être choisi de manière à présenter, dans une région spectrale d'observation, une émissivité par cathodoluminescence inférieure d'au moins un ordre de grandeur à celle dudit objet.
Alternativement, le substrat peut être choisi de manière à présenter, dans une région spectrale d'observation, une émissivité par cathodoluminescence supérieure d'au moins un ordre de grandeur à celle dudit objet, de manière à permettre l'observation d'une ombre projetée par ce dernier.
Ladite résine peut présenter une transmission supérieure à 50%, et de préférence supérieure ou égale à 70%, dans une région spectrale d'observation comprise entre 115 et 1700 nm.
Aucune structure de repérage destinée au pilotage du faisceau d'électrons lors de ladite étape d'insolation ne doit être réalisée à proximité dudit objet.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - La figure 1 , un schéma simplifie d'un appareil de lithographie électronique adapté pour la mise en œuvre de l'invention ;
La figure 2, une image obtenue par détection d'électrons secondaires d'un nanofil de ZnO déposé sur un substrat de Si/Siθ2 avant déposition de la résine de lithographie ; - La figure 3, une image par électrons secondaires du même nanofil obtenue après étalement de la résine, à la dose d'observation maximale autorisée ;
La figure 4, une image par cathodoluminescence panchromatique du même nanofil, réalisée avec la même dose électronique que dans le cas de la figure 3 mais à une température de 5 K ; Les figures 5 et 6, deux images par électrons secondaires du même nanofil, montrant les contacts électriques réalisés par lithographie électronique grâce à la méthode de l'invention.
Le dispositif de lithographie électronique à imagerie de cathodoluminescence de la figure 1 comporte essentiellement : un canon électronique 10 émettant un faisceau d'électrons 11 pouvant être utilisé aussi bien pour acquérir une image ou pour insoler une résine de lithographie électronique ; un miroir parabolique 20, comportant un orifice 21 pour le passage du faisceau 11 et permettant de collecter et collimater la lumière émise par photoluminescence par un échantillon 50 ; un monochromateur 30 pourvu de détecteurs de lumière 31 et 32, recevant la lumière collectée par le miroir 20 ; une platine froide 40 sur laquelle est posé l'échantillon 50, constitué par un substrat 52 et un nanofil 55 déposé sur ledit substrat ; et un ordinateur 60, relié au monochromateur 30 pour acquérir une image de cathodoluminescence par balayage de l'échantillon 50 et pour piloter le faisceau 11 émis par le canon électronique 10.
D'une manière conventionnelle, l'ensemble est maintenu sous vide.
Le canon électronique 10 est celui d'un microscope électronique à balayage conventionnel ; tout le dispositif est en fait réalisé à partir d'un tel microscope. Il peut s'agir, à titre d'exemple, d'un microscope Quanta 200 commercialisé par la société FEI, dont la source d'électrons est un filament de tungstène. La tension d'accélération des électrons peut être variée entre 200 V et 30 kV et le courant du faisceau entre 5 pA et 50 nA.
Le pilotage du faisceau peut être réalisé par un dispositif de pilotage conventionnel, tel qu'un dispositif DigiScan II de la société Gatan.
Le miroir parabolique 20 peut être réalisé par usinage à l'outil diamant d'un bloc d'aluminium. Le positionnement du miroir par rapport à l'échantillon et à l'axe du faisceau électronique est réalisé grâce à un système de positionnement dans le plan x-y (perpendiculaire à la direction du faisceau 11 , indiquée par z) ; le réglage dans la direction z se fait par déplacement vertical de la platine 40. Le miroir est positionné, à quelques micromètres près, de telle façon que son foyer soit situé sur la surface de l'échantillon, en correspondance du point par lequel passe l'axe du faisceau 11. L'ouverture 21 a un diamètre de l'ordre de 2 mm.
La lumière collectée par le miroir est focalisée sur la fente d'entrée du monochromateur par une lentille plan-convexe.
Le monochromateur 30 peut être par exemple un HR460 Jobin Yvon à 2 réseaux, à 600 et 1800 traits/mm respectivement, blazés dans le proche UV. Les détecteurs associés sont un photomultiplicateur et une matrice CCD de 256 x 1024 pixels refroidie à 140 K par azote liquide. Le photomultiplicateur sert pour l'imagerie de cathodoluminescence panchromatique ou monochromatique dans une plage spectrale comprise entre 200 et 900 nm, mais également pour l'obtention de spectres par rotation du réseau ; la matrice CCD permet l'acquisition rapide de spectres et de profils de spectre.
La platine froide est une platine CF302 de Gatan refroidie à l'hélium liquide permettant de régler la température de l'échantillon entre 5 et 300 K.
Les caractéristiques de ce système ont été décrites en détail, mais uniquement à titre d'exemple non limitatif.
L'échantillon 50 est constitué d'un substrat 52 en Si recouvert d'une couche de 500 nm de SiO2, sur lequel est déposé un nanofil 55 en ZnO ayant un diamètre de l'ordre de 100 nm et une longueur de 5 μm.
La figure 2 montre une image de cet échantillon, acquise par observation d'électrons secondaires avec une dose de 1 μC/cm2 d'électrons accélérés à 30 kV, à une température de 300 K (ambiante).
La figure 3 montre une image prise dans les mêmes conditions, mais après avoir déposé une couche de résine lithographique
(PMMA : polyméthacrylate de méthyle) de 400 nm d'épaisseur au-dessus de l'échantillon. La dose d'observation (1 μC/cm2) est inférieure d'un facteur 250 à celle requise pour l'insolation de la résine à 300K. Dans ces conditions, le nanofil 55 est invisible. C'est pour cette raison que, dans les procédés conventionnels, on prévoit des plots de repérage à proximité du nanofil. La figure 4 montre une image panchromatique de cathodoluminescence (en négatif) du nanofil 55 sous la résine, l'échantillon ayant été refroidi à 5K. La plage spectrale de l'image est 200 - 900 nm ; la transmission du PMMA dans cette plage est supérieure à 70%. Cette image à également été acquise avec une dose électronique de 1 μC/cm2, mais cette fois le nanofil est parfaitement visible. En outre, grâce au refroidissement, la dose d'insolation de la résine est passée de 250 μC/cm2 (à 300 K) à 550 μC/cm2 : la marge de sécurité sur la dose a donc plus que doublé.
Il est donc possible d'augmenter la dose à 550 μC/cm2 (en augmentant le courant et/ou le temps d'exposition) afin d'insoler la résine selon le motif désiré, en pilotant le faisceau électronique à l'aide de l'image de cathodoluminescence enregistrée préalablement. Par exemple, le motif peut consister à réaliser quatre contacts le long du fil et des plots pour connexion extérieure sous pointes reliés auxdits contacts.
A 300 K, la résine est ensuite développée avec un mélange standard MIBMPA (méthyl-isobutyl-cétone / alcool isopropylique), et une bicouche de métallisation (140 nm Ti - 40 nm Au) est déposée par évaporation. Ensuite, le métal déposé sur la résine non insolée est enlevé (étape dite de « lift-off ») avec de l'acétone ou du N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP). Les figures 5 et 6 montrent deux images, à deux grossissements et angles différents, des connexions électriques ainsi obtenues.
En l'espèce, la cathodoluminescence du nanofil sur toute la plage spectrale considérée était bien plus intense que celle du substrat, ce qui a permis de réaliser des images panchromatiques. Dans certains cas, une différence significative d'émissivité sera observée seulement dans une plage spectrale déterminée : il sera donc nécessaire de réaliser une image à bande étroite à l'aide du monochromateur 30 (les spectres de cathodoluminescence du nano-objet et du substrat peuvent être acquis avant étalement de la résine). Enfin, dans d'autres cas, la cathodoluminescence du nanofil sera inférieure à celle du substrat : dans ce cas on pourra acquérir une image de l'ombre projetée par ledit nano-objet.
On comprend donc que le procédé peut donc être facilement généralisé à d'autres objets, d'autres substrats et également d'autres résines de lithographie électronique. En particulier, l'application du procédé n'est nullement limitée à la réalisation de contacts électriques. Au contraire, des nombreuses autres applications sont envisageables, comme la réalisation de cristaux photoniques par dépôt de matériaux diélectriques à travers les ouvertures pratiquées dans la résine, le dépôt de micro-spires pour appliquer des champs magnétiques à des boîtes quantiques, etc.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de lithographie électronique pour la réalisation de dispositifs incluant des objets de dimensions micrométriques ou nanométriques déposés ou intégrés sur un substrat, comportant : a) le dépôt d'une couche de résine au-dessus d'une surface dudit substrat ; b) l'insolation de la résine par balayage d'un faisceau d'électrons pour libérer sélectivement des régions prédéfinies de la résine ; c) le développement de la résine insolée pour libérer sélectivement des régions prédéfinies de ladite surface ; et d) la fabrication du dispositif par gravure et/ou dépôt de matière à travers le masque de résine ainsi obtenu ; caractérisé en ce qu'il comporte également, après dépôt de la résine mais préalablement à son insolation, l'acquisition d'une image dudit objet obtenue par balayage de la surface du substrat par un faisceau d'électrons à une dose insuffisante pour insoler la résine, et par détection de la cathodoluminescence ainsi induite ; ladite image étant utilisée pour le pilotage du faisceau d'électrons lors de ladite étape d'insolation.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel lesdites étapes d'acquisition d'une image et d'insolation sont réalisées en refroidissant le substrat à une température comprise entre 3K et 250K.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite étape d'acquisition d'une image est réalisée dans une plage spectrale limitée au moyen d'un monochromateur (30).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le substrat est choisi de manière à présenter, dans une région spectrale d'observation, une émissivité par cathodoluminescence inférieure d'au moins un ordre de grandeur à celle dudit objet.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat est choisi de manière à présenter, dans une région spectrale d'observation, une émissivité par cathodoluminescence supérieure d'au moins un ordre de grandeur à celle dudit objet, de manière à permettre l'observation d'une ombre projetée par ce dernier.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite résine présente une transmission supérieure à 50%, et de préférence supérieure ou égale à 70%, dans une région spectrale d'observation comprise entre 115 et 1700 nm.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel aucune structure de repérage destinée au pilotage du faisceau d'électrons lors de ladite étape d'insolation n'est réalisée à proximité dudit objet.
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