WO2019086389A1 - Dispositif de depot de particules chargees - Google Patents

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WO2019086389A1
WO2019086389A1 PCT/EP2018/079596 EP2018079596W WO2019086389A1 WO 2019086389 A1 WO2019086389 A1 WO 2019086389A1 EP 2018079596 W EP2018079596 W EP 2018079596W WO 2019086389 A1 WO2019086389 A1 WO 2019086389A1
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WO
WIPO (PCT)
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substrate
electrodes
particle
guide
linear guide
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/079596
Other languages
English (en)
Inventor
Johann BERTHELOT
Nicolas Bonod
Original Assignee
Universite D'aix-Marseille
Centre National De La Recherche Scientifique
Ecole Centrale De Marseille
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite D'aix-Marseille, Centre National De La Recherche Scientifique, Ecole Centrale De Marseille filed Critical Universite D'aix-Marseille
Publication of WO2019086389A1 publication Critical patent/WO2019086389A1/fr

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0004—Apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of nanostructural devices or systems or methods for manufacturing the same

Definitions

  • the present disclosure relates to a device and a method for the deposition on a substrate of at least one charged particle, in particular charged particles of size greater than or equal to one nanometer.
  • the present description relates to the use of such a device, in particular for nano-fabrication applications in the field of electronic, optical or optoelectronic components.
  • the particles of size greater than or equal to one nanometer are for example particles in the solid state suspended in a liquid such as a colloidal solution or particles in powder form.
  • the colloids can also be deposited using a technique called "stencil lithography” (or SL for "Stencil Lithography”).
  • stencil lithography or SL for "Stencil Lithography”
  • the SL is based on the use of a mask dissociated from the substrate whose geometry of the openings makes it possible to reproduce the pattern on the substrate.
  • the shading system produced by the use of the mask induces a loss of resolution.
  • the colloids can also be deposited by focused laser beams for trapping colloidal particles in suspension in a liquid.
  • the particles are subjected to different forces such as Brownian motion, electrostatic repulsion of the substrate, and optical forces. These are used to exert a force on the particles and direct them towards the substrate where the van der Waals forces stabilize them.
  • Such deposition techniques are described in the literature, for example in the article by J. Gargiulo et al. ("Accuracy and Mechanistic Details of Optical Printing of Single Au and Ag Nanoparticles", ACS Nano 2017, 11, 9678-9688).
  • none of these devices is capable of depositing particles in a simple and controlled manner in any type of dry or wet atmosphere and including temperature and pressure atmospheric, without the need for masks.
  • the present description proposes to provide a device and a simple and original method for the accurate and controlled deposition on a substrate of at least one charged particle.
  • charged particles any type of charged particles larger than or equal to the nanometer, that is to say, in practice sets of several atoms or molecules.
  • the device and the method according to the present description are based on the use of oscillating electric fields and an electrode system for levitation and non-destructive manipulation of charged particles. This device makes it possible to deposit the charged particles on a substrate in targeted zones.
  • this device can be used in particular at room temperature and at atmospheric pressure.
  • This device also allows the deposition on the same surface of charged particles of different size, composition and / or shape without resorting to multiple steps such as optical or electronic lithography. This device makes it possible to handle and deposit the charged particles individually.
  • a device for depositing on a substrate at least one charged particle comprising:
  • a guide means comprising a concentric trap for levitatively guiding said at least one charged particle, said concentric trap comprising electrodes and a first AC voltage generator for generating an oscillating electric field between said electrodes;
  • a method of depositing on a substrate of at least one charged particle comprising the following steps:
  • the guiding means comprising a concentric trap with electrodes powered by a first alternating voltage generator;
  • Figs. 1A and 1B show diagrams illustrating two devices for the deposition on a substrate of at least one charged particle according to two embodiments of the present description
  • FIGs. 2A and 2B are diagrams illustrating an example of a planar linear guide in two views, FIG. 2B being a sectional view along the axis AA 'shown in Fig.2A; Figs. 3A and 3B on the one hand, and 3C and 3D on the other hand, illustrate two examples of guide and positioning means, according to the present description;
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another example of guidance and positioning means according to the present description.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating means for guiding and positioning for a device adapted to the deposition on a substrate of several types of charged particles according to an exemplary embodiment of the present description
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an ionization system combined with a volume linear guide according to an example of the present description.
  • the term “understand” means the same thing as “include” and “contain”, and is inclusive or open and does not exclude other elements not recited.
  • the terms “about”, “substantially” and “roughly” mean the same thing as having a lower and / or higher margin of 10% of the respective value.
  • a particle may comprise several ions, atoms, molecules and has a size between about 1 nm and 10 mm, preferably between about 10 nm and 10 ⁇ .
  • a particle may comprise at least one metal compound (eg gold, silver, copper, aluminum, titanium, palladium, iron, zinc, etc.), and / or at least one dielectric compound (eg silica , titanium dioxide, polymers, etc.), and / or at least one semiconductor compound (eg pure and complex silicon, diamond, germanium, gallium, boron nitride, etc.) and / or at least one biological compound (eg virus, protein, molecule, etc.).
  • metal compound eg gold, silver, copper, aluminum, titanium, palladium, iron, zinc, etc.
  • dielectric compound eg silica , titanium dioxide, polymers, etc.
  • semiconductor compound eg pure and complex silicon, diamond, germanium, gallium, boron nitride, etc.
  • biological compound eg virus, protein, molecule, etc.
  • charged particle means the same thing as a particle comprising an electric charge, such as a particle comprising several ions, atoms, molecules having a surplus or deficit of electrons compared to to its number of protons, in other words, having a total non-zero charge (positive or negative).
  • colloidal particle means the same thing as a suspension in the solid state in a liquid medium.
  • a colloidal particle thus means a solid particle suspended in a liquid medium.
  • Said liquid medium containing the suspended solid particles is a colloidal solution.
  • the particles may be different in size, type of compound, charge and / or the number of ions, atoms or molecules they comprise.
  • the particles may be active colloidal particles (in semiconductor material such as quantum dots) or passive (metal particles, dielectric) particles.
  • the particles may also be particles handled in a dry atmosphere, such as, for example, powders.
  • the present description relates to the first aspect and the second aspect a device and a method for depositing on a substrate of at least one charged particle.
  • the device comprises:
  • a guide means comprising a concentric trap for levitatively guiding said at least one charged particle, said concentric trap comprising electrodes and a first AC voltage generator for generating an oscillating electric field between said electrodes;
  • the guiding means further comprises at least one linear guide for levitatively guiding said at least one charged particle, said concentric trap being coupled to said at least one linear guide for trapping by levitation.
  • said at least one particle guided by the at least one linear guide, said at least one linear guide comprising electrodes and a second AC voltage generator for generating an oscillating electric field between said electrodes.
  • a “linear guide” means a guide adapted for guiding charged particles along a line, which may be rectilinear but also bent, which may be contained in a plane, or which may be extend in 3 dimensions, for example a twisted line.
  • a "guide axis” and a “guide plane” of the particles may respectively represent an output axis and exit plane of the particles, when they exit the linear guide.
  • the device according to the present description is based on the use of electric forces to maintain particles in levitation.
  • levitation it is understood to move and / or maintain levitation above the electrodes under the effect of an electrostatic force.
  • the present description proposes to manipulate by levitation charged particles in a gaseous medium (for example air) or in a liquid medium (for example water) and to deposit them on a surface of interest that we call substrate.
  • the substrate may comprise any support (conductive or insulating, transparent or opaque) capable of receiving the nanoparticles.
  • the substrate may be composed of patterns.
  • the device thus acts as a printer
  • the resolution scale of the device is the nanometer.
  • the concentric trap is arranged parallel to a guide axis or to a guide plane of the linear guide. Once a charged particle is trapped in the concentric trap, the concentric trap can be translational and / or rotated in any direction without losing the particle.
  • the concentric trap is usually adapted to trap a charged particle. According to one or more embodiments, the concentric trap can however trap several charged particles.
  • said at least one linear guide creates a 2D confinement of said at least one charged particle and is coupled to a concentric trap creating a 3D containment of said at least one charged particle.
  • the guiding means is configured to generate electric fields whose equipotentials are controlled by voltage generators connected to the electrodes, to enable entrapment of the charged particles.
  • the device comprises several linear guides for guiding different charged particles.
  • a concentric trap makes it possible, alternately, to guide the charged particles guided by each of the linear guides.
  • the device according to the present description thus makes it possible to simply deposit on the same surface different particles, that is to say particles of different size, functionalization and / or composition, such as active colloids (quantum dots) and passive (particles metallic, dielectric), without having to go through additional steps and difficult to implement.
  • the concentric trap and / or the linear guide are planar, that is to say that all the electrodes of the concentric trap and / or the linear guide are in the same plane.
  • This embodiment has the advantage of allowing easy integration of the device by being bulky, easier handling and low device manufacturing cost.
  • the electrodes of the concentric trap and / or the planar linear guide can be manufactured according to a conventional optical lithography technique on the basis of a geometry that maximizes containment of the particle inside the trap and / or in the center of the linear guide.
  • the design of the electrodes may take into account the size, the composition and / or the charge of the particles to be deposited in order to parameterize the number of electrodes, the width of each electrode, the spacing between each electrode, the frequency and the amplitude of the oscillating and continuous fields applied to the electrodes.
  • Techniques for designing such electrodes are described in the literature, for example in the article by TH Kim et al. ("Paul trap surface-electrode", Physical Review A 82, 043412 (2010)).
  • the electrodes of the concentric trap and / or the planar linear guide may be optically transparent.
  • the electrodes are formed of ITO (indium and tin oxide) on a glass slide.
  • the transparent electrodes have the advantage of being able to transmit light beams, for example laser beams or white light beams, to probe or several optical properties of said at least one charged particle (for example scattering spectra or luminescence spectra). ).
  • the concentric trap and / or the linear guide are traps Paul (or PT for "Paul Trap"), also called traps radio frequencies (or RFT for "Radio Frequency Trap”) .
  • the concentric trap is a planar concentric trap, for example a planar Paul trap (or PPT for "Planar Paul Trap”).
  • a PPT is particularly easy to manufacture and integrate into the device. For example, a PPT can be produced on simple printed circuit boards. Although PTs are known to manipulate ions, PTs are very seldom used to manipulate charged particles of size greater than or equal to one nanometer, and even less for the deposition on a substrate of at least one charged particle. , especially at atmospheric pressure.
  • PPTs may have electrodes contained in one and the same plane. This feature makes them easy to integrate into more complex architectures or devices. Depending on the design of the electrodes, it is thus possible to control, handle and especially deposit efficiently and individually individual nano / microparticles loaded on the same substrate, the particles can levitate in any environment (gas, liquid), for example under air, nitrogen or argon, and in particular at atmospheric pressure.
  • the guide means may be voluminal, that is to say that the particular electrodes of the linear guide are not in the same plane.
  • This embodiment may allow use over a wider range of frequencies and voltages applied to the electrodes by the generator.
  • a volume linear guide is thus well suited for handling a large set of charged particles and for Therefore allows a wider choice in terms of rate of deposition and types of particles to handle.
  • said at least one linear guide comprises at least 3 electrodes.
  • a planar linear guide may comprise 3 or more electrodes and a volume linear guide may comprise 4 or more electrodes.
  • the number of electrodes may be a compromise between the number of degrees of freedom offered by the electrodes for controlling the topology of the electric potential for trapping the linear guide and therefore the confinement of the particle in levitation, and the bulk in the device.
  • a set of 4 electrodes for a volume linear guide, and a set of 5 electrodes for a planar linear guide appear to be good compromises.
  • the electrodes of the linear guide and / or the concentric trap are arranged in a parallel or concentric manner.
  • the electrodes are for example spaced a distance of between about 1 micrometer and 1 millimeter and have widths for example between about 1 micrometer and about 10 millimeters.
  • the electric field between the electrodes of the linear guide and / or the concentric trap has a frequency between about 1 kHz and about 1 MHz.
  • the voltage is for example between about 1 V and about 10 kV.
  • Such ranges of frequencies and voltages make it possible to keep the nano / microparticles levitated.
  • a field of about 8 kHz with an amplitude of about 200 V operated for millimeter electrodes For example, for particles of 40 nm to 100 nm in diameter (Au and PMMA), applicants have shown that a field of about 8 kHz with an amplitude of about 200 V operated for millimeter electrodes. However these values depend on the size of the electrodes and can be modified.
  • the user can choose ranges of use according to the facilities and costs of use. For example, kHz frequencies will be favored to generate and modulate high voltages.
  • the positioning means comprises an electrode fed by an AC or DC generator for depositing the at least one particle on the substrate.
  • the transfer of the nano / microparticle loaded from the concentric trap to the substrate is carried out with a electrode placed behind the substrate relative to the guide means. It is called counter-electrode.
  • the counter-electrode is intended to be positioned so that the substrate is disposed between said counter-electrode and the guide means.
  • the deposition of the charged nano / microparticle is carried out on a targeted location on the surface of the substrate.
  • the deposition of the charged nano / microparticle is carried out by applying a voltage between the concentric trap, eg a PPT, and the electrode of the positioning means, the particles being pushed towards the location target.
  • the voltage applied to the electrode of the positioning means is between about -10 V and about 10 V.
  • the electrode of the positioning means is in the form of a ring intended to be positioned between the guide means and the substrate.
  • the ring-shaped electrode of the positioning means is fed by a DC generator and disposed perpendicularly to a guide plane of the linear guide of said at least one charged particle. In such an embodiment, a concentric trap is not necessary. Such an embodiment makes it possible to deposit a large set of particles since the particles are transferred directly from the linear guide to the substrate.
  • the controlled positioning means comprises at least a first multi-axis positioner for controlling the relative position of the guide means relative to the substrate.
  • said at least one first multi-axis positioner allows a direct contact of said at least one guided particle on the substrate, the positioning means then comprising neither against electrode nor ring electrode .
  • said at least one first multi-axis positioner allows a displacement of the substrate or the guide means.
  • the controlled positioning means comprises a first multi-axis positioner and a second multi-axis positioner, each of said first and second multi positioners. axes being configured to respectively move the substrate and the guide means.
  • the speed of displacement of the deposit on the substrate depends on the speed of movement of the positioner (s) multi-axis (s), which can be for example between about a hundred Hz and 1 kHz, and the recharge time of charged particles in the linear guide.
  • the recharge time can be defined as the time it takes to feed particles back into the linear guide through an ionization system.
  • the first and / or the second multi-axis positioner allows translation and / or rotation movements.
  • At least one of the multi-axis positioners is a micrometric screw system capable of displacement with a resolution below the micrometer.
  • the first and / or the second multi-axis positioner is a nano positioner that can have a nanometric precision.
  • at least one of the multi-axis positioners is a piezoelectric system that can have a resolution below the nanometer. In this case the speed of displacement of the deposit on the substrate may be of the order of one hundred Hz / pm.
  • the device comprises an ionization system for creating and disposing of the at least one charged particle in the linear guide.
  • the device is adapted to treat a colloidal solution.
  • the ionization system is selected from the group consisting of a laser ablation system, a sinter ionization system, a chemical ionization system and an electro nebulizer ionization system. (electro spray).
  • a solution containing said at least one charged particle diluted in a solvent eg polar solvent
  • a solvent eg polar solvent
  • a particle obtained by laser ablation and may be in a liquid state may be decomposed into small droplets that will be injected into the linear guide.
  • the device further comprises an electrical control unit and / or automation.
  • the electrical control unit can control according to one or more embodiments (i) an ionization system to control the solution used, eg the size and / or the composition of the particles to be deposited on the substrate; and / or (ii) a multi-axis positioner for controlling the relative displacement of the substrate with respect to the guide means, for example a multi-axis positioner to control the displacement of a concentric trap.
  • an ionization system to control the solution used, eg the size and / or the composition of the particles to be deposited on the substrate
  • a multi-axis positioner for controlling the relative displacement of the substrate with respect to the guide means, for example a multi-axis positioner to control the displacement of a concentric trap.
  • the electrical control unit makes it possible to drive a leakage current detector for measuring the position and the presence of levitated charged particles.
  • the control unit may be a computer, a computer network or any other device that includes a processor, a local memory and / or a local or remote data storage.
  • the storage medium and / or the local memory may contain instructions which, when executed by the control unit, cause the storing device to execute one or more examples of the commands described above.
  • the device comprises a camera configured to display the ionization system and / or the coupling of the particles in the planar concentric guide.
  • the camera can be connected to the control unit to control the ionization system and / or particle coupling in the planar concentric guide.
  • the depositing method comprises the following steps:
  • the guiding means comprising a concentric trap with electrodes powered by a first alternating voltage generator;
  • the method further comprises the following step: disposing at least one particle charged in a means guide means, the guide means further comprising at least one linear guide with electrodes powered by a second AC voltage generator.
  • the method further comprises the step of generating, by means of said second alternating voltage generator, an electric field oscillating between the electrodes of said at least one linear guide for levitatively guiding said at least one a charged particle towards the concentric trap.
  • the concentric trap is coupled to said at least one linear guide, for levitatingly trapping said at least one particle guided by the at least one linear guide, the guide means comprising the concentric trap.
  • the method further comprises the following step: put in direct contact said at least one particle charged with the substrate by means of multiaxis positioners.
  • the method further comprises the step of: applying an electric field to an electrode of the positioning means fed by an AC or DC generator for depositing the particle on the substrate.
  • the method further comprises the following step: neutralize the charges of at least a portion of the deposited particles.
  • the neutralization of the charges can be made for example by illumination of the deposited charged particles, or by selective illumination of a part of the deposited charged particles, for example with a beam emitted by an ultraviolet (UV) source such as a beam UV laser for selectively neutralizing a portion of the charged particles or a beam emitted by a UV lamp for neutralization of all the charged particles.
  • UV ultraviolet
  • the devices according to the first aspect may in particular be used for at least one of the following applications:
  • nanofabrication eg hybrid structures (materials and shapes), particle implantation in devices
  • electrical and electronic circuits eg manufacture of electronic circuits with metallic nanoparticles, organic materials, sensors, bio-sensors, capacitors and / or transistors
  • the method according to the present description is then an alternative to conventional techniques such as the printed inkjet process or the laser-induced forward transfer to manufacture thin-film transistors and organic light-emitting diodes.
  • Figs. 1A and 1B are diagrams of a device 100 for the deposition on a substrate S of at least one charged particle Pi according to two embodiments of the present description.
  • the device 100 comprises in these examples an ionization system 101, a guide means 1 10, a controlled positioning means 103 of the particle guided by the guide means on the substrate S and a control unit 104 for the electrical control the ionization system 101 and / or the guide means 1 10 and / or the controlled positioning means 103.
  • the guiding means 1 10 comprises a concentric trap comprising electrodes and a first voltage generator.
  • the guiding means 1 10 comprises a linear guide 310 in addition to the concentric trap 306.
  • the linear guide 310 makes it possible to levitate at least one charged particle P 1 to the concentric trap 306.
  • the linear guide comprises electrodes fed by a second generator.
  • the concentric trap is coupled to the linear guide, for levitatively trapping said at least one particle guided by the linear guide.
  • the ionization system 101 makes it possible to generate the charged particles, for example from colloidal solution, and to send said charged particles into the guide means 1.
  • An example of an ionization system is illustrated. in FIG. 6.
  • the charged particles are guided by levitation by the guide means 10 and then positioned on the substrate S by means of the positioning means 103.
  • Figs. 3A and 3B on the one hand, and 3C and 3D on the other hand, illustrate two examples of guide and positioning means.
  • Figs. 2A and 2B show sectional views of an exemplary linear guide of a guide means as illustrated in Figs. 3A and 3B for example.
  • FIGS. 3A, 3B, 3C and 3D the ionization system is not shown.
  • Figs. 3B and 3D represent "profile" views respectively of FIGS. 3A and 3C which are "top” views.
  • the electrodes of the linear guide (310 Figs.3A, 3B, and 320 Figs.3C, 3D) are arranged in a main direction, the substrate being arranged in a plane substantially parallel to this main direction.
  • the levitated particles are observed at a distance from the electrodes respectively of the linear guide 310, 320 and the concentric trap 306 of the guide means.
  • the guide means comprises a planar linear guide 310 with a plurality of electrodes powered by a generator 360 for generating an oscillating electric field between said electrodes.
  • the linear guide 310 is coupled with a planar concentric trap 306 comprising electrodes and a voltage generator 307 for generating an oscillating electric field between the electrodes of the concentric trap.
  • the planar linear guide 310 guides the charged particles to the planar concentric trap.
  • the planar concentric trap traps the charged particle (s) Pi in a localized manner at its center.
  • the controlled positioning means comprises in this example an electrode 333 and a third DC generator, shown in FIG. 3B.
  • the electrode 333 of the positioning means is disposed on the opposite side to the deposition face of the substrate S.
  • a voltage is applied between the concentric trap and the electrode. This voltage makes it possible to accelerate the said at least one charged particle and to deposit on the substrate the charged particle following the shortest path between the concentric trap and the electrode, which is generally a straight line.
  • the positioning means may also comprise at least one multiaxis positioner 343 which can make it possible to move the substrate S and / or the guide means and / or the electrode 333 of the positioning means.
  • An example of a planar linear guide is for example illustrated in FIGS. 2A and 2B, FIG. 2B illustrating a sectional view along the axis AA 'of FIG. 2A.
  • the planar linear guide comprises in the example of Figs.
  • 2A, 2B 5 electrodes 121, 122, 123, 124, 125 arranged in a plane, including 2 peripheral electrodes 124, 125 and three central electrodes 121, 122, 123.
  • the peripheral electrodes are connected to ground, as well as the central electrode 122.
  • the central electrodes illustrated in FIG. 2A extend along a principal axis y, the axis y being the axis along which the charged particles are guided, and are spaced apart from each other. a predetermined distance along an axis x perpendicular to the y-axis, in the plane of the planar linear guide.
  • the electrodes are spaced from about 100 ⁇ m to about 1 mm and have widths from about 200 ⁇ m to about 1 mm and lengths typically of several mm.
  • the geometry of the electrodes is illustrated by the dimensions a and b.
  • the dimension a corresponds to the sum of the width of an electrode corresponding to the mass with the spacing between two electrodes and the dimension b corresponds to the sum of the width of an RF electrode and the spacing between two electrodes.
  • the dimensions of a and b are typically between about 100 pm and 2 mm.
  • the z axis represents the height at which the particles levitate, typically several hundred microns. This height depends on the dimensions a and b.
  • Fig. 2B also illustrates the equipotential field lines generated by the second AC voltage generator along the linear guide.
  • a space 206 does not have a field line.
  • the charged particle is trapped at a given distance along the z axis above the central electrode by levitation and guided along the electrodes along the y axis. This trap of the particle charged by an oscillating electric field is known as Paul's Trap.
  • Figs. 3C, 3D is similar to that of Figs. 3A, 3B but the linear guide 320 is volume; it comprises a given number of electrodes, in this example four electrodes arranged in quadrille, two of the electrodes being 2 to 2 alternately connected to ground.
  • the voltage can typically be about 1.2 kV with a frequency of about 800 Hz to trap particles of about 40 nm to 100 nm Au diameter with a volume linear guide of about 7 cm in length.
  • FIG. 4 illustrates another example of a positioning means.
  • the guiding means comprises, as in the example of Figs. 3C, 3D, a volume linear guide with electrodes arranged in a main direction.
  • the positioning means comprises an electrode 303 in the form of a ring disposed perpendicular to the main direction of the electrodes.
  • a DC generator 308 supplies power to the electrode 303 in order to deposit the particle on the substrate.
  • the ring electrode "focuses" under the effect of the voltage continues the trajectory of the charged particles on the substrate S.
  • the voltage can be between about -10V and 10V.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating in a "top view" a device with a planar guide means for the deposition on a substrate of several types of charged particles Pi - P4 according to an embodiment of the present description.
  • the device of FIG. 5 comprises four planar linear guides 510, 51 1, 512, 513, each linear guide comprising an alternating voltage generator 560, 561, 562, 563.
  • Each linear guide makes it possible to levitate each type of particle by levitation. to a concentric trap 506 powered by a generator 507.
  • each of the linear guides comprises segmented electrodes making it possible to select and filter the particles with a view to their sequential and controllable transfer into the concentric trap. This transfer will be controlled by the application of a DC voltage between the segmented electrodes.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an ionization system 601 combined with a linear guide 602, according to an example of the present description.
  • the ionization system 601 is for example an electro nebulizer ionization system (ESI) which allows the dispersion of a liquid in the form of electrically charged droplets, in other words in the form of particles charged Pi.
  • ESI electro nebulizer ionization system
  • the nebulization of the solutions by ESI is obtained by an electrostatic method, ie by applying a high potential difference (approximately between ⁇ 3 and ⁇ 5 kV) between the end of the emitter (stainless steel capillary tube, liquid junction) and an orifice located nearby.

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Abstract

Selon un aspect, la présente description concerne un dispositif pour le dépôt sur un substrat (S) d'au moins une particule chargée. Le dispositif comprend un moyen de guidage (110) comprenant un piège concentrique pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée, ledit piège concentrique comprenant des électrodes et un premier générateur de tension alternative pour générer un champ électrique oscillant entre lesdites électrodes; et un moyen de positionnement contrôlé (103) de ladite au moins une particule guidée sur le substrat (S).

Description

DISPOSITIF DE DEPOT DE PARTICULES CHARGEES
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] La présente description concerne un dispositif et un procédé pour le dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée, notamment des particules chargées de taille supérieure ou égale au nanomètre. La présente description concerne l'utilisation d'un tel dispositif notamment pour des applications de nano fabrication dans le domaine des composants électroniques, optiques ou optoélectroniques.
ETAT DE L'ART
[0002] Les particules de taille supérieure ou égale au nanomètre sont par exemple des particules à l'état solide en suspension dans un liquide tel qu'une solution colloïdale ou des particules sous forme de poudre.
[0003] Il est connu de déposer des colloïdes sur un substrat par différentes techniques. La plus connue est celle de la tournette (dite en anglais de « spin coating »). Cette technique consiste à mettre en rotation le substrat et à y déposer et étaler une solution colloïdale polymérique. Cette méthode permet de traiter à moindre coût des surfaces relativement larges mais ne permet pas de contrôler la position et l'organisation d'un ou plusieurs colloïdes.
[0004] Les colloïdes peuvent également être déposés au moyen d'une technique appelée lithographie au « pochoir» (ou SL pour « Stencil Lithography »). La SL est basée sur l'utilisation d'un masque dissocié du substrat dont la géométrie des ouvertures permet de reproduire le motif sur le substrat. Toutefois, le système d'ombrage produit par l'utilisation du masque induit une perte de résolution.
[0005] Les colloïdes peuvent en outre être déposés par des faisceaux lasers focalisés permettant de piéger des particules colloïdales en suspension dans un liquide. Ainsi, les particules sont soumises à différentes forces comme le mouvement Brownien, la répulsion électrostatique du substrat, et les forces optiques. Ces dernières sont utilisées pour exercer une force sur les particules et les diriger vers le substrat où les forces de van der Waals les stabilisent. De telles techniques de dépôt sont décrites dans la littérature, par exemple dans l'article de J. Gargiulo et al. (« Accuracy and Mechanistic Détails of Optical Printing of Single Au and Ag Nanoparticles », ACS Nano 2017, 1 1 , 9678-9688).
[0006] Une autre technique appelée impression « NanoDrip » est utilisée pour déposer une solution colloïdale. La demande de brevet publiée EP 2 540 661 A1 décrit notamment un procédé de dépôt d'une solution colloïdale, contrôlé par l'application d'une tension entre une électrode en contact avec la solution colloïdale et une contre-électrode agencé sur le substrat sur lequel doit se faire le dépôt.
[0007] Cependant, ces techniques ne fonctionnent qu'en atmosphère humide et non en atmosphère sèche; en d'autres termes, c'est la solution colloïdale, c'est-à-dire la solution de particules encapsulées dans un solvant, qui est déposée et non directement les particules sans solvant.
[0008] Aussi, malgré la fiabilité et la progression constante des dispositifs connus, aucun de ces dispositifs n'est capable de déposer des particules de manière simple et contrôlée dans tout type d'atmosphère sèche ou humide et y compris à température et à pression atmosphérique, sans avoir besoin de masques.
[0009] La présente description propose de fournir un dispositif et un procédé simples et originaux pour le dépôt précis et contrôlé sur un substrat d'au moins une particule chargée.
RESUME
[0010] Par particules chargées, on entend tout type de particules chargées de dimensions supérieures ou égales au nanomètre, c'est-à-dire en pratique des ensembles de plusieurs atomes ou molécules.
[0011] Le dispositif et le procédé selon la présente description reposent sur l'utilisation de champs électriques oscillants et d'un système d'électrodes permettant la lévitation et la manipulation non destructive de particules chargées. Ce dispositif permet de déposer les particules chargées sur un substrat dans des zones ciblées.
[0012] Par rapport à l'état de l'art des techniques de dépôt existantes, ce dispositif peut être utilisé notamment à température ambiante et à pression atmosphérique. [0013] Ce dispositif permet également le dépôt sur une même surface de particules chargées de taille, de composition et/ou de forme différentes sans recours à de multiples étapes comme en lithographie optique ou électronique. Ce dispositif permet de manipuler et de déposer individuellement les particules chargées.
[0014] Selon un premier aspect, les objets précités, ainsi que d'autres avantages, sont obtenus par un dispositif pour le dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée, comprenant :
- un moyen de guidage comprenant un piège concentrique pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée, ledit piège concentrique comprenant des électrodes et un premier générateur de tension alternative pour générer un champ électrique oscillant entre lesdites électrodes ; et
- un moyen de positionnement contrôlé de ladite au moins une particule guidée sur le substrat.
[0015] Selon un deuxième aspect, les objets précités, ainsi que d'autres avantages, sont obtenus par un procédé de dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée comprenant les étapes suivantes :
- disposer au moins une particule chargée dans un moyen de guidage, le moyen de guidage comprenant un piège concentrique avec des électrodes alimentées par un premier générateur de tension alternative;
- générer au moyen dudit premier générateur de tension alternative un champ électrique oscillant entre les électrodes du piège concentrique pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée ; et
- positionner sur le substrat ladite au moins une particule guidée. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0016] Les Figs. 1A et 1 B représentent des schémas illustrant deux dispositifs pour le dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée selon deux exemples de réalisation de la présente description ;
[0017] Les Figs. 2A et 2B représentent des schémas illustrant un exemple de guide linéaire planaire selon deux vues, la Fig. 2B étant une vue de coupe selon l'axe AA' représenté sur la Fig.2A ; [0018] Les Figs. 3A et 3B d'une part, et 3C et 3D d'autre part, illustrent deux exemples de moyens de guidage et de positionnement, selon la présente description ;
[0019] La Fig. 4 représente un schéma illustrant un autre exemple de moyens de guidage et de positionnement, selon la présente description ;
[0020] La Fig. 5 représente un schéma illustrant des moyens de guidage et de positionnement pour dispositif adapté au dépôt sur un substrat de plusieurs types de particules chargées selon un exemple de réalisation de la présente description ;
[0021] La Fig. 6 représente un schéma illustrant un système d'ionisation combiné avec un guide linéaire volumique selon un exemple de la présente description.
DESCRIPTION DETAILLEE
[0022] Dans la description détaillée suivante de modes de réalisation du dispositif et du procédé de dépôt, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie de la présente description. Cependant, il apparaîtra à l'homme du métier que la présente description peut être mise en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d'autres cas, des caractéristiques bien connues n'ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description.
[0023] Dans ce qui suit, le terme « comprendre » signifie la même chose que « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n'exclut pas d'autres éléments non récités. En outre, dans la présente description, les termes « environ », « substantiellement » et « à peu près » signifient la même chose que présentant une marge inférieure et/ou supérieure de 10% de la valeur respective.
[0024] Dans ce qui suit, une particule peut comprendre plusieurs ions, atomes, molécules et a une taille comprise entre environ 1 nm et 10 mm, préférablement entre environ 10 nm et 10 μηη.
[0025] Dans ce qui suit, une particule peut comprendre au moins un composé métallique (e.g. or, argent, cuivre, aluminium, titane, palladium, fer, zinc, etc.), et/ou au moins un composé diélectrique (e.g. silice, dioxyde de titane, polymères, etc.), et/ou au moins un composé semi-conducteur (e.g. silicium pur et complexe, diamant, germanium, gallium, nitrure de bore, etc.) et/ou au moins un composé biologique (e.g. virus, protéine, molécule, etc.).
[0026] Dans ce qui suit, le terme « particule chargée » signifie la même chose qu'une particule comprenant une charge électrique, telle qu'une particule comprenant plusieurs ions, atomes, molécules ayant un surplus ou un déficit d'électrons par rapport à son nombre de protons, en d'autres termes, ayant une charge totale non nulle (positive ou négative).
[0027] Dans ce qui suit, le terme « colloïde » signifie la même chose qu'une suspension à l'état solide dans un milieu liquide. Une particule colloïdale signifie ainsi une particule solide en suspension dans un milieu liquide. Ledit milieu liquide contenant les particules solides en suspension est une solution colloïdale.
[0028] Dans ce qui suit, les particules peuvent être différentes par leur taille, par leur type de composé, par leur charge et/ou le nombre d'ions, d'atomes ou de molécules qu'elles comprennent. Par exemple, les particules peuvent être des particules colloïdales actives (en matériau semi-conducteur comme des boites quantiques) ou passives (particules métalliques, diélectrique). Les particules peuvent également être des particules manipulées en atmosphère sèche, comme par exemple les poudres.
[0029] La présente description concerne selon le premier aspect et le deuxième aspect un dispositif et un procédé pour le dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée.
[0030] Selon la présente description, le dispositif comprend :
- un moyen de guidage comprenant un piège concentrique pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée, ledit piège concentrique comprenant des électrodes et un premier générateur de tension alternative pour générer un champ électrique oscillant entre lesdites électrodes ;
- et un moyen de positionnement contrôlé de ladite au moins une particule guidée sur le substrat.
[0031] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moyen de guidage comprend en outre au moins un guide linéaire pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée, ledit piège concentrique étant couplé au dit au moins un guide linéaire pour piéger par lévitation ladite au moins une particule guidée par l'au moins un guide linéaire, ledit au moins un guide linéaire comprenant des électrodes et un deuxième générateur de tension alternative pour générer un champ électrique oscillant entre lesdites électrodes.
[0032] Dans ce qui suit, un « guide linéaire » s'entend comme un guide adapté pour le guidage de particules chargées selon une ligne, qui peut être rectiligne mais aussi coudée, qui peut être contenue dans un plan, ou qui peut s'étendre dans les 3 dimensions, par exemple une ligne torsadée.
[0033] Dans la suite de la description, un « axe de guidage » et un « plan de guidage » des particules pourront représenter respectivement un axe de sortie et plan de sortie des particules, lorsqu'elles sortent du guide linéaire.
[0034] Le dispositif selon la présente description est basé sur l'utilisation de forces électriques pour maintenir des particules en lévitation. Par « lévitation », on comprend le fait de déplacer et/ou maintenir en sustentation au-dessus des électrodes sous l'effet d'une force électrostatique.
[0035] La présente description propose ainsi de manipuler par lévitation des particules chargées dans un milieu gazeux (par exemple l'air) ou dans un milieu liquide (par exemple l'eau) et de les déposer sur une surface d'intérêt que nous appellerons substrat. Le substrat peut comprendre tout support (conducteur ou isolant, transparent ou opaque) pouvant recevoir les nanoparticules. Le substrat peut être composé de motifs.
[0036] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, plusieurs couches de particules peuvent être déposées. Le dispositif agit ainsi comme une imprimante
3D de nano/microparticules chargées.
[0037] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l'échelle de résolution du dispositif est le nanomètre. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le piège concentrique est disposé parallèlement à un axe de guidage ou à un plan de guidage du guide linéaire. Une fois qu'une particule chargée est piégée dans le piège concentrique, le piège concentrique peut être mis en translation et/ou en rotation dans n'importe quelle direction, sans que soit perdue la particule. Le piège concentrique est généralement adapté pour piéger une particule chargée. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le piège concentrique peut cependant piéger plusieurs particules chargées.
[0038] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, ledit au moins un guide linéaire crée un confinement 2D de ladite au moins une particule chargée et est couplé à un piège concentrique créant un confinement 3D de ladite au moins une particule chargée.
[0039] Selon un mode de réalisation, le moyen de guidage est configuré pour générer des champs électriques dont les équipotentiels sont commandés par des générateurs de tension connectés aux électrodes, pour permettre de piéger les particules chargées.
[0040] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend plusieurs guides linéaires pour guider des particules chargées différentes. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un piège concentrique permet de guider, de façon alternée, les particules chargées guidées par chacun des guides linéaires. Le dispositif selon la présente description permet ainsi de déposer simplement sur une même surface différentes particules, c'est-à-dire des particules de taille, fonctionnalisation et/ou composition différentes, tel que des colloïdes actifs (boites quantiques) et passifs (particules métalliques, diélectriques), sans devoir passer par des étapes supplémentaires et difficiles à mettre en œuvre.
[0041] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le piège concentrique et/ou le guide linéaire sont planaires, c'est-à-dire que toutes les électrodes du piège concentrique et/ou du guide linéaire sont dans un même plan. Ce mode de réalisation présente l'avantage de permettre une intégration facile du dispositif en étant peu volumineux, une manipulation plus facile et un coût de fabrication du dispositif peu élevé. Selon un ou plusieurs modes de réalisations, les électrodes du piège concentrique et/ou du guide linéaire planaire (ou guide « ruban ») peuvent être fabriquées selon une technique de lithographie optique conventionnelle sur la base d'une géométrie qui permet de maximiser le confinement de la particule à l'intérieur du piège et/ou au centre du guide linéaire. Ainsi, la conception des électrodes pourra prendre en compte la taille, la composition et/ou la charge des particules à déposer pour paramétrer le nombre d'électrodes, la largeur de chaque électrode, l'espacement entre chaque électrode, la fréquence et l'amplitude des champs oscillants et continus appliqués aux électrodes. Des techniques de conception de telles électrodes sont décrites dans la littérature, par exemple dans l'article de T. H. Kim et al. (« Surface-électrode point Paul trap », Physical Review A 82, 043412 (2010)). [0042] Selon un ou plusieurs modes de réalisations, les électrodes du piège concentrique et/ou du guide linéaire planaire peuvent être optiquement transparentes. Par exemple, les électrodes sont formées en ITO (oxyde d'indium et d'étain) sur une lamelle de verre. Les électrodes transparentes présentent l'avantage de pouvoir transmettre des faisceaux lumineux, par exemple des faisceaux laser ou des faisceaux de lumière blanche pour sonder ou plusieurs propriétés optiques de ladite au moins une particule chargée (par exemple les spectres de diffusion ou les spectres de luminescence).
[0043] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le piège concentrique et/ ou le guide linéaire sont des pièges de Paul (ou PT pour « Paul Trap »), également appelés pièges radio fréquences (ou RFT pour « Radio Fréquence Trap »). Selon un mode de réalisation, le piège concentrique est un piège concentrique planaire, par exemple un piège de Paul planaire (ou PPT pour « Planar Paul Trap »). Un PPT est notamment facile à fabriquer et à intégrer au dispositif. Par exemple, un PPT peut être produit sur des simples cartes de circuits imprimés. Bien que les PT soient connus pour manipuler des ions, les PT ne sont par contre que très peu utilisés pour manipuler des particules chargées de taille supérieure ou égale au nanomètre, et encore moins pour le dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée, notamment à pression atmosphérique. En particulier, les PPT peuvent présenter des électrodes contenues dans un seul et même plan. Cette fonctionnalité les rend faciles à intégrer sur des architectures ou des périphériques plus complexes. En fonction de la conception des électrodes, il est ainsi possible de contrôler, manipuler et surtout déposer efficacement et de façon individuelle diverses nano/microparticules chargées sur un même substrat, les particules pouvant léviter dans n'importe quel environnement (gaz, liquide), par exemple sous air, azote ou argon, et en particulier à pression atmosphérique.
[0044] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moyen de guidage peut être volumique, c'est-à-dire que les électrodes notamment du guide linéaire ne sont pas dans un même plan. Ce mode de réalisation peut permettre une utilisation sur une gamme plus large de fréquences et de tensions appliquées aux électrodes par le générateur. Un guide linéaire volumique est ainsi bien adapté pour manipuler un large ensemble de particules chargées et par conséquent permet un choix plus large en termes de cadence de dépôt et de types de particules à manipuler.
[0045] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, ledit au moins un guide linéaire comprend au minimum 3 électrodes. Par exemple, un guide linéaire planaire pourra comprendre 3 électrodes ou davantage et un guide linéaire volumique pourra comprendre 4 électrodes ou davantage. Le nombre d'électrodes pourra être un compromis entre le nombre de degrés de libertés offerts par les électrodes pour contrôler la topologie du potentiel électrique de piégeage du guide linéaire et donc le confinement de la particule en lévitation, et l'encombrement dans le dispositif. Par exemple, un ensemble de 4 électrodes pour un guide linéaire volumique, et un ensemble de 5 électrodes pour un guide linéaire planaire, apparaissent comme de bons compromis.
[0046] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les électrodes du guide linéaire et/ou du piège concentrique sont agencées de façon parallèle ou concentrique. Les électrodes sont par exemple espacées d'une distance comprise entre environ 1 micromètre et 1 millimètre et ont des largeurs par exemple comprises entre environ 1 micromètre et environ 10 millimètres.
[0047] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le champ électrique entre les électrodes du guide linéaire et/ou du piège concentrique présente une fréquence comprise entre environ 1 kHz et environ 1 MHz. La tension est comprise par exemple entre environ 1 V et environ 10 kV. De telles gammes de fréquences et de tensions permettent de maintenir les nano/microparticules en lévitation. Ainsi par exemple, pour des particules de 40 nm à 100 nm de diamètre (Au et PMMA), les déposants ont montré qu'un champ de environ 8kHz avec une amplitude d'environ 200 V fonctionnait pour des électrodes millimétriques. Toutefois ces valeurs dépendent de la taille des électrodes et peuvent être modifiées. L'utilisateur peut choisir des plages d'utilisation en fonction des facilités et des coûts d'utilisation. Par exemple des fréquences kHz seront privilégiées pour générer et moduler de fortes tensions.
[0048] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moyen de positionnement comprend une électrode alimentée par un générateur de courant alternatif ou continu pour déposer l'au moins une particule sur le substrat.
[0049] Selon un mode de réalisation, le transfert de la nano/microparticule chargée à partir du piège concentrique vers le substrat est effectué avec une électrode placée derrière le substrat par rapport au moyen de guidage. Elle est appelée contre-électrode. Autrement dit, la contre-électrode est destinée à être positionnée de telle sorte que le substrat soit disposé entre ladite contre- électrode et le moyen de guidage. Selon un mode de réalisation, le dépôt de la nano/microparticule chargée est effectué sur un emplacement ciblé à la surface du substrat. Selon un mode de réalisation, le dépôt de la nano/microparticule chargée est effectué par l'application d'une tension entre le piège concentrique, e.g. un PPT, et l'électrode du moyen de positionnement, les particules étant poussées vers l'emplacement ciblé. Selon un mode de réalisation, la tension appliquée à l'électrode du moyen de positionnement est comprise entre environ -10 V et environ 10 V.
[0050] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l'électrode du moyen de positionnement est en forme d'anneau, destinée à être positionnée entre le moyen de guidage et le substrat. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l'électrode en forme d'anneau du moyen de positionnement est alimentée par un générateur de courant continu et disposée perpendiculairement à un plan de guidage du guide linéaire de ladite au moins une particule chargée. Dans un tel mode de réalisation, un piège concentrique n'est pas nécessaire. Un tel mode de réalisation permet de déposer un large ensemble de particules puisque les particules sont transférées directement du guide linéaire sur le substrat.
[0051] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moyen de positionnement contrôlé comprend au moins un premier positionneur multi axes pour contrôler la position relative du moyen de guidage par rapport au substrat.
[0052] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, ledit au moins un premier positionneur multi axes permet une mise en contact directe de ladite au moins une particule guidée sur le substrat, le moyen de positionnement ne comprenant alors ni contre électrode ni électrode en anneau.
[0053] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, ledit au moins un premier positionneur multi axes permet un déplacement du substrat ou du moyen de guidage.
[0054] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moyen de positionnement contrôlé comprend un premier positionneur multi axes et un deuxième positionneur multi axes, chacun desdits premier et deuxième positionneurs multi axes étant configuré pour déplacer respectivement le substrat et le moyen de guidage.
[0055] La vitesse de déplacement du dépôt sur le substrat dépend de la vitesse de déplacement du ou des positionneur(s) multi-axe(s), qui peut être par exemple compris entre environ une centaine de Hz et 1 kHz, et du temps de recharge des particules chargées dans le guide linéaire. Le temps de recharge peut être défini comme le temps qu'il faut pour réinjecter des particules dans le guide linéaire par un système d'ionisation.
[0056] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le premier et/ou le deuxième positionneur multi axes permet des mouvements de translation et/ou de rotation.
[0057] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins un des positionneurs multi axes est un système à vis micrométrique, capable d'un déplacement avec une résolution en dessous du micromètre.
[0058] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le premier et/ou le deuxième positionneur multi axes est un nano positionneur pouvant avoir une précision nanométrique. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins un des positionneurs multi axes est un système piézo-électrique pouvant avoir une résolution en dessous du nanomètre. Dans ce cas la vitesse de déplacement du dépôt sur le substrat pourra être de l'ordre de la centaine de Hz/pm.
[0059] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend un système d'ionisation pour créer et disposer l'au moins une particule chargée dans le guide linéaire. Ainsi, le dispositif est adapté pour traiter une solution colloïdale. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le système d'ionisation est choisi parmi le groupe constitué par un système d'ablation laser, un système d'ionisation par frittage, un système d'ionisation chimique et un système d'ionisation à électro nébuliseur (electro spray).
[0060] Dans le cas d'un système d'ionisation de type électro spray par exemple, une solution contenant ladite au moins une particule chargée diluée dans un solvant, e.g. solvant polaire, est décomposée en petites gouttelettes au moyen d'un champ DC élevé pour évaporer le solvant et déposer des charges à la surface des particules.
[0061] Selon un mode de réalisation, une particule obtenue par ablation laser et pouvant se trouver dans un état liquide pourra être décomposée en petites gouttelettes qui seront injectées dans le guide linéaire. [0062] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend en outre une unité de commande électrique et/ou d'automatisation.
[0063] L'unité de commande électrique permet de piloter selon un ou plusieurs modes de réalisation (i) un système d'ionisation afin de contrôler la solution utilisée, e.g. la taille et/ou la composition des particules qui doivent être déposées sur le substrat ; et/ou (ii) un positionneur multi axes afin de piloter le déplacement relatif du substrat par rapport au moyen de guidage, par exemple un positionneur multi axes afin de piloter le déplacement d'un piège concentrique.
[0064] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l'unité de commande électrique permet de piloter un détecteur de courants de fuite pour mesurer la position et la présence des particules chargées en lévitation.
[0065] L'unité de commande peut être un ordinateur, un réseau informatique ou tout autre dispositif qui comprend un processeur, une mémoire locale et/ou un stockage de données local ou distant. Le support de stockage et / ou la mémoire locale peuvent contenir des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par l'unité de commande, amènent le dispositif de dépôt à exécuter un ou plusieurs exemples des commandes décrites ci-dessus.
[0066] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend une caméra configurée pour visualiser le système d'ionisation et/ou le couplage des particules dans le guide concentrique planaire. La caméra peut être reliée à l'unité de commande afin de contrôler le système d'ionisation et/ou le couplage des particules dans le guide concentrique planaire.
[0067] Selon la présente description, le procédé de dépôt comprend les étapes suivantes:
- disposer au moins une particule chargée dans un moyen de guidage, le moyen de guidage comprenant un piège concentrique avec des électrodes alimentées par un premier générateur de tension alternative;
- générer au moyen dudit premier générateur de tension alternative, un champ électrique oscillant entre les électrodes du piège concentrique pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée ; et
- positionner sur le substrat ladite au moins une particule guidée.
[0068] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape suivante : disposer au moins une particule chargée dans un moyen de guidage, le moyen de guidage comprenant en outre au moins un guide linéaire avec des électrodes alimentées par un deuxième générateur de tension alternative.
[0069] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape suivante : générer au moyen dudit deuxième générateur de tension alternative un champ électrique oscillant entre les électrodes dudit au moins un guide linéaire pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée vers le piège concentrique.
[0070]Selon ce dernier mode de réalisation, le piège concentrique est couplé au dit au moins un guide linéaire, pour piéger par lévitation ladite au moins une particule guidée par l'au moins un guide linéaire, le moyen de guidage comprenant le piège concentrique.
[0071] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape suivante : mettre en contact direct ladite au moins une particule chargée avec le substrat au moyen de positionneurs multiaxes.
[0072] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape suivante : appliquer un champ électrique à une électrode du moyen de positionnement alimenté par un générateur de courant alternatif ou continu pour déposer la particule sur le substrat.
[0073]Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape suivante : neutraliser les charges d'au moins une partie des particules déposées. La neutralisation des charges peut être faite par exemple par éclairage des particules chargées déposées, ou par éclairage sélectif d'une partie des particules chargées déposées, par exemple avec un faisceau émias par une source à Ultra-Violet (UV) tel qu'un faisceau laser UV pour une neutralisation sélective d'une partie des particules chargées ou un faisceau émis par une lampe UV pour une neutralisation de l'ensemble des particules chargées.
[0074] Les dispositifs selon le premier aspect peuvent être notamment utilisés pour au moins une des applications suivantes :
nanofabrication (e.g. structures hybrides (matériaux et formes), implantation de particules dans des dispositifs) ; circuits électriques et électroniques (e.g. fabrication de circuits électroniques avec nanoparticules métalliques, matériaux organiques, capteurs, bio capteurs, condensateurs et/ou transistors) ;
électronique organique ; le procédé selon la présente description est alors une alternative aux techniques classiques telles que le procédé à jet d'encre imprimé ou le transfert vers l'avant induit par laser pour fabriquer des transistors à couches minces et des diodes électroluminescentes organiques.
EXEMPLES
[0075] Les Figs. 1A et 1 B représentent des schémas d'un dispositif 100 pour le dépôt sur un substrat S d'au moins une particule chargée Pi selon deux exemples de réalisation de la présente description. Le dispositif 100 comprend dans ces exemples un système d'ionisation 101 , un moyen de guidage 1 10, un moyen de positionnement contrôlé 103 de la particule guidée par le moyen de guidage sur le substrat S et une unité de commande 104 pour la commande électrique du système d'ionisation 101 et/ou du moyen de guidage 1 10 et/ou du moyen de positionnement contrôlé 103.
[0076] Dans l'exemple de la Fig. 1 A, le moyen de guidage 1 10 comprend un piège concentrique comprenant des électrodes et un premier générateur de tension.
[0077] Dans l'exemple de la Fig. 1 B, le moyen de guidage 1 10 comprend un guide linéaire 310 en plus du piège concentrique 306. Le guide linéaire 310 permet de guider par lévitation au moins une particule chargée Pi vers le piège concentrique 306. Le guide linéaire comprend des électrodes alimentées par un deuxième générateur.
[0078] Ainsi, dans l'exemple de la Fig. 1 B, le piège concentrique est couplé au guide linéaire, pour piéger par lévitation ladite au moins une particule guidée par le guide linéaire.
[0079] Le système d'ionisation 101 permet de générer les particules chargées, par exemple à partir de solution colloïdales, et d'envoyer lesdites particules chargées dans le moyen de guidage 1 10. Un exemple d'un système d'ionisation est illustré sur la Fig. 6. Les particules chargées sont guidées par lévitation grâce au moyen de guidage 1 10 puis positionné sur le substrat S au moyen du moyen de positionnement 103. [0080] Les Figs. 3A et 3B d'une part, et 3C et 3D d'autre part, illustrent deux exemples de moyens de guidage et de positionnement. Les Figs. 2A et 2B représentent des vues de coupe d'un exemple de guide linéaire d'un moyen de guidage tel qu'illustré sur les Figs. 3A et 3B par exemple.
[0081] Sur les Figs. 3A, 3B, 3C et 3D, le système d'ionisation n'est pas représenté. Les Figs. 3B et 3D représentent des vues « de profil » respectivement des Figs. 3A et 3C qui sont des vues « de dessus ».
[0082] Dans les deux exemples de moyens de guidage et de positionnement représentés, les électrodes du guide linéaire (310 Figs. 3A, 3B, et 320 Figs. 3C, 3D) sont agencées selon une direction principale, le substrat étant agencé dans un plan sensiblement parallèle à cette direction principale.
[0083] Sur les Figs. 3B et 3D, on observe les particules en lévitation à distance des électrodes respectivement du guide linéaire 310, 320 et du piège concentrique 306 du moyen de guidage.
[0084] Dans l'exemple illustré sur les Figs. 3A, 3B le moyen de guidage comprend un guide linéaire planaire 310 avec une pluralité d'électrodes alimentées par un générateur 360 pour générer un champ électrique oscillant entre lesdites électrodes. Le guide linéaire 310 est couplé avec un piège concentrique planaire 306 comprenant des électrodes et un générateur de tension 307 pour générer un champ électrique oscillant entre les électrodes du piège concentrique. Le guide linéaire planaire 310 guide les particules chargées jusqu'au piège concentrique planaire. Le piège concentrique planaire piège la ou les particule(s) chargée(s) Pi de manière localisée en son centre. Le moyen de positionnement contrôlé comprend dans cet exemple une électrode 333 et un troisième générateur de courant continu, représentés sur la Fig.3B. L'électrode 333 du moyen de positionnement est disposée du côté opposé à la face de dépôt du substrat S. Une tension est appliquée entre le piège concentrique et l'électrode. Cette tension permet d'accélérer ladite au moins une particule chargée et déposer sur le substrat la particule chargée en suivant le trajet le plus court entre le piège concentrique et l'électrode, qui est en général une ligne droite. Le moyen de positionnement peut comprendre également au moins un positionneur multiaxes 343 qui peut permettre de déplacer le substrat S et/ou le moyen de guidage et/ou l'électrode 333 du moyen de positionnement. [0085] Un exemple d'un guide linéaire planaire est par exemple illustré sur les Figs. 2A et 2B, la Fig. 2B illustrant une vue en coupe selon l'axe AA' de la Fig. 2A. Le guide linéaire planaire comprend dans l'exemple des Figs. 2A, 2B, 5 électrodes 121 , 122, 123, 124, 125 agencées dans un plan, dont 2 électrodes périphériques 124, 125 et trois électrodes centrales 121 , 122, 123. Dans cet exemple, les électrodes périphériques sont connectées à la masse, ainsi que l'électrode centrale 122. Les électrodes centrales illustrées sur la Fig.2A s'étendent le long d'un axe principal y, l'axe y étant l'axe selon lequel les particules chargées sont guidées, et sont espacées d'une distance prédéterminée selon un axe x perpendiculaire à l'axe y, dans le plan du guide linéaire planaire. Par exemple, les électrodes sont espacées d'environ 100 pm à environ 1 mm et présentent des largeurs d'environ 200 pm à environ 1 mm et des longueurs typiquement de plusieurs mm. Sur les Figs. 2A et 2B, la géométrie des électrodes est illustrée par les dimensions a et b. La dimension a correspond à la somme de la largeur d'une électrode correspondant à la masse avec l'espacement entre deux électrodes et la dimension b correspond à la somme de la largeur d'une électrode RF et de l'espacement entre deux électrodes. Les dimensions de a et b sont comprises typiquement entre environ 100 pm et 2 mm. Sur la vue en coupe de la Fig. 2B, l'axe z représente la hauteur à laquelle les particules lévitent, typiquement plusieurs centaines de microns. Cette hauteur dépend des dimensions a et b. La Fig. 2B illustre également les lignes de champ équipotentielles générées par le deuxième générateur de tension alternative le long du guide linéaire. Au-dessus de l'électrode centrale 122, un espace 206 ne présente pas de ligne de champ. Dans cette espace, la particule chargée est piégée à une distance donnée selon l'axe z au-dessus de l'électrode centrale par lévitation et guidée le long des électrodes selon l'axe y. Ce piège de la particule chargée par un champ électrique oscillant est connu sous le nom de Piège de Paul.
[0086] L'exemple des Figs. 3C, 3D est similaire à celui des Figs. 3A, 3B mais le guide linéaire 320 est volumique ; il comprend un nombre donné d'électrodes, dans cet exemple 4 électrodes disposées en quadrille, deux des électrodes étant 2 à 2 alternativement connectées à la masse. Par exemple, La tension peut être typiquement d'environ 1.2kV avec une fréquence d'environ 800 Hz pour piéger des particules d'environ 40 nm à 100 nm de diamètre d'Au avec un guide linéaire volumique d'environ 7 cm de longueur.
[0087] La Fig. 4 illustre un autre exemple d'un moyen de positionnement. Dans cet exemple, le moyen de guidage comprend, comme dans l'exemple des Figs. 3C, 3D, un guide linéaire volumique avec des électrodes agencées selon une direction principale. Dans cet exemple, le moyen de positionnement comprend une électrode 303 en forme d'anneau disposée perpendiculairement à la direction principale des électrodes. Un générateur de courant continu 308 permet d'alimenter l'électrode 303 afin de déposer la particule sur le substrat. Ainsi, l'électrode en anneau « focalise » sous l'effet de la tension continue la trajectoire des particules chargées sur le substrat S. Par exemple, la tension peut être comprise environ entre -10V et 10V.
[0088] La Fig. 5 représente un schéma illustrant selon une vue « de dessus » un dispositif avec un moyen de guidage planaire pour le dépôt sur un substrat de plusieurs types de particules chargées Pi - P4 selon un exemple de réalisation de la présente description. Le dispositif de la Fig.5 comprend quatre guides linéaires planaires 510, 51 1 , 512, 513, chaque guide linéaire comprenant un générateur de tension alternatif 560, 561 , 562, 563. Chaque guide linéaire permet de guider par lévitation chaque type de particules jusqu'à un piège concentrique 506, alimenté par un générateur 507.
[0089] Préférentiellement, les particules chargées émises par chacun des guides linéaires sont guidées de façon alternée vers le piège concentrique. L'utilisateur pourra ainsi contrôler la connexion entre l'un des guides linéaires et le piège concentrique afin de choisir la particule qui sera injectée dans le piège concentrique. Selon un mode de réalisation, chacun des guides linéaires comprend des électrodes segmentées permettant la sélection et le filtrage des particules en vue de leur transfert séquentiel et contrôlable dans le piège concentrique. Ce transfert sera contrôlé par l'application d'une tension DC entre les électrodes segmentées.
[0090] La Fig. 6 représente un schéma illustrant un système d'ionisation 601 combiné avec un guide linéaire 602, selon un exemple de la présente description. Le système d'ionisation 601 est par exemple un système d'ionisation par électro nébuliseur (ESI) qui permet la dispersion d'un liquide sous forme de gouttelettes chargées électriquement, autrement dit sous forme de particules chargées Pi . La nébulisation des solutions par ESI est obtenue par une méthode électrostatique, i.e. en appliquant une différence de potentiel élevée (environ entre ±3 et ±5 kV) entre l'extrémité de l'émetteur (tube capillaire en acier inoxydable, jonction liquide) et un orifice situé à proximité.
[0091] Bien que des modes de réalisation et exemples mentionnés ci-dessus soient décrits en détails, il est entendu que des modes de réalisation supplémentaires peuvent être envisagés. De plus, sauf spécification contraire dans la présente description, il sera apparent pour l'homme du métier que tous les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être combinés entre eux. Ainsi, sauf spécification contraire, toutes les caractéristiques des modes de réalisation décrits ci-dessus, peuvent être combinées avec ou remplacées par d'autres caractéristiques d'autres modes de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (100) pour le dépôt sur un substrat (S) d'au moins une particule chargée (P1 ), comprenant :
- un moyen de guidage (1 10) comprenant un piège concentrique (306) pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée, ledit piège concentrique comprenant des électrodes et un premier générateur de tension alternative pour générer un champ électrique oscillant entre lesdites électrodes et
- un moyen de positionnement contrôlé (103) de ladite au moins une particule guidée sur le substrat.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le moyen de guidage comprend en outre au moins un guide linéaire (1 10) pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée, ledit piège concentrique étant couplé au dit au moins un guide linéaire pour piéger par lévitation ladite au moins une particule guidée par l'au moins un guide linéaire, ledit au moins un guide linéaire comprenant des électrodes et un deuxième générateur de tension pour générer un champ électrique oscillant entre les électrodes dudit au moins un guide linéaire .
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le moyen de guidage comprend au moins deux guides linéaires (510 - 513) configurés pour guider des particules chargées différentes.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel le guide linéaire est planaire.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le piège concentrique est planaire.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de positionnement contrôlé comprend une électrode pour le positionnement de ladite au moins une particule guidée sur le substrat, et un troisième générateur de courant alternatif ou continu pour alimenter ladite électrode.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'électrode du moyen de positionnement contrôlé est en forme d'anneau (303) et est destinée à être disposée entre le moyen de guidage et le substrat.
8. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'électrode du moyen de positionnement contrôlé (333) est destinée à être disposée de telle sorte que le substrat soit disposé entre ladite électrode et le moyen de guidage.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de positionnement contrôlé comprend un premier positionneur muiti axes (343) pour contrôler la position relative du moyen de guidage par rapport au substrat.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins un système d'ionisation (101 ) pour créer et disposer l'au moins une particule chargée dans ledit moyen de guidage.
1 1. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une unité de commande.
12. Procédé de dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée comprenant les étapes suivantes :
- disposer au moins une particule chargée dans un moyen de guidage, le moyen de guidage comprenant un piège concentrique avec des électrodes alimentées par un premier générateur de tension alternative;
- générer au moyen dudit premier générateur de tension alternative un champ électrique oscillant entre les électrodes du piège concentrique pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée ; et
- positionner sur le substrat ladite au moins une particule guidée.
13. Procédé de dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée selon la revendication 12, dans lequel le moyen de guidage comprend en outre au moins un guide linéaire avec des électrodes alimentées par un deuxième générateur de tension alternative ; et le procédé comprend en outre l'étape de
- générer au moyen dudit deuxième générateur de tension alternative un champ électrique oscillant entre les électrodes dudit au moins un guide linéaire pour guider par lévitation ladite au moins une particule chargée vers le piège concentrique.
14. Procédé de dépôt sur un substrat d'au moins une particule chargée selon l'une quelconque des revendications12 ou 13, dans lequel l'étape de positionner sur le substrat ladite au moins une particule guidée comprend l'étape de générer un courant alternatif ou continu pour alimenter une électrode, configurée pour le positionnement de ladite électrode sur le substrat.
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