micro et nano structuration du silicium sur la plateforme...

Micro et nano structuration du silicium sur

la plateforme Nanolyon.

Du silicium poreux à la nano-écriture

Journées Thématiques CMDO+

Besançon

115/10/2008 Andrei SABAC andrei.sabac@insa-lyon.fr

inl.cnrs.frSommaire

� L’INL

� La plateforme NANOLYON

� Moyens pour la micro et la nano

structuration

� Réalisations/ Applications

� Conclusion

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inl.cnrs.fr

Institut des Nanotechnologies de Lyon

UMR 5270 CNRS/ECL/INSA/UCBL

� Laboratoire de recherche fondamentale et appliquée dans le domaine des

micro- et nanotechnologies. Sa vocation est de mener des recherches,

s’étendant des matériaux aux systèmes, permettant l’émergence de filières

technologiques complètes pour plusieurs secteurs d’application (les

semiconducteurs et la microélectronique, les télécommunications, l’énergie, la

santé, la biologie, le contrôle industriel, la défense, l’environnement).

� Les recherches sont articulées autour de quatre grands axes (départements)

thématiques (Matériaux , Electronique, Photonique & Photovoltaïque et

Biotechnologie et santé)

� Les programmes de recherche s'appuient pour la plupart sur les moyens de la

plate-forme technologique lyonnaise Nanolyon .

� Le laboratoire est réparti sur les sites de l'Ecole Centrale de Lyon, l'INSA de

Lyon, l'Université Lyon 1 et CPE. Il regroupe 106 personnels permanents et

environ 90 non permanents. Le budget annuel hors salaires est de l'ordre de 3

M€ TTC.

� L'équipe de direction est constituée de G. Hollinger (directeur), G. Guillot

(directeur adjoint, responsable du site INSA) et P. Morin (directeur adjoint,

responsable du site UCBL) et I. O'Connor (directeur adjoint, responsable du

site ECL).

3

inl.cnrs.fr

� En interne à l’INL

– pour le développement de nanotechnologies, de nanomatériaux et

nano composants (formation, encadrement, pour une utilisation en

libre accès) et nano caractérisations

� En externe aux acteurs de la recherche désirant

– réaliser ponctuellement des opérations technologiques standards

(dépôt, gravure, litho)

– développer un projet de recherche en collaboration (expertise,

savoir-faire, accès à des moyens spécifiques)

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Outil au service des projets de recherche

Plate-forme Lyonnaise NANOLYON

MICRO-NANOTECHNOLOGIES & BIOTECHNOLOGIES

inl.cnrs.fr

Plate-forme Lyonnaise NANOLYON

MICRO-NANOTECHNOLOGIES & BIOTECHNOLOGIES

Ouverture en interne comme en externeAppui technologique aux recherches et aux collaborations

Formation et encadrement des personnels, doctorants et stagiaires

Enseignements technologiques pratiques (TP…)

Quelques chiffres

200 m2 de salles blanches, 300 m2 de salles technologiques propres

Personnels techniques : 10

Budget annuel de fonctionnement : de l’ordre de 400 K€

Investissements réalisés : parc équivalent à 7 M€

Accueil/Formation/Encadrement : 40 permanents / 30 à 50 non permanents

Technologies disponiblesProcédés standards (notion de service)

Procédés et filières spécifiques (collaboration scientifique)

– Filière III-V GaInAlAsP

– Filière Si / SiC : photovoltaïque, microtechnologies, Si poreux, SiC, oxydes épitaxiés

– Filière organique (OLED, OFET)

– Filière biopuces/labs on chip, Microcapteurs biomédicaux)

5Contact: Jean-Louis.Leclercq@ec-lyon.fr

inl.cnrs.frParc technologique

� Chimie et préparation de surfaces

� Porosification par anodisation électrochimique

� Photolithographie UV, lithographie électronique, holographie

� Fours, RTA, diffusion thermique

� Evaporateurs (effet Joules, canon)

� Dépôts PECVD-ECR, PECVD multi-électrodes, LPCVD, pulvérisation cathodique, dépôts électrolytiques

� Gravures humides, RIE, ICP, électrochimiques, FIB

� Epitaxies (EJM, LPE, VPE)

� Photomasqueur/synthétiseurs de puces ADN

� Microscopie optique, MEB, TEM, STM, AFM,

ellipsométrie, XPS, SIMS, FTIR, DDX, profilométries

mécaniques et optiques, fluorescence spatiale…

� Polisseuse, Microsoudeuse, cliveuse, scie à fil

Principaux équipements

200 m² de salles blanches et 300 m²de salles technopropres répartis sur les 3 sites

6

inl.cnrs.frAnodisation Si, SiC

Bancs de gravure électro-chimique

3 mm, 1 cm, 2 cm, 2 pouces, 4 poucesTaille des

échantillons

• Fabrication de nano-particules et de nano-

poudres

• Porosification de substrats Si et SiC

• Fabrication de multi-couches pour les

aplications photoniques (couches antireflets,

miroirs de Bragg, filtres Fabry-Perrot, …)

• Usinage rapide de substrats Si et SiC

Applications

• Gravure multi-échelle de substrats Si et SiC

• Solution électrochimique: HF/éthanol

• Températures de gravure: de -40°C à 25°C

• Cellules en téflon pour la gravure simple- et

double-face

• Générateurs de courant pilotés par PC,

bipolaires, impulsionels, mono-pulses,

différentes puissances (1A/100V; 20A/100V;

50A/100V, …)

Description

Site INSA

inl.cnrs.frLithographie Holographique

2 cm²Taille des

échantillons

Réalisation de plots et de trous

sur des substrats de verre et de

silicium

Applications

Réalisation de motifs périodiques

de pas compris entre 150 et 600

nm dans une résine

photosensible par interférences

d’un rayonnement laser dans

l’UV (248 nm)

Description

Banc d’insolation holographiqueSite INSA

inl.cnrs.fr

Micro Nanostructuration du Silicium

DescriptionFormation de structures micrométriques,

submicrométriques et nanométriques

(en cours d’étude) à grands facteurs de

forme (≈ 60 -100). Gravure parfaitement

adaptée à la réalisation de réseaux

périodiques (pores, murs, piliers, tubes,

…).

Applications Diverses applications (nanofluidique,

photonique, surfaces

superhydrophobes, détecteurs RX,

guides ioniques, …)

Taille des

échantillons

Gravure sur une surface circulaire de 2

cm de diamètre.

Gravure Electrochimique

H O2

Ethanol

HF 50%

Pt

Pt

Counter electrode

Reference

electrode

V

I

Vref

Site UCBL

inl.cnrs.frNano-écriture/Observation

Images de réalisations

Qq cm² maxTaille des

échantillons

Observation échantillons

Qualification des étapes technologiques

Ecriture par faisceau d’électrons de

structures submicrométriques

Applications

Microscope électronique à balayage

avec système d ’écriture par faisceau

d ’électrons - carte Raith … KHz, taille

de faisceau … nm

Description

Système lithographie e-beam /MEB

Jeol JSM 5500

Site ECL

inl.cnrs.frNano-écriture/Observation

Observation échantillons

Qualification des étapes technologiques

Ecriture par faisceau d’électrons de

structures submicrométriques

Applications

Source FEG, acquisition d ’image avec

une camera numérique,

grossissement x300000

Pilotage ELPHY PLUS 6 MHz

Description

Système lithographie e-beam /MEB

FEI Inspec F

Site ECL

Système opérationnel depuis juillet 2008

inl.cnrs.frNano-écriture

FIB SEIKO SMI 8800

6’’ maximumTaille des

échantillons

nano structuration de surface pour les nano

dispositifs

analyse –cross section

microsystèmes

fabrication des pointes pour microscopie à

sonde locale

nano photonique

Applications

- gravure et dépôt localisé

- source ions: Ga

- source dépôt W(CO)6

- colonne verticale

- sas de chargement

- platine: pilotage par ordinateur ou en mode

manuel

X,Y :0-200 mm avec 0,125µm/step

Z: 0-21 mm avec 0,25 µm/step

Θ: 360° avec 0,02°/step

Tilt: 60° max avec 0,006°/step

Diamètre mini faisceau 50 nm

Pilotage faisceau: ELPHY QUANTUM 2,5 MHz

Description

Site INSA

inl.cnrs.fr

3’’maximumTaille des

échantillons

Filière InGaAsP, InGaAlAs

Filière GaAlAs,

Diélectriques Si3N4, SiO2

Si, SiC, Si poreux

ITO, Polymères

Applications

Système de gravure sèche avec suivi

interférométrique (λ=673,5 nm)

Gaz: O2, Ar, H2, CHF3, CH4, SF6, Cl2

Pression de travail : 100mT max.

Puissance RF 13,56MHz : 0-300 W

Cathode : 110 mm diamètre

Système de focalisation plasma

Description

Gravure sèche

Réacteur Alcatel Nextral NE 110 Site ECL

inl.cnrs.frGravure sèche

Réacteur ICP ETREM 13,56 MHz

6’’maximumTaille des

échantillons

Filière InP

Filière GaAlAs,

Diélectrique Si3N4, SiO2

Si, SiC, Si poreux

Verre

Applications

Système de gravure sèche par plasma à

couplage inductif – Réacteur tubulaire

Sas d’introduction automatisé

Gaz: O2, Ar, H2, CHF3, CH4, Cl2Pression de travail : 100mT max.

Puissance RF 13,56MHz : 0-1400 W

Cathode : 200 mm diamètre (Al ou Si)

Autopolarisation : 0-600 W à 13,56 MHz

Régulation Tre. Cathode : -10°C/+120°C

Distance Cathode/plasma réglable

Description

Site ECL

inl.cnrs.frDépôt PECVD

Réacteur PECVD SEMCO

15 étages simultanés de 15x15 cm² chaqueTaille des

échantillons

Type de couches :

Nitrure de silicium hydrogéné

Oxynitrure de silicium hydrogéné

Oxyde de silicium

Couches antireflet et de passivation pour

applications photovoltaïques sur silicium.

Applications

Dépôt PECVD de type direct, capacitif.

Fréquence : 440 kHz

Température : 20-400°C

Puissance : 5 kW en pulsé, 2 kW max en

continu.

Pression max de dépôt : 5 Torr

Lignes de gaz : SiH4, NH3, N2, N2O, O2, C2F6

Support des échantillons en graphite.

Description

Site INSA

inl.cnrs.frAnodisation: Si SiC…

Principe de fabrication:

Gravure

électrochimique

du silicium

(anodisation)

Paramètres

Type du substrat et niveau de dopage

Concentration de l’électrolyte

Densité de courant → Porosité

Temps d’attaque → EpaisseurPhoto MEB en coupe

16

inl.cnrs.frAnodisation

Approche “top-down”

� Substrats nanostructurés

� Poudres

� Nanoparticules

Beaucoup d’applications: marquage cellules,

photonique, biodétection, stockage H,

substrats minces…

inl.cnrs.frNanoparticulesNanoparticules SiCSiC pour lpour l’’imagerieimagerie cellulairecellulaire

18Thèse: Jaques Botsoa Contact: Vladimir.Lysenko@insa-lyon.fr

Marquage hétérogène

Biocompatibilité

inl.cnrs.frPrincipe de structuration verticale

Profil d’indice de réfraction de la structure en fonction de la profondeur

Contrôlé par le profil de densité de courant en fonction du temps

Photo MEB en coupe

19Thèse: Elisa Guillermain Contact: Taha.Benyattou@insa-lyon.fr

inl.cnrs.fr

Fabrication et caractérisation de multicouches

en Si poreux

Miroir de Bragg :

Contrôle parfait des

épaisseurs et

porosités des

couches

Couche de surface :

Application à la biodétection

Thèse: Elisa Guillermain Contact: Taha.Benyattou@insa-lyon.fr

inl.cnrs.fr

Etapes du procédé :

• Porosification du Si

• Dépôt d’un masque dur

• Lithographie électronique

• Transfert des motifs dans le

masque dur par RIE

• Gravure du Si poreux par RIE

(plasma SF6)

(A plus long terme la structure en Si poreux sera

reportée sur silice pour une caractérisation en

transmission.)

Multicouche en Si poreux

microstructuré latéralement par un

réseau de fentes/ de trous.

Application à la biodétection.

Résultat préliminaire :

Exemple de structure visée :

Fabrication de cristaux photoniques en Si poreux

21Thèse: Li Cheng Contact: Cecile.Jamois@insa-lyon.fr

inl.cnrs.frDescription de l’insolation holographique

� Principe de fonctionnement

– Réaliser des motifs nanométriques par

interférences de 2 ondes lumineuses

– Laser (λ = 244 nm) => pas de réseau

compris entre 150 nm et 600 nm

� Possibilité de réaliser des réseaux de

traits ou des motifs bipériodiques

– Plots (résine positive)

– Trous (résine négative)

échantillon

miroir

Filtre spatial Porte échantillon

- θ+ θ

Z

X

L

A

S

E

R

échantillon

miroir

Filtre spatial Porte échantillon

- θ+ θ

Z

X

L

A

S

E

R

22Contact: Regis.Orobtchouk@insa-lyon.fr

inl.cnrs.frPrincipaux résultats : lithographie

� Résine positive DUV III

– Réalisation de plots de pas = 300

nm

– ↗ de la dose => ↘ de la taille des motifs– Plots de 150 nm– Plots de 100 nm– Résolution donnée par le

constructeur(300 nm ligne dense)

� FEP 171– Résolution < 100 nm

23Contact: Regis.Orobtchouk@insa-lyon.fr

inl.cnrs.fr

� Remplacer Si massif (300 µm) →→→→ des couches de Si monocristallin (20 à 50 µm)

reportées sur supports économiques (verre, ….))

Epitaxie

Si p

Si

Couche poreuse

Si

Soudure Al/Al

Détachement US

Si p

Céramique ou verre

Réutilisation du substrat

Transfert de couches minces de silicium (20 à 50 µm) sur substrat bas coût

pour applications photovoltaïques.

Si p

Céramique ou verre

Techno cellule HIT

(T<250°C)

n+p+

p+ p+

Silicium poreux

Silicium épitaxié

Substrat

Image MEB. Epitaxie sur Si poreux Couche de Si (e=50 µm; diamètre

10cm) reportée sur verrea-Si:H/c-Si heterojunction solar

cell on 20 µm epitaxial thin layer

24Thèse: Sevak Amtablian Contact: Mustapha.Lemiti@insa-lyon.fr

inl.cnrs.fr

Rendement quantique interneRendement quantique interne

20

30

40

50

60

70

80

90

100

350 450 550 650 750 850 950 1050 1150

Longueur d'onde (nm)

IQE (%)

moy 98A

moy 98 B

______ cellule avec SiN standard

________ cellule avec SiN nanostructuré (R = 10)

20

30

40

50

60

70

80

90

100

350 450 550 650 750 850 950 1050 1150

Longueur d'onde (nm)

IQE (%)

moy 98A

moy 98 B

______ cellule avec SiN standard

________ cellule avec SiN nanostructuré (R = 10)

Ingéniérie des propriétés photovoltaïques des cellules

� But : Amélioration de performances des cellules PV par l’intégration contrôlée

de nanocristaux Si dans des couches diélectriques amorphes épaisses

� Concept exploité à l’INL : formation des nanocristaux

dans des couches non stoechiométriques SiNx:H déposées

par PECVD (effet [NH3]/[SH4])

Substrat SiSubstrat Si

Cellule solaire PV en Si

3 * 101156

1013410

Densité

(cm-2)

Diamètre

(nm)

Rapport

R

3 * 101156

1013410

Densité

(cm-2)

Diamètre

(nm)

Rapport

R

25Contact: Mustapha.Lemiti@insa-lyon.fr

inl.cnrs.frCellules PV de 3ème génération

� Concepts visant à dépasser le rendement théorique des cellules en Si

(meilleure exploitation du spectre solaire)

– Exploitation des propriétés des nc-Si

– Conversion de photons

– Cellules Tandem « tout silicium »

�

Super-réseaux 3D de nc-Si

� SiNx:H déposé par LF-PECVD

– Formation intrinsèque de nc-Si

– Maîtrise de la taille, de la densité,

et de l’espacement des nc-SiSiNx

Si3N4

5.00 nm

1 nm1 nm{111}{111}{111}{111}

26Contact: Mustapha.Lemiti@insa-lyon.fr

inl.cnrs.fr

� Multi-couches alternées SiNx riche/SiNx « stoechio »

50 nm50 nm40 nm

Si SiN

(a) (b)

Cellules PV de 3ème génération

Réalisation de membranes de SiNx

27Contact: Mustapha.Lemiti@insa-lyon.fr

inl.cnrs.fr

Structures Photoniques pour l'Amélioration du

rendement des Cellules Solaires photovoltaïques

Objectifs : Développer une nouvelle structure PV bénéficiant des développements

de nouveaux concepts dans le domaine de la micro-nano-photonique.

Augmentation durée de vie des photons

(mode de Bloch lent)

Favoriser l’absorption des photons dans une couche ultra-mince

28Contact: Christian.Seassal@ec-lyon.fr ; Mustapha.Lemiti@insa-lyon.fr

inl.cnrs.frConclusion

� Les matériaux basés silicium restent un candidat de choix

pour beaucoup d’applications allant de la biologie au

photovoltaïque

� Nombreuses technologies sont disponibles pour la micro et la

nano structuration du silicium

� Certaines très efficaces et aussi compatibles avec la nano

fabrication sur des surfaces importantes

� La nano écriture: moyen très puissant mais limité rapidement

en surface.

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