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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 [email protected]
inl.cnrs.frSommaire
� L’INL
� La plateforme NANOLYON
� Moyens pour la micro et la nano
structuration
� Réalisations/ Applications
� Conclusion
2
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)
4
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected] ; [email protected]
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.
29