Etude des mécanismes de nanogravure par FIB-LMAIS - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Nanomilling mechanisms using FIB-LMAIS

Etude des mécanismes de nanogravure par FIB-LMAIS

Résumé

The reduction of device sizes represents a major issue in microelectronic industry which motivates several teams of researchers to develop nanopatterning with atomic resolution. In this context, maskless nanostructuration techniques are well-adapted and have an important potential for the nearest future in labs and industry. The aim of the project I worked on is the connection in a Ultra-High-Vacuum (UHV) environment between a Dual-Beam, equipped with a FIB (Focused Ion Beam) and a SEM (Scanning Electron Microscopy) and a MBE (Molecular Beam Epitaxy) cluster, which is the highest-controlled deposition technique. The UHV environment is the solution for an absolute cleanliness and represents a relevant way to fabricate functionalized devices for micro-nanoelectronics, optoelectronics, photovoltaic, spintronic, plasmonic, etc. This UHV connection combining FIB nanostructuration and epitaxy growth technique provides a unique platform to elaborate tridimensional structures with a succession of milling and deposition steps. Among different applications, we decided to focus on the two well-studied systems: silicon based nanostructures and III-V based nanostructures. Regarding silicon nanostructures, on which I particularly worked, the main challenge for microelectronics industry and for the researchers in this field is the realization of optoelectronics devices fully integrated in silicon systems. This requires to convert silicon based materials into absorber/emitter of light, which is not the case of IV-IV bulk materials, which have an indirect bandgap. Many ways to change this material nature were experimented, but remain unsuccessful nowadays. One of the most promising way to change the electronic structure and to get a direct bandgap is the combination of chemical functionalization and quantum confinement into silicon based nano-objets. Recently, many demonstrations highlight "magical" geometric structures, whose elaboration requires an alternation between top-down (milling) and bottom-up (epitaxy growth) approaches. The problems in this kind of process is the introduction of contaminants and defects related to the atmosphere, between milling and deposition steps, which are unacceptable and banished for the device reliability. The first chapter deals with nanostructuration techniques to achieve nanometric-scale structures. The different lithography processes for patterning are described. Chapter 2 presents silicon and germanium, and the alloy SiGe (Silicon-germanium). Firstly, optical and electrical properties will be presented, then, SiGe epitaxy growth for quantum wells fabrication is briefly recalled. Chapter 3 is focused on the FIB, an advanced tool for ionic lithography which enables nanomilling for nanometer scale patterning. To achieve this, I used various ion sources such as Au, Si, Ga, Ge. I compared the characteristics and the defects created by the ion beam during patterning. In this context, I developed a process to suppress this kind of defects and to restore the substrate crystallinity via solid phase epitaxy regrowth. The fourth chapter talks about FIB advantages on porous substrates for speeding up the milling instead of using a bulk substrate. Thanks to the parameters provided by the FIB for shapes and doses, the patterning presents a tremendous choice of parameters for the milling. We coupled this fabrication with nanoimpression lithography to get optical masters for replication. I will show the applications of this process for the fabrication of anti-reflective coatings or Mie resonators. Chapter 5 presents the condensation of SiGe on SOI substrate. This process is a method to elaborate SGOI or even GOI substrate (SiGe On Insulator / Germanium On Insulator). The fabrication of Ge nanocristals fully embedded in SiO2 with sub-30nm diameter is a combination of FIB nanopatterning and solid state dewetting during condensation process.
Les problématiques liées à la diminution de la taille des dispositifs actuels amènent l’industrie à réfléchir à des techniques de gravure ayant des résolutions à l’échelle de l’atome. Dans ce contexte, les techniques de nanostructuration directes sont très bien adaptées et représentent un potentiel important pour un futur proche dans les laboratoires de recherches. Le projet sur lequel j’ai travaillé avait pour but de coupler dans un environnement Ultra-Vide (UHV), un Dual-Beam, composé d’un FIB (Faisceau d’Ions Focalisé) et d’un MEB (Microscope électronique à balayage) et un bâti d’épitaxie par jet moléculaire (MBE), technique ultime en termes de dépôt. Cet environnement ultra-vide répond à la nécessité de propreté absolue des substrats et constitue un moyen pertinent de rendre fonctionnels les dispositifs ainsi élaborés dans des domaines aussi variés que la micro-nanoélectronique, l’optoélectronique, le photovoltaïque, la spintronique, la plasmonique, etc. La connexion sous UHV de la nanofabrication FIB à la croissance par épitaxie par jets moléculaires représente une voie unique pour fabriquer des structures 3D en alternant des étapes de gravure et de dépôt. Parmi les différentes applications, nous avons choisi de nous focaliser sur nanostructures de silicium. Le principal challenge pour l’industrie microélectronique et pour les chercheurs qui l’accompagnent est d’être capable de réaliser une optoélectronique entièrement intégrée à base de Si. Cela nécessite de convertir les matériaux à base de Si en absorbeur/émetteur efficaces de lumière, ce qui n’est pas le cas des matériaux massifs IV-IV qui ont une bande interdite indirecte. De nombreuses voies ont été testées, sans succès à ce jour. Une des pistes les plus prometteuses pour obtenir une bande interdite directe est de combiner les effets de la fonctionnalisation chimique et du confinement quantique dans les nano-objets. Des démonstrations récentes ont mis en évidence des géométries de structures « magiques » qui ne peuvent être obtenues que par une combinaison d’étapes Top-Down (gravure) et Bottom-Up (croissance). Le problème de cette combinaison est l’introduction de contaminants et de défauts, entre les étapes, qui sont rédhibitoires pour la fabrication ultérieure de composants électroniques fiables. Le premier chapitre traitera des différentes techniques de nanostructuration afin de réaliser des structures à l’échelle nanométriques. Les différents procédés de lithographie, permettant la réalisation de motifs sont décrites. Le chapitre 2 présente le silicium et le germanium, ainsi que l’alliage SiGe. Une fois les propriétés optiques et électroniques présentées, la croissance épitaxiale de cet alliage est abordée, pour la fabrication de boites quantiques. Le chapitre 3 est focalisé sur le FIB et plus particulièrement, un outil LMAIS-FIB de lithographie ultime utilisant différents types d’ions pour réaliser des gravures nanométriques. Pour réaliser ces étapes, j’ai utilisé des faisceaux d’ions focalisés de différentes natures (Si, Ga, Ge et Au) et j’ai comparé leurs caractéristiques et les dégradations induites par la gravure. J'ai dans ce contexte développé un procédé permettant d’éliminer la majorité des défauts crées grâce à des traitements thermiques. Le chapitre 4 présente les avantages de la gravure ionique sur un substrat poreux afin d'accélérer la vitesse de gravure par rapport à un substrat plein. Grâce à la versatilité du FIB, les motifs à graver peuvent être modulables. Le couplage de cette fabrication avec la lithographie par nano-impression permet l’obtention de masters réplicables pour des applications optiques, notamment des couches anti-réflectrices. Enfin, le cinquième chapitre présente l’oxydation du silicium-germanium sur substrat SOI et notamment, l’organisation de nanocristaux de germanium enrobé dans de l’oxyde de silicium induite par une combinaison de nanogravures et de démouillage solide durant le procédé de condensation.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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Dates et versions

tel-01846277 , version 1 (21-07-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01846277 , version 1

Citer

Jean-Benoît Claude. Etude des mécanismes de nanogravure par FIB-LMAIS . Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Aix Marseille Université, 2017. Français. ⟨NNT : 2017AIXM0445⟩. ⟨tel-01846277⟩
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