Brevet FR2870041A1 — publié le 20051111

PROCEDE DE FABRICATION D'UN COMPOSANT PRESENTANT UN RELIEF NANOMETRIQUE ET/OU DES VARIATIONS D'EPAISSEUR, COMPOSANT ET SES DERIVES ISSUS DE CE PROCEDE ET LEURS APPLICATIONS La présente invention est relative au domaine de l'élaboration de composants présentant un relief de niveau nanométrique. Elle concerne un procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur, un composant et ses dérivés issus de ce procédé et leurs applications. Elle est particulièrement bien adaptée à l'élaboration de calibres présentant des variations d'épaisseur d'ordre nanométrique. De tels calibres sont utilisés afin de calibrer des outils de métrologie utilisés pour différentes applications: le contrôle de qualité de composants électroniques, le réglage d'équipements de visualisation optique, etc. Ces calibres sont constitués habituellement par une lame présentant un niveau de surface de grande précision, avec des variations d'épaisseur sous forme de marches ou de variations continues, déterminées avec une grande précision. L'invention concerne plus généralement un procédé de réalisation de composants présentant des variations d'épaisseurs nanométriques contrôlées avec précision. De tels composants peuvent être destinés à des applications de type MEMS, micromoteurs, semi-conducteurs, etc. On connaît dans l'état de la technique différentes 30 solutions pour préparer de tels composants présentant des variations d'épaisseur nanométrique. Une telle solution est décrite dans le brevet WO2004/010075. Ce document décrit des structures et techniques de formation d'arrangements ordonnés de 2870041 2 structures en étages à l'échelle du nanomètre, déterminées par cristallographie, sur des substrats de cristaux uniques, en particulier de SiC. Lesdites structures, qui sont formées sur les surfaces supérieures de mesas par techniques de gravure, et quelquefois dites "artefacts" dans la description, peuvent permettre des calibrages de la hauteur d'un "étage", particulièrement utiles pour les microscopes sondes à balayage et les profilomètres, et cela pour des hauteurs allant de moins d'un nanomètre à plus de 10 nm, et cela sans quasiment causer de rugosité des plateaux de part et d'autre de chaque "étage". Cette solution présente l'inconvénient de ne pouvoir être mise en oeuvre qu'avec certains types de substrats (carbure de silicium), de structure monocristalline, et d'être lié à l'orientation cristalline du substrat. Elle présente par ailleurs des difficultés de mise en oeuvre industrielle car elle met en oeuvre une attaque par un faisceau d'ions avec une très faible incidence, de quelques degrés par rapport à la surface. Ceci limite par ailleurs le type de dessins de marches réalisables en raison de l'effet d'ombre du masquage déterminant le dessin. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur et une configuration prédéfinie, ledit procédé consistant à modifier la surface d'un substrat et caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ajout localisé, selon ladite configuration prédéfinie, d'impuretés de nature à modifier les caractéristiques de croissance ou de gravure du substrat, et une étape de traitement du substrat ainsi préparé par croissance ou par gravure. Selon un mode de réalisation préféré, l'étape d'ajout localisé d'impuretés est réalisée par implantation ionique. 2870041 3 Avantageusement, l'étape d'ajout localisé d'impuretés est réalisée par sauts discrets de concentration d'impuretés. Selon une deuxième variante, l'étape d'ajout localisé d'impuretés est réalisée avec un gradient de concentration d'impuretés, selon au moins une direction parallèle à la surface. Selon une troisième variante, l'étape d'ajout localisé d'impuretés est réalisée par une combinaison de gradient de dopage et de sauts discrets de concentration d'impuretés. Selon d'autres variantes: - l'étape d'ajout localisé d'impuretés consiste à doper un substrat métallique avec des impuretés choisies dans le groupe non limitatif constitué par le phosphore, bore, arsenic, azote, oxygène. - l'étape d'ajout localisé d'impuretés consiste à doper un substrat constitué par un semi-conducteur avec des impuretés choisies dans le groupe non limitatif constitué par le phosphore, bore, arsenic, azote, oxygène. Selon un mode de réalisation particulier, le substrat appartient au groupe non limitatif comprenant le silicium, l'arséniure de gallium, le germanium, les oxydes de silicium sur isolant (SOI) ou sur saphir (SOS). Selon une variante, le substrat est constitué par un polymère dopé avec des impuretés choisies dans le groupe non limitatif constitué par le phosphore, bore, arsenic, azote, oxygène. Selon un mode de réalisation particulier, le substrat est un plastique ou un matériau organique. Selon une variante, le substrat est constitué par tout matériau dont la vitesse de croissance ou d'attaque d'un composé est affectée par la présence et la concentration d'une impureté. 2870041 4 De préférence, le procédé selon l'invention comporte une étape d'ajout localisé d'impuretés aptes à modifier les caractéristiques de croissance ou de gravure. Selon une autre variante, il comporte une étape 5 d'ajout localisé d'impuretés aptes à accélérer la croissance ou la gravure. Selon une autre variante, il comporte une étape d'ajout localisé d'impuretés aptes à ralentir la croissance ou la gravure. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, il comporte une étape additionnelle de retrait de la couche obtenue par croissance. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le procédé comporte une étape additionnelle de moulage d'un matériau pour former une contre-épreuve présentant un relief inversé par rapport à celui du substrat. L'invention concerne également un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur, réalisé selon le procédé susvisé, caractérisé en ce qu'il présente une configuration définie par le fait que l'épaisseur des marches est indépendante des axes plans. Un tel composant est le résultat direct de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Selon une première variante, ladite configuration comprend des zones de relief pyramidales ou coniques. Selon une deuxième variante, ladite configuration comprend des zones de relief formant un dessin de type spirale. Selon une troisième variante, ladite configuration 30 comprend des zones en escalier avec des surfaces de marche variables. Selon une quatrième variante, ladite configuration comprend des zones de relief incluses dans d'autres zones de relief. 2870041 5 L'invention concerne également des utilisations du composant et ses dérivés issus du procédé susvisé dans la fabrication de composants nanométriques. Selon une première variante, ledit composant et ses dérivés sont utilisés pour la calibration des instruments de caractérisation de surface et de couche. Selon une deuxième variante, ledit composant et ses dérivés sont utilisés pour la fabrication des systèmes 10 micro-éléctro-mécaniques (MEMS). Selon une troisième variante, ledit composant et ses dérivés sont utilisés pour la fabrication des condensateurs. Exemple L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à un exemple non limitatif de réalisation et aux dessins annexés où : - les figures 1 à 9 représentent des vues du composant à différentes étapes de la mise en oeuvre du 20 procédé conforme à l'invention; - la figure 10 représente une vue d'une configuration particulière; - la figure 11 représente la courbe d'épaisseur des reliefs en fonction de la dose implantée. Le composant est préparé à partir d'un substrat qui va ensuite recevoir une série de traitements physico-chimiques. Le substrat (1- ) est constitué initialement par une plaquette ou un disque sur lequel seront réalisés plusieurs composants, qui seront découpés à la fin des traitements physico-chimiques. Ce substrat est constitué par un conducteur ou un semi-conducteur ou encore un polymère, choisi parmi les matériaux suivants: - silicium; 2870041 6 - arseniure de gallium; - silicium sur isolant (SOI) ; silicium sur saphir (SOS) ; plastique ou matériau organique; - et plus généralement tout matériau dont la vitesse de croissance ou d'attaque d'un composé est affectée par la présence et la concentration d'une impureté. Lorsque le composant est destiné à la calibration ou à des systèmes microéléctro-mécaniques (MEMS), l'état de surface initial du substrat doit présenter des rugosités faibles, inférieures à l'épaisseur des marches nanométriques à réaliser et préférentiellement dix fois inférieures à l'épaisseur minimale desdites marches. Lorsque le composant est destiné à d'autres applications, par exemple des condensateurs avec des variations de capacité localisées, l'état de surface ne présente pas de contraintes particulières. Le substrat (1) représenté en figure 1 de manière schématique fait ensuite l'objet, dans un mode de réalisation préféré concernant la préparation d'un composant à substrat de silicium, d'un premier traitement consistant en une oxydation de la totalité de la surface. Cette oxydation est destinée à protéger l'intégrité de la surface de silicium lors des étapes suivantes. Cette oxydation est réalisée comme représentée en figure 2 par oxydation sèche, et conduit à la formation d'une couche (2) d'oxyde de silicium d'épaisseur de 30 nanomètres, dans l'exemple décrit. De façon plus générale, la limite inférieure de l'épaisseur dépend de la rugosité de la surface de silicium après implantation et retrait de l'oxyde de protection (2). Cette valeur peut être déterminée de manière expérimentale, en faisant varier l'épaisseur sur différents échantillons dont on vérifiera la rugosité après la mise en oeuvre des différents traitements. 2870041 7 L'épaisseur maximale est déterminée par la tension d'accélération disponible sur l'équipement d'implantation ionique et la profondeur d'implantation souhaitée. La surface oxydée est ensuite avantageusement préparée pour faciliter l'adhésion d'une résine photosensible. Cette préparation consiste en une cuisson et un dépôt d'un composé tel que de l'hexaméthyldisiloxane (HMDS). La figure 3 correspond à l'étape suivante consistant à déposer une couche (3) de résine photosensible. Cette résine est, à titre d'exemple non limitatif, constituée par une résine positive de type BPRS200 de la société ARCH CHEMICALS (marques commerciales). L'épaisseur de la couche de résine (3) est déterminée de façon à servir d'écran efficace pour l'arrêt des ions projetés sur la surface ainsi préparée. Le substrat ainsi revêtu fait l'objet d'une cuisson selon les protocoles recommandés pour la résine utilisée. L'étape suivante, décrite en relation avec la figure 4, est une étape d'insolation. Elle consiste à insoler localement par un rayonnement ultraviolet, dans le cas de la résine susvisée, la surface de la résine à travers un masque (4) constitué par une lame de quartz recouverte de motifs en chrome correspondant au dessin du relief à réaliser. La figure 5 correspond à l'étape suivante de développement de la résine. Elle consiste à éliminer la résine insolée (dans le cas d'une résine positive) par action d'un solvant ou par réaction acide-base (développeur LSI de la société ARCH CHEMICALS). On procède ensuite à une nouvelle opération facultative de cuisson et optionnellement à une étape de retrait des résidus de développeur et de résine par plasma d'oxygène. L'étape suivante représentée en relation avec la figure 6 est une étape d'implantation ionique. Elle consiste à diriger sensiblement perpendiculairement à la surface du 2870041 8 substrat un faisceau d'ions. Ce faisceau d'ion balaye la surface du substrat avec une incidence voisine de 90 par rapport au plan. La vitesse de balayage, l'état d'ionisation, la tension d'extraction conditionnent la dose d'ions implantés. A titre d'exemple, on implante 1013 à 1016 atomes par centimètres cubes. L'accélération choisie détermine la profondeur d'implantation. Le type d'ions choisi détermine la modification des caractéristiques de croissance ou de gravure ultérieures. L'implantation ionique pourrait également être réalisée à l'aide d'un faisceau large couvrant tout le substrat. L'étape suivante décrite en relation avec la figure 7 15 consiste à éliminer le masque de résine ayant servi à préparer cette implantation. Les étapes 3 à 7 peuvent être répétées avec des masques (4) présentant des dessins différents pour obtenir des successions de marches d'épaisseurs différentes, liées à des concentrations d'impuretés localisées différentes. Lorsque des masques présentent des zones d'ouverture communes, les doses d'implantation ioniques s'additionneront, ce qui conduira à une modification locale plus importante des caractéristiques de croissance ou de gravure. Les zones du substrat n'ayant jamais été exposées à une insolation conserveront au contraire les caractéristiques originelles de gravure ou de croissance. Le nombre de niveaux d'épaisseur possible est fonction du nombre de cycles susvisés et du nombre de zones communes et non communes des masques successifs. Pour réaliser sept niveaux d'épaisseurs différents, il faudra employer trois masques et répéter trois fois les traitements 3 à 7. 2870041 9 L'étape suivante consiste à nettoyer le substrat (1) en éliminant la couche d'oxyde (2) par un nettoyage humide avec par exemple un acide fluorhydrique (HF) suivi d'un rinçage et d'un séchage (figure 8). La dernière étape est l'étape de croissance ou de gravure de la surface du substrat présentant des zones modifiées en concentration d'impuretés (figure 9). Les zones ayant reçu une implantation ionique présenteront un comportement différent de celui des zones non modifiées, ce comportement étant fonction de la dose d'impuretés implantées. L'accroissement de vitesse de croissance est selon des expérimentations non limitatives compris entre 1% et 50%. La croissance est par exemple réalisée par oxydation sèche dans un four thermique à une température pouvant être comprise entre 650 et 1250 , pendant une durée fonction de l'épaisseur visée. Selon un exemple non limitatif, la croissance a été réalisée à 950 pendant une durée de 2 heures. Après cette succession de traitements, on procède à la séparation des composants formés sur le substrat, par exemple par découpe. On peut aussi utiliser directement le substrat ainsi obtenu. D'autres modes de mise en oeuvre sont compris dans l'invention. Les étapes 3 à 7 peuvent être remplacées par une étape unique d'implantation en mode d'écriture directe, par un faisceau d'ions modulé en position et en intensité. La modulation peut consister à commander une trajectoire particulière avec des passages répétés sur certaines zones, selon un chemin correspondant au dessin de relief visé. Elle peut aussi consister en un balayage 2870041 10 régulier de toute la surface, avec une modulation de l'intensité. Cette modulation d'intensité peut être réalisée de manière électronique par modulation de la source d'ions, ou de manière physique, par interposition d'un masque ou d'un obturateur mobile. L'invention permet de réaliser des configurations caractérisées par le fait que l'épaisseur des marches est indépendante des axes plans. Ces configurations peuvent prendre la forme: - de zones de relief pyramidales ou coniques; - de zones de relief formant un dessin de type spirale; - de zones en escalier avec des surfaces de marche 15 variables; - de zones de relief incluses dans d'autres zones de relief. La figure 10 représente une vue schématique d'une telle configuration, présentant des marches de largeur 20 occupant partiellement la surface. La lame de silicium présente une largeur de 456 microns, avec des marches (5 à 11) dont la longueur est de 294 micromètres et la largeur de 60 micromètres. L'épaisseur de chaque marche L5 à 11) varie dans cet exemple progressivement entre 1 et 50 nanomètres. La figure 11 représente une courbe (12) de la hauteur de la marche en fonction de la dose implantée et une courbe (13) de l'épaisseur de la couche en fonction de la dose implantée. Les deux courbes sont sensiblement linéaires dans la fourchette de concentration explorée. Une autre application du procédé selon l'invention consiste à réaliser des composants avec des configurations inversées, obtenues par une étape additionnelle de retrait de la couche formée sur le composant issu des étapes 1 à 9. 2870041 11 Ce retrait est réalisé par exemple à l'aide d'un acide fluorhydrique, et conduit à la formation des zones creuses présentant des configurations miroirs par rapport à la surface du substrat , par rapport à la topologie de surface. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur et une configuration prédéfinie, consistant à modifier la surface d'un substrat (1), caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ajout localisé, selon ladite configuration prédéfinie, d'impuretés de nature à modifier les caractéristiques de croissance ou de gravure du substrat, et une étape de traitement du substrat ainsi préparé par croissance ou par gravure. 2 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'ajout localisé d'impuretés est réalisée par implantation ionique. 3 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape d'ajout localisé d'impuretés est réalisée par sauts discrets de concentration d'impuretés. 4 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape d'ajout localisé d'impuretés est réalisée avec un gradient de concentration d'impuretés, selon au moins une direction parallèle à la surface. - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape 2870041 13 d'ajout localisé d'impuretés est réalisée par une combinaison de gradient de dopage et de sauts discrets de concentration d'impuretés. 6 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'ajout localisé d'impuretés consiste à doper un substrat métallique avec des impuretés constituées par un dopant choisi parmi le phosphore, le bore, l'arsenic, l'azote, l'oxygène. 7 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'ajout localisé d'impuretés consiste à doper un substrat (1) constitué par un semiconducteur avec des impuretés choisies dans le groupe constitué par le phosphore, bore, arsenic, azote, oxygène. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le substrat appartient au groupe comprenant le silicium, l'arséniure de gallium, le germanium, les oxydes de silicium sur isolant ou sur saphir. 9 Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'ajout localisé d'impuretés consiste à doper un substrat constitué par un polymère avec des impuretés choisies dans le groupe constitué par le phosphore, bore, arsenic, azote, oxygène. 2870041 14 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le substrat est un plastique ou un matériau organique. 11 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'ajout localisé d'impuretés consiste à doper un substrat constitué par tout matériau dont la vitesse de croissance ou d'attaque d'un composé est affectée par la présence et la concentration d'une impureté. 12 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ajout localisé d'impuretés aptes à modifier les caractéristiques de croissance ou de gravure. 13 - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en 20 ce qu'il comporte une étape d'ajout localisé d'impuretés aptes à accélérer la croissance ou la gravure. 14 - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ajout localisé d'impuretés 25 aptes à ralentir la croissance ou la gravure. - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de retrait de la couche obtenue par croissance. 16 - Procédé de fabrication d'un composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur 2870041 15 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de moulage d'un matériau pour former une contre-épreuve présentant un relief inversé par rapport à celui du substrat. 17 Composant présentant un relief nanométrique et/ou des variations d'épaisseur issus du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une configuration définie d'épaisseurs de marche est indépendante des axes plans. 18 Composant selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite configuration comprend des zones de relief 15 pyramidales ou coniques. 19 Composant selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite configuration comprend des zones de relief formant un dessin de type spirale. Composant selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite configuration comprend des zones en escalier avec des surfaces de marche variables. 21 Composant selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite configuration comprend des zones de relief incluses dans d'autres zones de relief. 22 Utilisation d'un composant selon l'une quelconque 30 des revendications 17 à 21 pour la fabrication de composants nanométriques. 2870041 16 23 Utilisation selon la revendication 22 pour la calibration des instruments de caractérisation de surface et de couche. 24 Utilisation selon la revendication 22 pour la fabrication des systèmes micro-éléctro-mécaniques (MEMS). Utilisation selon la revendication 22 pour la fabrication des condensateurs.