Brevet FR2886755A1 — publié le 20061208

GUIDES ÉMETTEURS/RÉCEPTEURS MANOMÉTRIQUES L'invention concerne les guides optiques de dimensions nanométriques pour l'analyse microscopique en champ proche tels que le SNOM, (en langue anglaise Scanning Near-field Optical Microscopy ou Microscopie optique en champ proche), PSTM (en anglais Photon Scanning Tunneling Microscopy ou Microcopie optique par effet tunnel) ou AFM (en anglais Atomic Force Microscopy ou Microscopie à force atomique) ou l'enregistrement sous-micronique sur matériaux photosensible et un procédé de réalisation de tels guides. De tels guides sont également connus sous le nom de 15 nano-sondes . On connaît différents procédés de fabrication de telles nano-sondes. En particulier, le brevet US 5272330 propose l'utilisation d'une fibre optique mono-mode comprenant un coeur de 3 pm de diamètre, effilée par échauffement local et étirement, puis métallisée par évaporation thermique sous vide. L'ouverture de la pointe, c'est-à-dire la zone non- métallisée est réalisée à l'intérieur du bâti par un effet d'ombrage par rapport au flux directionnel de métal (aluminium), de diamètre inférieur à la longueur d'onde. De façon plus générale, la fabrication d'une telle sonde de dimension nanométrique comprend plusieurs étapes à partir d'une fibre optique en silice, dont une étape de réalisation de la pointe par gravure, une étape de métallisation, et éventuellement une étape de réalisation de la nanoouverture, comme illustré figure 1 de façon générale. En partant par exemple d'une fibre optique en silice comprenant une gaine de protection mécanique, on réalise de façon connue en soi, une attaque chimique sur la fibre. Selon l'art antérieur par exemple décrit dans la publication de Stôckle et al. Applied Physics Letter 75(2) 1999, 160, cette attaque est réalisée en utilisant la gaine mécanique d'origine de la fibre. Suite à la gravure, il est alors nécessaire de dénuder la fibre de sa gaine, ce qui entraîne un risque de casse assez élevé, qui n'est pas compatible avec une réalisation industrielle efficace de telles nanosondes. Selon un avantage de la présente invention, on réduit donc le risque de casse lors de l'étape de gravure, tout en gardant une bonne résolution spatiale et optique et un bon rendement. Par ailleurs, suite à la gravure chimique, et avant métallisation, il est important que la pointe obtenue soit parfaitement propre, et ne comporte pas un profil rugueux, par attachement de poussière par exemple, pouvant compromettre l'état de surface de la pointe obtenue. Un autre avantage de la présente invention est donc de préférence de réaliser ce nettoyage de façon efficace et 30 reproductible. De plus, les étapes de métallisation connues de l'art antérieur utilisent généralement soit l'évaporation thermique ou par un faisceau d'électrons sous vide, soit la pulvérisation des cibles bombardées par un faisceau d'ions ou un plasma. Ces cibles ont toutes cependant la particularité d'être des cibles à géométrie plane qui nécessitent la rotation de la fibre afin d'assurer une bonne homogénéité du film métallique autour de la fibre. Un but de la présente invention est donc d'éviter la rotation de la fibre pendant l'étape de métallisation, tout 10 en gardant un dépôt uniforme sur celle-ci. Enfin, lors de l'étape de réalisation de la nanoouverture, lorsque celleci est nécessaire, il est important de limiter les risques de cassure de la fibre que présentent les procédés connus de l'art antérieur tels le grattage, l'électrolyte solide ou l'effet Joule. La présente invention entend pallier aux inconvénients mentionnés cidessus. Pour ce faire, la présente invention est du type décrit ci-dessus et elle est remarquable, dans son acception la plus large, en ce qu'elle concerne un procédé de fabrication d'une nano-sonde à partir d'une fibre optique en silice comprenant les étapes consistant à : plonger l'extrémité comprenant ladite fibre optique dans un milieu chimique destiné à la gravure pour l'obtention d'un cône en silice; déposer une gaine sous forme de film opaque conducteur, sur ledit cône en silice de la fibre par pulvérisation plasma en plaçant ladite fibre sur l'axe d'une cathode creuse sensiblement cylindrique. De la sorte, en utilisant une cathode cylindrique, on évite la rotation de la fibre pendant l'étape de métallisation, tout en gardant un dépôt uniforme sur celle- ci. Éventuellement, le dépôt du film opaque est assisté par un champ magnétique variable afin de densifier le plasma et de faire varier les propriétés du dépôt. Par ailleurs, afin d'améliorer l'état de surface de la pointe de la fibre optique, en particulier en vue des étapes de métallisation ultérieures, le procédé comprend en outre, suite à l'étape de gravure, une étape de nettoyage, de l'extrémité dénudée de la fibre par exposition à un faisceau d'électrons. De préférence, ladite gaine opaque est composée de métal ou d'un composé métallique. Dans le cas de réalisation de nano-sondes à ouverture, et afin de minimiser le risque de casse lors de la réalisation de l'ouverture, suite au dépôt de ladite gaine, on procède à une étape consistant à réaliser une décharge filamentaire pointe-plan entre l'extrémité dudit cône recouvert de ladite gaine, et une surface sensiblement plane pour l'obtention d'une ouverture à l'extrémité dudit cône. Il est entendu que cette étape de réalisation de l'ouverture peut être utilisée en combinaison avec les caractéristiques de l'invention décrites ci-dessus, mais également en tant que telle, suite à un procédé de gravure et de métallisation de type connu, dans le cas de la fabrication d'une nano-sonde à ouverture. Par ailleurs, dans le cas où ladite fibre optique est initialement recouverte d'une gaine mécanique de protection, le procédé selon l'invention comprend de préférence les étapes préalables consistant à : retirer ladite gaine mécanique à une extrémité de ladite fibre optique jusqu'à la gaine optique; - créer une nouvelle gaine au niveau de l'extrémité dénudée de ladite fibre, ladite nouvelle gaine étant composée d'une matière non adhérente à la silice; - puis, suite à l'étape de gravure, on retire ladite nouvelle gaine. L'utilisation d'une matière non adhérente permet également de réduire les risques de casse au moment où on la retire de la silice. L'invention concerne également une nano-sonde en silice dont l'ouverture extrême est de diamètre inférieur à 100 nm, et une gaine métallique, le diamètre total de la partie en silice et de ladite gaine métallique étant inférieur à 300 nm. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ciaprès à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées. - la figure 1 illustre de façon générale et connue en soi le procédé de fabrication d'une nano-sonde à partir d'une fibre optique; la figure 2 illustre le procédé de gravure selon l'invention par application d'une gaine non adhérente; la figure 3 illustre l'insertion de la fibre dans une cathode métallique pour nettoyage et suivi de la métallisation par pulvérisation plasma; la figure 4 illustre un exemple d'étape de création de la nano-ouverture selon la présente invention par décharge filamentaire pointe-plan; et la figure 5 illustre un exemple de nano- sonde 10 obtenue par le procédé de fabrication selon l'invention. Selon l'invention, illustré figure 2, on part d'une fibre optique d'origine formée d'un c ur en silice, et d'une gaine optique également en silice, l'ensemble en silice étant noté 2. Cette fibre est éventuellement entourée d'une gaine mécanique protectrice 3. Dans ce cas, on commence par retirer la gaine 3 par des moyens connus en soi, soit de façon mécanique à l'aide d'une pince, soit de façon thermique, en faisant fondre la gaine 3, pour obtenir une fibre en silice dénudée 2. Selon un aspect de l'invention, on replace alors, avant l'étape de gravure, une gaine 3a autour de la fibre en silice 2. Cette gaine 3a est de préférence non adhérente, par exemple de type cire, de sorte que son élimination ultérieure soit sans dommage pour l'extrémité de la fibre. Le risque de casse est donc minimisé de façon tout à fait avantageuse. On réalise ensuite la gravure chimique de la fibre en silice 2 en introduisant l'ensemble de la fibre 2, y compris la nouvelle gaine 3a dans un bain d'acide fluorhydrique 5 (bain HF). Il est alors connu que le contact des deux matériaux distincts (silice et matériau de la gaine) crée des courants de convexion et privilégie l'attaque chimique par l'extérieur de la silice, pour créer ainsi une extrémité de forme conique 6. De façon surprenante, on note également que la présence d'une gaine 3a en cire permet d'éviter l'attaque non désirée par la vapeur d'acide lors de la gravure. En effet, la cire étant imperméable à l'acide, elle évite que celui-ci ne viennent attaquer la fibre de silice 2 bien au- delà de la zone immergée. Le problème de la création d'une vapeur d'acide HF est connue de l'homme du métier, qui jusque là avait introduit une couche de matière huileuse au dessus de l'acide. Le positionnement de la gaine en matière non adhérente 3a permet d'éviter l'introduction d'une couche protectrice d'huile et donc simplifie le procédé de gravure. Cette étape de gravure permet d'obtenir un diamètre de moins de 80 nm au niveau de l'extrémité 6 de la fibre, pour 20 un angle du cône au sommet compris entre 15 et 20 . Une fois la pointe 6 obtenue, et la gaine 3a retirée au niveau de l'extrémité 6 de la fibre, on réalise de préférence, une étape de nettoyage de cette extrémité. Cette étape de nettoyage permet d'éviter le travail en salle blanche lors des opérations de fabrication de la nanosonde. En effet, on comprend que l'attachement éventuel de poussières sur la pointe diminue la qualité de l'état de surface de celle-ci, et donc modifie de façon négative les propriétés optiques de la sonde. Ce nettoyage est réalisé sous l'action d'un faisceau d'électrons. En effet, la surface de la pointe et les poussières se chargent négativement sous l'action de ce faisceau, et la répulsion coulombienne est suffisante pour vaincre les liaisons faibles de type Van der Waals entre les poussières et la surface en silice de la pointe 6. De la sorte, on dégage les poussières de taille micronique ou submicronique, évitant ainsi le travail en salle blanche, et donc le coût de la fabrication de la nanosonde se trouve amoindri. On notera que cette étape est parfaitement reproductible et sans dommage sur la pointe 6. L'étape suivante est une étape de dépôt d'une couche conductrice sur l'extrémité de la pointe, communément appelée étape de métallisation. On utilise dans cette étape un dispositif 7 spécialement conçu pour permettre le dépôt uniforme et homogène autour de la pointe, tout en supprimant la rotation de celle-ci lors de l'opération. Pour cela, on utilise une cathode creuse cylindrique à l'intérieur de laquelle peut venir se positionner la pointe à métalliser. L'homme du métier comprendra que comme l'angle solide occupé par l'extrémité de la fibre vis-à-vis de la cible est très faible (par exemple de l'ordre de 104 stéradians), une grande quantité de métal pulvérisé passe à coté de la fibre. Dans le cas d'une cible plane comme celle connue de l'art antérieur, tout ce métal est perdu. Au contraire, la forme sensiblement cylindrique de la cathode selon l'invention permet de réutiliser le métal qui n'a pas atteint la fibre. On comprendra également que la cathode creuse cylindrique permet d'éviter de faire tourner la fibre lors de la métallisation. Il est possible de déposer selon ce dispositif, une large gamme de métaux, par exemple Ag, Au, Al, Pt, ou Cr. Cependant, le dépôt n'est pas limité aux métaux, et toute matière qui soit d'une part opaque, pour des raisons optiques, et d'autre part conductrice, à cause de la décharge filamentaire utilisée par la suite, peut être utilisée. Les métaux ou les composés métalliques sont utilisés de préférence. On comprendra également que de façon avantageuse, la cathode creuse utilisée pour l'étape de métallisation peut également être utilisée pour l'étape précédemment décrite de nettoyage par traitement plasma. De la sorte, les étapes peuvent s'enchaîner de façon simple, pour un procédé simple à mettre en oeuvre. Suite à cette étape de métallisation, la nano-sonde selon l'invention est complètement recouverte d'un métal et est directement utilisable en mode sans ouverture, pour des applications telles que l'AFM en mode sheare force' ou le SNOM sans ouverture (ASNOM - Apertureless Scanning nearfield Optical Microscopy ). L'épaisseur du dépôt métallique par le procédé selon l'invention est typiquement inférieure à 50 nm. La dernière étape de fabrication de la nano-sonde selon l'invention est la création de la nano-ouverture. Pour ce faire, on réalise une microdécharge haute tension en géométrie pointe-plan. Cette méthode possède l'avantage d'éviter le contact entre la pointe et une surface, minimisant ainsi les risques de casse. L'ouverture extrême obtenue par ce procédé est alors inférieur à 100 nm, et peut être de préférence inférieure à 50 nm. Par effet de pointe au niveau de l'extrémité de la fibre, le champ électrique obtenu est en effet très intense de sorte qu'il permet d'enlever une certaine quantité de métal au niveau de la pointe en canalisant préférentiellement à cet endroit les ions de la décharge. La durée de la micro-décharge permet alors de contrôler la quantité de métal enlevé. Le plan 10 est choisi également de façon à réaliser une décharge filamentaire pointe-plan adaptée. L'homme du métier est apte à déterminer les caractéristiques de ce plan. En particulier, le rayon de courbure du plan 10 doit être très supérieur à celui de la pointe pour obtenir l'effet d'augmentation du champ électrique. La tension typiquement appliquée est de l'ordre de 1 kV en continu pendant une courte période, par exemple une seconde, ou par l'application de plusieurs impulsions haute tension (de l'ordre du kV) successives jusqu'à l'obtention de la nano-ouverture désirée. Il est enfin entendu que pour réaliser la micro-décharge selon l'invention avec la meilleure efficacité, il est conseillé de travailler sous vide ou sous atmosphère contrôlé. La nano-sonde obtenue selon le procédé décrit dans la présente invention possède alors les caractéristiques suivantes en référence à la figure 5: le diamètre de la fibre en silice est de l'ordre de 125 pm, le diamètre 9 de la pointe recouverte est de 100 à 200 nm, et l'ouverture 8 est de diamètre nanométrique de 30 à 60 nm. De la sorte, on obtient une nano-sonde comprenant une fibre en silice 2 dont l'ouverture extrême 8 est de diamètre inférieur à 100 nm, et une gaine métallique 11, le diamètre total de la fibre de silice et de ladite gaine métallique 11 étant inférieur à 300 nm. De préférence, l'ouverture extrême 8 est même de diamètre inférieur à 50 nm. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. I l est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. 12 REVENDICATIONS 1. Nano-sonde comprenant une fibre en silice (2) dont l'ouverture extrême (8) est de diamètre inférieur à 100 nm, et 5 une gaine métallique, le diamètre total de la partie en silice et de ladite gaine métallique (11) étant inférieur à 300 nm. 2. Nano-sonde selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ouverture extrême est de diamètre inférieur à 50 10 nm. 3. Procédé de fabrication d'une nano-sonde selon la revendication 1 ou 2, à partir d'une fibre optique en silice (2) comprenant les étapes consistant à : plonger l'extrémité comprenant ladite fibre optique dans un milieu chimique destiné à la gravure pour l'obtention d'un cône en silice; - déposer une gaine sous forme de film opaque conducteur, sur ledit cône en silice de la fibre, caractérisé en ce que le dépôt est réalisé par pulvérisation plasma, en plaçant ladite fibre sur l'axe d'une cathode creuse sensiblement cylindrique. 4. Procédé de fabrication d'une nano-sonde selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, suite au dépôt de ladite gaine conductrice sur la fibre, une étape consistant à réaliser une ouverture à l'extrémité dudit cône. 5. Procédé de fabrication d'une nano-sonde selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite ouverture est réalisée par une décharge filamentaire pointe-plan entre l'extrémité dudit cône recouvert de ladite gaine, et une surface sensiblement plane pour l'obtention d'une ouverture à l'extrémité dudit cône. 6. Procédé de fabrication d'une nano-sonde selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ladite fibre optique est initialement recouverte d'une gaine mécanique de protection, et en ce que ledit procédé comprend les étapes préalables consistant à : - retirer ladite gaine mécanique à une extrémité de ladite fibre optique jusqu'à la gaine optique; - créer une nouvelle gaine au niveau de l'extrémité 10 dénudée de ladite fibre, ladite nouvelle gaine étant composée d'une matière non adhérente à la silice; et en ce que, suite à l'étape de gravure, on retire ladite nouvelle gaine. 7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit film opaque conducteur est composée de métal ou d'un composé métallique. 8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce 20 que l'étape de dépôt de ladite gaine est complétée par l'application d'un champ magnétique variable.