Plateforme Atom-Tech & Procédés

12 laboratoires

1 salle blanche sur 2 niveaux, gravure sèche (par faisceau d’ions – IBE- ou par plasma – RIE-), gravure chimique, bâtis de dépôts diélectriques et métalliques sous ultravide

Service Procédés de Nano-fabrication

Pourquoi les Salles Blanches sont-elles essentielles pour les nanotechnologies et les nanosciences ?

Les Salles Blanches constituent l’environnement de travail obligatoire dans l’ensemble des filières industrielles et des laboratoires de recherche qui nécessitent un contrôle strict en termes de propreté et de contrôle de l’environnement de travail. C’est notamment le cas dans le domaine de la microélectronique, des nanotechnologies et des nanosciences. Aujourd’hui, la dimension latérale des composants couramment réalisés est sub-micrométrique (100 nm), et peut atteindre l’échelle nanométrique / moléculaire pour les meilleures plateformes et laboratoires. Afin d’atteindre ces précisions de manière régulière, garantir la qualité et la reproductibilité des procédés, il est indispensable de s’affranchir de toute source de contamination incontrôlée (poussière) et de travailler à température et hygrométrie constantes.

La fabrication et l’exploitation d’une salle blanche représentent des investissements très lourds. Le coût d’installation de la seule Salle Blanche vide peut être supérieur à 10000€/m2, auquel il faut rajouter l’ensemble des équipements. C’est pourquoi, ces investissements sont souvent mutualisés, par exemple, par un consortium d’entreprises qui souhaitent développer une technologie commune. Au niveau de la formation et de la recherche, la France est particulièrement bien dotée avec plusieurs réseaux de plateformes spécifiques et complémentaires, aptes à répondre aux différents besoins exprimés pour la réalisation de projets de recherche et développement appliquées ou très fondamentales. Renatech est le réseau académique Français des équipements de pointe dans le domaine de la micro et nanotechnologie piloté par le CNRS, ouvert à l’ensemble de la communauté académique et aux industriels. Des centrales technologiques de deuxième cercle ou de proximité avec des filières technologiques très spécifiques complètent le réseau Renatech et permettent de développer/créer de nouvelles filières technologiques.

Au sein de ce réseau cohérent, le CEMES-CNRS dispose d’une infrastructure unique au sein du bâtiment Picolab avec des équipements adaptés aux procédés de nano-fabrication classique et une filière totalement originale sous ultra-vide incluant des procédés de fabrication atome par atome.

Service Procédés de Nano-fabrication

 La salle blanche du CEMES est ouverte à la disposition de la communauté scientifique : pour les chercheurs académiques au sein ou en dehors du CEMES mais aussi pour les entreprises privées. Le service vise à fournir une expertise, des outils et des instruments dédiés à la micro- et nanofabrication pour la recherche fondamentale et appliquée, l’éducation et la formation.
Le service gère l’ensemble de la salle blanche de 450m², qui est segmentée en plusieurs salles dédiées, classées ISO Classe 4 à 7. La salle ISO 4 est dédiée aux procédés de lithographie actuels et à l’élaboration des technologies atomiques avancées.

Techniques expérimentales :

• Nanofabrication : Le salle blanche propose les principaux outils pour concevoir et élaborer des nanodispositifs pour l’électronique, les méta-matériaux la spintronique, l’optique. Cela comprend les équipements de photolithographie (laser, aligneur de masque), de lithographie par faisceau d’électrons, la gravure humide, la gravure par faisceau d’ions et ions réactifs, le faisceau d’ions focalisé, le dépôt physique en phase vapeur (évaporation par faisceau d’électrons, pulvérisation), dépôt induit par faisceau ionique focalisé, et les techniques de caractérisation telles que la microscopie optique, la profilométrie mécanique, la microscopie électronique à balayage, la microscopie à force atomique, les caractérisations électriques…
• Atom Tech : ces technologies sont réalisées sous ultra-vide (UHV), et visent la réalisation de nano-dispositifs avec une précision atomique pour l’étude à l’échelle de la molécule ou de l’atome unique. Les nano-outils à base d’UHV, tels que le nano-pochoir à travers des diaphragmes suspendus ou des pointes AFM percées, et la nano-impression, sont fabriqués au sein du service par le panel d’outils de Nanofabrication. La préparation des surfaces nécessaires au développement des nanodispositifs est réalisée par des machines de dépôt de métal et d’isolant UHV. Les interconnexions des chambres UHV permettent d’obtenir la précision picométrique nécessaire à l’étude des circuits atomiques, et des molécules-machines mécaniques.

Compétences Humaines :

• Développement de procédés de nano-fabrication à façon de nanodispositifs à couches minces, matériaux nanostructurés, nano-objets (optique, magnétisme, radiofréquence, propriétés de transport, études de microscopie électronique à transmission in situ sous excitation électrique ou magnétique, …).
• Développement de procédés originaux dans une ligne de nano-fabrication compatible full vide poussé pour les nanosciences (ultra-petite nanostructure épitaxiée, électronique moléculaire, circuits atomiques, molécule-machine mécanique, …).

lithographies optiques et par faisceau d’électrons

2 bâtis de pulvérisation cathodique « sputtering », fours de recuit

2 microscopes à effet tunnel (STM) sous ultravide refroidis à l’hélium liquide, dont le « 4-STM » utilisé pour la « Nanocar Race », 1 usine sous ultravide (ensemble d’enceintes UHV reliées pour préparer et observer des molécules uniques sans mise à l’air)

Service CP-UHV : Microscopies ultimes sous ultravide

(Jimmy FARIA)

La branche « Microscopies ultimes » du service CP-UHV du CEMES est doté de 3 équipements expérimentaux fonctionnant sous ultravide (UHV), installés dans les salles blanches bas bruit du bâtiment PicoLab :

1. Le LT-STM/Qplus (Low Temperature STM) : le STM basse température

Microscope à effet tunnel (STM) basse température qui permet de travailler à une température de 5K en mode STM et/ou en mode non-contact AFM (NC-AFM). Equipé pour préparer des surfaces cristallines sous UHV et déposer des couches minces isolantes, il permet le dépôt de métaux ou de molécules à basse température.

2. La DUF (« DiNaMo UHV Factory ») : l’usine sous UHV

Conçu et développé au CEMES, cet équipement propose un dispositif complet de mesures des propriétés électroniques d’une molécule unique en configuration planaire sur une surface isolante. Il est composé de 5 chambres UHV reliées entre elles par un tube de transfert sous UHV : i) bâti d’épitaxie par jets moléculaires (MBE), ii) chambre de préparation pour les pointes et le dépôt de molécules, iii) source d’ions à énergie faible et contrôlée, iv) microscope NC-AFM/KPFM haute sensibilité et v) microscope STM+NC-AFM/KPFM équipé de la technique nanostencil.

3. Le LT-UHV 4-STM/Qplus + SEM : le « 4 pointes »
Microscope basse température (4K) comportant 4 têtes STM indépendantes surmontées d’une colonne FEG-SEM. Une des têtes STM est, de plus, équipée du module Qplus permettant des mesures en NC-AFM à 5 K. L’ensemble est connecté à une chambre de préparation sous UHV (possibilité de sublimations multiples de molécules) et à une autre chambre équipée d’une imprimante UHV par transfert.
Une dizaine de chercheurs permanents et non permanents du CEMES développent leurs recherches sur ces équipements.
Ce microscope fut l’arène au sein de laquelle s’est déroulée, en avril 2017, la 1ère édition de la NanoCar Race, course de molécules sur une piste de 100 nm. La 2^ème édition de cette compétition scientifique s’est déroulée en mars 2022.

3 microscopes à force atomique (AFM) dont un instrument hybride AFM / PSTM / STM-LE et un profilomètre

Service CP-UHV : Microscopies à sonde locale

(Grégory SEINE)

La branche « Microscopies à Sonde Locale » du service CPUVH regroupe un ensemble de techniques d’imagerie de surface en champ proche, à l’air. Elle se décline en une activité de service et une activité de recherche.

1. L’activité de service repose sur la base de deux microscopes commerciaux Bruker, dont l’un est intégré en salle blanche et est doté d’une table de nano-positionnement. Le service propose l’accès à des mesures de :

• Topographie (AFM mode contact ou Tapping, STM) à l’air ou milieu liquide
• Imagerie de Forces de friction latérale (LFM)
• Imagerie de Forces magnétiques (MFM)
• Imagerie de Forces électriques (EFM)
• Imagerie de Potentiel de surface (KFM)
• Imagerie de forces piézoélectriques (PFM)
• Courbes de force

Les microscopies de champ proche, ou à sonde locale, permettent des observations à 3 dimensions, sur des échelles de 1 nm à 100 µm, sur tous types d’échantillons : surfaces (métalliques, semi-conductrices ou isolantes), nano-objets (nanoparticules, nano-structures), molécules, échantillons biologiques…

Le service s’est également équipé d’un profilomètre à contact Bruker Dektak 150. Situé en salle blanche au plus près des procédés de nanofabrication, cet appareil est idéal pour mesurer rapidement le profil d’une surface afin d’en déterminer la rugosité ou la géométrie à l’échelle micro ou nanométrique.

Modes de réalisation des mesures :

• Prestations par le responsable, en présence ou non du demandeur
• Formation du demandeur en vue d’être autonome sur le microscope (à envisager pour de grandes campagnes de mesures)

Contraintes physiques sur les échantillons pour le microscope hors salle blanche :

• La configuration géométrique du matériel impose de calibrer le format des échantillons : la zone utile à observer doit se situer au centre de l’échantillon, dans une zone d’environ 5×5 mm², les dimensions totales de l’échantillon ne devant pas dépasser 1 cm (l) x 1 cm (L) x 0.8 cm (ép.)
• L’échantillon peut par contre être de très petite taille ou de forme quelconque

Modalités d’accès :

• Prendre contact avec le responsable de l’activité (coordonnées ci-dessous)
• Pour les demandeurs déjà formés, réservations sur GRR via le site intranet du CEMES

Conditions d’accès :

• Le service est ouvert en priorité aux membres du laboratoire
• Le service est également ouvert aux extérieurs, institutionnels ou entreprises

Tarification : aux coûts complets, unité d’œuvre (UO) : la demi-journée

• Clients académiques : 30.35€ à 99.53€ l’UO, selon l’origine du financement
• Autres clients : 727.77€ l’UO

Renseignements auprès du responsable : Grégory Seine, 05 62 25 79 64

2. L’activité de recherche s’appuie également sur un microscope commercial Bruker, mais transformé pour fonctionner en mode champ proche optique de type « PSTM » (Photon Scanning Tunneling Microscope) et en mode émission de photon stimulée par STM « LE-STM ». Bien qu’orienté « recherche », ce microscope reste utilisable avec tous les modes AFM habituels. Il permet d’associer la topographie 3D des AFM ou STM avec une cartographie de l’émission photonique en champ proche obtenue par excitation optique de l’échantillon (type photoluminescence) ou électronique (type cathodoluminescence).

Le microscope possède une ligne laser (gamme du violet au proche infrarouge 457 nm – 1000 nm) permettant d’exciter les échantillons en réflexion totale à travers un prisme. La collection des photons se fait via une fibre optique amincie (en mode PSTM) ou non (en mode LE-STM). La lumière collectée peut être acheminée vers un photomultiplicateur (comptage de nombre de photons) ou un spectromètre (analyse spectrale).

Responsable : Renaud Péchou, 05 62 25 78 95

1 implanteur ionique avec module basse énergie

Implantation ionique

(Grégory SEINE (Resp.), Frédéric NEUMAYER)

L’implantation ionique consiste à introduire des ions dans un matériau pour modifier ses propriétés. Par exemple, en micro-électronique, l’implanteur d’ions est utilisé pour doper les matériaux semi-conducteurs.

Au CEMES, l’implantation ionique est une des voies physiques de synthèse de nanoparticules.

L’implanteur d’ions du CEMES est un modèle VARIAN 200-2A (200 keV), avec une spécificité : un module « Ultra Low Energy » (ULE) permettant d’implanter à des énergies à partir de 0.6 keV. Il a été rénové début 2016.

Grâce au module ULE, cet équipement permet de fabriquer des nano-cristaux (après recuit dans l’un des fours du Service Croissance lien à revoir !!!) en maîtrisant :

• leurs tailles
• la densité (fines couches)
• leur position dans le substrat (quelques nanomètres de profondeur).

Les espèces d’ions pouvant être implantées sont les suivantes : Si, Ag, Au, N, Ar, H et He. En lien avec les activités du laboratoire, les implantations réalisées au CEMES concernent des applications en plasmonique et photovoltaïque, en micro-électronique (transistors) ou la mise en œuvre du procédé Smart Cut™.