Electrogreffage localisé sur silicium
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L’électrogreffage “révèle” le dopage sous-jacent du substrat de silicium. Les zones sombres portent un film plus mince que les zones claires, comme le montre le profil

Depuis plusieurs années, les nouveaux défis posés par l’évolution de l’électronique, la génomique, la médicine, la détection ou le photovoltaïque poussent les chercheurs à envisager le couplage de la microélectronique silicium avec la matière organique. Maîtriser l’interface entre le silicium et les molécules est donc un point de passage obligé pour les développements futurs de ces domaines. En effet, trois propriétés majeures du silicium militent en faveur de sa pérennité : (i) il est biocompatible, (ii) il est la clé de voûte de l’électronique actuelle et (iii) il permet la fabrication de nanostructures prédéfinies. Les principales méthodes de dépôt de films organiques sur le silicium sont à ce jour le spin coating, l’évaporation, la chimisorption ou le dépôt par impression.
Une voie alternative prometteuse pour créer un lien d’interface fort entre le silicium et une couche organique est l’électrodéposition. En effet, l’électrochimie offre un paramètre de contrôle simple des réactions chimiques à la surface d’une électrode de silicium : le potentiel appliqué. Ainsi, la polymérisation électro-initiée ("électrogreffage") de monomères vinyliques sur des surfaces conductrices a désormais prouvé sa capacité à créer des interfaces robustes dans lesquelles un film de polymère est chimiquement greffé sur l’électrode

 

Le polymère greffé est parfaitement uniforme sur du silicium localement dopé, mais préalablement désoxygéné (partie droite); par contre, la localisation réapparaît si l’oxyde est reformé (partie gauche).

Quand un substrat de silicium localement dopé est soumis à l’électrogreffage du méthacrylonitrile, la microscopie optique et la profilométrie révèlent qu’un film de polyacrylonitrile est essentiellement greffé sur les zones non dopées du substrat (Figure 1). La différence d’épaisseur du film greffé entre les zones dopées et les zones non dopées plafonne à 100nm environ après quelques balayages de potentiel.
L’origine de cette localisation du greffage est aisément comprise quand la surface du silicium localement dopé est préalablement desoxygénée. En effet, après traitement au HF, le substrat soumis à l’électrogreffage révèle un film parfaitement homogène et dont l’épaisseur ne vair nullement avec la localisation des zones dopées, comme s’il s’agissait d’une surface de silicium dopée de façon uniforme. (Figure 2, droite) De plus, si la surface desoxygénée est placée en conditions oxydantes (solution piranha) avant l’électrogreffage, pour que l’oxyde natif se reforme, le film électrogreffé est de nouveau localisé. (Figure 2, gauche)
Ainsi, la localisation du greffage dans ces conditions provient essentiellement de la couche de silice, isolante, qui décale légèrement le potentiel effectivement ressenti par les monomères électroactifs en solution. Comme cette couche de silice est connue pour être légèrement plus épaisse lorsqu’elle croît au dessus d’une zone dopée qu’au dessus d’une zone peu dopée, c’est bien le niveau de dopage qui contrôle indirectement l’épaisseur du film de polymère électrogreffé.

 

REFERENCES :
[1] Mask-free Localized Grafting of Organic Polymers at the Micrometer or Submicrometer Scale on Composite Conductors or Semiconductor Substrates, 
J. Charlier, S. Ameur, J. P. Bourgoin, C. Bureau, S. Palacin, Advanced Functional Materials, 14 (2004), 125

[2] C. Bureau et al., Patent EP1551928 A1, 16/06/2003

[3] Directed Organic Grafting on Locally Doped Silicon Substrates, J. Charlier, L. Baraton, C. Bureau, S. Palacin, Chem. Phys. Chem. 6 (2005) 70

 

Maj : 18/07/2005 (352)

 

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