Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département de microtechnique

New photoplastic fabrication techniques and devices based on high aspect ratio photoresist

Genolet, Grégoire ; Rooij, Nicolaas Frans de (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2001 ; no 2421.

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    Summary
    This thesis deals with the development of microfabrication technologies based on photoplastic structuring by lithographic and molding techniques. These technologies, combined with an original releasing method, allow for the simple fabrication of pseudo three-dimensional, soft, photoplastic microstructures with features and shapes that are difficult to obtain with standard micro-machining. The photoplastic material used is the SU-8 photoresist, a material that is used increasingly in the growing field of micro-electro-mechanical systems (MEMS). Photoplastic SU-8 microstructure fabrication is based on a combination of multi-layer spin-coating, molding and photolithographic processing of the resist on a prestructured silicon substrate. The final product is obtained by release of the structure from the substrate. This thesis describes several SU-8 microstructures which have been developed with an emphasis on atomic force microscopy (AFM) and scanning-near field optical microscopy (SNOM) probes. Scanning probe microscopy is a well-established technique for surface analysis, but batch-fabricated, low-cost probes still remain a challenging issue. Using a polymer for the cantilever facilitates the realization of mechanical properties that are difficult to achieve with classical silicon technology. The design, fabrication and testing of single lever and cassettes of multiple single-lever probes are presented and demonstrates the potential for fabrication structures with complicated shape and features. The fabrication process for SU-8 AFM probes is a simple batch process in which the integrated tips and the levers are defined in one photolithography step. Tip radii of curvature smaller than 15 nm have been obtained. The cantilever thickness depends on the spin-coating parameters, hence it can be very well controlled over a full wafer. Photoplastic cantilevers with thicknesses ranging from 1 to 6 μm have been produced. Imaging soft, condensed matter with photo-plastic levers, which uses laser beam deflection sensing, exhibits a resolution that compares well with that of commercially available silicon cantilevers. Lateral resolution of 5–6 nm has been estimated from imaging DNA-plasmid molecules. A vertical resolution of the order of 0.1 nm has been found. A similar fabrication technique was also developed to fabricate photo-plastic tips for SNOM that are to be attached to optical fibers. This technique allows optical apertures to be integrated at the end of the well-defined tip directly by probe fabrication, without the need for any post-processing for the aperture formation. Sub-100 nm aperture have been fabricated using this technique. Simple fabrication, as well as topographical and optical imaging demonstrate the potential of photoplastic-based probes for both AFM and SNOM applications, as well as for future combined probes development. In addition, the fabrication of functional microstructures by using SU-8 processing needs to be combined with other microfabrication techniques. Simple releasing of the molded structures from the substrate is especially of great importance. A sacrificial layer technique based on electrochemical etching enhancement has been developed and combined with the fabrication of the different photoplastic SU-8 probes presented. This technique allows the fast releasing of large microstructures and has been demonstrated by releasing other SU-8 photoplastic microfabricated devices.
    Résumé
    Ce travail traite du développement de technologies de microfabrication basées sur la mise en forme d'un matériau photoplastique en utilisant des techniques de photolithographie et de moulage. Ces technologies, combinées avec une méthode originale de libération, permettent la fabrication de microstructures pseudo-tridimensionnelles à faible module d'élasticité ayant des éléments de tailles et de formes qui sont difficiles à obtenir avec les procédés standards de microfabrication. Le matériau photoplastique utilisé est la résine photo-sensible SU-8. Ce matériau est de plus en plus utilisé dans le domaine en expansion des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems). La fabrication de microstructures en SU-8 est basée sur une combinaison de séquences de dépôt de couches, de moulage et d'étapes photolithographiques sur un substrat préstructuré. Plusieurs microstructures en SU-8 ont été développées, avec un accent particulier mis sur les sondes pour la microscopie à force atomique (AFM, Atomic Force Microscopy) et la microscopie optique en champ proche (SNOM, Scanning-Near Field Optical Microscopy). La microscopie à sonde proche est une technique bien établie pour l'analyse des surfaces. Pourtant, la fabrication en grande série de sondes bon marché reste un problème à résoudre. L'utilisation d'un polymère comme matériau pour le levier de la sonde facilite l'obtention de propriétés mécaniques difficiles à atteindre avec les technologies classiques du silicium. La conception, la fabrication et l'utilisation de sondes avec des leviers simples, ainsi que de cassettes contenant plusieurs leviers simples sont présentées et démontrent le potentiel de cette méthode pour la fabrication de structures avec des formes et des éléments compliqués. Le procédé qui permet la fabrication à grande échelle de sondes pour microscopie à force atomique est un procédé durant lequel les pointes et les leviers sont définis lors de la même étape photo-lithographique. L'épaisseur des leviers dépend des paramètres d'étalement de la résine, et peut ainsi être très bien contrôlée sur toute la surface d'un substrat. Des leviers ayant des épaisseurs de 1 à 6 microns ont ainsi été produits. L'imagerie d'échantillons biologiques avec les sondes en photo-plastique montre une résolution comparable à celle obtenue avec des sondes commerciales en silicium. Une résolution latérale de 5–6 nanomètres pour une résolution verticale de l'ordre de 0.1 nanomètre a été estimée à partir d'images de molécules d'ADN. Une technique de fabrication similaire a également été développée pour fabriquer des pointes pour SNOM devant être attachées à des fibres optiques. Cette technique permet d'intégrer des ouvertures optiques au sommet des pointes directement durant la fabrication des sondes, sans nécessiter d'étapes supplémentaires à la fin de la fabrication. Des ouvertures plus petites que 100 nanomètres ont été fabriquées en utilisant cette technique. Un procédé de fabrication simple ainsi que l'imagerie topographique et optique d'échantillons démontrent le potentiel des sondes en photoplastique autant pour la microscopie à force atomique que pour des applications liées à l'imagerie optique en champ proche. L'utilisation de la technologie SU-8 pour la fabrication de microstructures fonctionnelles nécessite d'être combinée avec d'autres techniques de micro-fabrication. La libération des structures moulées, par exemple, est d'un intérêt tout particulier. Une technique de couche sacrificielle améliorée utilisant un effet électrochimique a été développée et intégrée dans la fabrication des différentes sondes en SU-8 présentées. Cette technique permet la libération rapide de grandes microstructures et a également été utilisée pour libérer du substrat d'autres structures en SU-8.