Inventée par Aloys Senefelder en 1796 en Allemagne, la lithographie est une technique d’impression qui permet la création et la reproduction à de multiples exemplaires d’un tracé exécuté à l’encre ou au crayon sur une pierre calcaire. Après une préparation chimique, le gras contenu dans l’encre où le dessin est fixé sur la pierre. Elle est bien sûr plus adaptée à l'impression d'images plutôt que de texte.
La lithographie a été introduite en France en grande partie grâce à Louis-François Lejeune qui la découvrit dans l'atelier de Senefelder lors des guerres de l'Empire.
Dans le domaine de la microélectronique et des microsystèmes, la lithographie désigne la technique permettant de structurer des couches minces de matériaux afin de créer des transistors, pistes, et autres composants. Elle est généralement basée sur l'insolation de fines couches de résines organiques par de la lumière (on parle alors de lithographie optique), des rayons X, ou par un faisceau d'électrons (lithographie électronique), puis sur leur révélation dans des solvants.

b/ Principe de polymère

Les polymères, appelés aussi résines de lithographies, assurent le rôle de pellicule photosensible permettant de reproduire une image bidimensionnelle générée par un masque en motifs tridimensionnels.
Une couche mince de polymère est déposée à la surface d'un échantillon et le faisceau d'électron brise les chaînes de ce polymère, sensible à cette irradiation électronique. La scission des chaînes de polymère, modifie la solubilité de la zone exposée.

c/ Principe de solvant

Le solvant est un composé chimique dont l’utilisation adéquat (ou d’une combinaison de solvants) permet d’enlever les régions de polymères dont les mailles ont été brisées et qui sont dès lors sensibles à ce dernier. Une fois les motifs voulus lithographiés dans la couche de polymère, il est possible d'évaporer un métal sur la surface de l'échantillon. Après nettoyage, seul le métal directement en contact avec l'échantillon demeurera (là où la résine avait été enlevée).

d/ Outil utilisé

La lithographie électronique repose sur l'insolation d'une résine par un faisceau électronique. Les chaînes de PMMA cassées par le faisceau électronique sont dissoutes dans un développeur (MIBK + IPA). L'utilisation d'un microscope électronique à balayage à effet de champ (JEOL 6500) permet d'obtenir des tailles de faisceaux de l'ordre de quelques nanomètres. La résolution est alors limitée par des processus intrinsèques au sein de la résine.
¤ Microscopie électronique à balayage

Le microscope électronique à balayage est un instrument qui permet d’observer des nano-objets. On crée un faisceau qui balaye l’échantillon afin de reconstituer son image sur un écran, après traitement des données.

Le microscope est composé :
- d’une chambre où l’on met l’échantillon à observer,
- d’une colonne dans laquelle se forme le faisceau d’électron,
- d’un détecteur  appelé SE(secondaire) qui va permettre de capter les électrons,
- une boîte « analyse X » nécessaire en chimie afin d’étudier la composition du corps étudié,
- un ordinateur pour effectuer les réglages et pour la visualisation.

La  colonne elle-même est composée d’un canon à électrons qui donne le faisceau, on y trouve un filament de tungstène qui est chauffé afin obtenir une émission thermoïonique grâce à une différence de potentiel. Afin d’accélérer la vitesse des électrons, l’opération se déroule sous vide à une pression de 10 -4 bar et ils sont soumis à une tension de 5 à 30 kV.
Ainsi se forme un rayon qui traversera une lentille électromagnétique, une bobine de déflection et enfin une dernière lentille électromagnétique. Le but est d’aboutir à un rayon d’électron le plus fin possible pour que l’image soit précise et ait la meilleure qualité.

Juste sous la colonne, à 10mm, on  place l’échantillon. Pour effectuer cette manipulation, il est nécessaire de porter des gants afin de limiter le risque de mettre des grains de poussière sur l’objet à observer car à l’échelle nanométrique la poussière apparaît comme de gros grains et aussi pour éviter l’intrusion de l’eau et de gras qui sont très difficiles évaporer dans le vide.

Par la suite le détecteur SE (secondaire) capte les électrons secondaires et transmet les résultats à l’ordinateur afin d’obtenir une image en dégradé de gris.
Pour aider à la mise au point de l’image le chercheur se base sur des défauts ou des grains de poussière pour régler la netteté de l’image.
En fonction de l’inclinaison du support de l’échantillon, on est capable d’avoir une image en trois dimensions.
Cependant, ce type d’instrument n’est utilisé que dans la police pour comparer les fibres notamment, mais aussi en biologie pour étudier des gros plans d’insecte, ou bien des corps plus petits, et en géologie pour mettre à jour la composition de certains minéraux terrestres ou extra terrestres.
Cet appareil est encore peu répandu car son coût est conséquent (150 000 €), mais aussi son utilisation n’est requise que dans des milieux spécifiques de la recherche.

e) Exemple de réalisation en lithographie électronique.

L'équipe du Dr. Hartmut Zabel (Chaire de Physique expérimentale, Université de la Ruhr) a fabriqué le plus petit terrain de football au monde. D'une taille de 10 sur 7 microns.
Ce micro-terrain, qui ne peut être observé qu'au microscope électronique, est 10 millions de fois plus petit qu'un terrain de football traditionnel, ses buts ne mesurant que 200 nanomètres
Les contours du terrain ont été tracés par lithographie électronique, technique permettant de structurer des couches minces de matériaux afin de créer des microcomposants.