Lithographie et Nanoimpression

La photolithographie est, depuis la réalisation du premier circuit intégré, le moteur de l’industrie des semi-conducteurs. Ce sont les progrès réalisés, notamment en terme de résolution, qui ont permis l’augmentation du niveau d’intégration du nombre de transistors par unité de surface. Ainsi, l’industrie des semi-conducteurs s’est toujours distinguée par son aptitude à produire régulièrement de nouvelles générations de composants. Cette évolution technologique des circuits intégrés est modélisée depuis 1970 par la loi de Moore qui prédit un doublement de la densité d’intégration tous les 18 mois. Encore aujourd’hui, cette loi sert de modèle à la croissance de l’industrie microélectronique, même si sa pente diminue avec le poids des difficultés technologiques, entre autres le délai dans l’introduction de nouvelles techniques lithographiques, et le coût grandissant de la réalisation des circuits intégrés. Selon l’ITRS 2003, ce ralentissement se traduit par l’introduction d’une nouvelle génération de composants désormais tous les 30-36 mois .

L’industrie de la microélectronique n’est pas seule confrontée aux problèmes de la miniaturisation des composants. En effet, quelque soit le domaine d’application, qu’il soit mécanique, optique, magnétique ou biologique, les dimensions des dispositifs diminuent régulièrement et la lithographie reste le verrou majeur de la course à la miniaturisation. Les outils de lithographie optique vont permettre encore pendant quelques années de répondre à ce besoin, en diminuant la longueur d’onde d’exposition, en augmentant l’ouverture numérique ou en développant de nouvelles techniques d’amélioration de la résolution mais les systèmes deviennent de plus en plus complexes et leur prix s’accroît considérablement. Seuls les industriels de la microélectronique pourront peut-être aller vers ces techniques au prix d’investissements et d’efforts considérables. Pour les autres, ils n’auront peut être pas les moyens d’investir aussi lourdement pour la seule étape de lithographie. La lithographie par faisceau d’électrons est quant à elle capable d’atteindre d’excellentes résolutions mais les expositions longues limitent son rendement et son utilisation en milieu industriel semble compromise. En recherche et développement, elle reste cependant le principal moyen qui permet la réalisation de nanostructures. Par conséquent, il apparaît nécessaire de développer et d’introduire de nouvelles techniques de lithographie qui soient à la fois très résolvantes, rapides et peu coûteuses, comme les lithographies par impression.

De par le monde, plusieurs techniques d’impression sont en cours de développement : la nanoimpression, la nanoimpression assistée sous UV ou encore la lithographie molle. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes principalement intéressé à la nanoimpression. Cette technique consiste à presser un moule rigide dans un film de polymère chauffé au-delà de sa température de transition vitreuse. Le moule est réalisé dans une plaque de silicium par des techniques standards de lithographie et gravure et contient donc, en relief, les structures à dupliquer. Après pressage à chaud et démoulage, les motifs sont reproduits dans la couche de polymère et peuvent servir de masque lors du transfert des motifs par gravure. L’intérêt majeur de cette technique est sa rapidité puisque quelques minutes suffisent quand des heures sont nécessaires en lithographie électronique. De plus, lorsque le moule est réalisé par faisceau d’électrons, la technique bénéficie du même potentiel de résolution. Initialement, la nanoimpression a été développé par Steven Y. Chou aux Etats-Unis mais aujourd’hui, il existe dans le monde un réel engouement pour ce type de lithographie. La nanoimpression est très prometteuse et répondra probablement aux besoins d’applications précises, même si beaucoup d’études sont encore nécessaires, notamment sur l’alignement niveau à niveau ou encore sur la diminution du temps de cycle.

Lithographie et Nanoimpression : Généralités

La lithographie optique est, depuis la réalisation du premier circuit intégré, le moteur de l’industrie des semi-conducteurs. C’est son évolution permanente qui permet encore aujourd’hui la miniaturisation des composants. On doit ses évolutions majeures, principalement à la diminution de la longueur d’onde d’exposition (elle est passée, en un peu plus de 20 ans, de 436 nm à 193 nm), à l’augmentation de l’ouverture numérique et au développement de techniques d’amélioration de la résolution. On essaie ainsi de maintenir chaque génération lithographique le plus longtemps possible mais, sur une plus longue échéance, il semble malgré tout nécessaire d’introduire de nouvelles techniques. On voit alors apparaître le 157 nm, le 193 nm immersion, l’extrême UV, la lithographie électronique par projection et les lithographies par impression comme des solutions potentielles à la réalisation de nanostructures. Nous présenterons dans ce chapitre, les différentes stratégies qui existent pour la fabrication de nanostructures en s’intéressant plus particulièrement à la technique de nanoimpression. Nous verrons que son champ d’application dépasse largement les frontières de la microélectronique en permettant la fabrication de dispositifs électriques, optiques, magnétiques ou encore microfluidiques. 

Stratégies de fabrication de nanostructures 

L’approche classique de la nanofabrication est appelée top-down. Elle consiste à structurer un matériau déposé en couche mince par lithographie et gravure. La seconde approche est dite bottom-up puisqu’elle consiste à créer des structures directement à une taille nanométrique. Cette technique fait appel à la manipulation de nouvelles classes de matériaux (nanotubes de carbone, nanofils ou nanocristaux de silicium, ADN…) sur un substrat vierge qui va servir de support de croissance aux structures désirées ; ce sont les techniques d’autoassemblage et d’auto-organisation [1]. Les futurs transistors seront probablement issus d’une méthode hybride où les approches top-down rencontreront les techniques bottom up [2].

Les méthodes conventionnelles

Les méthodes de lithographie conventionnelles sont des techniques qui impliquent une interaction entre un faisceau incident (photons, électrons…) et un substrat solide dont la structure est modifiée chimiquement par cette interaction. Nous présenterons brièvement la lithographie optique par projection avec ses extensions qui sont la lithographie extrême UV et la lithographie par immersion et enfin à la lithographie électronique. Selon l’ITRS 2003 [3, 4], ces techniques sont toutes des solutions potentielles à plus ou moins long terme (2004- 2013) pour la réalisation de composants .

La lithographie optique par projection 

Cette technique est la plus utilisée par l’industrie des semi-conducteurs car elle permet une production en masse de circuits intégrés. Cette méthode consiste à insoler une résine photosensible à travers un masque en verre et un système de lentilles ayant un facteur de réduction de 4 ou de 5. Le masque est constitué de motifs absorbant en chrome qui définissent les circuits à réaliser.

La lithographie extrême UV (ou EUV) 

Il s’agit d’une technique de projection utilisant une longueur d’onde de 13,5 nm. Des systèmes optiques à miroirs permettent une réduction des motifs du masque d’un facteur allant de 4 à 10 . Le rayonnement utilisé étant très court, il est absorbé par l’ensemble des matériaux habituellement utilisés. De ce fait, les optiques et les masques en transmission employés par l’industrie microélectronique actuelle, doivent être remplacés par des miroirs et des masques en réflexion. Les miroirs sont constitués d’un empilement successif de couches minces de matériaux de bas et haut indice (40 paires de molybdène/silicium) pour former un miroir interférentiel de Bragg. Le masque est constitué du même empilement mais on y ajoute un matériau absorbant qui permet de définir les motifs à insoler. Les sources constituent aujourd’hui l’un des points faibles de la technique car elles délivrent, à cette longueur d’onde, une puissance encore insuffisante qui n’est pas adaptée à une production de masse (un débit de 120 plaquettes par heure nécessiterait une puissance de sortie de 150 W). Cet outil doit fonctionner sous vide (10⁻⁹ torr) pour éviter l’absorption du rayonnement par l’air ainsi que toute contamination. En utilisant une méthode appelée EUVIL , des réseaux périodiques de lignes sub-50 nm ont été réalisés dans du PMMA [6] et plus récemment, des réseaux périodiques de lignes sub-30 nm  .

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Lithographie et Nanoimpression : Généralités
1.1 Introduction
1.2 Stratégies de fabrication de nanostructures
1.2.1 Les méthodes conventionnelles
1.2.1.1 La lithographie optique par projection
1.2.1.2 La lithographie extrême UV (ou EUV)
1.2.1.3 La lithographie par immersion
1.2.1.4 La lithographie électronique
1.2.2 Les méthodes non-conventionnelles
1.2.2.1 La lithographie molle
1.2.2.2 La lithographie par nanoimpression
a Le principe de la technique
b Les faits marquants depuis son apparition en 1995
c Les objectifs et les challenges
1.2.2.3 L’UV-NIL
1.2.3 Comparatif des différentes techniques
1.3 La Lithographie par NanoImpression au LTM
1.3.1 La fabrication des moules
1.3.1.1 Par des méthodes conventionnelles
1.3.1.2 Par impression
1.3.2 Les polymères
1.3.3 Les dépôts anti-adhésifs
1.3.3.1 Les différents démoulants
1.3.3.2 Mesure des angles de contact
1.3.4 Les outils de pressage
1.3.5 Le transfert des motifs
1.3.5.1 Le retrait de l’épaisseur résiduelle
1.3.5.2 Le transfert
1.4 Conclusion
Chapitre 2 Caractérisation de Films Minces Supportés
2.1 Introduction
2.2 Les matériaux polymères
2.2.1 Définition
2.2.2 Comportement thermomécanique et transition vitreuse
2.2.3 Comportement aux surfaces et interfaces
2.3 Etudes des propriétés thermique et physico-chimique de la NEB22 déposée en film mince
2.3.1 Détermination de la fraction volumique de solvant θ v par FTIR
2.3.1.1 Principe de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
2.3.1.2 Détermination des paramètres α et σ du PGMEA pur
2.3.1.3 Détermination de la fraction volumique de PGMEA contenue dans le film de résine
2.3.2 Détermination de la température de transition vitreuse Tg
2.3.2.1 Par MT-DSC
2.3.2.2 Par DMA
2.3.2.3 Par DEA
2.3.2.4 Par ellipsométrie spectroscopique
a L’outil de caractérisation
b Procédure expérimentale
c Détermination de la température de transition vitreuse des films de NEB22
2.3.3 Interprétation des résultats
2.3.3.1 Evolution de Tg avec θ v
2.3.3.2 Evolution de Tg avec l’épaisseur des films
2.4 Conclusion
Chapitre 3 Uniformité des Pressages et Déformation du Moule
3.1 Introduction
3.2 Pressages et uniformité
3.2.1 Introduction
3.2.2 Quelques résultats expérimentaux
3.2.2.1 Uniformité à l’échelle des motifs
a Dans un réseau périodique
b Dans un réseau apériodique
3.2.2.2 Uniformité à grande échelle
a Généralités
b L’impression sur des substrats de 200 mm de diamètre
3.2.2.3 Comment améliorer l’uniformité ?
3.3 Origine de la non-uniformité : la déformation du moule
3.3.1 Dans les zones avec motifs
3.3.1.1 L’existence d’une force de réaction
3.3.1.2 Les conséquences
3.3.2 Dans les zones sans motif
3.3.2.1 Comment le moule se déforme-t-il ?
3.3.2.2 Conséquence : la formation de ponts capillaires
3.3.2.3 Evolution de la déformation
3.3.2.4 Calcul de la flèche à l’aide de la théorie des plaques minces élastiques
3.4 Conclusion
Chapitre 4 Instabilités du Film Polymère : Etude des Ponts Capillaires
4.1 Introduction
4.2 Observations courantes
4.2.1 Stabilité des films de NEB22 vis-à-vis du démouillage
4.2.2 La formation de ponts capillaires
4.2.2.1 Constatations expérimentales
4.2.2.2 Mécanisme de formation
a Bilan des forces à l’interface
b Comparaison des forces électrostatique et dispersive
c Longueur d’onde caractéristique du système
d Analyse
4.2.2.3 Ponts capillaires et force d’adhésion
a Force d’adhésion
b Conséquences
4.2.3 Autres formes d’instabilités
4.3 Conclusion
Conclusion

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