EP2529273A2 - Moule pour la lithographie par nano-impression et procedes de realisation - Google Patents

Moule pour la lithographie par nano-impression et procedes de realisation

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Publication number
EP2529273A2
EP2529273A2 EP11701139A EP11701139A EP2529273A2 EP 2529273 A2 EP2529273 A2 EP 2529273A2 EP 11701139 A EP11701139 A EP 11701139A EP 11701139 A EP11701139 A EP 11701139A EP 2529273 A2 EP2529273 A2 EP 2529273A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
mold
structured
face
substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11701139A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stéfan LANDIS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2529273A2 publication Critical patent/EP2529273A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/0002—Lithographic processes using patterning methods other than those involving the exposure to radiation, e.g. by stamping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • the invention relates to a nano - impression lithography mold, as well as methods for producing such a mold.
  • nano-printing lithography consists in duplicating patterns by hot pressing of a mold in a polymer film placed on a substrate to be printed or, in the case of a wavelength-assisted nano-printing, duplicating patterns by pressing a mold, transparent to the wavelength of use of the mold, in a photosensitive polymer film disposed on a substrate and applying radiation use wavelength (e.g., UV radiation) through the mold.
  • radiation use wavelength e.g., UV radiation
  • the patterns reproduced in the polymer film are then etched in the printing substrate underlying the polymer film.
  • nano-printing refers to the printing of patterns whose size (length, width and / or diameter) is between a few nanometers and several hundred micrometers.
  • the mold used to shape the polymer film is a rigid mold.
  • the rigid mold is made in a substrate of easily structural material, for example silicon, and is obtained by standard lithography and etching techniques. It is thus possible to obtain molds of large areas (several hundred cm 2 ).
  • the use of a rigid mold makes it very difficult or impossible to print patterns with satisfactory homogeneity: the more rigid the mold, the more difficult it becomes to obtain a homogeneous contact (or contact in conformity ) at any point between a rigid mold and the substrate to be etched. Indeed, as the surfaces to be in contact are never perfectly flat, it is necessary for there to be contact on the entire surface between the mold and the substrate. print, or that the mold can be deformed, which is possible only if the mold is not too rigid, or to reduce the surface of the mold to increase its flatness.
  • the maximum area that can be printed in a single step using a rigid quartz mold in the context of a UV assisted nano-printing lithography is typically a few cm 2 , while it is possible to print several hundred cm 2 using a silicon mold in the context of thermal nano-printing lithography.
  • a flexible mold that is to say, low Young's modulus
  • PolyDiMethylSiloxane (PDMS).
  • the elasticity of a PDMS mold makes it possible to obtain a conformal contact between the mold and the substrate to be printed.
  • the resolution of such a mold is limited to 0.5 micrometer because of the problems of mechanical stability of the mold during pressing: the small size patterns (typically less than 500 nm) do not have sufficient mechanical stability to resist during pressing, which causes several types of mechanical deformation of the mold, thereby limiting the potential resolution of the mold.
  • a PDMS mold can not therefore be used to produce structures having resolutions of a few nanometers, or even a few tens of nanometers.
  • the inventor has set himself the goal of designing a mold for nano-printing lithography which makes it possible to minimize the defects created during the printing step, and in particular, to minimize the residual thickness distribution, by making it possible to obtain a conformal contact between the mold and the substrate to be printed, the mold possibly having patterns whose size is between a few nanometers and several microns and this the mold is adapted to a nano-thermal or wavelength-assisted (for example UV) lithography.
  • a nano-thermal or wavelength-assisted (for example UV) lithography for example UV
  • a mold for nano-printing lithography having a first structured face comprising n structured zone (s) with micrometric or nanometric size patterns, n being an integer greater than or equal to 1, characterized in that said first structured face belongs to a first layer which is supported by a second layer, the first layer being of a rigid material and the second layer being of a flexible material.
  • the expression "structured with patterns of micrometric or nanometric size", applied to a face or a layer, means that the face or layer in question comprises patterns of which at least one dimension selected from the length, width and diameter is less than 1 mm and greater than lym, in the case of micrometric size patterns, and is greater than or equal to 1 nanometer and less than 1000 nanometers in the case of nanometric size patterns .
  • the patterns may be embossed or recessed (hollow). They can be dispersed homogeneously in the n zones, and are preferably equidistant within the same zone.
  • the patterns are identical (they have the same dimensions and the same shape).
  • the n structured zones are identical.
  • the term "rigid”, applied to a layer means that this layer has a bending deformation (arrow) lower than a determined limit value when a determined pressure is applied on the surface of this layer. layer.
  • the term "flexible”, applied to a layer means that this layer has a deformation in bending greater than or equal to a determined limit value when a specific pressure is applied on the surface of this layer.
  • E is the modulus of Young
  • V is the Poisson's ratio
  • h is the height of the layer concerned.
  • the maximum deflection generated (in bending) w is approximately equal to:
  • a substrate consisting of a silicon wafer 200 mm in diameter has a roughness of 50 ⁇ (data provided by the supplier of the silicon wafer).
  • the layer of the mold has an arrow greater than or equal to the roughness value of the substrate to be printed given by the manufacturer, namely 50 ⁇ , this layer will be considered as being made of a flexible material with respect to the substrate which is try to print.
  • the value of the deflection of the mold layer is less than the roughness value of the substrate to be printed, the layer will be considered as being a rigid material.
  • the silicon layer (w S i ⁇ 500 ⁇ ) is considered to be flexible, while the quartz layer (w S io2 ⁇ 25 ⁇ ⁇ ) is considered to be rigid.
  • the Young's modulus of the first layer is greater than or equal to the Young's modulus of the 1st intermediate layer.
  • the layers included in the mold have a thickness of between a few hundred micrometers and a few millimeters.
  • the second layer of the mold is itself supported by a support made of rigid material.
  • the support may be a substrate or a layer of rigid material.
  • the addition of this support helps strengthen the mold and reduce its fragility. This makes it possible to press the rigid support during handling without damaging the second layer.
  • the support made of rigid material is a cylindrical element, the second layer being supported by the cylindrical part of the support. The use of a cylindrical shaped element as a support makes it possible, for example, to produce a roller print ("roller print" in English).
  • the mold further comprises a second structured face comprising m zone (s) structured (s) with patterns of micrometric or nanometric size, m being an integer greater than or equal to 1, said second face belonging to a third layer, which is made of a rigid material, the first and second structured faces being situated on either side of the second layer of flexible material.
  • the structuring is not localized in certain parts of the face, but extends over the whole of the face.
  • the mold may furthermore comprise a layer interposed between the first layer and the second layer, the said interleaved layer being made of a rigid material, the face of the interposed layer which is opposite to the first layer being structured according to n cavities disposed opposite the n structured areas of the first layer and being covered by the second layer so that the n cavities are filled with a flexible material.
  • this interlayer and the first layer are made of an identical material; it comes down to having, instead of a first layer and an interlayer, a single layer (the first layer), this single layer having on one side the n structured areas and on its opposite side n cavities opposite the n structured areas.
  • the mold according to the invention can be used for any shaping technology of a material requiring a mold, and in particular for making a microcontact printing.
  • the mold can also be adapted to a particular use, such as nano-printing assisted at a particular wavelength or thermal nano-printing, depending on the constituent materials of the mold.
  • all the layers constituting the mold, as well as the support if it is present, can advantageously be made of transparent materials at a wavelength ⁇ located in the range of UV wavelengths, that is, that is to say at a wavelength between 193 nm and 400 nm, or in transparent materials at a wavelength ⁇ located in the wavelength range of the visible light, that is to say at a wavelength between 400 nm and 800 nm.
  • the support may be quartz or silica, the first layer of silica and the second layer of polydimethylsiloxane (PDMS) or silicone.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • all the layers constituting the mold, as well as the support if it is present, are made of thermally conductive materials, that is to say materials having a thermal conductivity greater than a few tens of Wm _1 .K _1 . We then have a mold that can be used to perform a thermal printing.
  • one or more of the layers constituting the mold, and possibly the support to be made of a material that is both transparent at a wavelength ⁇ and thermally conductive.
  • the invention relates to a first method of producing a mold for nano-printing lithography comprising a structured face having n structured areas with micrometric or nanometric size patterns, the method comprising the following steps:
  • negative imprint is understood to mean the production of a relief that perfectly fits into the relief that one wishes to obtain, namely the n structured zones of the front face of the mold.
  • the first embodiment further comprises, between step c) and step d), a step c ') of structuring the first layer so as to obtain n cavities opposite the n structured areas present on the opposite side of the first layer.
  • the Young's modulus of the first layer is greater than or equal to the Young's modulus of the 1st intermediate layer. This gives a gradient flexibility between the first layer and the second layer.
  • step b) of the method comprises the following steps:
  • step e) of the method is obtained by performing a selective etching of the initial substrate.
  • the material of the first layer and the material of the initial substrate are chosen so that it is possible to selectively etch the initial substrate without etching the first layer.
  • the selective etching may for example be a wet etching.
  • step e) of the method comprises machining the rear face of the initial substrate, followed by selective etching of the initial substrate.
  • said first embodiment method further comprises, after step d) and before or after step e), a step of depositing a support of rigid material on the second layer.
  • the deposition of the support can thus be done before or after the removal of the initial substrate.
  • the invention also relates to a second method for producing a mold for nanoimprint lithography comprising a structured face having n structured areas with micrometric or nanometric size patterns, the method comprising the following steps:
  • step 1) is replaced by a structuring step 1) of the rear face of the substrate so as to obtain n cavities located opposite the n structured areas of the front face.
  • the substrate is a stack of layers comprising, in order, a layer of first material, a layer of second material and a layer of third material, the first and third materials being rigid materials and in which the layer of second material serves as a stop layer for the structuring carried out in step k) and / or for the structuring carried out in step l ').
  • the structuring in step 1 ') can be carried out until reaching the layer of second material.
  • the second material layer may be of a material capable of stopping the etching.
  • the stack may for example be an SOI substrate.
  • said second embodiment further comprises, after step m), a step of depositing a support of rigid material on the layer of flexible material deposited in step m).
  • step k) comprises the following steps:
  • positive imprint is understood to mean the production of a relief identical to the relief that is to be obtained.
  • step l ' comprises the following steps:
  • the set of layers constituting said mold, as well as the support in rigid material if it is present are advantageously made of transparent materials at a wavelength ⁇ located in the range of UV wavelengths, in the wavelength range of visible light and / or are in thermally conductive materials.
  • the two production methods according to the invention make it possible to obtain molds having micrometric or nanometric size patterns on the surface, while using simple lithography and etching processes, which are well known and mastered by the skilled person.
  • the processes for producing a mold according to the invention are compatible with the methods usually used in microelectronics and in the field of microtechnologies.
  • a material is said to be opaque when it does not allow, or little, to pass light. In fact, it will be considered that a material having a thickness X is opaque when its transmittance is less than or equal to 0.2. Similarly, a material is said to be transparent when it allows light to pass through; it will be considered that a material having a thickness X is transparent when its transmittance is greater than or equal to 0.85.
  • the transmittance of a material is the ratio of the energy transmitted through this material to the incident energy. For a given substance, at a defined thickness and wavelength, transmittance is a constant.
  • the mold according to the invention also makes it possible to obtain a conformal contact between the mold and the substrate to be printed when they come into contact thanks to the presence of at least one layer of flexible material, which makes it possible to standardize the pressure. applied on the mold during printing.
  • the mold according to the invention therefore has both a mechanical rigidity sufficient to perform pattern printing of a few nanometers, while having a certain flexibility (adjusted according to the flexible layer (s) used (s) )). It is thus possible to solve simultaneously the problems related to the resolution of the patterns and that related to the uniformity of pressing during the printing.
  • FIG. 1 represents an example of a mold according to the invention
  • FIG. 2 represents another example of a mold according to the invention
  • FIG. 3 represents yet another example of a mold according to the invention
  • FIG. 4 represents another example of a mold according to the invention
  • FIG. 5 represents another example of a mold according to the invention
  • FIGS. 6a to 6h show the steps of a method for producing a mold according to the invention
  • FIGS. 7a to 7g show the steps of another method of producing a mold according to the invention.
  • the mold according to the invention comprises on at least one of its faces patterns in two or three dimensions of micrometric or nanometric size made in a layer of rigid material supported by at least one layer of flexible material.
  • This combination of a rigid layer and at least one flexible layer makes it possible to reproduce, on the one hand, patterns of nanometric size, and to obtain, on the other hand, a conformal contact between the mold and the substrate to be print when they are put in contact.
  • the mold 1 according to the invention may consist of a single layer of rigid material 2 having patterns 3 of micrometric or nanometric size, and a layer of flexible material 4, supporting the layer of rigid material, as shown in Figure 1.
  • the mold according to the invention may also comprise several layers of flexible material.
  • five layers of flexible material called interlayer layers 5i, 52, 3 , 4 , 5 , are disposed between the layer of rigid material 2 forming the front face of the mold 1 and the layer of flexible material 4 forming the rear face of the mold.
  • the interlayer layers are chosen so as to progressively adjust the mechanical properties between the layer of rigid material of the front face and the layer of flexible material of the rear face of the mold: there is then a gradient of mechanical properties between the layer of rigid material of the front face and the layer of flexible material of the rear face of the mold.
  • the intermediate layers are therefore placed in order of increasing Young's modulus, the intermediate layer of greater Young's modulus 5s being placed adjacent to the flexible material layer 4 of the rear face of the mold and having a lower Young's modulus. to the module of said layer of flexible material.
  • the mold according to the invention may also comprise two faces having micrometric or nanometric size patterns.
  • the mold 1 may comprise two layers of rigid material 2 and 6 structured with patterns 3 of micrometric or nanometric size and disposed on either side of a layer of flexible material 4.
  • the mold 1 according to the invention may further comprise a support 7 of rigid material, disposed on the flexible layer 4 ( Figure 4) to consolidate the mold and make it less fragile or to adapt the mold to specific applications, as for example "roller imprint” applications, by transferring the flexible layer of the mold to a support having a cylindrical shape.
  • a support 7 of rigid material disposed on the flexible layer 4 ( Figure 4) to consolidate the mold and make it less fragile or to adapt the mold to specific applications, as for example "roller imprint” applications, by transferring the flexible layer of the mold to a support having a cylindrical shape.
  • FIG. 5 a mold comprising a rigid layer 2 having a plurality of zones comprising patterns.
  • the representation of the mold in a sectional view allows us to deduce that this mold comprises at least two zones 30 having patterns 3.
  • the mold shown in FIG. 5 further comprises, between the layer of rigid material 2 and the layer of material flexible 4, an interlayer 11 of rigid material whose opposite face to the layer of rigid material 2 comprises cavities arranged facing the patterned zones of the layer of rigid material 2.
  • the interlayer 11 has two cavities located opposite the two structured areas.
  • the layer of flexible material 4 comes to cover the interlayer 11 by filling completely the cavities (the relief of the interlayer is completely covered).
  • the interlayer and the layer of rigid material 2 may optionally be of the same material. The fact that the interposed layer has different thicknesses makes it possible to simply adjust the mechanical behavior of the mold above the structured zones.
  • the materials of the layers forming the mold are chosen according to their Young's coefficient, preferably as a function of their ability to be structurable by lithography and etching steps, and possibly according to their ability to be transparent to a length of time. particular wave or thermally conductive, depending on the application that one wish to give to the mold.
  • the layers of a mold for UV-assisted nano-printing lithography will be in UV-transparent materials.
  • rigid and UV-transparent materials may, for example, be selected from silica, quartz or sapphire.
  • the rigid materials and transparent to visible light may, for example, be selected from silica, quartz or sapphire.
  • silica, quartz and sapphire are rigid materials that are transparent both in the visible and in the UV. They can therefore be used indifferently in the visible or in the UV. However, it is quite possible to choose rigid materials that are only transparent in the UV or in the visible.
  • the flexible materials and transparent to UV can, for example, be selected from silicones, polycarbonates, polyethylene, organic materials transparent to UV.
  • the soft materials and transparent to visible light may, for example, be selected from silicones, polycarbonates, polyethylene, organic materials transparent to visible light.
  • silicones, polycarbonates, polyethylene and organic materials are flexible materials and transparent both in the visible and in the UV and can therefore be used indifferently in the visible or in the UV, but it is quite possible to use flexible materials that are transparent only in the visible or in the UV.
  • the rigid and thermally conductive materials may, for their part, be chosen, for example, from silicon, silicon nitrides, carbides or metals.
  • the flexible and thermally conductive materials may, for example, be selected from silicones or polycarbonates.
  • a mold completely transparent to UV, comprising a layer of rigid material whose entire surface comprises patterns of micrometric and / or nanometric size, a layer of flexible material and a support.
  • a structuring of the front face of an initial substrate 13 is carried out, for example by lithography (electronic lithography, EUV, X optics, by FIEL) and by etching (reactive ionic dry etching, ionic machining, wet etching). )
  • lithography electrospray lithography
  • etching reactive ionic dry etching, ionic machining, wet etching
  • n relief zones on the future mold these n recessed areas are engraved on the initial substrate.
  • it is chosen to use a silicon substrate because the silicon enables etching with resolutions less than 10 nm and aspect ratios (height / width) greater than 10.
  • a layer is then deposited in a rigid material 2 and UV-transparent on the structured face of the substrate, for example a silicon oxide layer (FIG. 6d).
  • the thickness of the deposited layer 2 must be greater than the height of the patterns made in the initial substrate 13.
  • the deposit must be made so as to suitably fill the relief of the initial substrate.
  • a layer of a flexible material 4 and transparent to UV is deposited on the silicon oxide layer 2 ( Figure 6e).
  • the deposited layer is in PDMS.
  • the advantage of PDMS is that its Young's modulus can be adjusted according to the proportion of the initiator level contained in the PDMS preparation.
  • the majority of the initial substrate 13 is then removed by polishing or etching of its rear face (FIG. 6f).
  • the remainder of the initial substrate is then removed by wet etching, for example by TMAH or KOH etching in order to selectively etch the initial silicon substrate with respect to the silicon oxide layer. It makes sense to choose a couple of materials for the initial substrate and the layer of rigid material that can be selectively etched.
  • a mold comprising a layer 2 of rigid material transparent to micro or nanostructured UV (silicon oxide layer having a Young's modulus of a few GPa) is then obtained, supported by a layer 4 made of a flexible and UV-transparent material (PDMS layer having a Young's modulus between a few kPa and a few MPa) (Figure 6g).
  • the flexible material layer 4 may be deposited on a support 7 made of a rigid and UV-transparent material (for example a substrate) in order to reduce the fragility of the mold and to consolidate its mechanical strength (FIG. 6h).
  • a support 7 made of a rigid and UV-transparent material (for example a substrate) in order to reduce the fragility of the mold and to consolidate its mechanical strength (FIG. 6h).
  • the example above describes the formation of a mold comprising a single structured face, but it is possible to produce a mold having two structured faces.
  • a first stack by carrying out the steps 6a to 6g described above and, on the other hand, a second stack, by performing the steps 6a to 6g, and adhere the first stack to the second stack at their respective soft layers.
  • the layer of rigid material 2 is structured in a single zone occupying its entire surface.
  • the patterns are located according to one or more isolated areas.
  • the mold further comprises another layer of rigid material (called intercalated layer) on the layer of rigid material comprising the patterns.
  • the interposed layer of rigid material (and optionally transparent to UV in this example) has a number of cavities equal to the number of structured areas present on the layer of rigid material.
  • the intercalated layer will be deposited on the silicon oxide layer 2 in step 6d.
  • the interlayer is structured with cavities and a layer of flexible material is deposited on the interlayer. Steps 6f to 6h are then carried out. It is possible that the interlayer and the layer of rigid material are of the same material. It is also possible that the interlayer and the layer of rigid material are a single layer structured on its front face and on its rear face.
  • a mold comprising an intercalated layer is detailed above. According to another exemplary embodiment, a mold is produced comprising a layer of rigid material having areas that are thinned and filled with a layer of flexible material.
  • the substrate 15 is an SOI substrate consisting of a stack a silicon layer 16, a buried layer of silicon oxide 17 and a silicon layer 18.
  • the structuring is obtained by depositing a layer of photosensitive resin 19 on the front face of the substrate (FIG. 7a), by insolating the resin layer in a pattern representing the n structured zones that one wishes to obtain (FIG. 7b) and engraving the exposed resin layer and the parts not covered by the resin ( Figure 7c).
  • the depth of the etched patterns may be less than or equal to the thickness of the silicon layer 16 of the SOI substrate. If it is equal to the thickness of the silicon layer 16, the silicon oxide layer 17 of the SOI substrate then serves as a stop layer for etching.
  • the rear face of the substrate is then structured so that, opposite each structured zone on the front face of the substrate, there corresponds a cavity on the rear face of the substrate.
  • the cavity or cavities may be obtained by depositing a resin layer 20 on the rear face of the substrate (FIG. 7d), exposing the resin layer in a pattern representing the cavity or cavities that are to be obtained, and then etching of the insolated resin and parts not covered by the resin (FIG. 7e).
  • the etching may optionally be carried out until reaching the silicon oxide layer, which then acts as an etch stop layer.
  • a layer of flexible material 4 for example silicone or polydimethylsiloxane (PDMS), is then deposited on the rear face of the substrate so as to cover the relief formed by the cavity or cavities (FIG. 7f).
  • the realization of the n cavities on the rear face of the substrate makes it possible to deposit the flexible material 4 as close as possible to the structured zones present on the front face of the substrate.
  • the mechanical strength of the mold can be reinforced by depositing the flexible material layer of the mold on a support 7 made of rigid material (FIG. 7g).
  • the mold thus obtained comprises a layer of rigid material having different thicknesses, which allows to simply adjust the mechanical behavior of the mold.
  • By slimming down the thickness of the layer of rigid material vertically above the zones comprising the patterns and by filling the space thus created with a flexible material it is indeed possible to standardize the force exerted on the mold at the level of the patterns and to reach the final and uniform state of pressing more quickly.
  • the layers 16, 17 and 18 may be of the same material (for example, the three layers may be of silicon); the layers 16 and 18 may be of the same material, different from the material of the layer 17 (For example, layers 16 and 18 may be silicon while layer 17 is silicon oxide); the layers 16 and 17 may be of the same material, different from the material of the layer 18
  • layers 16 and 17 may be silicon oxide, while layer 18 is silicon); the layers 17 and 18 may be of the same material, different from the material of the layer 16
  • the layers 17 and 18 may be silicon, while the layer 16 is silicon oxide or silicon nitride Si x N y ); the layers 16, 17 and 18 may also be of different materials (for example, the layer 16 may be of silicon nitride Si x N y , the layer 17 may be of silicon oxide and the layer 18 may be of silicon) .

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Abstract

L' invention concerne un moule pour la lithographie par nano-impression, ainsi que ces procédés de réalisation. Ce moule comporte une face qui comprend n zone (s) structurée (s) avec des motifs de taille micrométrique ou nanométrique, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1. Cette face structurée appartient à une première couche qui est supportée par une seconde couche, la première couche étant en un matériau rigide et la seconde couche étant en un matériau souple. Ce moule peut en outre comprendre n couches intercalaires disposées entre la première couche et la seconde couche, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, et dans lequel le module d' Young de la seconde couche est inférieur au module d' Young de la nième couche intercalaire adjacente à la seconde couche, et si n est supérieur à 1, le module d' Young de la (i)ième couche intercalaire est supérieur au module d' Young de la (i + 1)ième couche intercalaire, avec i = 1 à (n-1).

Description

MOULE POUR LA LITHOGRAPHIE PAR NANO-IMPRESSION ET PROCEDES DE REALISATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne un moule lithographie par nano-impression, ainsi que procédés de réalisation d'un tel moule.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Il existe deux types de lithographie par nano-impression :
- la nano-impression assistée par longueur d' onde ;
- la nano-impression thermique.
La lithographie par nano-impression consiste, dans le cas d'une nano-impression thermique, à dupliquer des motifs par pressage à chaud d'un moule dans un film de polymère disposé sur un substrat à imprimer ou, dans le cas d'une nano-impression assistée par longueur d'onde, à dupliquer des motifs par pressage d'un moule, transparent à la longueur d'onde d'utilisation du moule, dans un film de polymère photosensible disposé sur un substrat et application d'un rayonnement de longueur d'onde d'utilisation (par exemple un rayonnement UV) à travers le moule. Les motifs reproduits dans le film de polymère sont ensuite gravés dans le substrat à imprimer sous-jacent au film de polymère. On précise que la nano-impression désigne l'impression de motifs dont la taille (longueur, largeur et/ou diamètre) est comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micromètres.
Typiquement, le moule utilisé pour mettre en forme le film de polymère est un moule rigide.
Le plus souvent, le moule rigide est réalisé dans un substrat en matériau facilement structurable, par exemple en silicium, et est obtenu par des techniques standards de lithographie et gravure. On peut ainsi obtenir des moules de grandes surfaces (plusieurs centaines de cm2) .
Cependant, il est parfois nécessaire d'utiliser un matériau qui s'avère être difficilement structurable, tel que la silice ou le quartz, par exemple lorsqu'on souhaite obtenir un moule transparent aux UV. Dans ce cas, la réalisation du moule par lithographie et gravure devient problématique au fur et à mesure que la résolution augmente (résolutions inférieures ou égales à quelques dizaines de nanomètres) .
D'autre part, l'utilisation d'un moule rigide rend très difficile, voire impossible, l'impression de motifs avec une homogénéité satisfaisante : plus le moule est rigide et plus il devient difficile d'obtenir un contact homogène (ou contact conforme) en tout point entre un moule rigide et le substrat à graver. En effet, comme les surfaces à mettre en contact ne sont jamais parfaitement planes, il est nécessaire, pour qu'il y ait un contact sur toute la surface entre le moule et le substrat à imprimer, soit que le moule puisse se déformer, ce qui n'est possible que si le moule n'est pas trop rigide, soit de diminuer la surface du moule pour augmenter sa planéité. De ce fait, la surface maximale qu'il est possible d'imprimer en une seule étape à l'aide d'un moule rigide en quartz dans le cadre d'une lithographie par nano-impression assistée par UV est typiquement de quelques cm2, alors qu'il est possible d'imprimer plusieurs centaines de cm2 en utilisant un moule en silicium dans le cadre d'une lithographie par nano- impression thermique.
Ainsi, afin, d'une part, d'éviter un contact qui pourrait être destructeur entre le moule rigide et le substrat à imprimer, et d'autre part, d'homogénéiser le pressage du moule sur le film de polymère, il est connu de conserver une fine couche résiduelle de polymère au fond des motifs dupliqués dans le film de polymère. L'épaisseur résiduelle est par la suite éliminée par un plasma d'oxygène et les motifs du moule sont transférés dans le substrat sous- jacent par gravure.
L' inconvénient de cette solution est qu'elle nécessite d'obtenir une épaisseur résiduelle uniforme afin d'obtenir un transfert des motifs tout en conservant les dimensions latérales des motifs. Or, lors de l'impression des motifs, on observe l'apparition d'une uniformité locale de l'épaisseur résiduelle à proximité des bords du moule, qui est provoquée par le passage d'une zone dense en motifs à une zone sans motifs. Afin de minimiser le nombre de ces uniformités locales, il est donc préférable d'utiliser un moule de grande surface plutôt que plusieurs petits moules. Cependant, nous venons de démontrer que la surface maximale d'un moule était limitée par sa rigidité.
Par ailleurs, il est connu d'utiliser un moule souple (c'est-à-dire à faible module d'Young) en PolyDiMethylSiloxane (PDMS) . L'élasticité d'un moule en PDMS permet d' obtenir un contact conforme entre le moule et le substrat à imprimer. Cependant, la résolution d'un tel moule est limitée à 0,5 micromètre du fait des problèmes de stabilité mécanique du moule au cours du pressage : les motifs de petites tailles (typiquement inférieures à 500 nm) n'ont pas une stabilité mécanique suffisante pour résister au cours du pressage, ce qui entraine plusieurs types de déformations mécaniques du moule, limitant de ce fait la résolution potentielle du moule. Un moule en PDMS ne peut donc pas être mis en œuvre pour réaliser des structures ayant des résolutions de quelques nanomètres, voire quelques dizaines de nanomètres.
Il a été envisagé de modifier la formulation chimique du PDMS afin d'améliorer ses propriétés mécaniques (voir le document [1] référencé à la fin de la description) . L'étude de l'effondrement d'un moule en PDMS en fonction du temps de polymérisation du PDMS permet de supposer que l'impression de motifs plus fins est possible avec un moule présentant un module élastique et une dureté de surface plus importants. Toutefois, une rigidité ou un module élastique trop important peut rendre le matériau fragile et limiter sa capacité à générer un contact conforme avec le substrat à imprimer. De plus, la mise en œuvre du PDMS par réticulation thermique reste une limite intrinsèque pour la fabrication de moule présentant une très haute résolution. En effet, le cycle de refroidissement du PDMS peut induire des contraintes mécaniques dans le matériau et par conséquent limiter sa résolution. Il en résulte que, dès lors que l'on souhaite obtenir des motifs ayant une taille inférieure à 100 nm, il s'avère nécessaire d'utiliser des moules en matériau rigide.
Au vu des problèmes posés par les moules de l'art antérieur, l'inventeur s'est fixé comme but de concevoir un moule pour la lithographie par nano- impression qui permette de minimiser les défauts crées pendant l'étape d'impression, et tout particulièrement de minimiser la distribution d'épaisseur résiduelle, en permettant l'obtention d'un contact conforme entre le moule et le substrat à imprimer, le moule pouvant avoir des motifs dont la taille est comprise entre quelques nanomètres et plusieurs micromètres et ceci que le moule soit adapté à une lithographie par nano- impression thermique ou assistée par longueur d'onde (par exemple UV) .
EXPOSÉ DE L' INVENTION
Ce but est atteint grâce à un moule pour la lithographie par nano-impression ayant une première face structurée comprenant n zone (s) structurée ( s ) avec des motifs de taille micrométrique ou nanométrique, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, caractérisé en ce que ladite première face structurée appartient à une première couche qui est supportée par une seconde couche, la première couche étant en un matériau rigide et la seconde couche étant en un matériau souple.
Dans ce qui précède et ce qui suit, l'expression « structurée avec des motifs de taille micrométrique ou nanométrique », appliquée à une face ou à une couche, signifie que la face ou la couche en question comprend des motifs dont au moins une dimension choisie parmi la longueur, la largeur et le diamètre est inférieure à 1 mm et supérieure à lym, dans le cas de motifs de taille micrométrique, et est supérieure ou égale à 1 nanomètre et inférieure à 1000 nanomètres dans le cas de motifs de taille nanométrique .
Dans le cadre de l'invention, les motifs peuvent être en relief ou encaissés (en creux) . Ils peuvent être dispersés de manière homogène dans les n zones, et sont de préférence équidistants au sein d'une même zone. Avantageusement, les motifs sont identiques (ils ont les mêmes dimensions et la même forme) . Avantageusement, les n zones structurées sont identiques .
Dans ce qui précède et ce qui suit, le terme « rigide », appliqué à une couche, signifie que cette couche présente une déformation en flexion (flèche) inférieure à une valeur limite déterminée lorsqu'une pression déterminée est appliquée sur la surface de cette couche.
De même, dans ce qui précède et ce qui suit, le terme « souple », appliqué à une couche, signifie que cette couche présente une déformation en flexion supérieure ou égale à une valeur limite déterminée lorsqu'une pression déterminée est appliquée sur la surface de cette couche.
Pour déterminer la valeur limite, il faut effectuer quelques calculs simples. Par exemple, prenons le cas d'un moule en silicium et en quartz ayant les caractéristiques suivantes :
Esi = 130 GPa Esi02 = 71,7 GPa
Vsi = 0,28 VSl02 = 0,16
où E est le module d' Young, V est le coefficient de Poisson et h est la hauteur de la couche concernée .
La rigidité à la flexion d'une pièce est donnée par la formule suivant :
EX h3
~ 12x(l - V2 )
Pour une plaque carrée de côté a, ayant une épaisseur h, la déflexion maximale générée (en flexion) w est à peu prés égale à :
Pxa4
w
D
Donc, si dans l'exemple ci-dessus la pression exercée uniformément sur le moule est égale à 2.105 Pa et que le côté a des plaques a une valeur de 20.10-3 m, alors on a :
wsi02 = 25 μπι
Par ces calculs, on a obtenu la flèche de chaque couche prise individuellement. Pour obtenir la valeur limite permettant de considérer qu'une couche est souple ou rigide, il faut comparer la valeur de la flèche calculée et la valeur de la rugosité de surface (ou topographie) du substrat que l'on souhaite imprimer en utilisant le moule. En effet, lorsqu'on fait une impression, il faut avoir un contact intime (aussi appelé contact « conforme ») entre le moule et le substrat à imprimer ; il faut donc que toute la surface du moule soit en contact direct avec toute la surface du substrat à imprimer.
Par exemple, un substrat constitué d'une plaque de silicium de 200 mm de diamètre présente une rugosité de 50 μτα (donnée fournie par le fournisseur de la plaque de silicium) . Aussi, si la couche du moule a une flèche supérieure ou égale à la valeur de rugosité du substrat à imprimer donnée par le fabricant, à savoir 50 μιη, cette couche sera considérée comme étant en un matériau souple par rapport au substrat que l'on cherche à imprimer. Par contre, si la valeur de la flèche de la couche du moule est inférieure à la valeur de rugosité du substrat à imprimer, la couche sera considérée comme étant un matériau rigide.
Ainsi, dans notre exemple, la couche de silicium (wSi ~ 500 μιη) est considérée comme étant souple, tandis que la couche de quartz (wSio2 ~ 25 μιη) est considérée comme étant rigide.
Avantageusement, le moule comprend en outre p couches intercalaires disposées entre la première couche et la seconde couche, p étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, et dans lequel le module d' Young de la seconde couche est inférieur au module d' Young de la pieme couche intercalaire adjacente à la seconde couche, et si p est supérieur à 1, le module d' Young de la (j_)ieme couche intercalaire est supérieur au module d' Young de la (i+l)ieme couche intercalaire, avec i=l à (p-1) · De préférence, le module d' Young de la première couche est supérieur ou égal au module d' Young de la lere couche intercalaire. On a ainsi un gradient en module de Young, ce qui permet d'éviter les transitions brutales entre la couche rigide et la couche souple et éviter que la structure ne casse. Cela permet en outre de diminuer l'épaisseur de la première couche rigide. Cela permet une meilleure répartition en face structurée de l'effort appliqué sur la face opposée du moule .
II est à noter que les couches comprises dans le moule ont une épaisseur comprise entre quelques centaines de micromètres et quelques millimètres.
Avantageusement, la seconde couche du moule est elle-même supportée par un support en matériau rigide. Le support peut être un substrat ou une couche en matériau rigide. L'ajout de ce support permet de renforcer le moule et de réduire sa fragilité. Cela permet en effet de pouvoir appuyer sur le support rigide lors de la manipulation sans abîmer la seconde couche. Selon une variante, le support en matériau rigide est un élément de forme cylindrique, la seconde couche étant supportée par la partie cylindrique du support. L'utilisation d'un élément de forme cylindrique comme support permet de réaliser, par exemple, un rouleau à impression (« roller print » en anglais) . Avantageusement, le moule comporte en outre une seconde face structurée comprenant m zone (s) structurée (s) avec des motifs de taille micrométrique ou nanométrique, m étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, ladite seconde face appartenant à une troisième couche, qui est en un matériau rigide, la première et la seconde faces structurées étant situées de part et d' autre de la seconde couche en matériau souple. Cette disposition particulière a l'avantage de permettre de doubler la cadence d'impression en utilisant un tel moule.
Avantageusement, au moins une face parmi la première face structurée et la seconde face structurée comprend une seule zone structurée (c'est-à-dire n=l et/ou m=l), ladite zone structurée occupant l'ensemble de la surface de ladite au moins une face. En d'autres termes, la structuration n'est pas localisée en certains endroits de la face, mais s'étend sur l'ensemble de la face.
Selon une variante particulière, le moule peut comprendre en outre une couche intercalée entre la première couche et la seconde couche, ladite couche intercalée étant en un matériau rigide, la face de la couche intercalée qui est opposée à la première couche étant structurée selon n cavités disposées en regard des n zones structurées de la première couche et étant recouverte par la seconde couche de manière à ce que les n cavités soient remplies par un matériau souple. Il est tout à fait possible que cette couche intercalée et la première couche soient en un matériau identique ; cela revient alors à avoir, au lieu d'une première couche et d'une couche intercalée, une seule et unique couche (la première couche), cette unique couche ayant sur une face les n zones structurées et sur sa face opposée n cavités en regard des n zones structurées.
De manière générale, le moule selon l'invention peut être utilisé pour toute technologie de mise en forme d'un matériau nécessitant un moule, et en particulier pour réaliser une impression par microcontact .
Le moule peut également être adapté à une utilisation particulière, telle qu'une nano-impression assistée à une longueur d'onde particulière ou une nano-impression thermique, selon les matériaux constitutifs du moule.
Ainsi, l'ensemble des couches constituant le moule, ainsi que le support s'il est présent, peuvent avantageusement être en des matériaux transparents à une longueur d'onde λ située dans la gamme des longueurs d'onde UV, c'est-à-dire à une longueur d'onde comprise entre 193 nm et 400 nm, ou en des matériaux transparents à une longueur d' onde λ située dans la gamme des longueurs d'onde de la lumière visible, c'est-à-dire à une longueur d'onde comprise entre 400 nm et 800 nm. On obtient alors un moule pouvant être utilisé pour réaliser une nano-impression assistée par UV ou une nano impression assistée par lumière visible, respectivement.
Selon une variante, le support peut être en quartz ou en silice, la première couche en silice et la seconde couche en polydiméthylsiloxane (PDMS) ou en silicone . Avantageusement, l'ensemble des couches constituant le moule, ainsi que le support s'il est présent, sont en des matériaux thermiquement conducteurs, c'est-à-dire des matériaux ayant une conductivité thermique supérieure à quelques dizaines de W.m_1.K_1. On a alors un moule pouvant être utilisé pour réaliser une impression thermique.
Il est tout à fait possible que l'une ou plusieurs des couches constituant le moule, et éventuellement le support, soit en un matériau à la fois transparent à une longueur d'onde λ et thermiquement conducteur.
D'autre part, l'invention concerne un premier procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression comprenant une face structurée ayant n zones structurées avec des motifs de taille micrométrique ou nanométrique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) fourniture d'un substrat initial ;
b) structuration d'une face dudit substrat initial, appelée face avant, selon un motif représentant l'empreinte négative des n zones structurées que l'on souhaite obtenir sur la face structurée du moule ;
c) dépôt d'une première couche sur la face avant du substrat initial de manière à recouvrir le relief formé à l'étape b) de structuration, la première couche et le substrat initial étant en des matériaux différents et la première couche étant en un matériau rigide ; d) dépôt d'une seconde couche sur la première couche, la seconde couche étant en un matériau souple ;
e) retrait du substrat initial.
On entend par réalisation d'une « empreinte négative » la réalisation d'un relief s' emboîtant parfaitement dans le relief que l'on souhaite obtenir, à savoir les n zones structurées de la face avant du moule .
Avantageusement, le premier procédé de réalisation comprend en outre, entre l'étape c) et l'étape d) , une étape c' ) de structuration de la première couche de manière à obtenir n cavités en regard des n zones structurées présentes sur la face opposée de la première couche.
Avantageusement, le premier procédé de réalisation comprend en outre, entre l'étape c) et l'étape d) , ou entre l'étape c' ) et l'étape d) , une étape de dépôt de p couches intercalaires sur la première couche, p étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, et dans lequel le module d'Young de la pieme couche intercalaire, destinée à être adjacente à la seconde couche qui sera déposée à l'étape d) , est supérieur au module d'Young de ladite seconde couche, et si p est supérieur à 1, le module d'Young de la (i)ieme couche intercalaire est supérieur au module d'Young de la (i+l)ieme couche intercalaire, avec i=l à (p-1) . De préférence, le module d'Young de la première couche est supérieur ou égal au module d'Young de la lere couche intercalaire. On obtient ainsi un gradient de souplesse entre la première couche et la seconde couche .
Avantageusement, l'étape b) du procédé comprend les étapes suivantes :
- dépôt d'une couche de résine photosensible sur une face du substrat initial ;
- insolation de la couche de résine photosensible selon le motif représentant l'empreinte négative des n zones structurées que l'on souhaite obtenir sur la face structurée du moule ;
- gravure de la couche de résine insolée ;
- gravure de la face du substrat initial non recouverte par la couche de résine.
Selon une première variante, l'étape e) du procédé est obtenue en réalisant une gravure sélective du substrat initial. Dans ce cas, le matériau de la première couche et le matériau du substrat initial sont choisis de manière à ce qu' il soit possible de graver sélectivement le substrat initial sans graver la première couche. La gravure sélective peut par exemple être une gravure humide.
Selon une seconde variante, l'étape e) du procédé comprend l'usinage de la face arrière du substrat initial, suivi d'une gravure sélective du substrat initial.
Avantageusement, ledit premier procédé de réalisation comprend en outre, après l'étape d) et avant ou après l'étape e) , une étape de dépôt d'un support en matériau rigide sur la seconde couche. Le dépôt du support peut ainsi se faire avant ou après le retrait du substrat initial. L' invention concerne également un second procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression comprenant une face structurée ayant n zones structurées avec des motifs de taille micrométrique ou nanométrique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
j) fourniture d'un substrat en matériau rigide ;
k) structuration d'une face du substrat, appelée face avant, de manière à obtenir les n zones structurées ;
1) amincissement du substrat par attaque de la face arrière dudit substrat ;
m) dépôt d'une couche de matériau souple sur la face arrière du substrat.
Selon une variante, l'étape 1) est remplacée par une étape l' ) de structuration de la face arrière du substrat de manière à obtenir n cavités situées en regard des n zones structurées de la face avant .
Avantageusement, le substrat est un empilement de couches comprenant, dans l'ordre, une couche de premier matériau, une couche de second matériau et une couche de troisième matériau, le premier et le troisième matériaux étant des matériaux rigides et dans lequel la couche de second matériau sert de couche d' arrêt pour la structuration effectuée à l'étape k) et/ou pour la structuration effectuée à l'étape l') . Par exemple, la structuration à l'étape 1') peut être réalisée jusqu'à atteindre la couche de second matériau. Si la structuration est obtenue par gravure, la couche de second matériau pourra être en un matériau capable de stopper la gravure. L'empilement peut par exemple être un substrat SOI .
Avantageusement, ledit second procédé de réalisation comprend en outre, entre l'étape 1) et l'étape m), ou entre l'étape l') et l'étape m), une étape de dépôt de p couches intercalaires sur la face arrière du substrat, p étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, et dans lequel le module d' Young de la pieme couche intercalaire, destinée à être adjacente à la couche de matériau souple qui sera déposée à l'étape m), est supérieur au module d' Young de ladite couche de matériau souple qui sera déposée à l'étape m), et si p est supérieur à 1, le module d' Young de la (j_)ieme couche intercalaire est supérieur au module d' Young de la (i+l)ieme couche intercalaire, avec i=l à (p-1) .
Avantageusement, ledit second procédé de réalisation comprend en outre, après l'étape m), une étape de dépôt d'un support en matériau rigide sur la couche de matériau souple déposée à l'étape m) .
Avantageusement, l'étape k) comprend les étapes suivantes :
- dépôt d'une couche de résine photosensible sur la face avant du substrat ;
- insolation de la couche de résine photosensible selon un motif représentant l'empreinte positive des n zones structurées que l'on souhaite obtenir sur la face avant du substrat ;
- gravure de la couche de résine insolée ; - gravure de la face avant du substrat non recouverte par la couche de résine.
On entend par réalisation d'une « empreinte positive » la réalisation d'un relief identique au relief que l'on cherche à obtenir.
Avantageusement, l'étape l') comprend les étapes suivantes :
- dépôt d'une couche de résine photosensible sur la face arrière du substrat ;
- insolation de la couche de résine photosensible selon un motif représentant l'empreinte positive des n cavités que l'on souhaite obtenir sur la face arrière du substrat ;
- gravure de la couche de résine insolée ; - gravure de la face arrière du substrat non recouverte par la couche de résine.
Dans le premier et le second procédés de réalisation selon l'invention, l'ensemble des couches constituant ledit moule, ainsi que le support en matériau rigide s'il est présent, sont avantageusement en des matériaux transparents à une longueur d' onde λ située dans la gamme des longueurs d'onde UV, dans la gamme des longueurs d'onde de la lumière visible et/ou sont en des matériaux thermiquement conducteurs.
Les deux procédés de réalisation selon l'invention permettent d'obtenir des moules présentant en surface des motifs de taille micrométrique ou nanométrique, tout en utilisant des procédés de lithographie et de gravure simples, bien connus et maîtrisés par l'homme du métier. En particulier, les procédés de réalisation d'un moule selon l'invention sont compatibles avec les procédés habituellement utilisés en microélectronique et dans le domaine des microtechnologies.
Par ailleurs, alors qu'il était nécessaire dans l'art antérieur de graver des substrats de plusieurs centaines de micromètre d'épaisseur, parfois en matériaux très rigides du type silice ou quartz, très difficiles à graver, en particulier pour obtenir des motifs de taille inférieure à 100 nm, il est à présent possible de réaliser la structuration du moule dans une couche d'un matériau facilement structurable, comme par exemple une couche de silicium, sans être limité par le fait que le matériau doive être transparent ou opaque. On peut ainsi structurer une couche de silicium pour réaliser un moule pour nano- impression assisté par UV. La fabrication des moules est ainsi considérablement simplifiée et les coûts de production sont par la même occasion abaissés.
On rappelle qu'un matériau est dit opaque lorsqu'il ne laisse pas, ou peu, passer la lumière. En fait, on considérera qu'un matériau ayant une épaisseur X est opaque lorsque sa transmittance est inférieure ou égale à 0,2. De même, un matériau est dit transparent lorsqu' il laisse passer la lumière ; on considérera qu'un matériau ayant une épaisseur X est transparent lorsque sa transmittance est supérieure ou égale à 0,85. D'autre part, on rappelle que la transmittance d'un matériau est le rapport de l'énergie transmise à travers ce matériau sur l'énergie incidente. Pour une substance donnée, à une épaisseur et à une longueur d'onde définies, la transmittance est une constante.
Le moule selon l'invention permet en outre d' obtenir un contact conforme entre le moule et le substrat à imprimer lors de leur mise en contact grâce à la présence d'au moins une couche en matériau souple, qui permet d'uniformiser la pression appliquée sur le moule lors de l'impression. Le moule selon l'invention présente donc à la fois une rigidité mécanique suffisante pour réaliser des impressions de motifs de quelques nanomètres, tout en ayant une certaine flexibilité (ajustée en fonction de la ou les couche (s) souple (s) utilisée ( s )) . On peut ainsi résoudre simultanément la problématique liée à la résolution des motifs et celle liée à l'uniformité de pressage lors de 1 ' impression .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 représente un exemple d'un moule selon l'invention,
- la figure 2 représente un autre exemple d'un moule selon l'invention,
- la figure 3 représente encore un autre exemple d'un moule selon l'invention,
- la figure 4 représente un autre exemple d'un moule selon l'invention, - la figure 5 représente un autre exemple d'un moule selon l'invention,
- les figures 6a à 6h représentent les étapes d'un procédé de réalisation d'un moule selon 1 ' invention,
- les figures 7a à 7g représentent les étapes d'un autre procédé de réalisation d'un moule selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le moule selon l'invention comprend sur au moins une de ses faces des motifs en deux ou trois dimensions de taille micrométrique ou nanométrique réalisés dans une couche en matériau rigide supportée par au moins une couche en matériau souple. Cette combinaison d'une couche rigide et d'au moins une couche souple permet de reproduire, d'une part, des motifs de taille nanométrique, et d'obtenir, d'autre part, un contact conforme entre le moule et le substrat à imprimer lors de leur mise en contact.
Le moule 1 selon l'invention peut consister en une seule couche en matériau rigide 2 comportant des motifs 3 de taille micrométrique ou nanométrique, et une couche en matériau souple 4, supportant la couche en matériau rigide, comme représenté dans la figure 1.
Le moule selon l'invention peut également comprendre plusieurs couches en matériau souple. Par exemple, dans la figure 2, cinq couches en matériau souple, appelées couches intercalaires 5i, 52, 53, 54, 55, sont disposées entre la couche en matériau rigide 2 formant la face avant du moule 1 et la couche en matériau souple 4 formant la face arrière du moule. Les couches intercalaires sont choisies de manière à ajuster progressivement les propriétés mécaniques entre la couche en matériau rigide de la face avant et la couche en matériau souple de la face arrière du moule : on a alors un gradient de propriétés mécaniques entre la couche en matériau rigide de la face avant et la couche en matériau souple de la face arrière du moule. Les couches intercalaires sont donc placées par ordre de module d' Young croissant, la couche intercalaire de plus grand module d' Young 5s étant placée adjacente à la couche en matériau souple 4 de la face arrière du moule et ayant un module d' Young inférieur au module de ladite couche en matériau souple.
Le moule selon l'invention peut également comprendre deux faces ayant des motifs de taille micrométrique ou nanométrique . Comme illustré dans la figure 3, le moule 1 peut comprendre deux couches en matériau rigide 2 et 6 structurées avec des motifs 3 de taille micrométrique ou nanométrique et disposées de part et d'autre d'une couche en matériau souple 4.
Eventuellement, le moule 1 selon l'invention peut comprendre en outre un support 7 en matériau rigide, disposé sur la couche souple 4 (figure 4) pour consolider le moule et le rendre moins fragile ou encore pour adapter le moule à des applications spécifiques, comme par exemple des applications « roller imprint », en reportant la couche souple du moule sur un support ayant une forme cylindrique.
Dans les figures 1, 2, 4 ci-dessus, l'ensemble de la surface de la première couche en matériau rigide est structurée. Mais il est possible également que seule une zone ou plusieurs zones de la surface de la couche soient structurées. Par exemple, dans la figure 5 est représenté un moule comprenant une couche rigide 2 ayant plusieurs zones comprenant des motifs. La représentation du moule selon une vue en coupe nous permet de déduire que ce moule comprend au moins deux zones 30 ayant des motifs 3. Le moule représenté dans la figure 5 comporte en outre, entre la couche en matériau rigide 2 et la couche en matériau souple 4, une couche intercalée 11 en matériau rigide dont la face opposée à la couche en matériau rigide 2 comporte des cavités disposées en regard des zones à motifs de la couche en matériau rigide 2. Ici, selon la représentation en coupe, on voit que la couche intercalée 11 comporte deux cavités situées en face des deux zones structurées. La couche en matériau souple 4 vient recouvrir la couche intercalée 11 en remplissant complètement les cavités (le relief de la couche intercalée est complètement recouvert) . La couche intercalée et la couche en matériau rigide 2 peuvent éventuellement être en un même matériau. Le fait que la couche intercalée présente des épaisseurs différentes permet d'ajuster simplement le comportement mécanique du moule au-dessus des zones structurées.
Les matériaux des couches formant le moule sont choisis en fonction de leur coefficient de Young, de préférence en fonction de leur facilité à être structurable par des étapes de lithographie et gravure, et éventuellement en fonction de leur capacité à être transparents à une longueur d'onde particulière ou thermiquement conducteurs, selon l'application que l'on souhaite donner au moule. Par exemple, les couches d'un moule destiné à la lithographie par nano-impression assistée par UV seront en des matériaux transparents aux UV.
Ainsi, les matériaux rigides et transparents aux UV peuvent, par exemple, être choisis parmi la silice, le quartz ou le saphir.
Les matériaux rigides et transparents à la lumière visible peuvent, par exemple, être choisis parmi la silice, le quartz ou le saphir.
Il se trouve que la silice, le quartz et le saphir sont des matériaux rigides qui sont transparents à la fois dans le visible et dans l'UV. Ils peuvent donc être utilisés indifféremment dans le visible ou dans l'UV. On peut cependant tout à fait choisir des matériaux rigides qui soient seulement transparents dans l'UV ou dans le visible.
Les matériaux souples et transparents aux UV peuvent, par exemple, être choisis parmi les silicones, les polycarbonates, le polyéthylène, les matériaux organiques transparents aux UV.
Les matériaux souples et transparents à la lumière visible peuvent, par exemple, être choisis parmi les silicones, les polycarbonates, le polyéthylène, les matériaux organiques transparents à la lumière visible.
Comme la remarque précédente, il se trouve que les silicones, les polycarbonates, le polyéthylène et les matériaux organiques sont des matériaux souples et transparents à la fois dans le visible et dans l'UV et peuvent donc être utilisés indifféremment dans le visible ou dans l'UV, mais il est tout à fait possible d'utiliser des matériaux souples qui soient transparents uniquement dans le visible ou dans l'UV.
Les matériaux rigides et thermiquement conducteurs peuvent, quant à eux, être choisis, par exemple, parmi le silicium, les nitrures de silicium, les carbures ou les métaux.
Les matériaux souples et thermiquement conducteurs peuvent, par exemple, être choisis parmi les silicones ou les polycarbonates .
Nous allons à présent décrire un mode de réalisation d'un moule selon l'invention. En particulier, nous allons réaliser un moule complètement transparent aux UV, comprenant une couche en matériau rigide dont toute la surface comporte des motifs de taille micrométrique et/ou nanométrique, une couche en matériau souple et un support.
On réalise tout d'abord une structuration de la face avant d'un substrat initial 13, par exemple par lithographie (lithographie électronique, optique EUV, X, par FIEL.) et par gravure (gravure sèche ionique réactive, usinage ionique, gravure humide...) . Pour cela, on dépose une couche de résine 14 sur une face d'un substrat de silicium ou tout autre matériau usuellement utilisé dans les procédés de micro et nano fabrication bien maîtrisés pour la fabrication de composants microélectroniques (figure 6a) , on insole cette couche de résine selon un motif représentant l'image inversée (empreinte négative) du motif que l'on souhaite obtenir sur la face du moule (figure 6b) , on grave la couche de résine insolée 14 et les parties non couvertes par la résine (figure 6c) . Par exemple, si l'on souhaite obtenir n zones en relief sur le futur moule, on grave ces n zones en creux sur le substrat initial. Dans notre exemple, on choisit d'utiliser un substrat de silicium car le silicium permet de réaliser des gravures avec des résolutions inférieures à 10 nm et des rapports de forme (hauteur / largeur) supérieurs à 10.
On dépose alors une couche en un matériau rigide 2 et transparent aux UV sur la face structurée du substrat, par exemple une couche d'oxyde de silicium (figure 6d) . L'épaisseur de la couche déposée 2 doit être supérieure à la hauteur des motifs réalisés dans le substrat initial 13. D'autre part, le dépôt doit être réalisé de manière à remplir convenablement le relief du substrat initial.
Puis, une couche en un matériau souple 4 et transparent aux UV est déposée sur la couche d' oxyde de silicium 2 (figure 6e) . Par exemple, la couche déposée est en PDMS . L'avantage du PDMS est que son module d' Young peut être ajusté en fonction de la proportion du taux d' amorceur contenue dans la préparation du PDMS .
On retire ensuite la majorité du substrat initial 13 par polissage ou gravure de sa face arrière (figure 6f) . Le reste du substrat initial est alors retiré par gravure humide, par exemple par une gravure TMAH ou KOH afin de graver sélectivement le substrat initial en silicium par rapport à la couche en oxyde de silicium. Il est judicieux de choisir un couple de matériaux pour le substrat initial et la couche de matériau rigide qui puisse subir une gravure sélective.
On obtient alors un moule comprenant une couche 2 en matériau rigide et transparent aux UV micro ou nanostructurée (couche d'oxyde de silicium ayant un module d' Young de quelques GPa) , supportée par une couche 4 en matériau souple et transparent aux UV (couche de PDMS ayant un module de Young compris entre quelques kPa et quelques MPa) (figure 6g) .
Eventuellement, la couche en matériau souple 4 peut être déposée sur un support 7 en matériau rigide et transparent aux UV (par exemple un substrat) afin de réduire la fragilité du moule et de consolider sa tenue mécanique (figure 6h) .
L'exemple ci-dessus décrit la formation d'un moule comprenant une seule face structurée, mais il est possible de réaliser un moule présentant deux faces structurées. Pour cela, on peut par exemple réaliser, d'une part, un premier empilement en effectuant les étapes 6a à 6g décrites ci-dessus et, d'autre part, un second empilement, en effectuant les étapes 6a à 6g, et on fait adhérer le premier empilement au second empilement au niveau de leurs couches souples respectives.
Dans l'exemple de réalisation tel que représenté dans la figure 6g ou 6h, la couche en matériau rigide 2 est structurée selon une unique zone occupant l'ensemble de sa surface. Toutefois, il est tout à fait possible que les motifs soient localisés selon une ou plusieurs zones isolées. Par ailleurs, lorsque la couche en matériau rigide comporte une ou plusieurs zones structurées localisées, il est possible que le moule comprenne en outre une autre couche en matériau rigide (appelée couche intercalée) sur la couche en matériau rigide comportant les motifs. Dans ce cas, la couche intercalée en matériau rigide (et éventuellement transparent aux UV dans cet exemple) comporte un nombre de cavités égal au nombre de zones structurées présentes sur la couche en matériau rigide. Dans l'exemple représenté dans les figures 6a à 6h, la couche intercalée sera déposée sur la couche en oxyde de silicium 2 à l'étape 6d. La couche intercalée est structurée avec des cavités et une couche en matériau souple est déposée sur la couche intercalée. On procède ensuite aux étapes 6f à 6h. Il est possible que la couche intercalée et la couche en matériau rigide soient en un même matériau. Il est également possible que la couche intercalée et la couche en matériau rigide soient une seule et même couche structurée sur sa face avant et sur sa face arrière. Un autre exemple de réalisation d'un moule comprenant une couche intercalée est détaillé ci-dessus. Selon un autre exemple de réalisation, on réalise un moule comportant une couche en matériau rigide ayant des zones amincies et remplies par une couche en matériau souple.
Tout d'abord, on réalise la structuration d'une face d'un substrat 15. Par exemple, le substrat 15 est un substrat SOI consistant en un empilement d'une couche de silicium 16, une couche enterrée d'oxyde de silicium 17 et une couche de silicium 18.
La structuration est obtenue en déposant une couche de résine photosensible 19 sur la face avant du substrat (figure 7a) , en insolant la couche de résine selon un motif représentant les n zones structurées que l'on souhaite obtenir (figure 7b) et en gravant la couche de résine insolée et les parties non couvertes par la résine (figure 7c) . La profondeur des motifs gravés peut être inférieure ou égale à l'épaisseur de la couche de silicium 16 du substrat SOI. Si elle est égale à l'épaisseur de la couche de silicium 16, la couche d'oxyde de silicium 17 du substrat SOI sert alors de couche d' arrêt de la gravure.
On structure ensuite la face arrière du substrat de manière à ce qu'en regard de chaque zone structurée sur la face avant du substrat corresponde une cavité en face arrière du substrat. La ou les cavités peuvent être obtenues par dépôt d'une couche de résine 20 sur la face arrière du substrat (figure 7d) , insolation de la couche de résine selon un motif représentant la ou les cavités que l'on cherche à obtenir, puis gravure de la résine insolée et des parties non recouvertes par la résine (figure 7e) . La gravure peut éventuellement être réalisée jusqu'à atteindre la couche d'oxyde de silicium, qui joue alors le rôle de couche d'arrêt de gravure. Ainsi, on est sûr que la gravure en face arrière du substrat ne débouchera pas en face avant sur les motifs des n zones structurées . On dépose alors une couche en matériau souple 4, par exemple en silicone ou en polydiméthylsiloxane (PDMS) , sur la face arrière du substrat de manière à recouvrir le relief formé par la ou les cavités (figure 7f) .
La réalisation des n cavités en face arrière du substrat permet de déposer le matériau souple 4 au plus près des zones structurées présentes sur la face avant du substrat.
Eventuellement, on peut renforcer la tenue mécanique du moule en déposant la couche en matériau souple du moule sur un support 7 en matériau rigide (figure 7g) .
Le moule ainsi obtenu comporte une couche en matériau rigide présentant des épaisseurs différentes, ce qui permet d'ajuster simplement le comportement mécanique du moule. En amincissant l'épaisseur de la couche en matériau rigide à l'aplomb des zones comprenant les motifs et en remplissant l'espace ainsi créé avec un matériau souple, on peut en effet uniformiser l'effort exercé sur le moule au niveau des motifs et atteindre plus rapidement l'état final et uniforme de pressage. Dans les exemples ci-dessus, nous avons décrits différentes variantes, mais d'autres variantes sont également possibles. A ce sujet, il est à noter que les couches 16, 17 et 18 peuvent être en un même matériau (par exemple, les trois couches peuvent être en silicium) ; les couches 16 et 18 peuvent être en un même matériau, différent du matériau de la couche 17 (par exemple, les couches 16 et 18 peuvent être en silicium, tandis que la couche 17 est en oxyde de silicium) ; les couches 16 et 17 peuvent être en un même matériau, différent du matériau de la couche 18
(par exemple, les couches 16 et 17 peuvent être en oxyde de silicium, tandis que la couche 18 est en silicium) ; les couches 17 et 18 peuvent être en un même matériau, différent du matériau de la couche 16
(par exemple, les couches 17 et 18 peuvent être en silicium, tandis que la couche 16 est en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium SixNy) ; les couches 16, 17 et 18 peuvent également être en des matériaux différents (par exemple, la couche 16 peut être en nitrure de silicium SixNy, la couche 17 peut être en oxyde de silicium et la couche 18 peut être en silicium) .
BIBLIOGRAPHIE
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Claims

REVENDICATIONS
1. Moule (1) pour la lithographie par nano- impression ayant une première face structurée (8) comprenant n zone (s) structurée ( s ) avec des motifs (3) de taille micrométrique ou nanométrique, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, caractérisé en ce que ladite première face structurée (8) appartient à une première couche (2) qui est supportée par une seconde couche (4), la première couche (2) étant en un matériau rigide et la seconde couche (4) étant en un matériau souple.
2. Moule pour la lithographie par nano- impression selon la revendication 1, comprenant en outre p couches intercalaires (5i, 52, 53, 54, 55) disposées entre la première couche (2) et la seconde couche (4), p étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, et dans lequel le module d' Young de la seconde couche (4) est inférieur au module d' Young de la pieme couche intercalaire (5s) adjacente à la seconde couche (4), et si p est supérieur à 1, le module d' Young de la (i)ieme couche intercalaire est supérieur au module d' Young de la (i+l)ieme couche intercalaire, avec i=l à (p-1) .
3. Moule pour la lithographie par nano- impression selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la seconde couche (4) est elle-même supportée par un support (7) en matériau rigide.
4. Moule pour la lithographie par nano- impression selon la revendication 1 ou 2, ledit moule ayant en outre une seconde face structurée (9) comprenant m zone (s) structurée ( s ) avec des motifs (10) de taille micrométrique ou nanométrique, m étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, ladite seconde face structurée (9) appartenant à une troisième couche (6), qui est en un matériau rigide, la première (8) et la seconde (9) faces structurées étant situées de part et d'autre de la seconde couche (4) en matériau souple.
5. Moule pour la lithographie par nano- impression selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une couche intercalée (11) entre la première couche (2) et la seconde couche (4), ladite couche intercalée (11) étant en un matériau rigide, la face de la couche intercalée (11) qui est opposée à la première couche (2) étant structurée selon n cavités (12) disposées en regard des n zones structurées (30) de la première couche (2) et étant recouverte par la seconde couche (4) de manière à ce que les n cavités soient remplies par un matériau souple .
6. Moule pour la lithographie par nano- impression selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'ensemble des couches (2 ; 4 ; 6 ; 5i, 52, 53, 54, 55 ; 11) constituant le moule, ainsi que le support (7) s'il est présent, sont en des matériaux transparents à une longueur d'onde λ située dans la gamme des longueurs d'onde UV ou de la lumière visible.
7. Moule pour la lithographie par nano- impression selon la revendication 3, dans lequel le support (7) est en quartz ou en silice, la première couche (2) est en silice et la seconde couche (4) est en polydiméthylsiloxane (PDMS) ou en silicone.
8. Moule pour la lithographie par nano- impression selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'ensemble des couches (2 ; 4 ; 6 ; 5i, 52, 53, 54, 55 ; 11) constituant le moule, ainsi que le support (7) s'il est présent, sont en des matériaux thermiquement conducteurs .
9. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression comprenant une face structurée ayant n zones structurées avec des motifs de taille micrométrique ou nanométrique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) fourniture d'un substrat initial (13) ; b) structuration d'une face dudit substrat initial, appelée face avant, selon un motif représentant l'empreinte négative des n zones structurées que l'on souhaite obtenir sur la face structurée du moule ;
c) dépôt d'une première couche (2) sur la face avant du substrat initial (13) de manière à recouvrir le relief formé à l'étape b) de structuration, la première couche (2) et le substrat initial (13) étant en des matériaux différents et la première couche (2) étant en un matériau rigide ; d) dépôt d'une seconde couche (4) sur la première couche (2), la seconde couche étant en un matériau souple ;
e) retrait du substrat initial (13) .
10. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon la revendication 9, comprenant en outre, entre l'étape c) et l'étape d) , une étape c' ) de structuration de la première couche (2) de manière à obtenir n cavités en regard des n zones structurées présentes sur la face opposée de la première couche (2) .
11. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon la revendication 9 ou la revendication 10, comprenant en outre, entre l'étape c) et l'étape d) , ou entre l'étape c' ) et l'étape d) , une étape de dépôt de p couches intercalaires (5i, 52, 53, 54, 55) sur la première couche (2), p étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, et dans lequel le module d' Young de la pieme couche intercalaire (5s), destinée à être adjacente à la seconde couche (4) qui sera déposée à l'étape d) , est supérieur au module d' Young de ladite seconde couche, et si p est supérieur à 1, le module d' Young de la (i)ieme couche intercalaire est supérieur au module d' Young de la (i+l)ieme couche intercalaire, avec i=l à (P-1) ·
12. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, comprenant en outre après l'étape d) et avant ou après l'étape e) , une étape de dépôt d'un support (7) en matériau rigide sur la seconde couche (4) .
13. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel l'ensemble des couches constituant ledit moule, ainsi que le support en matériau rigide s'il est présent, sont en des matériaux transparents à une longueur d'onde λ située dans la gamme des longueurs d'onde UV, dans la gamme des longueurs d' onde de la lumière visible et/ou sont en des matériaux thermiquement conducteurs .
14. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression comprenant une face structurée ayant n zones structurées avec des motifs de taille micrométrique ou nanométrique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
j) fourniture d'un substrat (15) en matériau rigide ;
k) structuration d'une face du substrat (15), appelée face avant, de manière à obtenir les n zones structurées ;
1) amincissement du substrat (15) par attaque de la face arrière dudit substrat ;
m) dépôt d'une couche (4) de matériau souple sur la face arrière du substrat.
15. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon la revendication 14, dans lequel l'étape 1) est remplacée par une étape l' ) de structuration de la face arrière du substrat (15) de manière à obtenir n cavités situées en regard des n zones structurées de la face avant.
16. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon la revendication 14 ou la revendication 15, dans lequel le substrat (15) est un empilement de couches comprenant, dans l'ordre, une couche de premier matériau (16), une couche de second matériau (17) et une couche de troisième matériau (18), le premier et le troisième matériaux étant des matériaux rigides et dans lequel la couche de second matériau (17) sert de couche d'arrêt pour la structuration effectuée à l'étape k) et/ou pour la structuration effectuée à l'étape l') .
17. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon la revendication 14 ou la revendication 15, comprenant en outre, entre l'étape 1) et l'étape m), ou entre l'étape 1') et l'étape m), une étape de dépôt de p couches intercalaires (5i, 52, 53, 54, 55) sur la face arrière du substrat (15), p étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, et dans lequel le module d'Young de la pieme couche intercalaire, destinée à être adjacente à la couche de matériau souple (4) qui sera déposée à l'étape m), est supérieur au module d'Young de ladite couche de matériau souple qui sera déposée à l'étape m), et si p est supérieur à 1, le module d'Young de la (i)ieme couche intercalaire est supérieur au module d'Young de la (i+l)ieme couche intercalaire, avec i=l à (P-1) ·
18. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon la revendication 16 ou 17, comprenant en outre, après l'étape m), une étape de dépôt d'un support (7) en matériau rigide sur la couche de matériau souple déposée à l'étape m) .
19. Procédé de réalisation d'un moule pour la lithographie par nano-impression selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, dans lequel l'ensemble des couches constituant ledit moule, ainsi que le support en matériau rigide s'il est présent, sont en des matériaux transparents à une longueur d'onde λ située dans la gamme des longueurs d'onde UV, dans la gamme des longueurs d'onde de la lumière visible et/ou sont en des matériaux thermiquement conducteurs .
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