FR3084483A1 - Procede de realisation d'une structure presentant au moins un motif courbe - Google Patents

Procede de realisation d'une structure presentant au moins un motif courbe Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une structure présentant au moins un motif courbe, le procédé comprenant : - Fournir un substrat 2 présentant une face avant dont : ○ une partie est structurée par au moins une pluralité de reliefs, les reliefs de chaque pluralité définissant entre eux des espaces, et ○ une autre partie est exempte de reliefs, - Déposer une couche de base 5 d'un matériau tel qu'un polymère ou un verre, sur la face avant du substrat, au moins au droit des reliefs, et - Permettre au matériau de la couche de base de remplir au moins partiellement au moins un des espaces par déformation. La couche de base 5 est ainsi déformée de sorte que sa surface libre 50 présente au moins un motif 6 courbe.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention concerne en général la réalisation de structures de taille micrométrique ou nanométrique, pour former des dispositifs microélectroniques, optiques ou optoélectroniques, ainsi que des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques. Une application avantageuse de l’invention concerne le domaine des procédés de fabrication d’une matrice (ou « master » selon la terminologie anglo-saxonne) pour la fabrication d’une partie au moins d’un moule de nano-impression.
Plus particulièrement, l’invention trouve pour application particulièrement avantageuse la fabrication de matrice pour former des moules ou des pièces de moule, en vue de mouler des microlentilles asphériques, avantageusement à faible, voire très faible, courbure. Ces microlentilles peuvent elles-mêmes être destinées à des applications de collection de lumière, d’imagerie et de guidage de la lumière, en transmission ou en réflexion, par exemple.
Une application avantageuse de l’invention concerne le domaine des procédés de fabrication d’une partie au moins d’un moule de nano-impression.
Une autre application de la présente invention consiste à fabriquer une microlentille directement, le cas échéant sans mettre en œuvre l’une quelconque parmi une pièce de moule et une matrice.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Il existe de nombreuses techniques de fabrication de microlentilles.
Parmi ces techniques, l’impression par micro-jets et le fluage thermique sont désormais des techniques très avancées qui sont utilisées dans l’industrie pour réaliser des microlentilles de haute qualité optique. Ces techniques sont plus qualitatives que quantitatives lorsqu’il s’agit d’atteindre un profil de surface précis. Par exemple, le fluage thermique de photo-résine (Cf. par exemple l’article de N.T. Gordon et al., intitulé «Application of microlenses to infrared detector arrays», dans la revue Infrared Phys., 30, 6, 599-604, 1991) et l’impression par micro-jets sont basés sur des phénomènes physico-chimiques délicats impliquant une mise en équilibre des tensions de surfaces en jeu ce qui limite fortement le choix des profils de surface potentiellement obtenus par ces techniques.
Au contraire, les techniques d’ablation laser (Cf. par exemple l’article de F. Chen et al., intitulé « Simple fabrication of closed-packed IR microlens arrays on silicon by femtosecond laser wet etching », dans la revue Applied Physics A, (2015) 121 :157-162), de polymérisation à deux photons et d’écriture directe au laser permettent d’obtenir un très grand choix de profils de surface. Toutefois, ces techniques sont séquentielles, ce qui ne les rend pas adaptées en termes de coût et de rendement à une échelle industrielle.
L’utilisation de la gravure RIE (pour « reactive ion etching » selon la terminologie anglo-saxonne) (Cf. par exemple l’article de R. Yamazaki et al., intitulé « Microlens for uncooled infrared array sensor », dans la revue Electronics and Communications in Japan, 96, 2, 2013) et l’utilisation de la lithographie avec protons sont quant à elles considérées comme des techniques coûteuses, spécialement si elles sont utilisées pour réaliser des microlentilles en polymère.
Plus récemment, les techniques de moulage et d’impression telles que celles généralement désignées par leurs appellations anglaises de « hot embossing », « imprinting » et « injection moulding » sont de plus en plus utilisées pour réaliser des microlentilles. Le principe de fabrication est de remplir un moule d’un matériau (typiquement un polymère) et de détacher le matériau depuis le moule. Les microlentilles potentiellement obtenues de cette façon peuvent être de forme hémisphérique ou sphérique. Selon le type de substrat sur lequel le moulage est fait, en silicium ou en verre (ou quartz), les applications pourront concerner, respectivement, le domaine des longueurs d’ondes de l’infra-rouge (IR) ou celui de la lumière visible.
Les méthodes de fabrication par impression nécessitent de disposer de moules qui peuvent être eux-mêmes fabriqués par exemple à l’aide des techniques citées dans la publication suivante : « Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 8 », issue 7, pages 407-429, publiée en 2006. En règle générale, les techniques standard mises en œuvre par l’industrie de la microélectronique sont le plus souvent préférées, car elles sont très fiables et l’intégration des microlentilles aux composants finaux, typiquement des composants électronique de type transistor, en est facilitée.
Un procédé connu de fabrication d’un moule par les techniques de la microélectronique est décrit ci-après en référence aux figures 1A, 1B et 1C qui représentent des vues en coupe illustrant certaines étapes du procédé. Après dépôt d’une couche 1001 d’oxyde thermique de silicium (SiO2) ou silice, sur une plaque de silicium ou «wafer» 1000 du type de celles utilisées couramment par l’industrie microélectronique, c’est-à-dire une tranche de silicium de grand diamètre, par exemple d’un diamètre de 8 pouces, une couche 1002 de nitrure de silicium (SÎ3N4), par exemple d’une épaisseur de 350 nanomètres, est déposée sur la couche 1001 d’oxyde thermique. Un motif 1003 est gravé dans la couche 1002 de nitrure par des étapes conventionnelles de lithographie. La couche 1002 de nitrure jouant le rôle de masque dur, la plaque est immergée dans une solution de gravure humide ; une solution d’acide fluorhydrique (HF) est particulièrement adaptée ici. Comme illustré sur la figure 1B, le masque de nitrure 1002 protège les zones de la plaque où la solution de gravure ne doit pas attaquer l’oxyde thermique 1001. La gravure de la couche 1001 d’oxyde thermique est isotrope, formant ainsi une cavité en forme de portion de sphère centrée sur le motif 1003. A l’étape suivante dont le résultat est illustré en figure 1 C, le masque de nitrure 1002 est retiré et, après un traitement anti-adhésif, la plaque obtenue 1004 peut être utilisée comme moule pour l’impression.
Optionnellement, les motifs en relief du moule peuvent être créés directement dans le silicium 103 sans avoir recours à la couche intermédiaire de silice 102. Dans ce cas, la solution de gravure est un mélange d’acide fluorhydrique (HF) et d’acide nitrique (HNO3) comme rapporté en 2009 dans un article paru dans la revue en langue anglaise Optics Express, Volume 17, Edition 8, pages 6283 à 6292 (2009).
Si les procédés de fabrication de moule brièvement décrits ci-dessus conviennent bien pour l’obtention, comme représenté, de motifs sphériques ou hémisphériques, il est en revanche difficile d’obtenir des lentilles dites asphériques de formes voulues ou des lentilles avec de grands rayons de courbure (diamètre très largement supérieur à la flèche) avec ces procédés. Or la production de matrices de microlentilles asphériques est généralement requise dans beaucoup d’applications. Ces lentilles asphériques présentent en effet habituellement des propriétés optiques bien meilleures. Notamment, les lentilles sphériques, contrairement aux lentilles asphériques, induisent des aberrations optiques, les rayons passant par le centre de la lentille ne convergeant pas exactement au même point que ceux passant par les bords. Ceci provoque un flou aux grandes ouvertures et un élargissement de la tache de focalisation qu’il n’est pas possible d’ignorer dans la plupart des applications.
Il faut alors avoir recours à l’utilisation de lasers et aux techniques dites de « laser machining » ou ablation laser, déjà mentionnées ci-dessus, qui seules sont susceptibles de pouvoir créer les profils complexes nécessaires avec toutefois l’inconvénient majeur que chaque microlentille doit alors être façonnée individuellement. Ces techniques sont par exemple décrites dans l’article « Spherical and Aspheric Microlenses Fabricated by Excimer Laser LIGA-like Process », de Yung-Chun Lee, et al., paru en 2006 dans la revue en langue anglaise «Journal of Manufacturing Science and Engineering», 129, 126-134.
Un objet de la présente invention est donc de proposer un procédé de réalisation d’une structure présentant au moins un motif courbe qui permette de limiter, voire de supprimer, certains au moins des problèmes exposés cidessus.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation, la présente invention prévoit un procédé de réalisation d’une structure présentant au moins un motif, par exemple pour fabriquer une matrice pour moule de nanoimpression, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- Fournir un substrat présentant une face avant dont :
o une partie est structurée par au moins une pluralité de reliefs, les reliefs de chaque pluralité définissant entre eux au moins un espace, de préférence au moins deux espaces, et o une autre partie est exempte de reliefs,
- Déposer une couche de base, de préférence d’épaisseur uniforme, d’un matériau à base de l’un parmi un polymère et un verre, sur la face avant du substrat, au moins au droit des reliefs, voire au droit de toute la face avant du substrat, la couche de base présentant une première face en regard de la face avant du substrat et une deuxième face opposée à la première face, et
- Permettre au matériau de la couche de base de remplir au moins partiellement l’au moins un espace, de préférence tous les espaces, défini entre les reliefs d’une même pluralité par déformation de la couche de base.
La couche de base est ainsi déformée de sorte que sa deuxième face forme une structure présentant au moins un motif courbe au droit de l’au moins un espace au moins partiellement rempli par le matériau de la couche de base.
Ainsi, la surface libre de la couche de base est déformée du fait du remplissage au moins partiel des espaces entre les reliefs de chaque pluralité. Le volume de matériau déplacé notamment au droit des reliefs lors de la déformation de la couche de base est au plus égal au volume des espaces définis entre les reliefs. En appliquant des techniques classiques de microélectronique, il est possible de parfaitement maîtriser le volume de ces espaces. Par conséquent, le volume de matériau déplacé est a fortiori aussi bien maîtrisé ; or la forme, la courbure et la flèche du motif formé dépendent en particulier du volume de matériau déplacé. La forme, la courbure et la flèche du motif formé sont donc parfaitement maîtrisables.
Le motif ainsi formé peut avantageusement présenter une courbure asphérique, de préférence faible (<10'2μηΤ1), voire très faible (<10'6μηΤ1).
Grâce au procédé selon l’invention, il est possible de fabriquer un moule de nano-impression. Ce moule peut alors servir au moulage de microlentilles qui présentent une courbure asphérique, de préférence faible (<10'2pm'1), voire très faible (<10'6pm'1).
En outre, le procédé de fabrication tel qu’introduit ci-dessus est avantageusement simple, rapide, opérable en une seule série d’étapes à l’échelle d’une tranche (ou « wafer » selon la terminologie anglo-saxonne), et compatible avec les techniques standard de la microélectronique.
Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication d’au moins un moule de nano-impression en utilisant une matrice fabriquée par mise en œuvre du procédé tel qu’introduit ci-dessus. Ainsi, la présente invention prévoit l’utilisation d’une matrice fabriquée par mise en œuvre du procédé tel qu’introduit ci-dessus, pour la fabrication d’au moins un moule de nano-impression.
Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication d’au moins une microlentille par nano-impression, en utilisant un moule de nano-impression fabriqué par transfert d’au moins un motif à partir d’une matrice fabriquée par mise en œuvre du procédé tel qu’introduit cidessus. Ainsi, la présente invention prévoit l’utilisation d’un moule de nanoimpression fabriqué par transfert d’au moins un motif à partir d’une matrice fabriquée par mise en œuvre du procédé tel qu’introduit ci-dessus, pour la fabrication d’au moins une microlentille par nano-impression.
Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication d’au moins une pièce de moule de nano-impression fabriquée par mise en œuvre du procédé tel qu’introduit ci-dessus. La présente invention prévoit l’utilisation de la pièce de moule de nano-impression fabriquée par mise en œuvre du procédé tel qu’introduit ci-dessus, pour la fabrication d’au moins une microlentille par nano-impression à partir de ladite pièce.
Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication d’une lentille, ou microlentille, par mise en œuvre du procédé tel qu’introduit ci-dessus. Cet autre aspect de l’invention est notamment avantageux pour des applications en optique réflective. Pour cela, il peut en effet être prévu de rendre le polymère, à base duquel la couche de base est constituée, réflectif en déposant sur le polymère, à basse température, une fine couche de métal ou de diélectrique, de sorte à optimiser la réflexion.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
Les FIGURES 1A, 1B et 1C représentent schématiquement certaines étapes d’un procédé de fabrication d’un moule pour l’impression de microlentilles selon l'art antérieur.
La FIGURE 2 représente schématiquement une vue en coupe d’une microlentille telle que la présente invention vise à permettre de fabriquer.
Les FIGURES 3A à 3I représente schématiquement différentes vues en coupe illustrant les étapes du procédé de fabrication d’un motif concave selon un mode de réalisation de l’invention.
La FIGURE 4 représente schématiquement certaines des différentes étapes du procédé de fabrication d’un motif convexe selon un mode de réalisation de l’invention.
Les FIGURES 5A et 5B représentent chacune schématiquement une vue en perspective d’une partie au moins de substrat structuré selon un mode de réalisation de l’invention.
La FIGURE 6 est un ordinogramme du procédé de réalisation d’une structure selon un mode de réalisation de l’invention.
Les FIGURES 7A, 7B et 7C représentent schématiquement un premier exemple de réalisation du procédé de réalisation d’une structure selon l’invention.
La FIGURE 8A représente schématiquement un deuxième exemple de réalisation du procédé de réalisation d’une structure selon l’invention comprenant deux motifs.
La FIGURE 8B représente un graphique montrant les profils des deux motifs issus du deuxième exemple de réalisation et mesurés par un stylet.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions relatives des différentes couches et reliefs ne sont pas représentatives de la réalité. Sur la figure 6, les étapes du procédé encadrées par des traits discontinus peuvent n’être qu’optionnelles.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
- La déformation est viscoélastique ; elle peut également être plastique notamment pour une couche de base 5 comprenant un polymère. Une déformation plastique du polymère de la couche de base peut effectivement être obtenue, par exemple par mise sous pression de l’ensemble, de sorte à induire des contraintes et passer au-delà du seuil de plasticité du polymère ;
- pour chaque pluralité de reliefs, le nombre, la forme et la répartition spatiale des reliefs sont paramétrés au moins en fonction de paramètres viscoélastiques ou plastiques de la couche de base et de paramètres de dépôt de la couche de base. Une courbure déterminée du motif est ainsi obtenue. Il est ainsi avantageusement offert par le procédé selon l’invention d’obtenir une variété quasi-infinie de motifs courbes en faisant varier des paramètres par ailleurs bien, voire parfaitement, maîtrisés ;
- l’étape de remplissage au moins partiel de l’au moins un espace défini entre les reliefs d’une même pluralité peut comprendre l’étape suivante : Remplir entièrement chaque espace jusqu’à générer un motif dont la courbure est déterminée par équilibrage de tensions superficielles en jeu. Si l’évolution du motif est relativement prévisible et l’arrêt volontaire de cette évolution relativement bien contrôlée, cela complexifie tout de même le procédé. Il est avantageusement plus simple de laisser fluer la couche de base jusqu’à obtenir la forme à l’équilibre du motif courbe ;
- l’étape de remplissage au moins partiel de l’au moins un espace défini entre les reliefs d’une même pluralité peut comprendre une montée en température, au moins 10°, de préférence entre 10 et 40°C, au-dessus de la température de transition vitreuse Tg du matériau à base duquel la couche de base est constituée.
- l’au moins une pluralité de reliefs peut définir au moins une cavité formée dans la face avant du substrat. Le motif courbe ainsi formé peut être concave ;
- l’au moins une pluralité de reliefs peut comprendre une mésa formée sur la face avant du substrat et l’au moins un espace peut comprendre au moins une cavité formée dans la mésa ;
- l’au moins une pluralité de reliefs peut comprendre au moins un relief faisant saillie depuis la face avant du substrat. Le motif ainsi formé peut être convexe ;
- le procédé peut comprendre le cas échéant l’étape suivante : permettre au matériau de la couche de base situé au droit de la partie de la face avant du substrat qui est exempte de reliefs de venir au contact d’au moins une partie de la face avant du substrat. En complément ou en alternative, avec au moins deux pluralités de reliefs structurant la face avant du substrat et définissant entre elles des seconds espaces, le procédé comprend en outre l’étape suivante : permettre au matériau de ladite couche de base située au droit d’une partie de la face avant du substrat exempte de reliefs de remplir au moins partiellement au moins un second espace, de préférence chaque second espace, chaque second espace étant plus grand, par exemple au moins dix fois plus grand, que l’au moins un espace défini entre les reliefs d’une même pluralité ;
- l’au moins une pluralité de reliefs peut être formée par au moins une étape de gravure, par exemple par photolithographie, de la face avant du substrat ;
- le procédé peut comprendre en outre, une fois ledit au moins un motif formé, l’étape suivante :
- Rigidifier, au moins en surface, la couche de base, l’étape de rigidification comprenant le cas échéant l’une correspondante parmi :
o l’amenée du polymère, au moins en surface de la couche de base, dans un état vitreux, solide ou caoutchoutique, et o l’amenée du verre, au moins en surface de la couche de base, dans un état vitreux;
- le procédé peut comprendre en outre, une fois ledit au moins un motif formé, les étapes suivantes :
o Retirer la couche de base autour de chaque motif formé, par exemple par photolithogravure, de sorte à exposer la partie de la face avant du substrat qui est exempte de reliefs, puis o Déposer une couche de finition sur chaque motif et la partie exposée de la face avant du substrat.
La matrice est ainsi avantageusement prête à être utilisée afin d’en obtenir un moule, notamment par des étapes comprenant le greffage sur la couche de finition de couches antiadhésives et le report du motif dans des couches de transfert généralement composés d’éléments organiques et destinées à former un moule intermédiaire ;
- l’au moins une pluralité de reliefs peut définir une cavité et/ou comprendre un relief présentant au moins l’une parmi :
o une profondeur ou une hauteur supérieure à 10 pm, de préférence supérieure à 100 pm, par exemple égale à 180 pm, et o au moins une dimension transversale comprise entre 20 et 200 pm, de préférence comprise entre 50 et 100 pm.
Au moins un relief de chaque pluralité présente de préférence au moins une dimension de taille inférieure à 1 mm ;
- l’au moins un espace défini entre les reliefs de chaque partie structurée de la face avant du substrat peut prendre l’une parmi :
o la forme d’un trou, traversant ou non, de section circulaire ou oblongue et o la forme d’une rainure circulaire ou linéaire.
Les techniques de la microélectronique permettent effectivement d’envisager des motifs de tailles et de formes variées permettant l’obtention d’une variété quasi-infinie de motifs courbes ;
- l’au moins un espace défini entre les reliefs de chaque partie structurée de la face avant du substrat occupe au moins la moitié de la surface de cette partie structurée. En alternative ou en complément, pour une même pluralité de reliefs, une distance entre deux reliefs adjacents entre eux, voire entre chaque paire de reliefs adjacents entre eux, est ménagée qui est au moins égale à une plus petite dimension transversale d’au moins un relief de la pluralité ;
- l’étape de dépôt de la couche de base peut être paramétrée de sorte que la couche de base présente, de préférence avant sa déformation, une épaisseur comprise entre 20 et 200 pm ;
- l’étape de dépôt de la couche de base peut comprendre l’une des étapes parmi :
o Déposer un film sec par laminage, et o Déposer une solution comprenant le matériau de la couche de base par enduction centrifuge.
Ces techniques de dépôt de la couche de base sont avantageusement simple, rapide et opérable en une seule étape ou série d’étapes à l’échelle d’une tranche ;
- l’au moins une pluralité de reliefs comprend plusieurs pluralités de reliefs espacées entre elles par la partie de la face avant du substrat qui est exempte de reliefs, chaque pluralité de reliefs étant destinée à la formation d’un motif, et de préférence d’un unique motif ;
- l’une au moins parmi la partie de la face avant du substrat exempte de reliefs et l’étape de dépôt de la couche de base peut être paramétrée de sorte que la déformation de la couche de base au niveau de chaque pluralité de reliefs n’influe pas sur la déformation de la couche de base au niveau de toute autre pluralité de reliefs ;
- la structure peut être une matrice pour la réalisation d’un moule de nanoimpression ; en première alternative, la structure peut être une pièce d’un moule de nano-impression ; en seconde alternative, la structure peut être une lentille.
Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, le terme « sur », « surmonte », « recouvre » ou « sous-jacent » ou leurs équivalents ne signifient pas forcément « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt d’une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches sont directement au contact l’une de l’autre mais cela signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact, soit en étant séparée d’elle, par exemple par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.
Dans le cadre de la présente invention, l’épaisseur d’une couche, ainsi que la profondeur ou la hauteur d’une cavité ou d’un relief est prise selon une direction perpendiculaire à une face avant d’un substrat sur lequel la couche repose ou au niveau de laquelle la cavité ou le relief est formé. L’épaisseur, la hauteur et la profondeur sont ainsi prises selon une direction perpendiculaire au plan principal dans lequel le substrat et la couche s’étendent. Sur les figures, l’épaisseur, la hauteur et la profondeur sont prises selon la direction Z telle qu’illustrée sur la figure 3 ; et toute dimension transversale, par exemple celle d’un motif, d’une cavité ou d’un relief est prise selon une direction X, telle qu’illustrée sur la figure 3, perpendiculaire à la direction Z.
De même, lorsqu’on indique qu’un matériau est déposé au droit d’une partie au moins d’un substrat, cela signifie que ce matériau et cette partie au moins du substrat sont situés tous deux sur une même ligne perpendiculaire au plan principal du substrat, autrement dit sur une même ligne orientée verticalement sur les figures.
Dans le cadre de la présente invention, on désigne par « motif » une variation locale d’une surface libre d’une couche de base présentant un profil analogique, c’est-à-dire avec une variation continue des tangentes de la forme du profil, comme illustré par exemple sur les figures 2, 3C, 3D, 3I, 4C, 4D, 7A, 7C et 8B.
On entend par « nano-impression » toute technique de lithographie dans laquelle on applique un moule dur à la surface d'un matériau, afin d'y laisser, dans une résine, ou équivalemment un polymère, l'empreinte d'une structure de taille micrométrique, voire nanométrique.
On entend par « matrice » (ou « master » selon la terminologie anglosaxonne) un élément portant une empreinte ou motif que l’on retrouve en négatif dans un moule obtenu par copie directe de la matrice. Ainsi, la matrice présente au moins un motif qui est reproduit en négatif dans le moule. Le moule est ensuite utilisé pour transférer ce négatif dans une autre couche, par exemple pour former une microlentille. Le motif formé dans cette autre couche correspond au négatif du motif porté par le moule. Avantageusement, le motif porté par un même moule est transféré dans un très grand nombre de couches.
On entend par un film ou une couche à base d’un matériau A, un film ou une couche comprenant ce matériau A et éventuellement d’autres matériaux.
On entend par une couche d’épaisseur « uniforme » une couche présentant une épaisseur constante selon une direction perpendiculaire à la tangente en chaque point d’une de ses deux faces principales.
On entend par « conforme » une géométrie de couche qui présente une même épaisseur, aux tolérances de fabrication près, malgré les changements de direction de couche, par exemple au niveau de flancs d’un motif.
On entend par « microlentille » une petite lentille, généralement d'un diamètre inférieur à 5 mm, voire inférieure ou égale à 2 mm, et pouvant atteindre une dizaine de micromètres, et dont l’une des dimensions (diamètre ou flèche) est inférieure à 1 mm.
La présente invention peut permettre de fabriquer, directement ou indirectement, des microlentilles telles que celle 10 illustrée sur la figure 2. Chaque microlentille 10 ainsi fabriquée peut avantageusement présenter une courbure 11 asphérique, et en particulier une courbure à faible (<10'2prri1), voire très faible (<10'6μηΤ1), courbure. Plus particulièrement, elle présente une dimension transversale D supérieure à 10 pm et inférieure à 5 mm, par exemple égale à 2 mm, pour une flèche f supérieure à 1 pm et inférieure à 300 pm, par exemple égale à 100 pm. La flèche f est mesurée selon une direction perpendiculaire à la dimension transversale de la microlentille. Typiquement, f et D sont mesurées selon les axes Z et X respectivement. Chaque microlentille 10 peut en outre comprendre des extensions 12, situées de part et d’autre ou autour de la courbure 11. Ces extensions 12 peuvent servir le cas échéant de zones de marquage d’alignement. Comme cela apparaîtra par la suite, ces extensions 12 sont avantageusement naturellement issues de la mise en œuvre du procédé selon l’invention et ne nécessitent donc aucun traitement additionnel particulier pour être réalisées.
Un premier mode de réalisation de l’invention est décrit ci-dessous en référence aux figures 3A à 3I et à la figure 6.
Ce premier mode de réalisation décrit en particulier un procédé de fabrication 100 d’une matrice 1 pour moule de nano-impression, mais il est entendu que la description qui en est faite ci-dessous vaut également mutatis mutandis pour décrire un procédé de fabrication 100 d’une pièce d’un moule de nano-impression et/ou un procédé de fabrication 100 d’une lentille. Ces trois déclinaisons du procédé de réalisation d’une structure 1 présentant au moins un motif courbe 6 prévoit en effet, pour la première, la réalisation d’une matrice pour moule de nano-impression en tant que structure 1, pour la deuxième, la réalisation d’une pièce d’un moule de nano-impression en tant que structure 1, et, pour la troisième, la réalisation d’une lentille en tant que structure 1.
En référence aux figures susmentionnées, le procédé de fabrication 100 de la matrice 1 pour moule de nano-impression comprend tout d’abord une étape consistant à fournir 110 un substrat 2 structuré.
Le substrat 2 est par exemple à base d’un matériau choisi parmi : le silicium, le germanium, le verre, le nitrure de silicium, etc. Plus généralement, le substrat 2 est choisi en un matériau qui d’une part peut être structuré de la façon décrite ci-dessous et qui d’autre part supporte les températures et autres contraintes subies durant la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Cette dernière contrainte n’est pas fortement limitative étant donné que les températures auxquelles le substrat 2 sera soumis au cours du procédé 100 selon l’invention ne sont généralement pas nécessairement élevées. Typiquement, pour un motif créé à base d’une couche de polymère, tel qu’une résine, les températures auxquelles le substrat est soumis n’excèdent pas 400°C.
Dans les exemples de réalisation décrits plus bas, le substrat comprend une tranche (ou « wafer » selon la terminologie anglo-saxonne) en silicium, pouvant présenter un diamètre de huit pouces, voire plus. Comme nous le verrons plus bas, une telle tranche offre avantageusement une surface de travail suffisante pour fabriquer plusieurs matrices en une seule mise en œuvre du procédé selon l’invention.
Plus particulièrement, le substrat 2 comprend une face avant 20 structurée, en partie et de préférence en partie seulement. Ainsi, la face avant du substrat comprend, ou est constituée de, au moins une partie structurée et une autre partie 22 non structurée.
Chaque partie structurée 21 comprend une pluralité de reliefs 3 qui définissent entre eux des espaces 4. Sur un même substrat 2, plusieurs parties structurées 21 peuvent être prévues chacune comprenant une pluralité de reliefs 3 qui lui est propre. L’autre partie 22 de la face avant 20 du substrat 2 est exempte de reliefs. Elle est de préférence sensiblement plane. Lorsque plusieurs pluralités de reliefs 3 sont prévues, chacune occupant une partie structurée 21 de la face avant 20 du substrat 2, l’autre partie 22 de la face avant 20 peut s’étendre d’un seul tenant autour de chaque partie structurée 21 et autour de l’ensemble formé par la pluralité de parties structurées. Ainsi, chaque partie structurée peut être entourée de toute part par une partie 22 de la face avant 20 du substrat 2 qui est exempte de reliefs. Dès lors, au moins deux pluralités de reliefs 3 structurant la face avant du substrat définissent entre elles des seconds espaces. Chaque second espace est plus grand, par exemple au moins dix fois plus grand, que l’espace défini entre les reliefs 3 d’une même pluralité. De façon générale, la structuration de la face avant 20 du substrat 2 est de préférence réalisée en utilisant des méthodes connues de la microélectronique, telle que la photolithographie, et plus particulièrement les méthodes de fabrication microélectronique de reliefs profonds (par exemple masque dur et procédé Bosch®).
Comme représenté sur la figure 3A, la structuration de la face avant 20 du substrat 2 comprend la formation d’une pluralité de reliefs 3, 31 ménageant entre eux des cavités 41 dans la face 20 avant du substrat. Comme nous le verrons plus bas, l’invention n’est pas limitée à ce mode de structuration de la face avant du substrat.
Chaque cavité 41 peut présenter une hauteur, ou plus particulièrement ici une profondeur, supérieure à 10 pm, de préférence supérieure à 100 pm. Chaque cavité 41 peut en outre présenter au moins une dimension transversale comprise entre 20 et 200 pm, de préférence comprise entre 50 et 100 pm. Chaque cavité 41 peut prendre la forme d’un trou par exemple de section circulaire ; auquel cas, la dimension transversale de la cavité 41 correspond à son diamètre. Lorsqu’une cavité 41 forme un trou, ce dernier peut être traversant ou non. En alternative ou en complément, chaque cavité 41 peut prendre d’autres formes, tels que la forme d’un trou de section oblongue ou polygonale par exemple rectangulaire ou carrée, la forme d’une rainure refermée ou non sur elle-même et croisant ou non au moins une autre rainure.
La pluralité de reliefs 3 telle qu’illustrée sur la figure 3A peut conceptuellement comprendre une pluralité de reliefs 31, ainsi que, de part et d’autre de la pluralité de reliefs 31, des reliefs 32 s’étendant jusqu’au bord du substrat 2 ou jusqu’à une autre pluralité de reliefs.
Les reliefs 31 tels qu’illustrés sur la figure 3A présentent des dimensions sensiblement égales à celles des cavités 41 mentionnées cidessus. Si l’invention n’est pas limitée à cet exemple de réalisation, il est en revanche préféré que les reliefs 31 soient au moins d’une taille leur garantissant une tenue mécanique suffisante. Ainsi, les reliefs 31 présentent de préférence des dimensions transversales comprises entre 20 et 200 pm, de préférence comprise entre 50 et 100 pm. Par ailleurs, leur hauteur peut n’être limitée que par l’épaisseur du substrat 2.
De façon générale, il peut être préférable que la structuration de la face avant 20 du substrat 2 soit paramétrée de sorte que les espaces 4, 41 (et 42, Cf. Fig. 4A) définis entre les reliefs 31 de chaque pluralité ne s’étendent pas sur moins de la moitié de la surface de la partie structurée 21 correspondante. Cette contrainte est généralement respectée si, pour une même pluralité de reliefs 3, la structuration de la face avant du substrat 2 comprend le ménagement d’une distance entre deux reliefs adjacents entre eux, voire entre chaque paire de reliefs adjacents entre eux, tel que ladite distance est au moins égale à une plus petite dimension transversale d’au moins un relief de la pluralité.
La structuration de la face avant 20 du substrat 2 peut donc être avantageusement réalisée par des techniques de la microélectronique bien connues et maîtrisées, et d’efficacité industrielle car permettant de traiter d’un coup toute la face avant 20 du substrat 2.
Une fois fourni 110 le substrat 2 structuré, le procédé de fabrication 100 selon l’invention comprend une étape consistant à déposer 120 sur la face avant 20 du substrat 2 une couche de base 5.
De préférence, cette couche de base 5 est formée d’un matériau à base de l’un parmi un polymère, tel qu’une résine, et un verre. Notons ici qu’un polymère et un verre ont en commun de pouvoir être déformé de façon viscoélastique notamment lorsqu’ils sont amenés au-dessus de leur température de transition vitreuse Tg. Le verre, généralement plus rigide qu’un polymère, sera à privilégier pour la fabrication de motifs 6 de courbure plus faible. D’autres matériaux sont éventuellement envisageables qui sont connus pour être déformables de cette manière, et dans des gammes de température compatibles avec la conservation de l’intégrité du substrat 2.
La couche de base 5 est plus particulièrement déposée au moins au droit des reliefs 3 de chaque pluralité ; elle s’étend de préférence au-delà pour des raisons qui seront explicitées plus bas lorsque nous introduirons la notion de taille de maille. Ainsi, de façon non limitative, la couche de base 5 peut s’étendre au droit de toute la face avant 20 du substrat 2. Le dépôt 120 de la couche de base 5 est réalisé de sorte que, au moins avant sa déformation, la couche de base 5 présente une épaisseur par exemple comprise entre 20 et 200 pm.
Il est préférable que la couche de base 5 telle que déposée 120, et avant sa déformation, soit uniforme ; son épaisseur est constante sur toute son étendue, aux tolérances de fabrication près. De la sorte, la forme du motif 6 formé peut être mieux, ou plus facilement, contrôlée, dans la mesure où il n’est alors pas nécessaire d’intégrer dans le procédé selon l’invention, la gestion de l’influence qu’aurait, sur la forme du motif 6 formé, une non-uniformité, et notamment une variation en épaisseur, de la couche de base 5 telle que déposée 120.
L’étape de dépôt 120 de la couche de base 5 peut comprendre l’une ou l’autre des étapes suivantes :
- Déposer un film sec par laminage, et
- Déposer une solution comprenant le matériau de la couche de base 5 par enduction centrifuge.
Le dépôt 120 de la couche de base 5 peut donc être avantageusement réalisé par des techniques de dépôt bien connues et maîtrisées, et d’efficacité industrielle, permettant notamment de traiter d’un coup toute la face avant 20 du substrat.
Différents films secs à base de différents polymères sont aujourd’hui commercialisés qui sont utilisables selon le procédé de fabrication 100 de l’invention. On cite pour l’exemple : la série MX5000™ de DuPont™ ou encore le film A2023 de Nagase Gmbh. Les fabricants de tels films en caractérisent généralement les paramètres qui revêtent un intérêt pour la mise en œuvre du procédé selon la présente invention, tels que leur(s) paramètre(s) viscoélastique(s), leur(s) paramètre(s) de dépôt et leur épaisseur.
Les techniques de dépôt susmentionnées peuvent par leur seule réalisation amener la couche de base 5 dans des conditions de température, voire de pression, lui permettant 130 de se déformer, notamment de façon viscoélastique, suite au dépôt 120, voire y compris pendant le dépôt 120. En alternative ou en complément, il est envisagé de soumettre au moins la couche de base 5 à une température suffisante, voire à une pression environnante contrôlée, pour induire sa déformation viscoélastique, voire également sa déformation plastique. Plus particulièrement, la couche de base 5 est soit déposée solide, avant d’être chauffée, soit déposée « chaude ». Le couple [température T, temps f] de déformation de la couche de base 5 est choisi de sorte à permettre de remplir, le cas échéant partiellement, les espaces 4. Plus la température sera élevée, plus le temps de remplissage sera court, ce temps peut varier de 1 min à quelques heures, voire 1 jour ou quelques jours. On choisira une température au moins 10° au-dessus de la température de transition vitreuse Tg (pour induire la déformation viscoélastique). Avantageusement on choisira une température T entre 10 et 40°C au-dessus de la température de transition vitreuse Tg, mais il est possible d’aller au-delà dans la mesure où il n’y a pas de dégradation du matériau de la couche de base 5 et/ou du substrat. On obtiendra alors, pour les plus hautes températures, plutôt un écoulement visqueux (mais l’écoulement visqueux reste compris dans les déformations viscoélastiques).
Ainsi, l’étape consistant à permettre 130 au matériau de la couche de base 5 de remplir au moins partiellement au moins un des espaces 4, de préférence tous les espaces, définis entre les reliefs 3 d’une même pluralité par déformation au moins viscoélastique de la couche de base 5 peut ou non requérir une action positive (une montée en température notamment). Cette nécessité ou son absence est à déterminer au moins en fonction des paramètres viscoélastiques, des paramètres de dépôt et de l’épaisseur de la couche de base 5. Lorsqu’aucune action positive n’est requise, c’est qu’il suffit de laisser évoluer librement et naturellement la couche de base 5 telle que déposée 120 pendant un certain temps.
Typiquement, les températures à considérer sont comprises entre 20°C et 400°C, et plus particulièrement comprises entre 20°C et 200°C, pour les polymères. Elles sont comprises entre 300°C et 700°C pour les verres (en fonction de leur composition). Il est à noter en outre que la forme du motif 6, avant d’atteindre l’équilibre des tensions superficielles en jeu, évolue dans le temps de façon très dépendante de la température à laquelle la couche de base 5 est soumise : généralement, plus la température est élevée, plus l’évolution de la forme du motif 6 est rapide.
Comme énoncé précédemment, le remplissage des espaces 4 définis entre les reliefs de la pluralité de reliefs 3 structurant la face avant 20 du substrat 2 est lié à la déformation notamment viscoélastique de la couche de base 5, qui flue dans les espaces 4 laissés libres entre les reliefs 3.
La figure 3C représente une situation dans laquelle la couche de base 5 a flué de sorte à remplir partiellement chacune des cavités 41. Il est illustré sur cette figure que la conséquence directe de ce remplissage est une déformation continue de la face (ou surface libre) 50 de la couche de base 5 opposée à celle située en regard du substrat 2. Cette déformation continue de la surface libre 50 de la couche de base 5 comprend un motif 6 courbe au moins au droit des reliefs 31. C’est ce motif 6, dont la forme présente avantageusement une courbure asphérique, faible, voire très faible. C’est également ce motif 6 qui définit in fine la forme et la courbure 11 de la microlentille 10 telle que celle illustrée sur la figure 2.
Il apparaît immédiatement plusieurs observations quant à la déformation de la surface libre 50 de la couche 5.
Tout d’abord, la surface libre 50 doit rester continue ; sa déformation ne doit pas conduire à sa rupture. Pour s’en assurer, l’épaisseur de la couche 5, la température à laquelle elle est portée pour se déformer et/ou le temps qui est laissé à la couche de base 5 pour se déformer sont autant de paramètres à prendre en considération.
Il apparaît en outre, notamment en comparant les figures 3C et 3D, que la forme, et notamment la flèche f(ou la profondeur), du motif 6 formé dépend du taux de remplissage des espaces 4. Il est possible d’observer la déformation de la surface libre 50 de la couche de base 5 de sorte à l’interrompre lorsque cette déformation a conduit à générer un motif 6 de la forme désirée. Il est également possible de laisser fluer le matériau de la couche de base 5 de sorte qu’il vienne à remplir entièrement les espaces 4. Dans ce cas, l’épaisseur de la couche de base 5 telle que déposée doit être suffisante relativement au volume que représentent les espaces 4. La surface libre 50 de la couche 5 prend une forme particulière et stable dont la courbure est déterminée par les tensions superficielles en jeu.
Que l’on procède par équilibrage des tensions superficielles en jeu ou par interruption de la déformation à un instant choisi avant stabilisation, la courbure du motif 6 formé dépend au moins des paramètres viscoélastiques, voire plastiques, de la couche de base 5. Dans une certaine mesure, ces paramètres dépendent à leur tour des paramètres de dépôt de la couche de base 5.
De ces considérations, il suit que, pour chaque pluralité de reliefs 3, le nombre, la forme et la répartition spatiale des reliefs 3 sont à paramétrer au moins en fonction des paramètres viscoélastiques, voire plastiques, et des paramètres de dépôt de la couche de base 5. C’est l’ensemble de ces paramètres qui détermine la courbure du motif 6 formé qu’il soit stabilisé ou non.
Il est possible également de jouer sur la composition de la couche de base 5 : ainsi la couche de base 5 peut être constituée non pas d’une couche unique mais d’un empilement de deux ou plusieurs couches de matériaux différents choisis parmi les verres et les polymères et dont les propriétés parmi lesquelles au moins l’une parmi leur épaisseur et leur température de transition vitreuse Tg sont différentes. L’on obtient ainsi un nombre de possibilités considérablement accru de mise en œuvre du procédé, pour une adaptation à chaque besoin et à chaque objectif, notamment en termes de courbure et/ou de taille du motif. En effet, on pourra optimiser, par simulation ou de façon empirique, les différents paramètres du procédé : choix des matériaux, épaisseurs des couches, température et pression, etc., pour induire la déformation. Avantageusement, on disposera les couches s’écoulant le moins (viscoélastique, voire visqueuse) en bas de l’empilement (i.e. du côté de la face avant 20 du substrat 2), et la ou les couches plus élastiques sur le dessus de l’empilement.
Que l’on procède par équilibrage des tensions superficielles ou par interruption de la déformation à un instant choisi, il est préférable que la surface libre 50 de la couche de base 5 soit suffisamment rigide ou rigidifiée pour conserver sa forme. Pour la réalisation d’une matrice, il est préférable que la surface libre 50 de la couche de base 5 soit suffisamment rigide ou rigidifiée pour permettre la fabrication subséquente d’un moule.
Les paramètres de dépôt 120 de la couche de base 5, ainsi que les paramètres de température, voire de pression, dans lesquelles la couche de base 5 est maintenue lors du remplissage des espaces 4 (ces derniers paramètres pouvant évoluer dans le temps) influent sur l’état plus ou moins rigide de la surface libre 50 de la couche de base 5, une fois l’équilibrage des tensions superficielles atteint ou lors de l’interruption de la déformation. Cette rigidité peut être suffisante pour s’assurer de conserver la forme du motif 6 formé. Sinon, le procédé 100 peut comprendre en outre, une fois le motif 6 formé, une étape consistant à rigidifier, au moins en surface, la couche de base.
Lorsque le matériau de la couche de base 5 est un polymère, l’étape de rigidification peut comprendre l’amenée du polymère, au moins en surface de la couche de base 5, dans un état vitreux, solide ou caoutchoutique. La réticulation du polymère peut être obtenue soit par application d’un flux lumineux, par exemple par un traitement UV (ultra-violet), soit par traitement thermique. Lorsque le matériau viscoélastique est un verre, l’étape de rigidification peut comprendre l’amenée du verre, au moins en surface de la couche de base, dans un état vitreux. Lorsqu’une étape de rigidification n’est pas nécessaire, c’est que le matériau de la couche de base 5 est déjà dans l’un des états susmentionnés sans nécessité d’action positive.
Le motif 6 de la matrice 1 telle que fabriquée par mise en œuvre du procédé 100 selon le mode de réalisation qui vient d’être décrit en référence aux figures 3A à 3D est de forme concave.
D’autres étapes optionnelles du procédé de fabrication 100 selon l’invention sont décrites ci-dessous, notamment en référence aux figures 3E à 3I et 6.
Comme illustré sur les figures 3E à 3G, le procédé de fabrication 100 selon l’invention peut en outre comprendre une étape consistant à retirer 140 la couche de base 5 autour du motif 6 formé, de sorte à exposer la partie 22 de la face avant 20 du substrat 2 qui est exempte de reliefs. Comme illustré sur les figures 3E à 3G, cette étape de retrait peut être réalisée par photolithographie, dont le coût est ici avantageusement très faible du fait que les motifs 6 ont une taille transversale supérieure à 100 pm, voire supérieure à 1 mm. L’étape de retrait peut être complétée, comme représenté sur la figure 3H, par le retrait d’un résiduel par gravure, avec ou sans masque de type oxyde.
Comme illustré sur la figure 3I, le procédé de fabrication 100 selon l’invention peut en outre comprendre une étape consistant à déposer 150 une couche de finition 7 sur chaque motif 6 et la partie exposée de la face avant 20 du substrat 2, potentiellement au droit de toute la face avant 20 du substrat 2. La couche de finition 7 est de préférence conforme, afin de ne pas modifier la forme du motif 6, voire afin de ne pas modifier significativement les dimensions du motif 6, notamment eu égard à la fonctionnalité de l’objet que l’on cherche à fabriquer in fine. La couche de finition 7 est par exemple à base d’oxyde, et en particulier d’oxyde de silicium, notamment lorsque le substrat est lui-même à base de silicium ou de nitrure de silicium.
Plus particulièrement, la matrice 1 est ainsi préparée à des étapes additionnelles comprenant notamment le greffage sur la couche de finition 7 de couches antiadhésives et/ou le report du motif 6 dans des couches de transfert comprenant généralement des éléments organiques et destinées à former un moule intermédiaire. Les couches antiadhésives sont prévues afin d’éviter tout déchirement indésiré lorsque les couches de transfert du motif 6 sont décollées de la matrice 1.
Par ailleurs, que la couche de finition 7 soit à base d’oxyde de silicium ou de nitrure de silicium est avantageux car une telle couche est imperméable aux éléments organiques composants les couches de transfert ; on évite ainsi une migration de ces éléments organiques dans la structure 1. C’est également avantageux car les greffages de couches antiadhésives sont facilités sur ce type de matériau.
À ce stade, la matrice 1 fabriquée par mise en œuvre du procédé de fabrication 100 selon la première déclinaison de l’invention est préparée en vue de fabriquer un moule de nano-impression destiné par exemple à la fabrication de microlentilles telles que celle illustrée sur la figure 2. En alternative, la pièce de moule fabriquée par mise en œuvre du procédé de fabrication 100 selon la deuxième déclinaison de l’invention est préparée en vue de fabriquer, par nanoimpression, une lentille telle que celle illustrée sur la figure 2.
Les figures 7A à 7C illustrent un exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication 100 tel que décrit ci-dessus.
La figure 7A représente une vue en coupe du substrat 2 prise transversalement à une pluralité de reliefs ménageant entre eux des cavités 41. Comme illustré sur la figure 7B, les cavités 41 forment en fait un pavage régulier de trous de section circulaire formés dans la face avant 20 du substrat. La couche de base 5 est déformée de sorte à présenter un motif 6 courbe au droit des reliefs et généralement au-delà. Le motif 6 tel qu’illustré sur la figure 7 A a été pris selon la flèche illustrée sur la figure 7B. Ce motif 6 a plus particulièrement été obtenu par dépôt d’un film sec de polymère maintenu à 120°C et sous une pression de 1 atmosphère, pendant 8 minutes suite à son dépôt par laminage. On voit sur la figure 7A, et mieux encore sur la figure 7C qui est un agrandissement en ordonnée de la figure 7 A, que la courbure du motif 6 finit par s’éteindre aux abscisses 0 et 4500 pm. On définit ainsi une taille de maille d’un motif 6 comme l’étendue transversale sur laquelle le motif 6 s’étend avant que ne s’éteigne sa courbure. Dans l’exemple illustré, la taille de maille est donc d’environ 4500 pm.
La taille de maille peut définir l’étendue sur laquelle la couche 5 doit être déposée, de façon centrée, au droit des reliefs 3 et au-delà, pour éviter des effets de bord indésirables lors de la déformation de la couche de base 5. Lorsque plusieurs pluralités de reliefs 3 structurent la face avant 20 du substrat 2, la taille de maille peut définir en outre la distance à mettre entre ces pluralités pour éviter que la déformation de la couche de base 5 au niveau d’une pluralité n’influe sur la déformation de la couche de base 5 au niveau de toute autre pluralité. Ainsi, lorsque plusieurs pluralités de reliefs structurent la face avant du substrat, il convient que chaque pluralité soit suffisamment espacée de toute autre pluralité, si l’on souhaite que chaque pluralité définisse la courbure du motif 6 qu’il génère sans autre influence, de façon autocontrôlée.
Les figures 8A et 8B illustrent un exemple correspondant à celui qui vient d’être décrit en référence aux figures 7A à 7C, excepté que deux pluralités de reliefs 3 sont ici explicitement illustrées, qui ne sont pas identiques entre elles et qui, comme l’illustre le profil mesuré par un stylet et reproduit sur la figure 8B, ne sont pas suffisamment espacées entre elles pour que le motif 6 formé grâce à l’une n’influe pas sur le motif 6 formé grâce à l’autre des deux pluralités de reliefs 3. On voit en effet, sur la figure 8B, que le motif 6 formé par une des deux pluralités de reliefs diffère en profondeur, en courbure et en taille du motif 6 formé par l’autre des deux pluralités de reliefs ; ceci illustre l’impact du nombre, de la forme et de la répartition spatiale des reliefs sur le motif 6 formé. On voit encore, sur la figure 8B, que la hauteur du profil entre les deux motifs 6 est inférieure à la hauteur du profil de part et d’autre des deux motifs ; les profils ne dessinent donc pas un palier d’une hauteur sensiblement égale à la hauteur du profil de part et d’autre des deux motifs, ce qui aurait été sensiblement le cas si les pluralités de reliefs avaient été suffisamment espacées entre elles pour que les deux motifs 6 soient formés de façon indépendante l’un de l’autre.
Il est à noter que, si la géométrie du motif est contrôlable par ajustement des reliefs d’une pluralité et de leur densité surfacique, il est encore possible de compenser un éventuel impact du procédé à l’échelle du substrat. Cet impact peut être lié par exemple à un effet thermique de dilatation ou à un retrait de volume lié à la réticulation du polymère. La compensation de cet impact peut être réalisée par une correction locale des motifs 6 formés à partir par exemple d’une étude empirique consistant à converger, à partir d’essais/erreurs, vers la solution optimale.
Deux autres modes de réalisation du procédé selon l’invention vont maintenant être décrits, pour ce qui les distingue du mode de réalisation précédemment décrit, et en référence aux figures 4A à 4D, 5A et 5B. De manière générale, ces deux autres modes de réalisation permettent d’obtenir une structure 1 (matrice, pièce de moule ou lentille) de forme convexe.
Les figures 4A à 4D valent pour illustrer chacun des deux modes de réalisation. Il y apparaît une pluralité de reliefs 3 en forme de saillies sur la face avant 20 du substrat 2.
Les reliefs 3 illustrés sur la figure 4A peuvent être obtenus en formant une pluralité de cavités 42 dans une mésa 43 formée sur la face avant 20 du substrat 2, comme cela est illustré sur la figure 5A. Les cavités 42 peuvent prendre une forme et des dimensions identiques à celles des cavités 41 décrites ci-dessus.
Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 5B, les reliefs 3 illustrés sur la figure 4A peuvent être obtenus en formant une pluralité de reliefs 31 sur la face avant 20 du substrat 2. Les reliefs 31 peuvent prendre une forme complémentaire et des dimensions sensiblement identiques par rapport à celles des cavités 41 décrites ci-dessus.
Une fois le substrat 2 structuré fourni 110, l’on vient comme précédemment déposer la couche de base 5 au moins au droit de la pluralité de reliefs 3.
Contrairement au mode de réalisation illustré sur la figure 5B, la partie de la couche de base 5 qui s’étend au-delà de la pluralité de reliefs 3 peut ne pas reposer sur la face avant 20 du substrat 2 ; ceci dépend notamment des paramètres viscoélastiques, voire plastiques, et des paramètres de dépôt de la couche de base 5. Dès lors, l’étape consistant à permettre 130 au matériau de la couche de base 5 de remplir les espaces 4 peut comprendre en outre l’étape consistant à permettre au matériau de la couche de base 5 située au droit de la partie 22 de la face avant 20 du substrat qui est exempte de reliefs de venir au contact d’au moins une partie de la face avant 20 du substrat 2. Egalement, lorsqu’au moins deux pluralités de reliefs 3 structurent la face avant 20 du substrat 2 en définissant entre elles des seconds espaces, l’étape consistant à permettre 130 au matériau de la couche 5 de remplir les espaces 4 peut comprendre en outre l’étape consistant à permettre au matériau de la couche de base 5 située au droit des seconds espaces de venir remplir au moins partiellement ces seconds espaces.
Grâce au procédé 100 selon les modes de réalisation décrits ci-dessus, il est possible de fabriquer une matrice pour la fabrication d’une pièce de moule, une pièce de moule pour la nano-impression de microlentilles, et in fine une lentille telle que celle illustrée sur la figure 2, présentant notamment une courbure asphérique, et en particulier une courbure faible (<10’2pm’1 ), voire très faible (<10'6prri1).
L’invention exploite la déformation viscoélastique, et potentiellement également plastique, d’une surface libre 50 d’une couche de base 5 à base de polymère ou de verre par le remplissage de cavités 41,42 ou d’espaces définis entre des reliefs 31 sur lesquelles la couche de base 5 est déposée 120. La forme, la courbure et la flèche de chaque motif 6 formé dépendent de la densité des cavités 41, 42 et/ou des reliefs 31, de la viscoélasticité de la couche de base 5 et des paramètres de dépôt de la couche de base 5. Le volume de matière déplacée est proportionnel au volume des cavités 41, 42 ou des espaces définis entre des reliefs 31, mais la forme du motif 6 est quant à elle davantage liée à la densité des cavités 41,42 et/ou des reliefs 31 sur une taille de maille donnée. La taille de maille dépend des matériaux et conditions dans lesquelles le procédé 100 est mis en œuvre. Si le motif 6 tel que généré est de forme asphérique, à faible, voire très faible, courbure, son rapport de forme peut encore être accentué via une étape d’impression-gravure sur un nouveau substrat. Les facteurs de forme dépendent alors en outre du procédé de gravure et des matériaux mis en jeu. Notamment, si la sélectivité de gravure entre la résine de la couche de base 5 et le substrat est strictement supérieure à 1, la courbure sera diminuée. A contrario, si la sélectivité de gravure entre la résine de la couche de base 5 et le substrat est strictement inférieure à 1, la courbure sera augmentée.
Le procédé de fabrication 100 selon l’invention permet de fabriquer en parallèle une pluralité de motifs 6 sur un substrat 2 prenant la forme d’une tranche de huit pouces de diamètre, voire plus, et ce potentiellement en quelques minutes seulement. Lorsque la structure 1 obtenue présente plusieurs motifs 6, il est possible que ceux-ci aient été formés de sorte à avoir une position relative prédéterminée les uns par rapport aux autres. Auquel cas, la structure 1 comprenant plusieurs motifs 6 peut être utilisée comme telle, par exemple, lorsque la structure 1 est une matrice, afin de fabriquer un moule permettant la nano-impression simultanée d’une pluralité de microlentilles ayant ladite position relative prédéterminée les unes par rapport aux autres. En alternative, une structure 1 comprenant plusieurs motifs 6 peut faire l’objet d’un découpage visant à séparer les motifs 6 entre eux, par exemple, lorsque la structure 1 est une matrice, pour utiliser chacun à la fabrication d’une pièce de moule et, par voie, à la fabrication d’une microlentille.
Un autre aspect de la présente invention concerne en effet l’utilisation d’une matrice 1 fabriquée par mise en œuvre du procédé 100 selon l’un des modes de réalisation précédemment décrits, pour la fabrication d’au moins un moule de nano-impression.
Selon un autre aspect, l’invention porte sur un procédé de fabrication d’au moins un moule de nano-impression par moulage à partir d’une matrice 1 fabriquée par mise en œuvre du procédé 100 selon l’un des modes de réalisation précédemment décrits.
Selon un autre aspect, l’invention porte sur l’utilisation d’un moule de nano-impression fabriqué selon un procédé de fabrication d’au moins un moule de nano-impression par moulage à partir d’une matrice 1 fabriquée par mise en œuvre du procédé 100 selon l’un des modes de réalisation précédemment décrits, pour la fabrication d’au moins une microlentille 10 par nano-impression.
La structure 1 réalisée selon le procédé 100 de l’invention trouve en effet pour application la fabrication de microlentilles ou de formes tridimensionnelles à faible, voire très faible, courbure. La structure 1 peut en effet être utilisée comme un moule comprenant le motif 6 formé grâce au procédé 100 selon l’invention. Les microlentilles ou formes tridimensionnelles fabriquées à l’aide d’un tel moule peuvent être réalisées à base d’un polymère permanent transparent aux longueurs d’onde visibles pour l’imagerie visible ou dans un polymère servant de masque de gravure pour fabriquer des lentilles dans le silicium pour des applications liées à l’imagerie infrarouge.
Il est encore possible, grâce au procédé 100 selon l’invention, de fabriquer des formes tridimensionnelles dans une couche de polymère déposée sur un substrat réflecteur pour faire des optiques de réflexion. L’utilisation d’un substrat non réflecteur pour faire des optiques de réflexion est également envisagée en prévoyant de le recouvrir d’une fine couche réflectrice (typiquement métallique, pour les longueurs d’ondes dans le visible par exemple).
Il est également possible, grâce au procédé 100 selon l’invention, de fabriquer des substrats courbes pouvant être utilisés comme une poignée pour reporter dessus des composants souples nécessitant une certaine courbure afin de présenter un fonctionnement optimal ou amélioré. C’est par exemple le cas des imageurs ou capteurs vidéo, tels que les capteurs CCD (pour « Charge-Coupled Device » selon la terminologie anglo-saxonne), permettant ainsi d’avoir des détecteurs courbes. La courbure est alors induite par le substrat support fabriqué avec le procédé 100 selon l’invention. En outre, la fabrication du capteur peut être faite sur substrat plan, le capteur étant ensuite reporté sur le substrat support. Ceci peut permettre de relâcher certaines contraintes de fabrication du capteur, et notamment certaines contraintes de fabrication de l’optique associée au capteur, qui n’a plus nécessairement besoin d’être courbe.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
Par exemple, si sont illustrés sur les figures des reliefs 31 et des cavités 41 qui sont tou(te)s identiques que ce soit pour une même pluralité ou différentes pluralités de reliefs 31 et de cavités 41, 42, il est entendu que les reliefs 31 et les cavités 41, 42 peuvent être de formes et de dimensions variées que ce soit au sein d’une même pluralité ou d’une pluralité à une autre.
Par exemple, les reliefs 31 et les cavités 41, 42 d’une même pluralité peuvent présenter des hauteurs ou des profondeurs différentes. Ceci permet d’avoir une grande liberté dans la forme du motif 6 obtenu au final.
Par exemple, les cavités 41, 42 et/ou les reliefs 31 peuvent dessiner des anneaux concentriques de diamètres différents entre eux.

Claims (20)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de réalisation (100) d’une structure présentant au moins un motif courbe, par exemple pour fabriquer une matrice (1) pour moule de nanoimpression, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - Fournir (110) un substrat (2) présentant une face avant (20) dont :
    o une partie est structurée (21) par au moins une pluralité de reliefs (3), les reliefs de chaque pluralité définissant entre eux au moins un espace (4), et o une autre partie (22) est exempte de reliefs,
    - Déposer (120) une couche de base (5) d’un matériau à base de l’un parmi un polymère et un verre, sur la face avant (20) du substrat (2), au moins au droit des reliefs (3), la couche de base (5) présentant une première face en regard de la face avant (20) du substrat (2) et une deuxième face (50) opposée à la première face, et
    - Permettre (130) au matériau de la couche de base (5) de remplir au moins partiellement l’au moins un espace (4) définis entre les reliefs (3) d’une même pluralité par déformation de la couche de base (5), la couche de base (5) étant ainsi déformée de sorte que sa deuxième face (50) forme une structure présentant au moins un motif (6) courbe au droit de l’au moins un espace (4) au moins partiellement rempli par le matériau de la couche de base (5).
  2. 2. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel, pour chaque pluralité de reliefs (3), le nombre, la forme et la répartition spatiale des reliefs (3) sont paramétrés au moins en fonction de paramètres viscoélastiques ou plastiques de la couche de base (5) et de paramètres de dépôt de la couche de base (5).
  3. 3. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de remplissage (130) au moins partiel de l’au moins un espace (4) défini entre les reliefs (3) d’une même pluralité comprend l’étape suivante :
    - Remplir entièrement chaque espace jusqu’à générer un motif (6) dont la courbure est déterminée par équilibrage de tensions superficielles en jeu.
  4. 4. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de remplissage (130) au moins partiel de l’au moins un espace (4) défini entre les reliefs (3) d’une même pluralité peut comprendre une montée en température, au moins 10°, de préférence entre 10 et 40°C, audessus de la température de transition vitreuse Tg du matériau à base duquel la couche de base (5) est constituée.
  5. 5. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une pluralité de reliefs (3) définit au moins une cavité (41 ) formée dans la face avant (20) du substrat (2).
  6. 6. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une pluralité de reliefs (3) comprend une mésa formée sur la face avant (20) du substrat (2) et dans lequel l’au moins un espace (4) comprend au moins une cavité (41) formée dans la mésa.
  7. 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une pluralité de reliefs (3) comprend un relief (31) faisant saillie depuis la face avant (20) du substrat (2).
  8. 8. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, une fois ledit au moins un motif (6) formé, l’étape suivante :
    - Rigidifier, au moins en surface, la couche de base (5), l’étape de rigidification comprenant le cas échéant l’une correspondante parmi :
    - l’amenée du polymère, au moins en surface de la couche de base (5), dans un état vitreux, solide ou caoutchoutique, et
    - l’amenée du verre, au moins en surface de la couche de base (5), dans un état vitreux.
  9. 9. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, une fois ledit au moins un motif (6) formé, les étapes suivantes :
    o Retirer (140) la couche de base (5) autour de chaque motif (6) formé, de sorte à exposer la partie de la face avant (20) du substrat (2) qui est exempte de reliefs, puis o Déposer (150) une couche de finition (7) sur chaque motif et la partie exposée de la face avant (20) du substrat (2).
  10. 10. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une pluralité de reliefs (3) définit une cavité (4, 41, 42) et/ou comprend au moins un relief (31) présentant au moins l’une parmi :
    - une profondeur ou une hauteur supérieure à 10 pm, de préférence supérieure à 100 pm et
    - au moins une dimension transversale comprise entre 20 et 200 pm, de préférence comprise entre 50 et 100 pm.
  11. 11. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un espace (4, 41, 42) défini entre les reliefs (3) de chaque partie structurée (21) de la face avant (20) du substrat (2) occupe au moins la moitié de la surface de cette partie structurée (21).
  12. 12. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de dépôt (120) de la couche de base (5) est paramétrée de sorte que la couche de base (5) présente, de préférence avant sa déformation, une épaisseur comprise entre 20 et 200 pm.
  13. 13. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de dépôt (120) de la couche de base (5) comprend l’une des étapes parmi :
    - Déposer un film sec par laminage, et
    - Déposer une solution comprenant le matériau de la couche de base (5) par enduction centrifuge.
  14. 14. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une pluralité de reliefs (3) comprend plusieurs pluralités de reliefs (3) espacées entre elles par la partie (22) de la face avant (20) du substrat (2) qui est exempte de reliefs, chaque pluralité de reliefs (3) étant destinée à la formation d’un motif (6).
  15. 15. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel l’une au moins parmi ladite partie (22) de la face avant (20) du substrat (2) exempte de reliefs et l’étape de dépôt de la couche de base (5) est paramétrée de sorte que la déformation de la couche de base (5) au niveau de chaque pluralité de reliefs (3) n’influe pas sur la déformation de la couche de base (5) au niveau de toute autre pluralité de reliefs (3).
  16. 16. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure est une matrice pour la réalisation d’un moule de nanoimpression.
  17. 17. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 15, dans lequel la structure est une pièce d’un moule de nanoimpression.
  18. 18. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 15, dans lequel la structure est une lentille.
  19. 19. Procédé de fabrication d’au moins un moule de nano-impression en utilisant une matrice (1) fabriquée par mise en œuvre du procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 15 et la revendication 16.
  20. 20. Procédé de réalisation d’au moins une microlentille (10) par nanoimpression, en utilisant un moule de nano-impression fabriqué par transfert d’au moins un motif (6) à partir d’une matrice (1), la matrice étant fabriquée par mise en œuvre du procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 15 et la revendication 16.
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