WO2009027487A1 - Procede de lithographie d'une image par ecriture directe continue - Google Patents

Procede de lithographie d'une image par ecriture directe continue Download PDF

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WO2009027487A1
WO2009027487A1 PCT/EP2008/061340 EP2008061340W WO2009027487A1 WO 2009027487 A1 WO2009027487 A1 WO 2009027487A1 EP 2008061340 W EP2008061340 W EP 2008061340W WO 2009027487 A1 WO2009027487 A1 WO 2009027487A1
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Inventor
Christophe Martinez
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Commissariat A L'energie Atomique
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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
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70383—Direct write, i.e. pattern is written directly without the use of a mask by one or multiple beams

Definitions

  • the invention relates to photolithography techniques, and more particularly to maskless photolithography techniques in which a pattern is directly written on a substrate by means of an energy beam, typically a laser beam.
  • an energy beam typically a laser beam.
  • Lithography is the usual technique for structuring a layer deposited on a substrate with patterns whose smallest width can be today of the order of 100 nanometers. It is generally performed with a mask whose design is transferred globally to a layer of photosensitive resin: the layer is illuminated through the mask by a light projection optics; the optic is a reduction optics for obtaining resin patterns smaller than the patterns of the mask; the action of light is generally a crosslinking or polymerization of the resin, especially when the wavelength of the light used is ultraviolet.
  • the resin is then chemically developed so as to leave on the substrate only the insolated areas (if the resin is a so-called "negative” resin) or on the contrary that the non-insolated zones (if the resin is a so-called "positive” resin) .
  • the resin remaining on the substrate itself serves as a mask to define a localized action in the substrate it covers: action of etching an underlying layer where the resin is absent, impurity implantation action there where the resin is absent, etc.
  • This technique of lithography using a mask is advantageous because the exposure of the resin to the light source is instantaneous (a development step of the resin must however be provided). But we must go through a stage of manufacture of the mask, which is acceptable when the mask must serve multiple times, for mass production, but is difficult to accept for manufacturing in very small numbers (production of small series, of samples, or prototypes).
  • this lithography technique involves exposure of the resin through optics; the optics must have a very large numerical aperture in order to guarantee a good resolution; but then the depth of field is very limited and only very thin resin layers can be exposed; too thick resins would be poorly exposed at depth. However, thick resins may be necessary to effect deep etching of the underlying areas not protected by the resin, because the resin is partly attacked by the etching products of these underlying layers and its thickness must make it possible to resist this Attack during the entire burning process.
  • the lithography using a spatial modulator the mask is replaced by a matrix electro-optical light modulator which is interposed as a mask between a source of insolation light and the resin to be exposed; the same modulator can be configured to make any pattern, and there is no longer a step of manufacturing a specific mask for each pattern; however, there are limitations in resolution and depth of field;
  • An object of the invention is to achieve higher write speeds than in the prior art, while benefiting from the good resolution characteristics of the direct laser beam writing technique, even for thicknesses. relatively large resin, and in particular for resins whose thickness is much greater (at least 10 times) to the width of the smallest patterns that we want to achieve.
  • a method of lithography of an image by direct writing by means of a source producing a beam of electromagnetic radiation directed towards a layer sensitive to this beam, in which the position of the beam is moved in continuous motion.
  • the pattern is such that the smallest width LO of the areas to be illuminated by this beam is larger than the smallest width L of the zones which are delimited by said zones to be illuminated and which must not be illuminated, in that the active diameter of the illumination beam is greater than this latter width, in that the thickness ⁇ z of the sensitive layer insoler is at least ten times greater than the width L, and in that the waist of the beam is between 0.8x ( ⁇ z / 2 ⁇ n) 1/2 and 1, 8x ( ⁇ z / 2 ⁇ n) 1/2 and advantageously between 0.9x ( ⁇ z / 2 ⁇ n) 1/2 and 1, 1 x ( ⁇ z / 2 ⁇ n) 1/2 where ⁇ is the beam wavelength, .DELTA.z is the thickness of the sensitive layer to be exposed, and n is the optical index of the sensitive layer.
  • waist of the beam is meant the usual characterization parameter of a Gaussian beam corresponding to the radius of the Gaussian intensity distribution measured at 1 / e 2 of its maximum.
  • the "electromagnetic beam” will generally be a beam of light, especially ultraviolet.
  • the lithography process will firstly comprise steps of geometric structuring of this resin layer to establish a specific pattern, then steps of transfer of this pattern ( positive or negative) on another layer of the substrate (previously present below the resin or subsequently deposited after development of the resin).
  • active beam diameter is meant the diameter of a beam section in which the power density actually makes it possible to act on the support (in particular: to polymerize the resin over its entire depth) in order to inscribe the pattern, knowing that the distribution of the power density in the section of the laser beam is most often substantially a Gaussian, stronger in the center, lower on the edges of the beam; the periphery of the beam, lower energy is not part of this active diameter.
  • a simplified value that can be taken for the active diameter is the half-height width of the Gaussian curve representing the power density distribution along a diameter of the beam section.
  • the pattern to be inscribed in the sensitive layer is here a pattern with a large form factor (greater than 10 and preferably greater than 30 or even 40).
  • the form factor considered here is the ratio between the thickness of the sensitive layer to be insolated (for example the thickness of deposited photosensitive resin) and the width of the smallest non-insolated patterns that one wants to achieve.
  • the continuous displacement of the beam exposes the support to a width greater than the smallest patterns to be produced; the smallest patterns are resin patterns that should not be insolated, they are not resin patterns that must be insolated.
  • the method according to the invention consists in cutting out the smallest patterns by insolating the resin all around these smaller patterns with a larger beam width than these smaller patterns. But the beam is given a width which takes into account the large thickness of resin and which is defined by a formula involving this thickness.
  • the relative movement of the beam relative to the support is preferably helical, or spiral, depending on the nature of the support and the type of pattern to be inscribed. However, it can also be in yaw or in line-by-line scanning.
  • the invention operates with positive or negative resins, depending on whether the smallest patterns remaining after development of the resin, which are smaller than the beam width, are islands of resin (islands of non-insolated resin delimited by the elimination of the insolated resin) or openings in the resin (openings formed by the removal of uninsulated resin).
  • the writing time of the entire support is all the shorter as the diameter of the insolation beam is large but the diameter is chosen according to the thickness of the resin and not the speed to obtain.
  • the scanning pitch of the beam will preferably be equal to (D + L) / k, where D is the active diameter, L is the smallest width of the areas which must not be illuminated, and k is an integer greater than 1 and preferably 3 or 4.
  • the support will most often be in the form of a disc plane rotating about an axis perpendicular to its surface; the beam then moves in translation directed from the periphery to the axis (or in the opposite direction), generating a spiral sweep of the disk surface; the speed of rotation of the disk will be higher as the beam is closer to the axis, in order to keep constant the linear speed of displacement of the beam relative to the support.
  • FIG. 1 schematically represents an example of a desired structuring for the resin covering a substrate
  • FIG. 2 represents the principle of direct writing by a laser beam scanning the surface of the substrate
  • FIG. 3 represents the successive structuring steps in the case of a positive resin (3a to 3d) or a negative resin (3e);
  • FIG. 4 represents replication steps by molding after successive structuring steps of a negative resin
  • FIG. 5 represents the method used in the case of a continuously rotating plane support
  • FIG. 6 shows the division of the support into 20 square cells
  • FIG. 7 represents the method implemented in the case of a cylindrical support rotating continuously
  • FIG. 8 represents the constitution of the laser beam at the point of focusing in the resin
  • FIG. 9 shows the formation of a T-shaped pattern having a transverse branch and a longitudinal branch with a beam of active diameter D and a pitch p between scanning paths of the beam;
  • FIG. 10 represents the crenellated shape of a part of the pattern when the pattern is oblique with respect to the scanning direction of the beam.
  • the pattern to be inscribed in a substrate is formed indirectly from the structuring of a layer of photoresist deposited on the substrate, the whole of the substrate and the layer of resin forming what has been called above a "support" subjected to the exposure of an energy beam. It will be understood, however, that in certain cases the beam could directly irradiate a surface of substrate not covered with resin but sensitive to the action of the beam, to directly register patterns by action of the beam on the beam.
  • the beam is a laser beam in ultraviolet light and the resin is a resin sensitive to exposure to this ultraviolet light. It will be seen that this resin can be "positive” or "negative".
  • the chemical development after insolation allows the non-insolated resin zones to remain on the substrate.
  • the development leaves the insolated resin zones.
  • FIG. 1 represents the principle of a positive resin structure 2 (after development) that is sought to be produced on a substrate 1.
  • the resin pattern has a high form factor; the form factor in this context is the ratio between the height of the structure (here, the resin thickness) and the smallest wall width of the pattern. Typically, the height may be 10 microns and the smallest wall width may be 1 micrometer. But in this structure to achieve according to the invention, the spacing between two positive resin walls is everywhere larger than the smallest wall width. In other words, the fineness of the pattern results from the fineness of the walls and not the fineness of the openings between walls.
  • the resin were negative, it would be the opposite: it would have openings whose smaller width would be smaller than the width of the smallest resin patterns remaining; the fineness of the pattern would then result from the fineness of the openings and not from the fineness of the resin walls.
  • the form factor would be determined by the ratio between the height of the negative resin (for example 10 microns) and the smallest opening width in the resin (for example 1 micrometer).
  • FIG. 2 explains this principle: the laser beam 4 is focused in a zone 5 of the resin 6; 6 denotes the resin before the insolation and development phases; the resin is insolated in this zone 5, over its entire depth.
  • the passage of the laser spot focused on the resin causes a deep modification of the resin, generally a crosslinking or polymerization; the resin portion thus crosslinked is represented by the crossed hatching zone 7.
  • the beam emission is interrupted locally in a zone 8 and the resin is not crosslinked in this zone.
  • the effect of the laser beam can be directly photonic (reaction of photons with the structural material) or thermal (reaction due to heating of the material under the laser spot); in the case of a crosslinkable resin in the presence of ultraviolet, the action is rather photonic; in the case where the insolated material is not a photosensitive resin but is directly the substrate, the action is rather thermal, the energies involved are also higher.
  • the laser beam regularly scans the surface of the structurable material over the entire substrate, and the light emission from the laser is interrupted whenever a material zone is not to be irradiated.
  • the first strategy uses a positive resin and the pattern to be made in the resin layer will be defined by the non-insolated areas that will remain on the substrate.
  • 3 shows the various steps: in 3a, the substrate 1 is covered with a uniform layer of photosensitive resin 6; in 3b we see the displacement of the laser beam 4, of active diameter D, from left to right above the layer, and the transformation of the resin in the zone 7 under the passage of the laser beam ignited; in 3c it can be seen that the transformed zones 7 have an interruption, denoted by 8, due to the fact that the laser beam has been extinguished during its passage over the zone 8; the resin is not polymerized in zone 8; finally, in 3d we see the resin after development: the insolated zones 7 have been eliminated by a selective etching product to which the non-insolated resin is insensitive and the insolated resin is sensitive; the non-insolated zone 8 has been preserved and forms a wall 9.
  • the width L1 of this wall in the narrowest units of the structure produced is smaller than the active diameter D of the laser beam.
  • the width L1 here is not related to the diameter D of the laser beam but to the interruption time of the laser beam during the relative movement of the laser source and the substrate. It is understood that the aspect ratio can be high, but provided that the laser beam is little divergent throughout the depth of the resin. A certain divergence has been voluntarily represented to make this point clear, and this divergence may result from non-vertical walls of the structure as shown. It will be explained later how one can obtain the most vertical walls possible even for thick resins.
  • the positive resin thus conserved in the zones 8 can in particular be used as an etching mask or implantation mask depending on the nature of what is to be achieved in the substrate 1.
  • the underlying zones will be etched or implanted where the resin has been eliminated. This solution applies to cases where the pattern to be made comprises very narrow areas that should not be implanted or etched, but not very narrow areas etched or implanted.
  • a second strategy is to use a negative resin.
  • the interruption of the laser beam over very short lengths during the relative movement of the laser source with respect to the substrate will produce non-insolated zones which will be eliminated during the chemical development of the resin.
  • the resin pattern after development will therefore have very narrow openings allowing for example to perform a very narrow etching or a very narrow implantation in the underlying substrate. This is the case, for example, of what is represented in 3e; the stages are the same as in 3a, 3b, 3c, but the resin is negative and the insolated parts remain after development.
  • This solution is suitable in the case where the narrowest areas are only areas to be implanted or etched, but not areas that must be protected against implantation or engraving.
  • FIG. 4 shows, as an indication illustrating the multiple possibilities of the invention, another way of using a negative resin configured with very narrow openings of width L1 as in FIG. 3e.
  • a resin pattern with very narrow apertures is first formed, then this pattern with very narrow apertures is converted into a complementary pattern with very narrow walls.
  • FIG. 4b shows a pattern transfer layer 27, which fills all the openings of the resin pattern 26.
  • This layer 27 can be deposited and then possibly planarized so as to adhere a transfer substrate 28.
  • the layer 27 can also be injected in liquid form in a molding replication type process.
  • the substrate 1 and the resin 26 have been eliminated by mechanical and / or chemical action, and there remains on the transfer substrate 28 a layer 27 whose pattern is complementary to the pattern of the resin 26.
  • the linear speed of movement of the spot along a track is constant, since the energy supplied for the exposure of the resin is related to the speed of travel for given power of the laser beam. If the speed was not constant, the response of the resin to the laser beam would not be uniform.
  • the length of the tracks for one revolution of the support is reduced as one approaches the axis of rotation; it is therefore necessary that the speed of rotation of the support increases as the laser spot approaches the axis of rotation or decreases as one moves away.
  • the numerical values could be the following ones:
  • Vrotmax 5000 rpm, or 83 rpm
  • VNn 8 meters / second
  • Rmin 16 mm, that is to say 0.016 m
  • the exposure time of one cell is about 4 minutes.
  • the relative trajectory between the laser spot and the disk is a spiral trajectory centered on the disk axis; if the displacement is discontinuous, stepwise at constant time intervals and equal to the duration of a turn, the trajectory is a succession of concentric circular tracks; the speed of translation can also be considered as generally constant on average although the displacement is discontinuous; therefore, whether the displacement is continuous or discontinuous, we will consider constant translation the average speed of advance of the beam perpendicular to the tracks.
  • FIG. 7 shows a second embodiment of the invention, in which the support, indicated by 19, is of circular cylindrical shape and rotates continuously (arrow 11) around its axis, and the optic 12 the laser source moves in translation (arrow 10) parallel to the axis of rotation of the cylinder.
  • This solution is applicable in particular in the case of a support 19 formed by a flexible substrate in the form of a cylindrical drum 18 which drives in its rotation.
  • the relative trajectory between the laser spot and the support is a helical path whose axis is the axis of rotation of the drum. If the displacement is in step-by-step at constant intervals equal to the duration of a turn, the trajectory is a succession of parallel circular tracks; here again, the speed of translation of the beam which must be considered constant, despite the discontinuous nature of the displacement steps, is the average speed.
  • the advantage of the method of FIG. 7 is that the rotational speed of the drum can remain constant during translational motion at constant speed of the laser source. In addition there is no sacrificed area.
  • the focusing optics of the laser in principle establishes a diabolo-shaped beam such as that seen in FIG. 8: the beam converges progressively to an area where it is narrowest and then diverges .
  • the optical calculation makes it possible to show that the divergence of the beam is all the stronger as the minimum diameter of the beam, where the convergence is the strongest, is smaller. If you want to expose a resin of great depth while maintaining vertical walls, you should use a wider beam than if you want to expose a thin resin; in the prior art, therefore, the resolution was less good because of the larger writing beam when the resin thickness was greater.
  • the invention makes it possible to use a wider beam, thus weakly divergent, while keeping a very good resolution since the narrowest patterns which are only non-insolated patterns are traced by trimming; we can therefore properly expose thicker resins.
  • the beam is wider we must also notice that we lose in exposure accuracy both in the direction of the beam width and in the direction of the depth of the insolated resin, because of the Gaussian distribution.
  • energy inside the beam a more spread beam has an energy distribution with narrower boundaries between the active and the non-active part of the beam section; the crosslinking of the insolated resin is in fact very dependent on the energy distribution inside the beam and there are crosslinking threshold effects as a function of the dose of illumination received, the dose received at one point being both a function of the distance x of the point with respect to the axis of the beam and the position of the point along this axis (thus the depth of the point in the resin).
  • a preferred value of the waist w 0 of the beam at the point of maximum convergence is defined by the following formula:
  • W 0 ( ⁇ z / 2 ⁇ n) 1/2 , where ⁇ is the wavelength of the laser beam, ⁇ z is the depth of the sensitive layer that is to be insolated (for example the thickness of the deposited resin), and n is the optical index of the sensitive layer (resin for example).
  • ⁇ is the wavelength of the laser beam
  • ⁇ z is the depth of the sensitive layer that is to be insolated (for example the thickness of the deposited resin)
  • n the optical index of the sensitive layer (resin for example).
  • a beam waist of between 0.8 times and 1.8 times the value ( ⁇ z / 2 ⁇ n) 1/2 will be used .
  • a beam waistband of between 0.9 times and 1.1 times the value ( ⁇ z / 2 ⁇ n) 1/2 will be used according to the invention.
  • a beam waist of between 0.8 ⁇ m and 1.8 ⁇ m can be chosen. preferred way between 0.9 ⁇ m and 1.1 ⁇ m.
  • the waist is defined as the radius of the intensity distribution of the beam at 1 / e 2 of the maximum level.
  • the waist is connected to the active diameter by the factor (2.ln (2)) 0 ' 5 .
  • the active beam diameter is typically defined, for a Gaussian energy distribution within the beam, by the distance between two diametrically opposite points for which the power density is half the power density on the beam. Beam axis (in other words the active diameter is then considered to be simpler to be the mid-height width of the power density distribution Gaussian).
  • the diameter D of the beam must be less than or equal to the smallest width LO of the areas to be illuminated.
  • the invention applies only to the realization of structures in which the smallest width of the areas to be insolated is greater than the smallest width of the areas which are not to be insolated.
  • the beam In the continuous scanning of the beam above the support, the beam shall be illuminated on its path and extinguished whenever a non-insolated resin pattern is to be inscribed transversely to the direction of the beam. relative displacement of the beam relative to the support.
  • parallel tracks should be scanned in such a way that non-insolated intervals can remain between tracks parallel to the direction of relative movement of the beam.
  • FIG. 9 schematically represents the scanning of an active diameter beam D from left to right along parallel lines separated by a distance p which represents the step of movement of the beam from one track to the next. Seven beam paths are shown in the figure. The beam is extinguished for a minimum duration T1 during its longitudinal path to leave uninsulated areas 23 transverse (perpendicular to the path of the beam) of minimum width L1. The beam is also extinguished over a period that may be greater than T1, and this on several consecutive tracks, to leave noninserted longitudinal zones 24 of minimum width L.
  • the minimum width L is related to the diameter D and the pitch p of the tracks as we will see.
  • FIG. 9 thus shows the gradual development, on seven consecutive tracks, of a non-insole T-shaped pattern whose transverse 23 and longitudinal 24 branches have widths L1 and L
  • the minimum width L1 in the longitudinal direction will depend on the minimum time required for the extinction and re-ignition of the laser beam. For example, a 500 MHz modulating beam moving at 8m / s will make it possible to obtain a width L1 of a non-insulated pattern of 22 nanometers.
  • L kp - D
  • k being a positive integer at least equal to 2.
  • the structure to be produced comprises non-insolated patterns very narrow both longitudinally and transversely.
  • the case of oblique patterns will be considered later.
  • the optimal waist value is equal to 927 nm, ie an active diameter of 1.1 ⁇ m.
  • the beam has a width D equal to approximately three times the minimum width
  • FIG. 10 schematically represents the general shape of the transverse, longitudinal and oblique boundaries, which will be obtained with a beam of width D and a pitch p.
  • the slight festooning of the outlines verticals was not represented.
  • the highly scalloped outline of the structural patterns having an obliquity with respect to the scanning axis of the beam is characteristic of the implementation of the method according to the invention.
  • the two examples in Figure 10 show this feasting for two different angles of obliquity.

Abstract

L'invention concerne les techniques de photolithographie, et plus particulièrement les techniques de photolithographie sans masque dans lesquelles on écrit directement un motif sur un substrat au moyen d'un faisceau énergétique, typiquement un faisceau laser. Selon l'invention, la position du faisceau est déplacée en mouvement continu relativement à la surface du support et le faisceau est allumé ou éteint selon le motif à inscrire dans le support; le motif est tel que la plus petite largeur des zones à illuminer est plus grande que la plus petite largeur (L, L1 ) des zones (8) qui ne doivent pas être illuminées; le diamètre actif (D) du faisceau d'illumination est supérieur à cette dernière. Ce diamètre est défini en fonction de la profondeur de résine à insoler et résulte d'un compromis entre la nécessité d'insoler en profondeur et la taille des motifs à inscrire. On atteint ainsi une résolution plus élevée que ce que permet théoriquement le diamètre du faisceau, même pour des résines dont l'épaisseur est très supérieure à la dimension des motifs les plus fins à réaliser.

Description

PROCEDE DE LITHOGRAPHIE D'UNE IMAGE PAR ECRITURE DIRECTE CONTINUE
L'invention concerne les techniques de photolithographie, et plus particulièrement les techniques de photolithographie sans masque dans lesquelles on écrit directement un motif sur un substrat au moyen d'un faisceau énergétique, typiquement un faisceau laser. Dans le domaine de la microélectronique ou plus généralement des microtechnologies qui évoluent maintenant vers les nanotechnologies, on cherche à structurer des couches de matériaux selon des motifs de plus en plus fins.
La lithographie est la technique usuelle qui permet de structurer une couche déposée sur un substrat avec des motifs dont la plus petite largeur peut être aujourd'hui de l'ordre de 100 nanomètres. Elle se pratique en général avec un masque dont le dessin est transféré globalement sur une couche de résine photosensible : la couche est illuminée à travers le masque par une optique de projection de lumière ; l'optique est une optique de réduction permettant d'obtenir des motifs de résine plus petits que les motifs du masque ; l'action de la lumière est en général une réticulation ou polymérisation de la résine, tout particulièrement lorsque la longueur d'onde de la lumière utilisée est ultraviolette. La résine est ensuite développée chimiquement de manière à ne laisser sur le substrat que les zones insolées (si la résine est une résine dite "négative") ou au contraire que les zones non insolées (si la résine est une résine dite "positive"). La résine subsistant sur le substrat sert elle-même de masque pour définir une action localisée dans le substrat qu'elle recouvre : action de gravure d'une couche sous-jacente là où la résine est absente, action d'implantation d'impuretés là où la résine est absente, etc.
Cette technique de lithographie à l'aide d'un masque est avantageuse du fait que l'exposition de la résine à la source de lumière est instantanée (une étape de développement de la résine doit cependant être prévue). Mais il faut passer par une étape de fabrication du masque, ce qui est acceptable lorsque le masque doit servir de multiples fois, pour des fabrications en grande série, mais qui est difficilement acceptable pour des fabrications en très petit nombre (réalisation de petites séries, d'échantillons, ou de prototypes). D'autre part, cette technique de lithographie passe par une exposition de la résine à travers une optique ; l'optique doit avoir une très grande ouverture numérique afin de garantir une bonne résolution ; mais alors la profondeur de champ est très limitée et on ne peut exposer que des couches de résine très minces ; des résines trop épaisses seraient mal exposées en profondeur. Des résines épaisses peuvent cependant être nécessaires pour effectuer des gravures profondes des zones sous-jacentes non protégées par la résine, car la résine est en partie attaquée par les produits de gravure de ces couches sous-jacentes et son épaisseur doit permettre de résister à cette attaque pendant tout le processus de gravure.
On a donc cherché à explorer d'autres voies de lithographie, et plus précisément des techniques de lithographie sans masque, notamment :
- la lithographie par faisceau d'électrons qui donne une très bonne résolution mais qui nécessite un temps de fabrication très long ; - la lithographie à l'aide d'un modulateur spatial : le masque est remplacé par un modulateur de lumière électro-optique matriciel qui est interposé comme un masque entre une source de lumière d'insolation et la résine à exposer ; le même modulateur peut être configuré pour réaliser n'importe quel motif, et il n'y a donc plus à passer par une étape de fabrication d'un masque spécifique pour chaque motif ; il y a cependant des limites en résolution et en profondeur de champ ;
- la lithographie par écriture directe au moyen d'un faisceau laser qui est placé successivement au-dessus de chacune des zones de résine qui doivent être insolées et qui est alors allumé pour effectuer l'insolation ; cette technique permet une grande finesse de motifs insolés mais elle est d'autant plus lente que la résolution désirée est grande ; d'autre part, lorsque la résolution est très élevée, on doit se limiter à de faibles épaisseurs de résine.
Un but de l'invention est d'atteindre des vitesses d'écriture plus élevées que dans l'art antérieur, tout en bénéficiant des bonnes caractéristiques de résolution de la technique d'écriture directe par un faisceau laser, et ceci même pour des épaisseurs de résine relativement importantes, et en particulier pour des résines dont l'épaisseur est très supérieure (au moins 10 fois) à la largeur des plus petits motifs qu'on veut réaliser. Selon l'invention, on propose un procédé de lithographie d'une image par écriture directe au moyen d'une source produisant un faisceau de rayonnement électromagnétique dirigé vers une couche sensible à ce faisceau, dans lequel la position du faisceau est déplacée en mouvement continu relativement à la surface du support et le faisceau est allumé ou éteint selon le motif à inscrire dans le support, caractérisé en ce que le motif est tel que la plus petite largeur LO des zones à illuminer par ce faisceau est plus grande que la plus petite largeur L des zones qui sont délimitées par lesdites zones à illuminer et qui ne doivent pas être illuminées, en ce que le diamètre actif du faisceau d'illumination est supérieur à cette dernière largeur, en ce que l'épaisseur Δz de la couche sensible à insoler est au moins dix fois supérieure à la largeur L, et en ce que le waist du faisceau est compris entre 0,8x(λΔz/2πn)1/2 et 1 ,8x(λΔz/2πn)1/2 et avantageusement entre 0,9x(λΔz/2πn)1/2 et 1 ,1 x(λΔz/2πn)1/2 où λ est la longueur d'onde du faisceau, Δz est l'épaisseur de la couche sensible à insoler, et n est l'indice optique de la couche sensible. Par "waist du faisceau", on entend le paramètre usuel de caractérisation d'un faisceau gaussien correspondant au rayon de la distribution d'intensité gaussienne mesurée à 1/e2 de son maximum. Le waist est légèrement inférieur au diamètre actif d'un facteur 1/(2.ln(2))05 = 0,85.
Le "faisceau électromagnétique" sera en général un faisceau de lumière, notamment ultraviolette.
Par "couche sensible à ce faisceau", on entend
- soit une couche en un matériau qui est directement sensible au faisceau et dans lequel on veut inscrire un motif à l'aide du faisceau ; par exemple, un support en un matériau transparent dont l'indice de réfraction ou la structure cristalline peuvent être modifiés par l'action thermique du faisceau de radiations ou de particules, le motif désiré étant inscrit directement dans ce matériau sous forme de variations locales d'indice ou de structure cristalline ;
- soit une couche de résine sensible au faisceau, déposée sur un substrat, et le procédé de lithographie comportera d'abord des étapes de structuration géométrique de cette couche de résine pour y établir un motif déterminé, puis des étapes de transfert de ce motif (en positif ou en négatif) sur une autre couche du substrat (préalablement présente au- dessous de la résine ou déposée ultérieurement après développement de la résine).
Par "diamètre actif du faisceau", on entend le diamètre d'une section de faisceau dans laquelle la densité de puissance permet effectivement d'agir sur le support (notamment : polymériser la résine sur toute sa profondeur) pour y inscrire le motif, sachant que la répartition de la densité de puissance dans la section du faisceau laser est le plus souvent sensiblement une gaussienne, plus forte au centre, plus faible sur les bords du faisceau ; la périphérie du faisceau, de plus faible énergie ne fait donc pas partie de ce diamètre actif.
Une valeur simplifiée qu'on peut prendre pour le diamètre actif est la largeur à mi-hauteur de la courbe gaussienne représentant la distribution de densité de puissance le long d'un diamètre de la section du faisceau.
Le motif à inscrire dans la couche sensible est ici un motif avec un grand facteur de forme (supérieur à 10 et de préférence supérieur à 30 ou même 40). Le facteur de forme considéré ici est le rapport entre l'épaisseur de la couche sensible à insoler (par exemple l'épaisseur de résine photosensible déposée) et la largeur des plus petits motifs non insolés qu'on veut réaliser. Selon l'invention, le déplacement continu du faisceau expose le support sur une largeur supérieure aux plus petits motifs à réaliser ; les plus petits motifs sont des motifs de résine qui ne doit pas être insolée, ce ne sont pas des motifs de résine qui doivent être insolés. On conserve des zones de résine non insolée de largeur plus petite que le faisceau simplement en interrompant l'insolation par le faisceau pendant une durée suffisamment brève au cours de son passage au-dessus de ces zones ; on conserve également de telles zones non insolées en faisant passer le faisceau le long de deux trajets voisins séparés par une distance inférieure au diamètre actif du faisceau, cette distance définissant un motif de résine non insolée. En d'autres mots, le procédé selon l'invention consiste à détourer les plus petits motifs en insolant la résine tout autour de ces plus petits motifs avec une largeur de faisceau plus grande que ces plus petits motifs. Mais on donne au faisceau une largeur qui tient compte de l'épaisseur importante de résine et qui est définie par une formule faisant intervenir cette épaisseur. On établit ainsi une structure dont les détails les plus fins sont plus petits que le diamètre actif du faisceau d'illumination, malgré l'existence d'un facteur de forme très grand du motif alors que dans l'art antérieur on utilisait un faisceau de diamètre actif au plus égal à la plus petite largeur de motif à réaliser, indépendamment du fait que cette plus petite largeur fasse partie des motifs à insoler ou des motifs à ne pas insoler.
Le mouvement relatif du faisceau par rapport au support sera de préférence en hélice, ou en spirale, selon la nature du support et selon le type de motif à inscrire. Il peut cependant aussi être en lacet ou en balayage ligne par ligne.
L'invention fonctionne avec des résines positives ou négatives, selon que les plus petits motifs subsistant après développement de la résine, qui sont plus petits que la largeur du faisceau, sont des îlots de résine (îlots de résine non insolée délimités par l'élimination de la résine insolée) ou des ouvertures dans la résine (ouvertures formées par l'élimination de résine non insolée).
La durée d'écriture de l'ensemble du support est d'autant plus brève que le diamètre du faisceau d'insolation est grand mais on choisit le diamètre en fonction de l'épaisseur de la résine et non de la vitesse à obtenir.
Le pas de balayage du faisceau sera de préférence égal à (D+L)/k, où D est le diamètre actif, L la plus petite largeur des zones qui ne doivent pas être illuminées, et k un nombre entier supérieur à 1 et de préférence égal à 3 ou 4. Le support sera le plus souvent en forme de disque plan tournant autour d'un axe perpendiculaire à sa surface ; le faisceau se déplace alors en translation dirigée de la périphérie vers l'axe (ou dans le sens contraire), engendrant un balayage en spirale de la surface du disque ; la vitesse de rotation du disque sera d'autant plus élevée que le faisceau est plus proche de l'axe, afin de conserver constante la vitesse linéaire de déplacement du faisceau relativement au support.
Dans une autre réalisation, le support peut être cylindrique circulaire, et en rotation à vitesse constante autour de l'axe du cylindre, et le faisceau se déplace alors en translation à vitesse globalement constante parallèlement à cet axe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente de manière schématique un exemple de structuration souhaitée pour la résine recouvrant un substrat ;
- la figure 2 représente le principe d'une écriture directe par un faisceau laser balayant la surface du substrat ;
- la figure 3 représente les étapes de structuration successives dans le cas d'une résine positive (3a à 3d) ou négative (3e) ;
- la figure 4 représente des étapes de réplication par moulage après des étapes de structuration successives d'une résine négative ;
- la figure 5 représente le procédé mis en œuvre dans le cas d'un support plan tournant en continu ; - la figure 6 représente la division du support en 20 cellules carrées ;
- la figure 7 représente le procédé mis en œuvre dans le cas d'un support cylindrique tournant en continu ;
- la figure 8 représente la constitution du faisceau laser à l'endroit de la focalisation dans la résine ;
- la figure 9 représente la formation d'un motif en Té ayant une branche transversale et une branche longitudinale avec un faisceau de diamètre actif D et un pas p entre pistes de balayage du faisceau ;
- la figure 10 représente l'allure crénelée d'une partie de motif lorsque le motif est oblique par rapport à la direction de balayage du faisceau.
On décrira l'invention à propos d'un exemple dans lequel le motif à inscrire dans un substrat est formé indirectement à partir de la structuration d'une couche de résine photosensible déposée sur le substrat, l'ensemble du substrat et de la couche de résine formant ce qu'on a appelé ci-dessus un "support" soumis à l'exposition d'un faisceau énergétique. On comprendra cependant que dans certains cas le faisceau pourrait insoler directement une surface de substrat non recouverte de résine mais sensible à l'action du faisceau, pour y inscrire directement des motifs par action du faisceau sur le matériau du substrat ; c'est le cas en particulier lorsqu'un faisceau laser vient échauffer localement un matériau transparent pour imposer une modification locale de structure cristalline (passage d'une structure amorphe à une structure cristalline ou inversement) ou pour imposer une modification locale d'indice de réfraction optique.
Dans l'exemple décrit ci-après à titre d'illustration de l'invention, le faisceau est un faisceau laser en lumière ultraviolette et la résine est une résine sensible à l'exposition à cette lumière ultraviolette. On verra que cette résine peut être "positive" ou "négative". Dans le premier cas, le développement chimique après insolation laisse subsister sur le substrat les zones de résine non insolées. Dans le deuxième cas, le développement laisse subsister les zones de résine insolées.
La figure 1 représente le principe d'une structure 2 de résine positive (après développement) qu'on cherche à réaliser sur un substrat 1 . Le motif de résine possède un facteur de forme élevé ; le facteur de forme dans ce contexte est le rapport entre la hauteur de la structure (ici, l'épaisseur de résine) et la plus petite largeur de paroi du motif. Typiquement, la hauteur peut être de 10 micromètres et la plus petite largeur de paroi peut être de 1 micromètre. Mais dans cette structure à réaliser selon l'invention, l'espacement entre deux parois de résine positive est partout plus grand que la plus petite largeur de paroi. Autrement dit, la finesse du motif résulte de la finesse des parois et non de la finesse des ouvertures entre parois. Si la résine était négative, ce serait le contraire : elle comporterait des ouvertures dont la plus petite largeur serait inférieure à la largeur des plus petits motifs de résine subsistante ; la finesse du motif résulterait alors de la finesse des ouvertures et non de la finesse des parois de résine. Le facteur de forme serait déterminé par le rapport entre la hauteur de la résine négative (par exemple 10 micromètres) et la plus petite largeur d'ouverture dans la résine (par exemple 1 micromètre). Pour réaliser la structure 2 de résine positive de la figure 1 , on va procéder selon l'invention par détourage des parois, c'est-à-dire qu'on va exposer la résine uniquement là où il ne doit pas subsister de parois, et ceci au cours d'un défilement continu du faisceau laser au-dessus de pistes tracées sur l'ensemble de la surface du substrat, en éteignant le faisceau chaque fois qu'il passe au-dessus d'une zone de paroi qui doit subsister après développement.
La figure 2 explique ce principe : le faisceau laser 4 est focalisé dans une zone 5 de la résine 6 ; la référence 6 désigne la résine avant les phases d'insolation et de développement ; la résine est insolée dans cette zone 5, sur toute sa profondeur. Le passage du spot laser focalisé sur la résine provoque une modification en profondeur de la résine, en général une réticulation ou polymérisation ; la portion de résine ainsi réticulée est représentée par la zone à hachures croisées 7. L'émission du faisceau est interrompue localement dans une zone 8 et la résine n'est pas réticulée dans cette zone.
L'effet du faisceau laser peut être directement photonique (réaction des photons avec le matériau structurable) ou thermique (réaction due à réchauffement du matériau sous le spot laser) ; dans le cas d'une résine réticulable en présence d'ultraviolets, l'action est plutôt photonique ; dans le cas où le matériau insolé n'est pas une résine photosensible mais est directement le substrat, l'action est plutôt thermique, les énergies mises en jeu étant d'ailleurs plus élevées.
Le faisceau laser balaye régulièrement la surface du matériau structurable, sur la totalité du substrat, et l'émission lumineuse du laser est interrompue chaque fois qu'une zone de matériau ne doit pas être insolée.
Plusieurs stratégies d'insolation peuvent être envisagées, et elles dépendent bien entendu de la nature positive ou négative de la résine utilisée. La première stratégie utilise une résine positive et le motif à réaliser dans la couche de résine sera défini par les zones non insolées qui subsisteront sur le substrat. La figure 3 (3a à 3d) montre les différentes étapes : en 3a, on voit le substrat 1 recouvert d'une couche uniforme de résine photosensible 6 ; en 3b on voit le déplacement du faisceau laser 4, de diamètre actif D, de gauche à droite au-dessus de la couche, et la transformation de la résine dans la zone 7 sous le passage du faisceau laser allumé ; en 3c on voit que les zones transformées 7 présentent une interruption, désignée par 8, due au fait que le faisceau laser a été éteint pendant son passage au-dessus de la zone 8 ; la résine n'est pas polymérisée dans la zone 8 ; enfin, en 3d on voit la résine après développement : les zones 7 insolées ont été éliminées par un produit d'attaque sélective auquel la résine non insolée est peu sensible et la résine insolée est sensible ; la zone 8 non insolée a été conservée et forme une paroi 9. La largeur L1 de cette paroi dans les motifs les plus étroits de la structure réalisée est plus petite que le diamètre actif D du faisceau laser. La largeur L1 est ici liée non pas au diamètre D du faisceau laser mais à la durée d'interruption du faisceau laser pendant le défilement relatif de la source laser et du substrat. On comprend que le rapport de forme peut être élevé, mais à la condition que le faisceau laser soit peu divergent dans toute la profondeur de la résine. On a volontairement représenté une certaine divergence pour faire comprendre ce point, et de cette divergence peut résulter des parois non verticales de la structure comme cela est représenté. On expliquera plus loin comment on peut obtenir des parois les plus verticales possibles même pour des résines épaisses. La résine positive ainsi conservée dans les zones 8 peut notamment servir de masque de gravure ou de masque d'implantation selon la nature de ce qu'on veut réaliser dans le substrat 1. Les zones sous- jacentes seront gravées ou implantées là où la résine a été éliminée. Cette solution s'applique aux cas où le motif à réaliser comporte des zones très étroites ne devant pas subir d'implantation ou de gravure, mais pas de zones très étroites gravées ou implantées.
Une deuxième stratégie consiste à utiliser une résine négative. L'interruption du faisceau laser sur de très courtes longueurs pendant le défilement relatif de la source laser par rapport au substrat produira des zones non insolées qui seront éliminées lors du développement chimique de la résine. Le motif de résine après développement comportera donc des ouvertures très étroites permettant par exemple d'effectuer une gravure très étroite ou une implantation très étroite dans le substrat sous-jacent. C'est le cas par exemple de ce qui est représenté en 3e ; les étapes sont les mêmes qu'en 3a, 3b, 3c, mais la résine est négative et les parties insolées subsistent après développement. Cette solution convient dans le cas où les zones les plus étroites sont uniquement des zones devant subir une implantation ou une gravure, mais pas des zones qui doivent être protégées contre l'implantation ou la gravure. Sur la figure 4 on a représenté, à titre indicatif illustrant les possibilités multiples de l'invention, une autre manière d'utiliser une résine négative configurée avec des ouvertures très étroites de largeur L1 comme à la figure 3e. Dans cet exemple de la figure 4, on forme d'abord un motif de résine à ouvertures très étroites, puis on transforme ce motif à ouvertures très étroites en motif complémentaire à parois très étroites.
En 4a, on voit la couche de résine 26 après insolation et développement, avec une ouverture de largeur L1 (les étapes précédentes, analogues aux figures 3a, 3b et 3c mais avec une résine négative, ne sont pas représentées). La figure 4b présente une couche 27 de report de motif, qui comble toutes les ouvertures du motif de résine 26. Cette couche 27 peut être déposée puis éventuellement planarisée afin d'y coller un substrat de report 28. La couche 27 peut également être injectée sous forme liquide dans un processus de type réplication par moulage. En 4c, on a éliminé par action mécanique et/ou chimique le substrat 1 et la résine 26, et il reste sur le substrat de report 28 une couche 27 dont le motif est le complémentaire du motif de la résine 26. Ainsi, la couche 27 est pourvue d'une paroi en saillie 30 de largeur L1 qui correspond au complément de l'ouverture de largeur L1 laissée dans la résine 26. Sur la figure 5 on a représenté l'application de ce procédé à un support plan circulaire 13 sur lequel on veut graver des informations alignées selon une piste en spirale 14 (ou des pistes circulaires et concentriques). L'optique de focalisation 12 d'une source laser émettant un faisceau 4 est placée au-dessus du support 13 et le mouvement relatif entre l'optique et le support est un mouvement en spirale : le support tourne (flèche 1 1 ) autour d'un axe vertical, et la source laser se déplace (flèche 10) perpendiculairement à l'axe de rotation du support et dans la direction de cet axe (en s'approchant de la périphérie vers l'axe ou en s'éloignant de l'axe vers la périphérie). Si on désire que le pas de répartition des pistes inscrites soit p, on donne à la vitesse de translation Vtrans du faisceau une valeur égale à Vrot.p si Vrot est la vitesse de rotation du support.
On remarquera qu'il est préférable que la vitesse linéaire de déplacement du spot le long d'une piste soit constante, car l'énergie fournie pour l'insolation de la résine est liée à la vitesse de défilement pour une puissance donnée du faisceau laser. Si la vitesse n'était pas constante, la réponse de la résine au faisceau laser ne serait pas uniforme.
Dans le cas d'un balayage en spirale du support 13, la longueur des pistes pour un tour du support se réduit au fur et à mesure qu'on se rapproche de l'axe de rotation ; il faut donc que la vitesse de rotation du support augmente au fur et à mesure que le spot laser se rapproche de l'axe de rotation ou diminue au fur et à mesure qu'on s'éloigne. La zone centrale du support doit être sacrifiée. Le rayon de cette zone centrale est lié à la vitesse de rotation maximale qu'on peut donner au support. Si la vitesse linéaire souhaitée pour une exposition correcte de la résine est VNn, et si la vitesse de rotation maximale acceptable est Vrotmax, alors le rayon de la zone sacrifiée est Rmin = Vlin/2πVrotmax.
Si on appelle Rmax le rayon maximal du support, la durée d'exposition totale du support est T1 = (1 /Vlin)π(Rmax2-Rmin2)/p A titre d'exemple, les valeurs numériques pourraient être les suivantes :
Vrotmax = 5000 tours/minutes, soit 83 tours/seconde,
VNn = 8 mètres/seconde
Rmin = 16 mm, soit 0,016 m Rmax = 100 mm, soit 0,100 m p = 833 nanomètres, soit 833x10"9 mètres on trouve une durée d'exposition T1 de 1 h17 minutes.
Si le support est divisé en 20 cellules carrées (référence 1 6) de 32 millimètres de côté organisées conformément au découpage de la figure 6 (une cellule est supprimée au centre et définit la zone sacrifiée 17), la durée d'exposition d'une cellule est de 4 minutes environ.
Si la vitesse de translation du faisceau est continue et constante, la trajectoire relative entre le spot laser et le disque est une trajectoire en spirale centrée sur l'axe du disque ; si le déplacement est discontinu, en pas- à-pas à intervalles de temps constants et égaux à la durée d'un tour, la trajectoire est une succession de pistes circulaires concentriques ; la vitesse de translation peut être aussi considérée comme globalement constante en moyenne bien que le déplacement soit discontinu ; par conséquent, que le déplacement soit continu ou discontinu, on considérera comme vitesse de translation constante la vitesse moyenne d'avance du faisceau perpendiculairement aux pistes.
Sur la figure 7 on a représenté un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel le support, désigné par 19, est de forme cylindrique circulaire et tourne en continu (flèche 1 1 ) autour de son axe, et l'optique 12 de la source laser se déplace en translation (flèche 10) parallèlement à l'axe de rotation du cylindre. Cette solution est applicable en particulier dans le cas d'un support 19 formé par un substrat souple épousant la forme d'un tambour cylindrique 18 qui l'entraîne dans sa rotation.
Si la vitesse de translation du faisceau est continue et constante, la trajectoire relative entre le spot laser et le support est une trajectoire hélicoïdale dont l'axe est l'axe de rotation du tambour. Si le déplacement est en pas-à-pas à intervalles constants égaux à la durée d'un tour, la trajectoire est une succession de pistes circulaires parallèles ; là encore, la vitesse de translation du faisceau qui doit être considérée comme étant constante, malgré le caractère discontinu des pas de déplacement, est la vitesse moyenne.
L'avantage de la méthode de la figure 7 est le fait que la vitesse de rotation du tambour peut rester constante au cours du déplacement en translation à vitesse constante de la source laser. De plus il n'y a pas de zone sacrifiée. La durée totale d'exposition est T2 = Ls/(Vrot.p) où Ls est la longueur du substrat dans le sens de la translation de l'optique 12, Vrot la vitesse de rotation constante, et p le pas de la piste hélicoïdale. Avec des valeurs numériques semblables à celles qui ont été données ci-dessus, et plus précisément avec VNn = 8 m/s, un pas de 833 nanomètres, et un substrat d'environ 1 60 mm x 130 mm (cette dernière valeur 130 mm étant prise parallèlement à l'axe de rotation) comprenant 20 cellules carrées de 32 mm de côté, on peut utiliser un tambour d'environ 30 millimètres de rayon et on trouve une durée d'exposition de l'ordre d'une heure (3 minutes par cellule) ; la vitesse de rotation est effet alors de 2500 tours par minute environ. Si la vitesse de rotation est augmentée à 5000 tours par minute et si on accepte une vitesse linéaire de 16 m/s plutôt que 8, la durée peut être réduite à 30 minutes environ, soit 1 minute et demie par cellule. Pour mettre en œuvre l'invention de la manière la plus efficace possible il faut déterminer à la fois la largeur D du faisceau la plus appropriée pour insoler la résine et le pas p de déplacement du faisceau dans son mouvement relatif en lignes parallèles (spirale ou hélice), ces deux grandeurs étant liées comme on va le voir.
On rappelle que l'optique de focalisation du laser établit en principe un faisceau en forme de diabolo tel que celui qu'on voit sur la figure 8 : le faisceau converge progressivement jusqu'à une zone où il est le plus étroit, puis il diverge.
Le calcul optique, dans le détail duquel on n'entrera pas ici, permet de montrer que la divergence du faisceau est d'autant plus forte que le diamètre minimal du faisceau, là où la convergence est la plus forte, est plus petit. Si on veut exposer une résine de grande profondeur tout en lui conservant des parois bien verticales, il faut donc utiliser un faisceau plus large que si on veut exposer une résine peu épaisse ; on avait donc dans l'art antérieur une résolution moins bonne, du fait du faisceau d'écriture plus large, lorsque l'épaisseur de résine était plus grande. L'invention permet d'utiliser un faisceau plus large, donc faiblement divergent, tout en gardant une très bonne résolution puisqu'on procède par détourage des motifs les plus étroits qui sont uniquement des motifs non insolés ; on pourra donc exposer correctement des résines plus épaisses.
Mais si le faisceau est plus large il faut aussi remarquer qu'on perd en précision d'exposition à la fois dans le sens de la largeur du faisceau et dans le sens de la profondeur de la résine insolée, du fait de la distribution gaussienne d'énergie à l'intérieur du faisceau ; un faisceau plus étalé a une distribution d'énergie avec des frontières moins nettes entre la partie active et la partie non active de la section du faisceau ; la réticulation de la résine insolée est en effet très dépendante de la répartition d'énergie à l'intérieur du faisceau et il y a des effets de seuil de réticulation en fonction de la dose d'éclairement reçue, la dose reçue en un point étant à la fois fonction de la distance x du point par rapport à l'axe du faisceau et de la position du point le long de cet axe (donc de la profondeur du point dans la résine).
L'utilisation d'un faisceau trop large risquerait donc de faire perdre en précision de la frontière de réticulation de la résine ce qu'on aurait gagné en réduction de la divergence du faisceau. On choisira donc un diamètre actif de faisceau qui ne soit pas le plus large possible mais qui soit un compromis acceptable.
Une valeur préférée du waist w0 du faisceau à l'endroit de la convergence maximale est définie par la formule suivante :
W0 = (λΔz/2πn)1/2, où λ est la longueur d'onde du faisceau laser, Δz est la profondeur de la couche sensible qu'on veut insoler (par exemple l'épaisseur de la résine déposée), et n est l'indice optique de la couche sensible (résine par exemple). On utilisera selon l'invention un waist de faisceau compris entre 0,8 fois et 1 ,8 fois la valeur (λΔz/2πn)1/2. De manière privilégiée on utilisera selon l'invention un waist de faisceau compris entre 0,9 fois et 1 ,1 fois la valeur (λΔz/2πn)1/2
Par exemple, pour une profondeur de résine de 20 micromètres, une longueur d'onde de 500 nanomètres, et un indice optique de 1 ,5, on peut choisir un waist de faisceau compris entre 0,8 μm et 1 ,8 μm et de manière privilégiée entre 0,9 μm et 1 ,1 μm. Conformément aux usages de l'homme de l'art le waist est défini égal au rayon de la distribution d'intensité du faisceau à 1 /e2 du niveau maximal. Le waist est relié au diamètre actif par le facteur (2.ln(2))0'5. On considère que le diamètre actif du faisceau est défini typiquement, pour une distribution d'énergie gaussienne à l'intérieur du faisceau, par la distance séparant deux points diamétralement opposés pour lesquels la densité de puissance est la moitié de la densité de puissance sur l'axe du faisceau (en d'autres mots le diamètre actif est alors considéré pour simplifier comme étant la largeur à mi-hauteur de la gaussienne de distribution de densité de puissance).
Dans tous les cas, le diamètre D du faisceau devra être inférieur ou égal à la plus petite largeur LO des zones qui sont à illuminer. L'invention s'applique seulement à la réalisation de structures dans lesquelles la plus petite largeur des zones à insoler est plus grande que la plus petite largeur des zones qui ne sont pas à insoler.
Dans le balayage continu du faisceau au-dessus du support, on devra allumer le faisceau sur son trajet et l'éteindre chaque fois qu'un motif de résine non insolée devra être inscrit transversalement à la direction de déplacement relatif du faisceau par rapport au support. De plus, on devra balayer des pistes parallèles d'une manière telle que des intervalles non insolés pourront subsister entre pistes, parallèlement à la direction de déplacement relatif du faisceau. Ces deux paramètres définiront les largeurs de motifs non insolés et devront permettre de réaliser les motifs non insolés les plus étroits prévus par le dessin de la structure à réaliser, aussi bien transversalement que longitudinalement.
La figure 9 représente schématiquement le balayage d'un faisceau de diamètre actif D de gauche à droite selon des lignes parallèles séparées d'une distance p qui représente le pas de déplacement du faisceau d'une piste à la suivante. Sept passages de faisceau sont représentés sur la figure. Le faisceau est éteint pendant une durée minimale T1 au cours de son trajet longitudinal pour laisser des zones non insolées 23 transversales (perpendiculaires au trajet du faisceau) de largeur minimale L1. Le faisceau est également éteint sur une durée qui peut être supérieure à T1 , et ceci sur plusieurs pistes consécutives, pour laisser des zones longitudinales non insolées 24 de largeur minimale L. La largeur minimale L est liée au diamètre D et au pas p des pistes comme on va le voir. On voit donc sur la figure 9 l'élaboration progressive, sur sept pistes consécutives d'un motif non insolé en forme de Té dont les branches transversale 23 et longitudinale 24 ont des largeurs L1 et L
La largeur minimale L1 dans le sens longitudinal dépendra du temps minimum nécessaire à l'extinction et au rallumage du faisceau laser. Par exemple, un faisceau modulable à 500 MHz et se déplaçant à 8m/s permettra d'obtenir une largeur L1 de motif non insolé de 22 nanomètres.
La largeur minimale L dans le sens transversal se déduit à la fois du pas p et de la largeur D du faisceau selon la formule L = k.p - D, k étant un entier positif au moins égal à 2. En effet, si on suppose qu'on insole une bande de largeur D (largeur du faisceau) le long d'une piste, qu'on éteint le faisceau au même endroit pendant les k-1 pistes suivantes et qu'on rallume le faisceau sur sa largeur D à la kIΘmΘ piste, on constate qu'on aura laissé une bande non insolée de largeur égale à k.p -D. A noter que k ne peut pas être égal à 1 ; il faut en effet que p reste inférieur à D pour permettre un recouvrement des zones insolées lorsque cela est nécessaire (insolation sur une zone continue). On peut prendre comme hypothèse simplificatrice que L et L1 sont égales, c'est-à-dire que la structure à réaliser comporte des motifs non insolés très étroits aussi bien longitudinalement que transversalement. Le cas de motifs obliques sera considéré plus loin. Dans un exemple, la largeur des plus petits motifs à réaliser est L=L1 =0,5 micromètre dans une résine d'épaisseur 20 μm. La valeur optimale de waist est égale à 927 nm soit un diamètre actif de 1 ,1 μm.
Les valeurs numériques choisies pour L et D imposent un choix limité de possibilités de valeurs du pas p à donner au trajet du faisceau. En effet, d'après la formule précédemment indiquée, p=(D+L)/k.
Si on choisit une valeur de k élevée, on améliore la rectitude de la frontière des zones non insolées transversales 23, c'est-à-dire qu'on réduit l'effet de festonnage de la frontière due à la forme circulaire du spot. Mais c'est au détriment du temps de balayage global de la surface qui peut devenir très long si le pas p est faible donc si k est élevé.
Si au contraire on choisit une valeur de k faible (k=2 qui est le minimum) le temps de balayage sera plus rapide mais les frontières des zones 23 seront festonnées.
Si on se reporte à l'exemple de la figure 9, on peut considérer que le faisceau a une largeur D égale à peu près à trois fois la largeur minimale
L, de sorte que D+L est sensiblement égal à 4xL On a pris k égal à 4, ce qui donne un pas p sensiblement égal à L et le faisceau est éteint pendant trois passages pour constituer la bande non insolée 24 de largeur L = 4p - D. Le faisceau est rallumé au quatrième passage. Mais on aurait pu prendre aussi k = 2, ce qui donnerait un pas p d'environ 2xL, ou encore k=3 et un pas p d'environi ,3xL, ou encore k = 5 et un pas d'environ 0,8xL.
Dans l'exemple numérique où L=O, 5 micromètre et D=1 ,1 micromètre, on peut choisir un pas p ayant les valeurs suivantes : p = 0,8 micromètre (k=2), p = 0,0,53 micromètre (k=3), p = 0,4 micromètre (k=4), p =0,32 micromètre (k=5). Le choix de p = 0,8 micromètre est un bon compromis entre rapidité et rectitude (absence de festonnage) des frontières orientées transversalement au mouvement du faisceau.
La figure 10 représente schématiquement l'allure générale des frontières transversales, longitudinales, et obliques, qu'on va obtenir avec un faisceau de largeur D et un pas p. Le léger festonnage des contours verticaux n'a pas été représenté. Le contour fortement festonné des motifs de structure présentant une oblicité par rapport à l'axe de balayage du faisceau est caractéristique de la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Les deux exemples de la figure 10 montrent ce festonnage pour deux angles différents d'oblicité.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de lithographie d'une image par écriture directe au moyen d'une source produisant un faisceau de rayonnement électromagnétique dirigé vers une couche sensible à ce faisceau, dans lequel la position du faisceau est déplacée en mouvement continu relativement à la surface du support et le faisceau est allumé ou éteint selon le motif à inscrire dans le support, caractérisé en ce que le motif est tel que la plus petite largeur LO des zones à illuminer par ce faisceau est plus grande que la plus petite largeur L des zones qui sont délimitées par lesdites zones à illuminer et qui ne doivent pas être illuminées, en ce que le diamètre actif du faisceau d'illumination est supérieur à cette dernière largeur, en ce que l'épaisseur Δz de la couche sensible à insoler est au moins dix fois supérieure à la largeur L, et en ce que le waist du faisceau est compris entre 0.8x(λΔz/2πn)1/2 et 1 ,8x(λΔz/2πn)1/2 où λ est la longueur d'onde du faisceau, Δz est l'épaisseur de la couche sensible à insoler, et n est l'indice optique de la couche sensible.
2. Procédé de lithographie selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le waist du faisceau d'illumination est compris entre 0,9x(λΔz/2πn)1/2 et 1 ,1 x(λΔz/2πn)1/2.
3. Procédé de lithographie selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le faisceau balaye en mouvement continu la surface du support selon des pistes réparties avec un pas p = (D+L)/k où D est le diamètre actif du faisceau, L est la plus petite largeur des zones qui ne doivent pas être illuminées, et k est un nombre entier supérieur à 1 .
4. Procédé de lithographie selon la revendication 3, caractérisé en ce que k est égal à 2, 3 ou 4.
5. Procédé de lithographie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support est un substrat (1 ) recouvert de résine photosensible (6) et le faisceau est un faisceau laser à une longueur d'onde à laquelle la résine est sensible, en vue de réaliser une structure de résine selon un motif déterminé puis un transfert positif ou négatif du motif de résine sur une autre couche du support.
6. Procédé de lithographie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support est en forme de disque plan (13) tournant autour d'un axe et le faisceau se déplace en translation de la périphérie vers l'axe ou inversement.
7. Procédé de lithographie selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vitesse de rotation du support est d'autant plus élevée que le faisceau est plus proche de l'axe.
8. Procédé de lithographie selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support (19) est cylindrique circulaire et en rotation à vitesse constante autour de l'axe du cylindre, et le faisceau se déplace en translation à vitesse constante parallèlement à cet axe.
9. Procédé de lithographie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support comprend un substrat en un matériau transparent sensible à une action thermique du faisceau, en vue d'une inscription directe d'un motif dans ce matériau.
10. Procédé de lithographie selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau est apte à subir une variation d'indice optique ou un changement de structure cristalline sous l'effet de l'énergie apportée par le faisceau.
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