Procédé de lithographie par nano impression»
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention concerne en général les procédés de lithographie. Elle reçoit pour application privilégiée les procédés de lithographie utilisée par l'industrie de la microélectronique pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, notamment de circuits intégrés. Elle concerne plus particulièrement un procédé amélioré de lithographie par impression nanométrique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La fabrication industrielle de nouvelles générations de circuits intégrés implique de pouvoir graver des motifs de tailles toujours plus petites et qui se mesurent maintenant en nanomètres (nm = 10"9 mètre) seulement. La photolithographie utilisée depuis l'origine, basée sur l'insolation de résines photosensibles à travers des masques optiques reproduisant les motifs à graver, se heurte cependant à des barrières physiques qui demandent d'avoir recours à des techniques de plus en plus sophistiquées pour pouvoir accompagner la croissance de la densité d'intégration souhaitée. Notamment, pour limiter la diffraction de la lumière au travers des masques
on doit avoir recours à des longueurs d'ondes plus courtes (ultraviolet, voire rayons X) et à des techniques complexes (par exemple, lithographie en immersion) qui demandent des investissements considérables pour leur développement et leur mise en œuvre industrielle.
Dès le milieu des années 90 une technique très différente, qui permet notamment de s'affranchir complètement des problèmes de diffraction mentionnés ci- dessus, a été inventée par le Professeur Stephen Y. CHOU dans le cadre du laboratoire des structures nanométriques de l'université du Minnesota aux États-unis. Le principe initial de cette technique dite « lithographie par impression nanométrique » a été dévoilé par ce dernier dans plusieurs publications dont notamment celle intitulée « Nanoimprint Lithography », publiée avec ses collaborateurs Peter R. Krauss, et Preston J. Renstrom dans « Journal of Vacuum Science and Technology » référence B 14(6), Nov./Dec. Technique qui a aussitôt suscité beaucoup d'intérêt et a été à l'origine de nombreux travaux de recherche et de développement. La lithographie par impression nanométrique fait désormais partie de la feuille de route internationale des technologies pour les semi-conducteurs ou ITRS « international technology roadmap for semiconductors » et plus particulièrement pour les technologies de circuits intégrés en cours de développement ou en phase d'industrialisation dont l'élément fonctionnel de base, le nœud, a été défini par la feuille de route successivement à 32 nm et à 22 nm.
La lithographie par impression nanométrique comprend deux variantes principales. La première, celle proposée à l'origine par le Professeur Chou, lithographie par impression nanométrique thermique, habituellement désignée par son acronyme anglo-saxon T-NIL pour « thermal nanoimprint lithography » consiste à imprimer, avec un moule opaque, des monomères ou des polymères thermoplastiques chauffés. Après refroidissement le moule peut être enlevé, les motifs imprimés restent en place.
La seconde technique, la nano impression avec résine photosensible, habituellement désignée par son acronyme anglo-saxon P-NIL pour « photo-curable nanoimprint » consiste à imprimer une résine photosensible avec un moule transparent et à réaliser une insolation optique du film de résine au travers de celui-ci. L'insolation provoque le durcissement de la résine. Comme ci-dessus on peut alors retirer le moule.
Dans les deux cas il reste cependant un résidu au fond des motifs nano imprimés qu'il faut enlever pour permettre leur transfert sur le substrat que l'on désire graver. La mise en œuvre de la lithographie par impression nanométrique requiert donc actuellement de devoir aussi réaliser une gravure ionique réactive, habituellement
désignée par l'acronyme RIE pour « reactive ion etching », en présence d'oxygène afin d'enlever les résidus restant présents au fond des tranchées nano imprimées. Une autre voie consiste à effectuer une étape de post gravure au cours de laquelle une épaisseur contrôlée de matériau est enlevée par voie chimique. Cette étape est habituellement désignée par son vocable anglais « etch-back ».
Ces techniques connues de retrait du résidu présent dans le fond des motifs nano imprimés sont relativement compliquées, longues et coûteuses à mettre en œuvre.
L'invention a pour objet de proposer un procédé amélioré de lithographie par impression nanométrique qui résout au moins l'un de ces problèmes.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
L'invention a ainsi pour objet un procédé de lithographie par impression nanométrique comportant une étape de préparation au cours de laquelle on dispose une résine photosensible sur un substrat, une étape de pressage d'un moule dans la résine pour former dans la rési ne au moi ns u n motif d' i m pression . Le motif d'impression est délimité au moins en partie par deux zones dont une zone emboutie et une zone adjacente à ladite zone emboutie, ladite zone adjacente étant moins ou non emboutie et présentant une épaisseur supérieure à celle de la zone emboutie.
Le procédé comprend en outre une étape d'exposition au moins desdites deux zones à une dose d'insolation. Autrement dit, les deux zones reçoivent la dose d'insolation au cours de cette étape d'exposition.
De manière caractéristique, les épaisseurs respectives desdites deux zones sont définies de sorte que lesdites deux zones présentent un différentiel d'absorption de la dose d'insolation et la dose d'insolation apportée par l'étape d'exposition est déterminée de sorte à être suffisamment importante pour activer la résine au niveau de celle parmi lesdites deux zones qui présente la plus forte absorption et de sorte à ne pas être suffisamment importante pour activer la résine au niveau de celle parmi lesdites deux zones qui présente la plus faible absorption. Autrement dit, les épaisseurs desdites deux zones sont définies de sorte que, pour être activée, la résine au niveau de l'une desdites deux zones nécessite une dose d'insolation différente de la dose d'insolation nécessaire pour activer la résine au niveau de l'autre desdites deux zones et la dose d'insolation apportée par l'étape d'exposition est déterminée de sorte à être suffisamment importante pour activer la résine au niveau de l'une seulement desdites deux zones.
Ainsi, on détermine les épaisseurs de résine et la dose d'insolation apportée par l'étape d'exposition de sorte que la dose d'insolation apportée est comprise entre la
dose nécessaire à l'activation de la zone présentant la plus forte absorption et la dose nécessaire à l'activation de la zone présentant la plus faible absorption.
Ainsi l'invention tire profit de la variation de l'absorption du film de résine en fonction de l'épaisseur de ce film. Cette variation d'absorption, habituellement considérée comme un sérieux inconvénient, est utilisée dans le cadre de l'invention pour activer sélectivement la résine au niveau du motif ou de la zone qui l'entoure.
En utilisant une résine positive, il est alors par exemple possible d'activer la résine uniquement au niveau du motif pour éliminer le résidu après développement de la résine. De même, en utilisant une résine négative il est alors possible d'activer la résine uniquement en dehors du motif pour éliminer le résidu après développement de la résine.
L'invention permet ainsi d'éliminer la résine dans le fond des motifs de manière particulièrement précise et simple. On peut en effet se passer des étapes habituellement employées de RIE ou de poste gravure mentionnées précédemment.
En outre le procédé de retrait du résidu selon l'invention permet d'obtenir une très bonne résolution des motifs obtenus par nano impression. En effet, les étapes d'insolation et de développement de la résine permettent de conserver la côte des motifs nano imprimés contrairement aux étapes habituellement utilisées pour retirer le résidu qui peuvent altérer les flancs des motifs nano imprimés. En outre ces techniques tendent à dégrader la résine.
De manière particulièrement avantageuse, l'invention permet également d'obtenir, après développement de la résine, un motif final inverse de celui obtenu par pressage du moule dans la résine. Ce motif final correspond au relief du moule.
En effet, avec une résine positive, en choisissant des épaisseurs de résine telles que la zone adjacente présente une absorption supérieure à celle de la zone fortement emboutie constituant le fond d'un motif, l'exposition permet d'activer uniquement la zone adjacente en la rendant soluble lors du développement. Après développement, la zone adjacente est donc retirée et la résine du fond du motif, qui elle n'a pas absorbé une dose suffisante reste quant à elle en place. On obtient alors une photo inverse des motifs obtenus par impression. De même, avec une résine négative, en choisissant des épaisseurs de résine telles que la zone adjacente présente une absorption inférieure à celle de la zone fortement emboutie constituant le fond du motif, l'exposition permet de réticuler la résine au niveau du fond du motif uniquement. Lors du développement, la zone adjacente est donc retirée et la résine du fond du motif, qui elle n'a pas absorbé une dose suffisante, reste en place.
Comme cela sera détaillé par la suite, on peut ainsi obtenir aisément des motifs finaux en saillie correspondant à des reliefs en saillie du moule. Avantageusement, ces motifs en saillie peuvent être étroits et peuvent former par exemple des lignes.
De manière générale dans le cadre de la présente invention, les motifs dans la résine sont en creux ou en saillie. De préférence, ils sont obtenus par nano impression. Les reliefs du moule peuvent également être en creux ou en saillie.
De manière facultative, le procédé selon l'invention comprend en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes :
on détermine les épaisseurs de résine de sorte que la différence entre la dose nécessaire à l'activation de la zone présentant la plus faible absorption et la dose nécessaire à l'activation de la zone présentant la plus forte absorption soit d'au moins 5mJ/cm2, par exemple de 10mJ/cm2. Ainsi, si pour une résine donnée l'épaisseur de résine d'une zone nécessite une dose de 15 mJ/cm2, on choisira pour la zone adjacente une épaisseur telle que pour cette épaisseur la dose minimale nécessaire à l'activation de la résine soit d'environ 20 mJ/cm2. La dose d'insolation apportée par l'étape d'exposition devra donc être supérieure ou égale à 15 mJ/cm2 et inférieure à 20 mJ/cm2. De préférence, on définit des courbes de contraste pour déterminer ces épaisseurs.
De préférence, les zones adjacentes délimitant un même motif formé lors de l'étape de pressage du moule reçoivent la même dose d'insolation.
Avantageusement, l'absorption de la résine en fonction de son épaisseur définit une courbe sensiblement sinusoïdale et dans lequel l'épaisseur de la résine au niveau de l'un parmi ladite zone emboutie ou ladite zone adjacente correspond à un maximum de ladite courbe sinusoïdale et l'épaisseur de la résine au niveau de l'un parmi ladite zone emboutie ou ladite zone adjacente correspond à un minimum de ladite courbe sinusoïdale.
Selon un premier mode de réalisation, on obtient un motif final correspondant au relief du moule. Ce motif final est donc l'inverse du motif obtenu par l'étape d'impression.
Selon une alternative de ce premier mode de réalisation, la résine est une résine photosensible positive, les épaisseurs de la résine au niveau de la zone emboutie et au niveau de ladite zone adjacente sont déterminées de sorte que la résine au niveau de la zone emboutie présente une absorption inférieure à celle de la résine au niveau de ladite zone adjacente et dans lequel la dose d'insolation apportée par l'étape d'exposition est définie de sorte à activer la résine au niveau de ladite zone
adjacente et à ne pas activer la résine au niveau de la zone emboutie, de manière à obtenir un motif final inverse du motif d'impression. De préférence, le réglage de l'épaisseur de résine fortement emboutie correspond à minimum sur la courbe d'absorption d'énergie lumineuse, le réglage l'épaisseur de résine peu ou non emboutie correspond à un maximum sur la courbe d'absorption d'énergie lumineuse.
Selon une autre alternative de ce premier mode de réalisation, résine photosensible négative, les épaisseurs de la résine au niveau de la zone emboutie et au niveau de ladite zone adjacente sont déterminées de sorte que la résine au niveau de la zone emboutie présente une absorption supérieure à celle de la résine au niveau de ladite zone adjacente et dans lequel la dose d'insolation apportée par l'étape d'exposition est définie de sorte à activer la résine au niveau de la zone emboutie et à ne pas activer la résine au niveau de ladite zone adjacente, de manière à obtenir un motif final inverse du motif d'impression. Ce motif final correspond également au relief du moule. De préférence, le réglage de l'épaisseur de résine fortement emboutie correspond à maximum sur la courbe d'absorption d'énergie lumineuse, le réglage l'épaisseur de résine peu ou non emboutie correspond à un minimum sur la courbe d'absorption d'énergie lumineuse.
Ainsi grâce à l'inversion, l'invention permet d'obtenir aisément un motif final en saillie, telle qu'une ligne étroite par exemple. De plus les dimensions de ce motif final en saillie peuvent être très petites et précisément contrôlées. Or, avec les procédés connus de nano impression, l'obtention de motifs en saillie est particulièrement délicate. En effet leur obtention nécessite la présence d'un relief en creux dans le moule et il est très difficile de faire épouser à la résine la forme d'un relief en creux du moule. La présence d'air dans le relief en creux du moule rend l'obtention de motifs en saillie étroits encore plus délicate.
Optionnellement, on effectue après développement de la résine une étape additionnelle de gravure pour retirer un résidu de résine demeurant éventuellement sur le substrat au niveau de la zone adjacente après l'étape de développement. Typiquement, ces étapes de post gravure sont des étapes de type RIE ou de etchback.
Selon un deuxième mode de réalisation, on élimine le résidu de résine présent dans le fond du motif obtenu par l'étape d'impression.
Selon une alternative de ce deuxième mode de réalisation, la résine est une résine photosensible positive, les épaisseurs de la résine au niveau de la zone emboutie et au niveau de ladite zone adjacente sont déterminées de sorte que la résine au niveau de la zone emboutie présente une absorption supérieure à celle de la
résine au niveau de ladite zone adjacente et dans lequel la dose d'insolation apportée par l'étape d'exposition est définie de sorte à activer la résine au niveau de la zone emboutie et à ne pas activer la résine au niveau de ladite zone adjacente, de manière à éliminer le résidu de résine au niveau de la zone emboutie, c'est-à-dire typiquement dans le fond du motif d'impression. De préférence, le réglage de l'épaisseur de résine fortement emboutie correspond à un maximum sur la courbe d'absorption d'énergie lumineuse, le réglage l'épaisseur de résine peu ou non emboutie correspond à un minimum sur la courbe d'absorption d'énergie lumineuse.
Selon une autre alternative de ce deuxième mode de réalisation, la résine est une résine photosensible négative, les épaisseurs de la résine au niveau de la zone emboutie et au niveau de ladite zone adjacente sont déterminées de sorte que la résine au niveau de la zone emboutie présente une absorption inférieure à celle de la résine au niveau de ladite zone adjacente et dans lequel la dose d'insolation apportée par l'étape d'exposition est définie de sorte à activer la résine au niveau de ladite zone adjacente et à ne pas activer la résine au niveau de la zone emboutie, de manière à éliminer le résidu de résine au niveau de la zone emboutie, c'est-à-dire typiquement dans le fond du motif d'impression. De préférence, le réglage de l'épaisseur de résine fortement emboutie correspond à minimum sur la courbe d'absorption d'énergie lumineuse, le réglage l'épaisseur de résine peu ou non emboutie correspond à un maximum sur la courbe d'absorption d'énergie lumineuse.
On obtient des taux d'ouverture opposés ou significativement différents pour deux zones d'une même plaque.
Dans un premier mode de réalisation, on obtient après l'étape de pressage une pluralité de motifs d'impression présentant des épaisseurs différentes, au moins l'une de ces épaisseurs correspond à un maximum d'absorption, et au moins une autre de ces épaisseurs correspond à un minimum d'absorption. De manière plus générale, ces épaisseurs correspondent à des niveaux différents d'absorption. Ainsi en exposant l'ensemble de la résine, on peut à la fois faire disparaître des résidus de résine situés dans le fond de motifs d'impression et à la fois obtenir une image inverse d'autres motifs d'impression.
Avantageusement, on effectue une exposition pleine plaque.
Pour obtenir après l'étape de pressage des motifs d'impression présentant des épaisseurs variables on peut prévoir que le moule présente des reliefs en saillie de hauteurs différentes.
L'invention n'est pas limitée à une étape unique de pressage pour obtenir des zones de résine d'épaisseur différente sur un même substrat.
Avantageusement, le procédé comprend également une étape de retrait du moule après l'étape de pressage. De préférence, l'exposition est effectuée après retrait du moule. Dans une variante de réalisation de l'invention, elle peut être réalisée avant retrait du moule, ce dernier étant alors configuré pour laisser passer, en partie au moi ns, la dose d' insolation. Dans cette variante, le moule est de préférence sensiblement transparent.
Dans un autre mode de réalisation, alternatif ou combiné au premier mode de réalisation, on insole des portions de résine avec des doses d'insolation différentes. L'exposition est ainsi effectuée de manière non homogène sur l'ensemble de la plaque. Ces différences d'exposition peuvent être obtenues à l'aide d'un masque bloquant en partie l'exposition.
De préférence, on insole au moins un premier motif présentant une première dimension avec une première dose d'insolation. Ladite dimension est prise selon une direction normale à l'épaisseur de la résine est correspond typiquement à la largeur d'une tranchée ou d'une marche formée dans la résine. On insole au moins un deuxième motif présentant une deuxième dimension inférieure à ladite première dimension avec une deuxième dose d'insolation supérieure à ladite première dose d'insolation. Plus précisément, effectue l'étape d'exposition de sorte que la première dose d'insolation est suffisante pour activer l'une seulement parmi la zone emboutie ou la zone moins ou non emboutie du premier motif et de sorte que la deuxième dose d'insolation est insuffisante pour activer le deuxième motif mais est suffisante pour activer la zone bordant le deuxième motif. Le deuxième motif peut être une tranchée, auquel cas les zones bordant le motif sont des zones présentant une plus forte épaisseur de résine. Le deuxième motif peut également être une saillie, auquel cas les zones bordant le motif sont des zones présentant une plus faible épaisseur de résine. Selon une alternative à ce mode de réalisation, au cours de l'étape d'exposition toute la résine est exposée à la dose d'insolation. L'invention permet ainsi une exposition pleine plaque, particulièrement avantageuse en terme de coût de rapidité. - La dose d'insolation est apportée par une source de lumière cohérente qui permet de générer des phénomènes d'interférence dans le film de résine. Cela permet de générer le différentiel d'absorption que l'invention met à profit.
De préférence, l'étape d'exposition fait intervenir successivement plusieurs sources de lumière présentant des longueurs d'onde différentes de sorte à accroître le différentiel d'absorption.
De préférence, lors de l'étape de préparation on prévoit une étape au cours de laquelle la résine photosensible est déposée sur une couche ou un substrat permettant d'amplifier les variations d'absorption de la résine en fonction de son épaisseur. Typiquement ladite couche ou ledit substrat sont pris parmi les matériaux suivants SiC, Ge, Ag, W, AlSi. De manière alternative, pour atteindre ce même objectif d'amplification des variations d'absorption, on peut prévoir un substrat en silicium.
L'invention a également pour objet un ensemble multicouches comprenant un substrat recouvert d'une couche de résine photosensible, la résine présentant au moins un motif, délimité au moins en partie par deux zones dont une zone emboutie et une zone adjacente à ladite zone emboutie. L'épaisseur de chacune des deux zones correspond à un maximum ou à un minimum d'une courbe d'absorption de ladite résine en fonction de son épaisseur.
De manière plus générale, l'épaisseur de chacune des deux zones correspond à des seuils d'activation distants d'au moins 5mJ/cm2. Ainsi, la dose minimale pour activer l'une des zones est inférieure d'au moins 5mJ/cm2 à la dose minimale pour activer l'autre des zones, par exemple inférieure de 10mJ/cm2 .
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels :
La FIGURE 1 illustre les étapes d'un exemple de procédé de lithographie par impression nanométrique selon l'invention.
La FIGURE 2 illustre la dépendance des paramètres d'insolation vis-à-vis de l'épaisseur de la couche de résine déposée.
La FIGURE 3 illustre avec des exemples le comportement des résines photosensibles en fonction de paramètres incluant la dose d'insolation reçue et la taille des motifs insolés.
La FIGURE 4 décrit quatre variantes pour mettre en œuvre l'invention, avec une résine positive et négative, et en faisant correspondre les deux épaisseurs de résines obtenues après impression à des niveaux différents d'absorption de l'énergie d'insolation, typiquement soit à un maximum soit à un minimum d'absorption.
La FIGURE 5 illustre l'influence du substrat ou du matériau situé sous la couche de résine pour la mise en œuvre de l'invention.
La FIGURE 6 illustre des zones différentes de lithographie, celles où des tranchées étroites doivent être ouvertes dans la résine, et d'autres où il ne devra rester au contraire que des lignes étroites.
La FIGURE 7 décrit un exemple d'application de l'invention où l'on emploie un moule à topographie variable, c'est-à-dire présentant des reliefs de hauteurs variables.
La FIGURE 8 décrit un autre exemple d'application de l'invention où l'on fait varier la dose en fonction du type de motifs de la zone à insoler.
La FIGURE 9 illustre un exemple d'empilement de couches modélisé pour déterminer les courbes d'absorption de la résine en fonction de son épaisseur.
La FIGURE 10 illustre une courbe d'absorption d'une couche de résine en fonction de son épaisseur.
Les figures 11 a 11 e illustrent un exemple de procédé selon l'invention permettant d'effectuer une inversion de motifs.
Les FIGURES 12a et 12b sont des exemples de courbes permettant de déterminer le contraste d'une résine négative et positive respectivement.
Les dessins joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
La figure 1 , qui comprend les figures 1 a à 1 e', illustre les étapes du procédé amélioré de lithographie par impression nanométrique de l'invention.
Sur le substrat 1 10 où, en surface, on désire reproduire et graver des motifs qui contribueront à la réalisation d'un dispositif en cours de fabrication, on vient déposer une couche d'une résine photosensible 120, par exemple du type de celles utilisées d'une façon standard par l'industrie de la microélectronique pour la lithographie optique. L'invention ne fait aucune hypothèse sur le type de substrat à partir duquel le procédé de l'invention est mis en œuvre. En particulier, le substrat peut par exemple déjà comporter en surface de nombreuses couches (non représentées) dans lesquelles des motifs pourront déjà avoir été préalablement définis, avec le procédé de l'invention, où par d'autres moyens notamment à l'aide de la lithographie optique classique ou par lithographie électronique.
Comme montré sur la figure 1a, la première étape 101 consiste donc à déposer en surface une couche de résine de préférence contrôlée en épaisseur. Le dépôt peut se faire par tout moyen standard mis en œuvre par l'industrie de la microélectronique. Le plus souvent, dans ce cas, par centrifugation, méthode souvent
désignée sous son vocable anglais de « spin-coating ». L'épaisseur de la couche déposée se contrôle en ajustant la vitesse de rotation en fonction de la viscosité de la résine. Après étalement, la résine subit en général un traitement thermique pour évacuer les résidus de solvant et stabiliser mécaniquement la résine. Ce traitement peut par exemple être du type habituellement désigné par son vocable anglais soft bake pour cuisson douce.
Comme montré sur la figure 1 b, l'étape suivante 102 consiste à presser dans la résine un moule 130 présentant des reliefs 132. Le pressage du moule 130 fait pénétrer les reliefs 132 dans la résine 120 ce qui permet de transférer ces reliefs 132 pour former dans la résine des motifs nano imprimés. Avantageusement, le moule peut s'appliquer sur toute la surface du substrat et peut donc reproduire tous les motifs de tous les dispositifs produits simultanément sur une plaque faite par exemple d'un matériau semi-conducteur. Typiquement, la plaque est en silicium. Elle peut être de très grande dimension, par exemple plusieurs dizaines de centimètres, au regard des motifs de tailles nanométriques à reproduire. Par simplicité, sans que cela ne gène en rien la compréhension du procédé de l'invention, un seul de ces reliefs en saillie 132 est représenté alors qu'un très grand nombre, typiquement des centaines de milliers, pourront en réalité avoir été façonnés sur la surface inférieure du moule. Le moule peut être réalisé dans un matériau opaque, transparent ou partiellement transparent.
Comme on le verra par la suite la hauteur 131 des reliefs 132 en saillie du moule et/ou l'épaisseur 121 de la couche de résine déposée sont des paramètres importants pour contrôler la mise en œuvre du procédé de l'invention.
Dans la présente demande, on désigne par hauteur des reliefs ou épaisseur e efj e0, ei; e2, e3j de résine 120, des dimensions prises selon des directions sensiblement perpendiculaires au plan principal du substrat et/ou sensiblement parallèles à la direction de pénétration du moule 130 dans la résine 120.
De préférence, pendant que le moule 130 est pressé dans la résine 120, et reste en place, le substrat 1 10, qui repose sur un support (non représenté), est chauffé pour faciliter l'impression en rendant la résine plus malléable : on utilise pour cela une température autour de la tem pérature de transition vitreuse de la rési ne. La température de chauffe doit être telle qu'elle n'altère en rien les qualités photosensibles de la résine util isée. En particulier, dans le cas d'une résine dite positive, la température de chauffe doit rester en dessous de la température dite de déprotection de celle-ci. Dans le cas d'une résine dite négative la température de chauffe doit rester en dessous de la température de réticulation. Selon les cas, résines positives et négatives sont en effet couramment utilisées en lithographie afin que les parties
exposées à la lumière deviennent, respectivement, solubles ou insolubles après insolation, permettant de reproduire les motifs des masques où leurs négatifs.
À l'étape suivante 103, comme montré sur la figure 1 c, on peut alors procéder au retrait du moule 130. Les motifs 127 imprimés restent en place dans la couche de résine 120.
L'étape suivante 104 est illustrée par la figure 1 d. On procède alors à une insolation de la résine imprimée 120. De préférence, cette insolation est effectuée sur l'ensemble de la surface de la résine. Cette insolation pleine plaque permet de simplifier et d'accélérer le procédé d'obtention des motifs. Selon une variante, on insole une portion seulement de la résine. Cette exposition localisée peut être obtenue à l'aide d'un masque occultant en partie l'insolation de la résine. L'insolation apportée à la résine, au moins au niveau de certains des motifs est référencée 140 sur la figure 1 d. Il apparaît clairement sur cette figure que les zones adjacentes 128, 129 délimitant un motif 127 reçoivent la même dose d'insolation au cours de l'étape d'exposition.
L'invention repose sur l'observation que le comportement de la résine peut être très différent à l'issue de la phase d'insolation en fonction de son épaisseur. Le comportement après insolation dépend de la dose d'insolation absorbée. Or, la dose absorbée dépend de la faculté d'absorption de la résine qui elle-même dépend de l'épaisseur de la résine. Pour un motif donné, deux épaisseurs sont à considérer. Celle de la rési ne qui a été significativement emboutie par le moule. Cette zone 129 correspond aux reliefs 132 en saillie du moule 130, c'est-à-dire : er 124 ; et l'épaisseur plus importante de la résine, là où elle n'a que peu ou pas été emboutie par les reliefs 132 du moule 130. Cette zone 128 correspond aux creux généré par le relief 132 du moule 130. Cette zone 128 est désignée par la suite zone adjacente 128 au motif. Son épaisseur est référencée : ef 122 en figure 1 d.
Ainsi, si un moule présente des reliefs en escalier, une première zone adjacente à une zone emboutie peut elle-même constituer une zone emboutie délimitée par une deuxième zone adjacente moins ou non emboutie que la première. Tel est le cas des reliefs 52 et 54 illustrés en figure 5 et décrits par la suite.
Dans la présente i nvention, on parlera de zone em boutie, déformée, compressée ou comprimée et de zone moins ou non emboutie, déformée, compressée ou comprimée afin de caractériser la (ou les) différence d'épaisseur induite par la pénétration du moule dans la résine. Cette pénétration du moule dans la résine génère au moins deux zones adjacentes, l'une présentant une épaisseur supérieure à celle de l'autre zone. Ainsi, la présente invention couvre aussi bien les déformations élastiques
qu'inélastiques de la résine, c'est-à-dire les déformations avec ou sans compression significative de la résine.
Dans le cas où la zone adjacente n'est pas emboutie par le moule, son épaisseur correspond sensiblement à l'épaisseur de résine déposée lors de la première étape 101. Si la surface totale des reliefs est importante il peut y avoir un reflux significatif de la résine dans les zones peu embouties et donc une augmentation de l'épaisseur de résine initialement déposée. Les épaisseurs doivent être choisies en conséquence, en fonction de la densité et la taille des motifs. Des essais préliminaires seront avantageusement réalisés pour déterminer les épaisseurs effectives après pressage qui sont celles qui importent pour le choix des doses.
Comme on le verra en détail dans la description et les figures qui suivent, la dose d'insolation apportée lors de la phase d'insolation peut être telle, en ajustant les épaisseurs ef et er, que les parties plus épaisses restent ou deviennent effectivement solubles lors de phase de développement alors que, respectivement, les parties comprimées deviennent ou restent insolubles en fonction du type de résine utilisée, c'est-à-dire négative ou positive.
Ceci permet d'obtenir avec le procédé de l'invention, par exemple, le résultat illustré sur la figure 1e ou 1 e' à l'issue de l'étape 105 de développement de la résine après insolation. Dans le cas illustré en figure 1e, le résidu de résine situé dans le fond d u m otif 1 27 absorbe une dose d' i nsolation qu i provoque son retrait après développement alors que la résine adjacente 128 au motif 127 reste en place.
Dans le cas illustré en figure 1 e', on obtient un transfert dans la résine des motifs 126 qui correspondent aux reliefs 132 du moule alors que c'est le résultat inverse qui est obtenu avec le procédé standard où l'étape de gravure RIE mentionnée dans le chapitre sur l'état de la technique fait au contraire disparaître la résine qui a été emboutie, là où elle est donc la moins épaisse 124.
Ainsi en effectuant une l'inversion on peut aisément obtenir un motif final en saillie. De plus, les dimensions de ce motif final en saillie peuvent être très petites et précisément contrôlées. Or, avec les procédés connus de nano impression, l'obtention de motifs en saillie est particulièrement délicate.
La figure 2, qui est composée des figures 2a et 2b, illustre la dépendance mentionnée ci-dessus des paramètres d'insolation vis-à-vis de l'épaisseur de la couche de résine déposée.
La couche de résine 120 déposée constitue, avec le substrat 110 sous jacent, un système optique semi transparent et semi réfléchissant du type interféromètre de Fabry-Pérot. Le comportement de la couche pour l'opération d'insolation est alors
dépendant de son épaisseur. En effet, les phénomènes d'interférence qui apparaissent dans le film de résine entraînent une variation de l'énergie absorbée par celui-ci. De ce fait, la dose optimale d'insolation, qui permet de transformer la structure chimique de la résine afin qu'elle devienne soluble ou insoluble pour la phase de développement qui suit, varie en fonction de son épaisseur. Le diagramme 210 est un exemple de données caractéristiques déterminées expérimentalement qui montre cette dépendance. Il s'agit dans cet exemple d'une résine négative dont la référence commerciale est indiquée 212. En ordonnée, on trouve la dose d'insolation nécessaire à la transformation chimique de la résine exposée. Dans le cas d'une résine négative, cette dose énergétique, exprimée ici en milli joules par centimètre carré, provoque sa réticulation afin qu'elle devienne insoluble. La dose optimale pour obtenir ce résultat est le plus souvent désignée par le vocable anglais de « dose-to-size » 214, c'est-à- dire dose optimale qui permet d'obtenir après développement la taille nominale des motifs exposés. La courbe 218 montre la dépendance de la dose optimale en fonction de l'épaisseur 216 de la résine. Cette courbe qui est cyclique, typiquement sinusoïdale, présente une série de minima et de maxima dont la période de répétition dépend de la longueur d'onde de la source de lumière cohérente utilisée, 248 nm dans ce cas. Les motifs insolés sont des carrés de 9 mm de côté.
Ce phénomène de variation de l'absorption d'un film de résine peut aussi se calculer en utilisant le modèle de rinterféromètre de Fabry-Pérot déjà mentionné ci- dessus. Le diagramme 220 montre le résultat d'une simulation de l'absorption 222, normalisée dans un intervalle 0-1 , d'un film de résine en fonction de son épaisseur 224 à partir des données optiques de la résine fournies par le fabricant. Cette simulation a été effectuée dans des conditions similaires à celles du diagramme 210 ce qui permet de comparer la courbe expérimentale 218 et la courbe calculée 226 et de constater, par exemple pour une épaisseur de 200 nm, que le minimum d'absorption de la courbe 226 correspond bien sur la courbe 218 à un maximum de dose de réticulation à apporter à la résine pour obtenir son activation. En effet, plus l'absorption est faible plus il faut augmenter la dose d'insolation pour obtenir le même résultat. Il est donc attendu qu'un minimum d'absorption corresponde à un maximum de la « dose-to-size » à appliquer.
Cette variation importante de la dose optimale à appliquer en fonction de l'épaisseur de résine déposée est unanimement considérée comme un sérieux inconvénient par l'homme du métier. Pour pallier ce problème, on a souvent recours au dépôt de couches supplémentaires (comme celles dites BARC de l'anglais « bottom anti reflective coating » pour revêtement anti-réflectif situé sous la résine) pour
empêcher ou minimiser toute réflexion du substrat en déposant sur celui-ci, préalablement à la couche de résine ; cette couche ne réfléchira pas la lumière incidente et atténue l'amplitude des sinusoïdes 218. De nombreuses autres techniques comme le dépôt d'un revêtement anti-réflectif de surface usuellement désigné « top anti reflective coating » ont été développés pour réduire les conséquences indésirables de la variation d'absorption.
L'invention tire au contraire avantage de ce phénomène pour proposer le procédé décrit en figure 1 , procédé qui peut se mettre en œuvre de quatre façons différentes comme expliqué dans la figure 4 ci-après.
Préalablement à cette description, les figures 3a et 3b donnent des précisons supplémentaires sur le comportement des résines photosensibles en fonction de paramètres tels que l'épaisseur de la résine déposée, la dose d'insolation reçue et la taille des motifs insolés et qui sont utiles à la compréhension du procédé de l'invention.
Le diagramme 230 montre un exemple de détermination expérimentale d'une fenêtre de doses 232 qui produit des résultats inverses après insolation selon l'épaisseur de résine considérée. On constate par exemple sur ses courbes, dites courbes de contraste, qu'une dose de 15 mJ/cm2, située au milieu de la fenêtre 232, conviendra pour activer sélectivement la résine négative considérée (NEB22A2), si elle présente une épaisseur de 172 nm ou de 235 nm 234, épaisseurs pour lesquelles l'absorption est forte. Par contre elle n'activera pas des épaisseurs de 208 nm ou de 270 nm 236, épaisseurs pour lesquelles l'absorption est faible. Toute la gamme de doses comprise dans la fenêtre 232 est susceptible de convenir. Dans cet exemple les courbes sont établies pour des motifs carrés de 9 mm de côté.
Un autre paramètre très important qui conditionne le choix des doses à appliquer concerne la dimension des motifs. Le diagramme 240 représente en ordonnée l'évolution de la dose nécessaire à l'activation de la résine, habituellement désignée par son vocable anglais « dose to size », exprimée en milli joules par cm2 en fonction de la dimension des motifs insolés exprimée en microns, c'est-à-dire 10"6 mètre. Les deux courbes correspondent à deux épaisseurs de résine, l'une où l'absorption est forte 244, l'autre où l'absorption est faible 242. Bien sûr la dose-to-size à appliquer est plus importante pour des épaisseurs de résine où l'absorption est plus faible.
La figure 4, qui comprend les figures 4a à 4e, décrit quatre variantes pour mettre en œuvre l'invention, avec une résine positive et négative, et en faisant correspondre les deux épaisseurs de résines obtenues après impression soit à un
maximum ou soit à un minimum de la courbe sinusoïdale d'absorption de l'énergie lumineuse d'insolation par la couche de résine.
Afin de faciliter l'exposé de l'invention, dans les tous les exemples qui suivent les épaisseurs de résine correspondent soit à un maximum, soit à un minimum d'absorption. L'invention ne se limite cependant pas à des épaisseurs de résine correspondant à des extremums. Elle englobe tous procédés mettant en jeu des épaisseurs de résine présentant des différences d'absorption suffisantes pour activer sélectivement la résine au niveau de la zone compressée ou au niveau de la zone adjacente moins ou pas compressée.
La figure 4a montre la couche de résine imprimée à l'issue de l'étape 103 du procédé tel qu'il est décrit en figure 1. A ce stade quatre variantes de mise en œuvre sont possibles qui sont décrites ci-après dans les figures 4b à 4e.
La figure 4b illustre une première variante dans laquelle la résine utilisée est positive et où on obtient une inversion des motifs nano imprimés 127 c'est-à-dire un transfert dans la résine des reliefs en saillie 132 du moule 130 comme décrit dans la figure 1e'. Pour obtenir ce résultat, c'est-à-dire pour obtenir les motifs 126, il faut que l'épaisseur de la résine emboutie er soit ajustée sur un minimum d'absorption 420 de la courbe sinusoïdale décrite en figure 2b. Conjointement, il faut que l'épaisseur de la résine non ou peu emboutie ef par les reliefs du moule soit réglée sur un maximum d'absorption 410 de la courbe sinusoïdale. De manière plus générale, il faut que l' épai sseu r de rési ne dans le fond d u motif corresponde à une absorption significativement plus faible que celle dans la zone adjacente 128 au motif. Ainsi, en réglant la dose optimale d'insolation ou « dose-to-size » sur ce maximum d'absorption 410 on n'apporte pas aux parties de résine les plus embouties une dose suffisante pour les transformer chimiquement. Dans le cas d'une résine positive la dose est alors insuffisante pour la rendre soluble au développement et les motifs 126 restent en place pour l'opération de gravure du substrat qui suit. Comme déjà noté en figure 1 , cette première façon de faire permet d'obtenir un transfert des reliefs 132 en saillie du moule 130 contrairement à une opération standard de lithographie par impression nanométrique où ce sont les parties comprimées de la résine, celles qui dans ce cas sont généralement qualifiées de résidus, qui sont enlevées par une opération de gravure RI E qui suit. Cette première mise en œuvre de l'invention utilise au contraire avantageusement ces parties les plus embouties ou résidus pour réaliser une inversion de motif.
La figure 4c décrit une deuxième variante de mise en œuvre qui permet d'obtenir, toujours avec une résine positive, le résultat opposé. Dans ce cas, comme
avec une opération standard de lithographie par impression nanométrique, ce sont les parties non embouties 128 de la résine, celles qui correspondent aux reliefs 132 formant un creux dans le moule, qui restent en place. Ce résultat est obtenu en réglant l'épaisseur de la résine emboutie er sur un maximum d'absorption 410 de la courbe sinusoïdale. Conjointement, il faut que l'épaisseur de la résine non emboutie ef par les reliefs du moule soit réglée sur un minimum d'absorption 420. De manière plus générale, il faut que l'épaisseur de résine dans le fond du motif corresponde à une absorption significativement supérieure à celle dans la zone adjacente 128 au motif. Ainsi, comme ci-dessus, en réglant la dose optimale d'insolation ou « dose-to-size » sur ce maximum d'absorption 410 c'est aux parties de résine non embouties qu'on n'apporte pas cette fois une dose suffisante pour les transformer chimiquement. La résine étant positive, elle est initialement insoluble, et les zones adjacentes 128 moins absorbantes resteront donc en place lors du développement.
On notera que ce deuxième mode de mise en œuvre permet d'éliminer les parties embouties ou résidus sans avoir recours à une gravure RI E comme cela est nécessaire dans une opération standard de lithographie par impression nanométrique. De manière particulièrement avantageuse, l'invention permet de conserver la côte des motifs et offre ainsi une résolution améliorée par rapport aux procédés existants faisant intervenir une étape postérieure de gravure au cours de laquelle les flancs des motifs 127 peuvent être significativement dégradés pendant la gravure.
Les figures 4d et 4e sont les figures duales des deux figures précédentes. Elles décrivent respectivement les troisième et quatrième variantes de mise en œuvre de l'invention en utilisant cette fois une résine négative. Ce qui a été dit pour les figures 4b et 4c s'applique. Seul le résultat obtenu est inversé en raison de l'emploi d'une résine négative, qui est donc initialement soluble, et dont certaines parties sont rendues insolubles en les exposant à une dose optimale de lumière déterminée par un maximum 410 de la courbe sinusoïdale d'absorption 226.
Ainsi, avec une résine négative pour la figure 4d, la résine située dans le fond des motifs 127, c'est-à-dire ici la résine de la zone emboutie 129, présente une hauteur telle que son absorption est plus faible que l'absorption de la zone adjacente 128 au motif 127. L'exposition est donc effectuée de sorte à ce que :
- la résine située sur ladite zone adjacente 128 absorbe une dose suffisante à son activation. Elle reste donc en place après développement.
- la résine située dans le fond du motif 127 absorbe une dose non suffisante à son activation. Elle sera donc retirée lors du développement.
L'invention permet ainsi avec une résine négative de retirer les résidus en fond de motifs sans recourir aux étapes existantes de RIE ou de post gravure (etch- back).
A l'inverse, avec une résine négative pour la figure 4e, la résine située dans le fond des motifs 127 présente une absorption telle que son absorption est supérieure à l'absorption de la zone adjacente 128 au motif 127. L'exposition est donc effectuée de sorte à ce que :
- la résine située dans le fond des motifs 127 absorbe une dose suffisante à son activation. Elle reste donc en place après développement.
- la résine située dans ladite zone adjacente 128 au motif 127 absorbe une dose non suffisante à son activation. Elle est donc retirée lors du développement.
L'invention permet ainsi avec une résine négative d'inverser aisément les motifs 127 obtenus par nano impression. Elle permet alors d'obtenir des motifs similaires aux reliefs 132 du moule 130.
Concernant la mise en œuvre générale de l'invention les remarques suivantes s'appliquent :
- Les propriétés optiques de la résine, du substrat et plus particulièrement celles de l'interface résine/substrat seront avantageusement adaptées pour ajuster le procédé de réalisation à une application particulière et/ou élargir sa fenêtre d'application. Les conditions de l'insolation optique, surtout la longueur d'onde de la source optique mais aussi dans une moindre mesure, l'ouverture optique, l'illumination, la profondeur de champ, l'angle d'incidence sont à considérer.
- Le substrat, ou le matériau placé sous la résine, a une très forte influence sur l'absorption du film de résine en fonction de son épaisseur. Au vu des résultats de simulation montrés sur la figure 5, on voit que certains matériaux sont plus favorables que d'autres, par exemple : SiC, Si, Ge, Ag, AISi et W, offrent la possibilité d'avoir une forte différence d'absorption entre deux épaisseurs de résine. Comme dans les diagrammes de la figure précédente, c'est l'absorption normalisée qui figure en ordonnée en fonction de l'épaisseur de résine exprimée en nm.
- Pour se placer dans des conditions d'application particulièrement avantageuses, il est préférable d'ajuster l'épaisseur des parties de résine fortement embouties et celles qui le sont moins ou pas. A cet effet, comme montré sur les figures 1 a et 1 b, on peut jouer d'une part sur l'épaisseur 121 de la couche de résine initialement déposée, et d'autre part sur la hauteur 131 des reliefs en saillie du moule. Ceci afin que l'épaisseur des parties de résines embouties et celles qui le sont moins ou pas correspondent le
plus exactement possible aux minima et maxima choisis de la courbe d'absorption sinusoïdale 226.
- Les résines utilisées sont des résines photosensibles, par exemple des résines à amplification chimique classiquement utilisé en microélectronique, par exemple la résine habituellement référencée CAP 1 12 et commercialisée par la société japonaise TOK, qui doivent aussi pouvoir préserver sans déformation l'empreinte du moule et sans que le chauffage subi pendant cette opération n'altère leurs propriétés photosensibles.
- Si on utilise une résine à amplification chimique, il faut fai re attention aux températures et aux pressions appliquées au cours du pressage. La température de pressage doit rester inférieure à la température de réticulation thermique de la résine qui est dépendante de la pression appliquée au film de résine.
- Afin de générer les phénomènes d'interférence dans le film de résine, on peut utiliser une source de lumière cohérente, c'est-à-dire présentant une longueur d'onde donnée, telle qu'un laser ou une lampe UV munie d'un filtre approprié.
- On peut également utiliser des sources polychromatiques filtrées ou possédant une largeur de spectre restreinte, typiquement inférieur à 200nm. On peut utiliser également des sources avec plusieurs longueurs d'ondes bien distinctes, ou faire intervenir plusieurs sources de lumière successivement pour réaliser l'insolation de la résine si ces différentes longueurs d'ondes permettent d'accroître le différentiel d'absorption.
Toutes les sources habituellement utilisées pour la lithographie optique peuvent convenir. On peut par exemple utiliser une lampe à mercure, habituellement désignée par son vocable anglo-saxon Mercury Arc Lamp, filtrée pour obtenir un pic d'intensité pour une longueur d'onde spécifique. Typiquement, on peut utiliser une lampe à mercure configurée pour présenter un pic d'intensité situé à une longueur d'onde de 436nm ou de 405nm ou de 365nm. On parlera alors respectivement de lithographie G-line pour longueur d'onde de 436nm , de lithographie H-line pour longueur d'onde de 405nm et de lithographie l-line pour longueur d'onde de 365nm. On peut également utiliser un laser à excimère ou exciplexe (KrF, ArF, F2 etc). La source et sa longueur d'onde doivent être choisies en fonction de la sensibilité de la résine utilisée.
- Si, comme on l'a vu, la dose optimale d'insolation ou « dose-to-size » qui permet d'obtenir un motif de taille nominale varie en fonction de l'épaisseur du film de résine, cette dose optimale d'insolation doit être également adaptée en fonction des dimensions et/ou de la configuration des motifs à réaliser. De manière générale la dose
optimale augmente lorsque les dimensions des motifs, des lignes ou des espaces, diminuent. Par conséquent, il est plus facile d'effectuer une lithographie inverse de celle qui est obtenue en pratiquant une opération standard de lithographie par impression nanométrique, en employant une résine positive, comme cela est montré sur la figure 4b. De la même façon, il est plus aisé de supprimer les parties fortement embouties de la résine, les résidus, en utilisant une résine négative comme illustré sur la figure 4d.
En effet le fond du motif présente une très faible dimension ce qui augmente la dose optimale à apporter à ce motif pour être activée. La différence de dose optimale entre le fond du motif et la zone adjacente au motif est donc importante. Cela permet de faciliter l'activation de la zone adjacente sans activer le fond du motif.
Dans le cas d'une résine positive, le fond du motif, dont la résine n'est pas activée, reste alors en place. On obtient alors une inversion de motif ce qui forme par exemple une ligne comme illustré en figure 4b.
Dans le cas d'une résine négative, le fond du motif n'est pas activé et disparaît lors du développement. Le résidu est donc retiré ce qui forme une tranchée comme illustré en figure 4d.
- Suivant les conditions utilisées (résine, substrat, motifs à réaliser... ), il est possible qu'un résidu de résine soit présent sur l'image inversée de la lithographie nanoimprint (cas où l'on inverse les épaisseurs de résines). Dans ce cas, il suffit de retirer le résidu en utilisant les techniques habituellement employées pour une lithographie par nano impression et indiquées précédemment.
Ainsi, en résumé, l'application du procédé selon l'invention correspondant à la première et à la quatrième variante, telles qu'illustrées respectivement par les figures 4b et 4e, permet d'inverser l'image produite par un moule d'impression nanométrique, c'est-à-dire permet de transférer directement dans la résine les reliefs en saillie du moule.
Par ailleurs, l'application du procédé correspondant à la deuxième et à la troisième variante, telles qu'illustrées respectivement par les figures 4c et 4d, permet de supprimer au contraire les parties de résine situées dans le fond des motifs 127 obtenus par nano impression, c'est-à-dire les parties de résine qui ont été fortement embouties par les reliefs 132 en saillie du moule. Ces deux variantes offrent ainsi une alternative à une opération standard de lithographie par impression nanométrique où les parties embouties, le plus souvent désignées comme étant des résidus, sont enlevées au cours d'une opération subséquente de gravure. Le procédé de l'invention offre ainsi l'avantage de très bien conserver les dimensions des motifs de résine.
Enfin, il convient de noter que le procédé de l'invention permet de réaliser, simultanément, des lithographies avec des taux d'ouverture opposés ou significativement différents sur une même couche de résine. On désigne par taux d'ouverture d'une zone donnée d'une plaque, le rapport entre la surface de la résine laissée en place dans cette zone et respectivement la surface de résine dans lequel des motifs en creux sont réalisés lors de l'impression dans cette même zone. Comme montré sur la figure 6, des lithographies comprenant à la fois des zones où des tranchées étroites doivent être ouvertes dans la résine 610, et d'autres où il ne devra rester au contraire que des lignes étroites 620 de résine. Comme indiqué précédemment, l'obtention de motifs finaux en saillie étroits, tels que des lignes est particulièrement délicate avec les procédés connus de nano impression. De façon générale, en lithographie, on réalise trous et tranchées étroits avec une résine positive. C'est par exemple le cas des vias ou interconnexions verticales entre différents niveaux de métallisation. Quant aux lignes et réseaux de lignes, qui comprennent par exemple les zones actives et les grilles des transistors, elles sont réalisées avec une résine négative. Ceci implique deux résines différentes et donc deux séries successives d'étapes d'étalement de la résine, d'insolation et de développement. En outre, ceci implique que des masques différents doivent alors être utilisés, alourdissant considérablement le coût. Cela n'est pas le cas avec le procédé de l'invention qui permet de traiter les deux types de zones simultanément comme dans les deux exemples d'application de l'invention décrits ci-après.
Cette possibilité qu'offre l'invention de pouvoir obtenir des taux d'ouverture opposés ou significativement différents pour deux zones d'une même plaque est particulièrement avantageuse dans des applications telles que la fabrication de micro ou de nano systèmes électromécaniques dits NEMS ou de dispositifs optiques.
Les figures 7 et 8 illustrent des exemples de réalisation de l'invention permettant d'obtenir sur une même plaque des taux d'ouverture opposés, c'est-à-dire des motifs finaux en saillie étroits en certains endroits et des motifs finaux en creux étroits en d'autres endroits.
La figure 7, qui comprend les figures 7a à 7c, décrit un exemple d'application de l'invention où l'on emploie un moule 50 à topographie variable, c'est-à-dire comprenant des reliefs 51 , 52, 53, 54, 55 en saillie de différentes hauteurs.
Le pressage du moule 50 dans la résine 120 transfère l'empreinte des reliefs 51 , 52, 53, 54, 55 pour former les motifs 61 , 62, 63, 64, 65. Les motifs 61 , 62, 63, 64,
65 présentant respectivement les épaisseurs en, er2, er3, er2 et e , comme illustré en figure 7b.
La zone adjacente à ces motifs, c'est-à-dire là où la résine a été la moins emboutie ou n'a pas été emboutie présente une hauteur er0.
La résine 120 est ensuite exposée. Cette figure illustre que les zones adjacentes délimitant un motif reçoivent la dose d'insolation.
Le résultat après développement de la résine est illustré en figure 7c.
Le résultat final fait apparaître des tranchées 71 , 72 au fond desquelles le résidu de résine a été retiré lors du développement. Ces tranchées correspondent aux reliefs 51 , 55 du moule 50.
Ce même résultat final fait apparaître des motifs 73 finaux inversés par rapport aux motifs obtenus par nano impression. Le motif 73 forme ainsi une ligne conforme au relief 53 du moule 50.
Avec un même moule, on obtient ainsi à la fois, en certains endroits une inversion de motifs obtenue par impression et en d'autres endroits une disparition des résidus en fond de motif. Ce résultat peut être atteint avec une seule étape d'exposition. L'invention permet ainsi de simplifier considérablement les procédés connus de circuits intégrés.
Ce résultat final peut être obtenu avec une résine positive. Dans ce cas, les épaisseurs er0, en , er2, er3 seront choisies de sorte que er0 et er3 correspondent à un minimum d'absorption et en et er2 correspondent à un maximum d'absorption.
Plus généralement, il faut que les absorptions correspondant aux épaisseurs er0 et er3 soient significativement plus faibles que celles des épaisseurs en et er2. Une différence d'absorption de 5mJ/cm2 est suffisante. Cette différence offre en effet une fenêtre de procédé suffisamment large. Une différence plus grande, supérieure à 10mJ/cm2 permettra d'accroître significativement cette fenêtre.
Ce résultat final peut être obtenu avec une résine négative. Les épaisseurs er0, en , er2, er3 seront alors choisies de sorte que en et er2 correspondent à un minimum d'absorption et er0 et er3 correspondent à un maximum d'absorption.
Plus généralement, il faut que les absorptions correspondant aux épaisseurs en et er2 soient significativement plus faibles que celles des épaisseurs er0 et er3.
La figure 8, qui comprend les figures 8a à 8d, décrit un autre exemple d'application de l'invention où l'on fait varier la dose en fonction du type de motifs de la zone à insoler.
Dans ce cas, comme illustré sur la figure 8a, la hauteur 131 des reliefs 132 en saillie peut être identique sur toute la surface du moule 130. L'impression de la résine se fait comme décrit précédemment. De manière non limitative, la résine est de type négative dans cet exemple. Le résultat de l'impression est montré sur la figure 8b. Comme dans la figure 1 , deux épaisseurs de résine sont à considérer : l'épaisseur er 124 des zones de résine emboutie par les reliefs 132 en saillie du moule, et l'épaisseur ef 122 des zones de résine moins ou non embouties. Dans cet exemple d'application de l'invention l'épaisseur er est ajustée pour avoir une forte absorption, et par exemple correspondre à un maximum 410 de la courbe sinusoïdale d'absorption 226. L'épaisseur des parties non embouties ef est quant à elle ajustée pour avoir une faible absorption et par exemple correspondre à un minimum 420 de cette courbe.
Cette application de l'invention est caractérisée en ce que l'on va procéder à deux insolations successives. La première insolation 142, correspondant à une dose D 1 , est limitée aux zones contenant des motifs ouverts relativement larges, par exemple 123. Comme on l'a vu ci-dessus, la zone plus épaisse de résine insolée correspond à une zone de faible absorption et celle des parties comprimées à une forte absorption. La dose D1 est donc réglée pour permettre une réticulation des zones insolées comprimées mais n'est pas suffisante pour provoquer la réticulation des zones insolées épaisses où l'absorption d'énergie est plus faible. Comme on le verra sur la figure 8d ce sont les parties embouties 126 qui resteront donc en place après développement de la résine. Résine négative dans cet exemple, qui est initialement soluble, et qui le reste là où une dose insuffisante est appliquée.
À titre d'exemple pratique, si on se réfère à nouveau au diagramme 240 de la figure 3b, l'épaisseur ef 122 peut être choisie pour être égale à 208 nm et correspondre à la courbe de faible absorption 242. Les parties embouties sont alors d'épaisseur er 124 égale à 172 nm. Elles correspondent à la courbe de forte absorption 244. Pour les parties où les motifs à graver sont larges, par exemple de l'ordre ou supérieurs à 500 microns, comme le motif 123 de la figure 8b, on peut voir sur le diagramme 240 de la figure 3b pour cette dimension de motifs 248, qu'une dose D1 de 20 mJ/cm2 est suffisante pour activer la résine de la zone fortement emboutie 123 mais n'est pas suffisante pour activer la résine des zones moins embouties. Cela convient pour obtenir, dans cette première zone d'insolation, le résultat montré sur la figure 8d.
L'invention ne fait pas d'hypothèse sur la façon dont les zones contenant tel où tel type de motifs sont sélectionnées ni sur les moyens mis en œuvre pour les insoler sélectivement. On pourra par exemple utiliser un masque occultant l'exposition en certains endroits.
Comme on l'a déjà noté précédemment, et comme on peut le voir précisément sur le diagramme 240 de la figure 3b, la dose optimale qu'il faut appliquer augmente lorsque les dimensions des motifs à réaliser, lignes ou espaces, diminuent. La dose 144 que l'on va appliquer sur les zones de motifs étroits 125, c'est-à-dire D2, est donc plus élevée que D1. Ce qui va permettre cette fois la réticulation des parties épaisses 128 de résine. Elle restera toutefois insuffisante pour réticuler le fond des tranchées étroites 125 en dépit du fait que l'épaisseur des parties embouties est réglée pour un maximum d'absorption.
Pour continuer l'exemple pratique précédent, en se référant toujours au diagramme 240 de la figure 3b, les doses qu'il faut appliquer pour des motifs de 5 microns, comme par exemple le motif 125 de la figure 8c, sont nettement plus élevés comme on peut le voir 246. Dans cet exemple, une dose D2 de 40 mJ/cm2 est cependant suffisante pour insoler activer les motifs larges de cette deuxième zone sans toutefois permettre d'insoler suffisamment les zones embouties au fond des motifs comme 125. Ces dernières, qui ne resteront pas après développement de cette résine négative puisque la dose appliquée aura été insuffisante. Conformément à la courbe 244, pour cette dimension 246, il aurait en effet fallu appliquer une dose minimum d'environ 70 mJ/cm2. La dose de 40 mJ/cm2 est cependant suffisante pour activer les motifs larges, dans cet exemple les motifs ayant une largeur supérieure à 500 mirons, ayant une épaisseur de 208 nm ce qui correspondant à une faible absorption et à la courbe 242 de plus faible absorption.
Le résultat final après développement est celui montré sur la figure 8d où l'on a pu transférer dans la résine, au cours d'une même opération, à la fois des motifs larges 126 et des tranchées étroites 125.
Pour exécuter la présente invention, un homme du métier établirait sans difficultés des courbes d'absorption de la résine utilisée en fonction de l'épaisseur de cette résine. A titre d'exemple, une méthode de détermination de la courbe d'absorption d'une couche résine en fonction de l'épaisseur de cette couche de résine est donnée ci-dessous. Cette méthode peut être appliquée pour déterminer les courbes illustrées aux figures 2b, 4 et 5.
L'ensemble multicouches ou empilement de couches comprenant la résine photosensible à imprimer est illustré en figure 9 et est assimilable à un interféromètre de Fabri-Pérot.
Dans ce modèle on pose E0 l'amplitude du champ électrique de l'onde électromagnétique plane incidente et Er l'amplitude résultante des ondes réfléchies par
l'empilement résine/substrat. Les coefficients de réflexion rij et de transmission tij correspondant aux am litudes complexes des ondes (coefficients de Fresnel) sont:
avec :
Hj : coefficient de réflexion à l'interface entre les milieux i et j
tij : coefficient de transmission à l'interface entre les milieux i et j
ni : indice complexe de la résine (n = n-ik)
ni : indice de réfraction du milieu i. ni est la partie réelle de l'indice complexe n. ki : coefficient d'extinction du milieu i. ki est la partie imaginaire de l'indice complexe n.
Soit φ le déphasage d'une onde traversant le film de résine :
ή
2 : indice complexe de la résine (n = n-ik)
d : épaisseur du film de résine
δ : chemin optique parcouru par l'onde dans la résine
Θ : angle de réfraction
Dans notre cas, nous sommes en incidence normale donc: θ=0 et φ
En se reportant à la figure 9, on constate que le déphasage entre deux ondes consécutives réfléchies ou transmises est égal à 2φ. Donc l'amplitude résultante Er des ondes réfléchies par le film de résine est égale à la somme :
F = 'r12 ^ F0 + ~ tt 12 ' r23 tt 2l βt; ~2ίφ ^ F0 - t ' 12 ' r223 ' r12 t ' 21 ee ~Μφ ^ F0 + ~ t 112 ' r 23 'r 122t ' 21 β c ~6ίφ ^ F0 - t ' 12 ' r243 ' r12 t ' 21 βe ~&ίφ ^ F
L'amplitude de réflexion « r » est alors égale à :
F r t r———— r + tn
— rn
+
1 + r r23
-2ίφ
1-r, 12
or ^2 211 r = -2ί
3 e φ
l12 1 + r12 r2
En procédant de la même manière, on obtient l'amplitude de transmission « t » :
E
f — ^2^23^ ~ ^12^23^23^12^ ^0
"^ ^12^23^12^23^ ^0
_ ^12^23^12^23^ ^0 t—
0 l + rnr23e
1 + ^12^23^
Les coefficients de réflexion et de transmission correspondant aux intensités des ondes, nommés réflectivité R et transmission T, sont égaux aux carrés des modules respectifs des coefficients d'amplitude : R = \r\2=n* et T = \t\2=tt*
A partir de la réflectivité et de la transmission il est possible de déterminer l'absorption du film de résine grâce à la relation suivante :
R+T+A=1
Avec :
R : la réflectivité
T : la transmission
A : l'absorption
Un exemple de réalisation d'une inversion de motifs, exemple non limitatif, va maintenant être décrit en référence aux figures 10, 11aà 11e.
La figure 10 illustre l'absorption de la résine utilisée en fonction de son épaisseur. Cette résine est une résine positive de type CAP112.
Dans cet exemple, la couche de résine 120 présente initialement une épaisseur de 375nm (ef). La résine 120 est disposée sur un substrat 110 en silicium.
Le moule 50 employé présente des motifs saillants de 100 nm d'épaisseur.
Ainsi, nous nous trouvons bien dans la configuration où l'épaisseur de résine initiale
(ef) est proche d'un pic d'absorption 410 et ou l'épaisseur de résine résiduelle (er) après nano-impression (soit environ 275nm) est proche d'un minimum d'absorption 420. Les épaisseurs ef et er correspondant aux zones adjacentes délimitant chaque motif sont indiquées sur la figure 10.
Les reliefs du moule présentent des lignes denses qui permettent, par l'étape d'impression telle qu'illustrée en figure 11 b, d'imprimer dans la résine 120 des motifs formant des tranchées d'environ 250nm de largeur séparées par des espaces de 250nm également. On obtient ainsi des lignes parallèles de 250 nm de largeur environ, un motif 127 formant une ligne en creux (épaisseur de er) étant adjacentes à deux motifs formant chacun une ligne en saillie d'épaisseur ef.
Les motifs obtenus sont illustrés sur la figure 1 1 a avec deux échelles différentes.
Suite à l'étape d'impression, on effectue une étape d'exposition, par exemple à une longueur d'onde A=248nm. Au cours de cette étape, seule une demi plaque est exposée. La partie inférieure 1 1 1 , située en dessous de la ligne pointillée sur la figure 1 1 c n'est pas exposée. La partie supérieure 1 12, située au dessus de la ligne pointillée sur la figure 1 1 c est exposée. Dans cette partie supérieure 112, les zones délimitant un motif reçoivent la même dose d'insolation. Ainsi, les zones de résine présentant une épaisseur de résine ef et les zones de résine présentant une épaisseur de résine er reçoivent la même dose d'insolation dans cette partie 112 de la plaque.
Cette dose d'insolation est choisie de sorte à être suffisante pour activer la résine dans les zones de forte absorption (zones présentant une épaisseur ef dans cet exemple) et de sorte à ne pas être suffisante pour activer la résine dans les zones de faible absorption (zones présentant une épaisseur er). La résine étant positive, les zones présentant u ne épaisseu r ef sont activées et disparaissent lors du développement. Les zones présentant une épaisseur er ne sont pas activées et ne disparaissent pas lors du développement. Ainsi, seules les parties de résine embouties sont conservées. On obtient alors, pour la partie 1 12 de la plaque soumise à l'exposition, les motifs schématisés en figure 1 1 d.
La figure 1 1d illustre également les motifs schématisés que l'on observe pour la partie 11 1 de plaque non soumise à l'étape d'exposition.
Les figures 1 1 c et 11 d font ainsi clairement apparaître que suite à une même étape de pressage d'un moule 50 dans la résine 120, on peut obtenir, grâce au procédé selon l'invention, des motifs inverses de ceux que l'on obtient sans l'étape d'insolation. Dans le cas de la plaque insolée, les motifs saillants suite à l'étape de pressage ont disparus. Suite à l'étape d'exposition et de développement, des motifs
126 saillants ont été formés à partir du résidu de résine situé dans le fond des motifs
127 en creux issus de l'étape de pressage. De manière particulièrement avantageuse, les motifs 126 saillants obtenus ne présentent pas de résidus et sont donc directement exploitables.
La figure 1 1e est une photo montrant la différence de motifs à la jonction entre les parties exposées 1 12 et non exposées 1 11 de la résine. Cette figure fait clairement apparaître qu'à la place des motifs 127 formés en creux par le pressage du moule 50, la résine 120 qui a été exposée présente des motifs 126 en saillie. Dans le cadre de la présente invention, il est particulièrement avantageux d'utiliser des résines dites « à seuil ». On parle de résine à seuil, quand la structure chimique de la résine se modifie à partir d'une dose d'insolation relativement bien précise. Dans le cas d'une résine négative, cette modification la structure chimique de la résine est assimilable à une réticulation. Dans le cas d'une résine positive, cette modification la structure chimique de la résine est assimilable à une déprotection. Les résines à seuil se caractérisent souvent par un contraste élevé. Ce contraste est de préférence supérieur à 1.
Il convient de noter qu'un contraste de la résine est élevé permet de faciliter la mise en œuvre la présente invention. La présente invention peut néanmoins être exécutée avec des résines ayant un faible contraste.
Il convient également de noter que le contraste d'une résine est dépendant de beaucoup de paramètres. Parmi les plus importants nous trouvons : le type de substrat, le procédé utilisé, et en particulier les conditions de développement de la résine. Parmi ces conditions de développement de la résine, figurent les paramètres suivants : température et temps de recuit après insolation ; nature, concentration du développeur ainsi que température ; méthode et temps du développement.
L'épaisseur de résine après insolation et développement varie en fonction des motifs et de la dose d'insolation. Afin d'approximer la valeur du contraste, on peut tracer une courbe représentant l'épaisseur de résine résiduelle en fonction de la dose d'insolation. Les figures 12a et 12b illustrent de telles courbes pour des résines négative et positive respectivement.
On peut alors déterminer le contraste γ par l'équation suivante :
On peut par exemple obtenir ces courbes en insolant des motifs identiques, sur une même plaque, avec une dose d'insolation croissante. Il convient ensuite de mesurer l'épaisseur de résine résiduelle après développement pour chaque dose d'insolation.
Dans l'exemple illustré, des carrés de 9mm de côté ont été insolés afin de négliger les phénomènes de diffusion latérale de l'acide photogénéré, car dans ces exemples des résines à amplification chimique de type NEB22 et CAP112 ont été utilisées.
En conclusion on remarquera que le procédé de l'invention tire profit de deux phénomènes : l'un est le différentiel d'absorption de la résine en fonction de son épaisseur et l'autre qui est lié à la dimension des motifs et aux doses plus élevées qu'il faut appliquer pour insoler des motifs plus petits. Suivant que l'on utilise une résine positive ou une résine négative on peut profiter des deux phénomènes ou du seul phénomène lié à l'absorption conformément au tableau ci-dessous :
Les modes de réalisation des figures 7 et 8 peuvent être combinés. particulier, pour une même plaque on peut utiliser un moule à topographie variable et des doses d'exposition différentes.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation conforme à son esprit.