MASCLAUX Celine_corrige

Etude et Développement de la déstabilisation spontanée de polymères par NIL
capillaire
Céline MASCLAUX
Université de Grenoble - INPG
LTM-CNRS (CEA-LETI)
17 rue des Martyrs
38054 Grenoble Cedex 9
Cécile GOURGON
Chargé de Recherche
LTM-CNRS (CEA-LETI)
Laboratoire des Technologies de la Microélectronique
Email : [email protected]; [email protected];
[email protected]
Résumé
Les techniques de Lithographie de la Nano-Impression
(NIL) se présentent comme une solution alternative aux
techniques de lithographie actuelles (électronique,
optique). En effet, la nano-impression permet de répliquer
« collectivement » des motifs miniatures (de quelques
dizaines de nanomètres), par pressage d’un moule élaboré
à l’échelle X1, dans un polymère.
L’objectif de la thèse est d’étudier une variante de ces
techniques d’impression (NIL et UV-NIL) : la nanostructuration par déstabilisation spontanée d’un film de
polymère liée à des forces capillaires. L’étude
bibliographique a montré que ces effets de déstabilisation
spontanée, à des fins de structurations contrôlées, peuvent
être favorisés par deux voies : l’application d’un gradient
de température ou celle d’un champ électrique.
La déstabilisation spontanée du polymère conduit à la
formation de structures micrométriques. L’utilisation d’un
moule avec des motifs nanométriques doit permettre
d’obtenir, par lithographie positive, une structuration
nanométrique du polymère.
Peu de littérature est reportée dans le domaine et ce
depuis une dizaine d’années (fin des années 1990).
L’étude des paramètres pouvant amener à une
structuration spontanée a principalement été réalisée par
trois équipes : S. Chou (Princeton, Etats-Unis) [3], E.
Schäffer (Groningen University, Pays-Bas) [4,5] et K.
SUH (Seoul National University, Corée du Sud) [6]. Les
paramètres principaux étudiés pouvant conduire à cette
structuration sont : un gradient de température, un champ
électrique et la distance d entre le moule et le substrat.
1. Introduction
La déstabilisation spontanée du polymère a déjà été
observée en NIL thermique, et elle est à l’origine de
défauts, généralement appelés ponts capillaires (figure 1)
[1,2]. Cette déstabilisation spontanée liée à des forces
capillaires peut être utilisée à des fins de structuration
contrôlée du polymère.
Figure 1 : Exemples de ponts capillaires à
l’origine de défauts observés en NIL thermique
Figure 2 : Principe du NIL thermique et du NIL capillaire
Le principe du NIL est donné figure 2. En NIL
thermique classique, le polymère est déposé par spincoating sur un substrat en silicium (de diamètre 100 ou
200mm) et recuit. Il est ensuite mis en contact avec le
moule en silicium (qui contient des motifs microniques et
sub-microniques). L’ensemble est chauffé à une
température supérieure à la transition vitreuse du
polymère (permettant ainsi la mobilité des chaines du
polymère) puis une pression d’environ 10 bar est
appliquée. Le polymère remplit alors l’espace entre les
cavités du moule. Dans le cas du NIL capillaire, la
différence de procédé est au niveau de la pression
appliquée, qui est alors d’environ 1 bar. Ainsi, au lieu de
remplir l’espace entre les protrusions, le polymère vient
au contact de celles-ci.
La première partie de l’étude s’est portée sur l’étude
de l’influence des paramètres suivants : température,
gradient de température, épaisseur du film déposé et
temps de procédé. La seconde partie s’est portée sur
l’étude de l’influence de l’effet de charges (en
comparaison avec l’application du gradient électrique
dans la littérature). L’ensemble de ce travail va être
présenté dans cet article après une brève introduction des
premiers résultats.
Les essais ont été effectués sur une presse thermique
EVG520HE, le polymère déposé par spin-coating est la
résine NEB22 (PHS, Tg = 80°C). En modifiant les
paramètres de dépôt, il est possible de faire varier
l’épaisseur de la couche de polymère (e). Les paramètres
de procédé standards utilisés sont : e = 225nm, T =
120°C, t = 5min. Les moules utilisés sont fabriqués par
lithographie DUV 248 ou 193nm et gravure plasma, et
sont constitués de motifs microniques et sub-microniques.
procédé plus ou moins long. La seule variation observée a
été une modification du profil, qui est plus vertical pour
un temps de procédé plus long (2 heures au lieu de 5
minutes).
Un autre paramètre peut entrer en compte dans ce
phénomène de déstabilisation spontanée, la distance entre
le moule et le polymère définie par l’espace d (figure 5) a
une influence sur cette déstabilisation. Des études
antérieures [1] ont montré qu’une déstabilisation
spontanée micrométrique apparaît sous formes de ponts
capillaires pour une distance inférieure ou égale à 80nm.
Nous avons, avec certains moules a espaceurs, observé
une structuration complexe telle que celle illustrée sur la
figure 5.
2. Premiers Résultats
La figure 3 représente des photos MEB d’un motif
d’un moule utilisé (a) et sa réplique positive obtenue par
déstabilisation spontanée du polymère (b). La figure 4
correspond à une photo MEB de la réplique positive d’un
autre moule, contenant des plots en silicium.
Figure 5 : Photos MEB et AFM représentants
l’état mixte obtenu avec les moules espaceurs
Figure 3 : Images MEB d’un motif du moule (a)
et de sa réplique positive (b)
Il est possible d’observer un état mixte composé à la
fois de ponts capillaires micrométriques et de plots de
375nm de diamètre correspondants aux motifs du moule.
Au sommet des ponts capillaires, les motifs du moule ont
été imprimés, d’où l’observation de trous. Entre les ponts
micrométriques, les plots traduisent une véritable
structuration par NIL capillaire. Des mesures
approfondies ont permis de confirmer que cette
déstabilisation apparaît pour une distance moule /
polymère de 80nm.
3. Effet de Charges
Figure 4 : Images MEB de déstabilisation
spontanée donnant des plots
L’étude menée sur l’application d’un gradient de
température et sur une température variant pour un même
temps de procédé a montré qu’il n’y a pas d’influence de
ces paramètres sur la formation des motifs. Le profil et les
dimensions des structures sont indépendants de la
température. Il est à noter que ce phénomène de
déstabilisation a été aussi observé dés que la température
de transition vitreuse du polymère utilisé est atteinte.
Les mêmes observations ont été faites pour des
épaisseurs de film polymère différentes et des temps de
Suite aux résultats obtenus précédemment
(température n’influençant pas la déstabilisation
spontanée), nous avons décidé de nous orienter vers
l’étude de l’effet de charges. Dans la littérature, l’effet de
charge est étudié en appliquant un champ électrique entre
le moule et le substrat. Du fait de l’appareillage utilisé
pour nos études, il ne nous est pas possible d’appliquer un
champ électrique. De ce fait, nous avons décidé d’étudier
ces effets de charges en déposant une couche métallique,
soit sur le substrat, soit sur le moule.
Cette partie sera donc consacrée à la présentation des
résultats obtenus avec la présence d’une couche
métallique sur le substrat et ceux obtenus avec des motifs
métalliques sur le moule.
3.1 Couches Métalliques
Cette partie concerne l’étude de la déstabilisation
spontanée en présence d’une couche métallique entre le
substrat et le polymère. Nous avons fait des dépôts de
polymère sur un substrat en silicium recouvert d’une
couche fine (43nm) de TiN. L’étude a été faite avec le
moule contenant les grilles (figure 3), pour pouvoir
effectuer une comparaison avec les résultats déjà obtenus
sans métal.
La figure 6 représente les photos MEB obtenues avec
la couche de TiN, pour un temps et une température de
procédé habituels.
Figure 8 : Photo MEB représentant des motifs
obtenus avec le moule Ni
On peut voir que le profil obtenu avec la couche de
TiN est plus vertical que celui obtenu directement sur
silicium. De plus, l’épaisseur résiduelle en fond de motifs
est quasi-nulle en présence du métal. Il est donc possible
de dire qu’il y a un effet de charges dû à cette couche
métallique sur la déstabilisation spontanée du polymère.
Sur la figure 7, nous pouvons observer des trous carrés
ainsi qu’un remplissage partiel de ces trous (les motifs
présents à ce niveau la sur le moule étant des grilles).
Nous observons dans ce cas des motifs issus du NIL
capillaire dont les flancs sont relativement verticaux. Mais
l’utilisation de motifs métalliques favorise également la
création de défauts capillaires micrométriques au sommet
desquels les motifs sont imprimés, conduisant à une
duplication négative. La figure 8 présente ce phénomène
avec des réseaux de trous issus d’un moule contenant des
plots. Les zones de démouillage observées sur le pourtour
de la photo sont dues à la présence des ponts capillaires
micrométriques.
Il a été observé la même chose pour tous les essais
effectués, avec beaucoup de phénomènes comme celui
présenté sur la figure 8. On peut donc penser, qu’avec les
structures de ce moule, nous avons eu plus de ponts
capillaires micrométriques que de NIL capillaire. Ceci est
probablement dû à la répartition inhomogène des réseaux
de motifs sur le moule.
L’étude sur les moules métalliques est à poursuivre
avec des structures mieux connues, comme celles
observées sur les figures 3 et 4. Par ailleurs nous allons
chercher à contrôler le taux de défauts capillaires afin de
favoriser la structuration par NIL capillaire.
3.2 Moules Métalliques
4. Conclusions et Perspectives
Pour cette étude, les moules ont été fabriqués par un
procédé de lift-off, combinant lithographie DUV et lift-off
d’une couche de Ni ou Ti. Nous avons obtenu des motifs
métalliques microniques et sub-microniques.
Les figures 7 et 8 présentent les photos MEB de
résultats obtenus avec les moules métalliques (Ti et Ni).
Les premiers résultats obtenus ont montré qu’il n’y a
pas d’influence de la température ou du gradient de
température sur la déstabilisation spontanée du polymère
contrairement à ce qui a été montré dans la littérature.
Nous avons pu remarquer que pour un temps de procédé
assez long, le profil des motifs devenait plus vertical.
Nous avons pu voir des effets de déstabilisation dés la Tg
du polymère atteinte et pour des temps de procédé courts
(1 et 5 minutes).
L’étude des espaceurs est assez complexe, dû au fait
qu’il apparaît un état mixte de ponts capillaires
micrométriques et de NIL capillaire. Il est à noter qu’il est
difficile de contrôler la planéité (donc les déformations)
du moule quand il est en contact avec le substrat. Cette
étude est à poursuivre.
L’étude des effets de charges est plus prometteuse
quant à leur influence sur la déstabilisation spontanée. Il a
bien été remarqué, pour un temps de procédé court, que la
couche métallique présente sur le substrat permet
d’obtenir un profil de motifs plus vertical. Quand à
l’utilisation des moules métalliques, il faut continuer cette
étude avec d’autres types de motifs.
Figure 6: Influence de la couche de TiN sur le
profil des motifs
Figure 7 : Photo MEB représentant des motifs
obtenus avec le moule Ti
Références
[1] S. Landis, N. Chaix, D. Hermelin, T. Leveder, C.
Gourgon, “Investigation of capillary bridges growth in
NIL process”, Microelectronic Engineering 84 (2007)
940-944
[2] H.C. Scheer, H. Schulz, “A contribution to the flow
behaviour of thin polymer films during hot embossing
lithography”, Microelectronic Engineering 56 (2001) 311332
[3] S. Chou, L. Zhuang, “Lithographically induced selfassembly of periodic polymer micropillar arrays”, Journal
of Vacuum Science and Technology B 17 (1999) 31973292
[4] E .Schaffer, S. Harkema, M. Roerdink, R. Blossey, U.
Steiner, “Thermomecanical lithography : pattern
replication using a temperature gradient driven
instability”, Advanced Materials 15 (2003) 514-517
[5] E Schaffer, T. Thurn-Albrecht, T.P. Russell, U.
Steiner, “Electrically induced structure formation and
pattern transfer”, Nature 403 (2000) 874-877
[6] K. Suh, Park J, Lee HH, “Controlled polymer
dewetting by physical confinement”, Journal of Chemical
Physics 116 (2002) 7714-7718