Calcul du gamma par la mesure de la variation de phase sur des structures non révélées

Afin d’obtenir plus de points dans la pente de la courbe de contraste, il est nécessaire de se passer de l’étape de révélation qui élimine les damiers insuffisamment polymérisés dans l’épaisseur. La méthode décrite ici propose de mesurer la variation d’indice (Δn) de réfraction entre les parties polymérisées et non polymérisées de la résine.

Précisions expérimentales :

Les mesures de Δφ sont réalisées après l’insolation, les échantillons ne recevant pas de PEB. Les insolations sont effectuées sur deux wafers en verre, ce qui permet d’obtenir 64 points de mesure. La dose de départ est 25 mJ.cm-2, elle est incrémentée par pas de 2,5 mJ.cm-2. Deux séries de mesures sont réalisées : une le jour de l’insolation, l’autre 11 jours plus tard. Les variations d’indices sont présentées à la figure 67.

figure 67 : variation d'indice de la résine en fonction de la dose d'insolation sans révélation

La courbe de la figure 67 donne des valeurs en données brutes. Elle montre des variations d’indice importantes au sein de chaque courbe et entre les deux courbes. L’écart entre les courbes provient de la polymérisation complète du matériau qui est habituellement obtenue en quelques minutes par le PEB puis par le HB. La variation d’indice intrinsèque à chaque courbe est due à la variation du degré de polymérisation. L’origine des variations entre les parties polymérisées et non polymérisées est double :

88 la variation d’épaisseur qui est illustrée à la figure 68

la variation d’indice de réfraction entre les 2 états du matériau.

figure 68 : illustration de la variation d'épaisseur entre les plots insolés et non insolés

Pour quantifier l’influence de la variation d’épaisseur, une série de mesure ∆e entre les parties polymérisées et non polymérisées est réalisée au profilomètre mécanique. Les variations mesurées sont importantes (cf figure 69), ce qui influe sur le résultat de la mesure du déphasage. En comparant l’effet des variations d’épaisseur et d’indice sur le déphasage, on comprend rapidement que c’est essentiellement la variation d’épaisseur qui est mesurée :

∆ é

2 ∆

≫ ∆ ∆

2 ∆

Ou encore avec les valeurs numériques (avec nair = 1, emax=2,5.10-6m,nmax=0,03 et e=20µm):

∆ é

2 2,5 5

≫ ∆ ∆

2 20 0,03 1,2

Équation 12 : comparaison de l’influence de la variation d’épaisseur et de la variation d’indice sur la

phase (λ exprimé en mètre)

La figure 69 montre que la mesure de la variation d’épaisseur a une forme proche de celle de la variation d’indice (figure 67).

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figure 69 : variation d’épaisseur entre la résine polymérisée et la résine non polymérisée.

L’utilisation de la variation d’indice mesurée au DHM ne permet pas un calcul du gamma directement. L’exploitation des variations d’épaisseur observées peut s’avérer plus intéressante. La variation d’épaisseur des résines photosensibles polymérisées est un phénomène connu, la réticulation entraine souvent une contraction plus ou moins grande du réseau en fonction du type de matériau et de l’insolation. En général, les parties polymérisées sont moins épaisses (puisque réticulées) que les parties non polymérisées or c’est l’inverse ici. Ce phénomène est étudié au chapitre suivant.

2.2.3.4. Mécanisme de la variation d’épaisseur de la résine UV2 suite à une

exposition non révélée

L’accroissement de matière dans les zones insolées peut s’expliquer par des mouvements d’espèces liés à des gradients de concentration. Les espèces en mouvements peuvent être les ions H+ ou les espèces réactives du polymère.

2.2.3.4.1. Migration des molécules

La résine UV2 est dite à amplification chimique (CAR, Chimically Amplified Resist), sa polymérisation débute par la réticulation du réseau organique sous l’action des UV (libération des H+) puis se poursuit au cours des recuits (PEB et HB correspondant respectivement à l’amplification de la polymérisation organique et à la condensation du réseau minéral). Les études de Rémi Courson (ex- doctorant ESSILOR) montrent que le taux d’ouverture des ponts epoxy stagne à 11% suite à l’insolation, ce taux atteint 30% après PEB (16 min 80°C) et puis 60% après un recuit HB (1h à 120°C). Ensuite, l’augmentation du temps de recuit n’a que peu d’influence. En effet, après l’étape de HB, le réseau est trop dense pour permettre la continuation des réactions (les oligomères époxy ne peuvent plus se rapprocher et ne réagissent pas entre eux).

90 Ces résultats montrent que, pendant l’exposition puis aux étapes de PEB et HB, le réseau reste suffisamment flexible pour permettre les mouvements moléculaires et donc la continuation des réactions de polymérisation. Or dans la partie non insolée de la résine, la concentration d’oligomère est plus importante que dans la partie insolée car la réticulation est engagée. Il se crée un gradient de concentration des oligomères de la partie non insolée vers la partie insolée (cf figure 70).

figure 70 : illustration de la diffusion des espèces réactives et des H+

Le déplacement des espèces réactives est possible dans les parties non insolées et insolées car la résine n’est pas durcie après le SB. La résine reste molle même si le solvant est en grande partie évaporé.

Le phénomène de gonflement des zones insolées a été mis en évidence sur la Su8 [54], qui est une résine CAR époxy organique. Dans le cas de la SU8, la diffusion des monomères est amplifiée par le PEB et le HB car la température de transition vitreuse (Tg=50°C avant PEB, [55]) est inférieure aux températures de PEB et de HB. Ce n’est pas le cas de l’UV2 dont la Tg est située au- delà de 180°C (le PEB et le HB ne ramollissent pas la résine). Des essais réalisés au LAAS avec une SU8 montrent que la variation d’épaisseur entre les zones non insolées et insolées est liée à la dose d’insolation. La courbe de la figure 71 est une étude de la variation d’épaisseurs (mesurée au profilomètre mécanique) entre zones insolée et non insolée, à différentes doses, dans un procédé avec recuit PEB et HB. Pour les premiers points, la dose, insuffisante, est peu propice aux gradients de concentration puisque le taux de polymérisation est faible dans les zones insolées. L’élévation de la dose augmente le taux de polymérisation et donc le gradient de concentration et la variation d’épaisseur, jusqu’à un pic qui atteint environ 8 µm. Ensuite, la variation diminue jusqu’à être presque nulle. En effet, aux doses les plus élevées, la polymérisation est telle que le réseau est figé dès la fin de l’insolation, ce qui ne permet plus les mouvements liés aux gradients de concentration durant les recuits.

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figure 71 :

Une expérimentation identique est réalisée avec la résine UV2, les résultats sont reportés sur la figure ci-dessous. Une certaine similitude entre la SU8 et l’UV2 est observée : tout d’abord une augmentation de la variation d’épaisseur puis une chute. Par contre, certaines différences sont notables :

 Les variations sont plus limitées, l’amplitude est réduite (2,5 µm maximum).  On observe un plateau, entre 500 et 2300 mj.cm-2

, qui n’existe pas pour la SU8.  La variation d’épaisseur stagne aux alentours de 1,5 µm (contre 0,5 µm pour la SU8).

figure 72 : mesure de la variation d’épaisseur entre les zones insolée et non insolée après PEB et HB pour la résine UV2 (épaisseur de dépôt 20µm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 v a riation d'épaisseur µm dose d'insolation mJ.cm-2

variation d'épaisseur SU8 en fonction de la dose