La nanoimpression pr´esente encore un certain nombre de d´efis `a surmonter pour r´epondre aux crit`eres de la micro´electronique. Nous allons d´etailler les principaux dans ce paragraphe.
• Les moules
En lithographie optique par projection, des lentilles de projection introduites entre le masque et le substrat assurent une r´eduction d’´echelle d’un facteur 4 ou 5 entre les motifs du masque et ceux souhait´es dans le film de r´esine (nous parlons alors de masques 4X ou 5X). Cette particularit´e permet de relˆacher les contraintes de fabrication des masques, et assure ainsi un meilleur contrˆole dimensionnel des motifs. Par contre, des proc´edures de correction des effets optiques de proximit´e (ou OPC : Optical Proximity Correction) ou l’utilisation de masques `a d´ecalage de phase (ou PSM : Phase-Shift Mask) sont n´ecessaires `a l’am´elioration des performances lithogaphiques [30]. En UV-NIL, l’absence de syst`eme optique de r´eduction impose de travailler `a une ´echelle 1X (taille du motif de la r´esine = taille sur le moule), en largeur et en hauteur. L’UV-NIL ´etant identifi´e comme un candidat potentiel pour r´ealiser le nœud technologique 32 nm, des dimensions agressives doivent ˆetre obtenues sur le moule. Cependant, l’absence de diffraction au niveau du masque simplifie leur fabrication. Les proc´edures d’OPC et les PSM ne sont alors plus utiles. En lithographie optique, la rugosit´e des flancs des motifs de r´esine est d´ependante de la formula- tion chimique de la r´esine (taille des mol´ecules) ainsi que de la longueur de diffusion de l’esp`ece lib´er´ee pendant l’exposition. Alors qu’en nanoimpression (thermique ou UV) ce param`etre est d´ependant de la rugosit´e des flancs des motifs du moule. Les photos de la Figure 1.9 obte- nues par Microscopie Electronique `a Balayage (MEB ou SEM : Scanning Electron Microscopy ) mettent en ´evidence le transfert de rugosit´e du moule (a) dans la r´esine (b) par nanoimpression thermique.
(a) Moule en silicium (b) R´esine imprim´ee
Fig. 1.9 – Transfert de rugosit´e de flanc des motifs du moule (a) dans la r´esine (b) lors d’un proc´ed´e de nanoimpression thermique.
Ce comportement impose alors des contraintes suppl´ementaires sur le proc´ed´e de fabrication des moules, et relˆache en contrepartie les contraintes sur la diffusion des esp`eces photo-sensibles dans la r´esine.
Par ailleurs, en UV-NIL, les erreurs de localisation des motifs sur le moule doivent ˆetre mini- mis´ees car elles induisent des erreurs lors de l’alignement de plusieurs niveaux. Cette erreur de localisation est d´efinie comme ´etant la diff´erence entre la position th´eorique d’un motif et sa
CHAPITRE 1. LA LITHOGRAPHIE ET LA NANOIMPRESSION ASSIST´EE PAR UV : G´EN´ERALIT´ES
de la fabrication du moule, soit de la d´eformation du moule. L’erreur de localisation des motifs est aussi fix´ee par la feuille de route de l’ITRS et doit ˆetre inf´erieure `a 2 nm `a partir de 2008 pour les moules UV-NIL. Une solution adapt´ee aux moules UV-NIL a ´et´e propos´ee pour compenser ces erreurs de positionnement et de d´eformation du moule : connaissant les erreurs originelles du moule, un syst`eme int´egr´e dans l’outil de nanoimpression les compense en appliquant des forces lat´erales (de 1 `a 45 N) contrˆol´ees sur les bords du moule [31, 32]. Ce syst`eme a montr´e son efficacit´e puisque des erreurs de localisation d’environ 28 nm ont ´et´e r´eduites `a 15 nm, mais il doit encore ˆetre am´elior´e pour atteindre les objectifs fix´es pas la feuille de route de l’ITRS. Contrairement `a la lithographie optique conventionnelle o`u le masque est plac´e `a quelques di- zaines de centim`etres de la surface de la r´esine, le moule utilis´e en UV-NIL est port´e un grand nombre de fois au contact intime de la r´esine `a structurer. La face active du moule ´etant naturel- lement hydrophile, des difficult´es peuvent ˆetre rencontr´ees lors de l’´etape de s´eparation du moule avec la r´esine polym´eris´ee, pouvant entraˆıner une d´egradation rapide des moules (arrachage de motifs, rayures, d´epˆots de r´esidus de r´esine). Afin de limiter la d´egradation des moules, une couche anti-adh´esive est d´epos´ee sur le moule, r´eduisant ainsi l’adh´esion de la r´esine. De plus, pour que la qualit´e des motifs imprim´es dans la r´esine ne soit pas alt´er´ee, la qualit´e des moules utilis´es est r´eguli`erement v´erifi´ee. Cette inspection permet d’identifier les d´efauts et de proc´eder aux r´eparations n´ecessaires en surface des moules. Ces op´erations ont le m´erite de pouvoir limiter la fabrication de moules neufs qui restent on´ereux.
L’inspection des masques de lithographie optique est g´en´eralement effectu´ee par microscopie optique, les dimensions des motifs des masques ´etant comprises entre 500 nm et quelques microns. Ils peuvent ˆetre r´epar´es par un faisceau d’ions (ou FIB : Focused Ion Beam). En UV-NIL, les dimensions des motifs ´etant `a l’´echelle 1X, ils doivent ˆetre inspect´es par Microscopie Electronique `
a Balayage [33]. Or, les moules ´etant g´en´eralement isolants, l’inspection au MEB est rendue difficile par l’accumulation des charges incidentes dans le mat´eriau. Des essais d’observation de moules UV-NIL avec des outils de caract´erisation MEB de nouvelle g´en´eration ont montr´e des r´esultats satisfaisants : il semblerait que l’effet d’accumulation de charges puisse ˆetre ´evit´e [34, 35], mais des caract´erisations suppl´ementaires doivent confirmer ces premiers r´esultats. En ce qui concerne la r´eparation des moules, des tentatives de r´eparation soustractive par le nano-usinage par microscopie `a force atomique (ou AFM : Atomic Force Microscopy) ont ´et´e rapport´ees dans la litt´erature [36], mais n´ecessitent encore d’ˆetre approfondies.
Compte tenu des difficult´es actuelles `a restaurer ou nettoyer les moules UV-NIL, il est primordial qu’ils puissent effectuer le plus grand nombre de pressages possibles avant de se d´et´eriorer. La couche anti-adh´esive d´epos´ee sur le moule doit donc limiter l’adh´esion de la r´esine sur le moule. De plus, la dur´ee de vie de la couche anti-adh´esive est un param`etre tr`es important pour l’utilisation de l’UV-NIL dans l’industrie de la micro´electronique puisqu’elle influence la rentabilit´e globale du proc´ed´e : pour que cette technologie soit rentable, le nombre de plaquettes imprim´ees avec un moule a ´et´e ´evalu´e par les industriels `a 25000, et le nombre de substrats imprim´es entre deux nettoyages `a 250.
La couche anti-adh´esive est une monocouche de mol´ecules contenant des atomes fluor´es. Ce sont ces atomes fluor´es qui conf`erent la propri´et´e anti-adh´esive au moule en diminuant son ´energie de surface. La diminution de l’´energie de surface ´etant directement proportionnelle `a la quan- tit´e d’atomes fluor´es, plusieurs types de couches anti-adh´esives et plusieurs m´ethodes de d´epˆot (par voie chimique ou en phase vapeur) ont ´et´e ´etudi´es [37]. Il a ´et´e v´erifi´e qu’apr`es d´epˆot, les couches anti-adh´esives r´eduisent l’´energie de surface du moule. Par contre, les mesures effectu´ees apr`es 15 pressages mettent en ´evidence une d´egradation rapide de cette couche : la surface du moule perd son caract`ere hydrophobe. Cette d´egradation s’explique par une attaque chimique 31
du film anti-adh´esif par les produits r´eactionnels issus de la photo-polym´erisation [37, 38]. La composition chimique de la r´esine ´etant un param`etre important dans cette probl´ematique, nous en reparlerons dans le chapitre 3. Une solution propos´ee par AMO [39], est l’incorporation dans leur r´esine (AMONIL), d’un agent surfactant. Cet agent, constitu´e de compos´es fluor´es, migre vers la surface de la r´esine lors de l’´etape de centrifugation. La s´eparation est ainsi facilit´ee. L’´etape de traitement du moule n’a cependant pas ´et´e supprim´ee lors de leur d´emonstration. C’est pourquoi une ´etude approfondie est n´ecessaire afin de mettre en ´evidence l’effet r´eel de l’ajout du surfactant.
• Les r´esines sp´ecifiques
Les r´esines UV-NIL doivent ˆetre fluides `a la temp´erature ambiante et polym´eriser lors de l’expo- sition aux rayonnements UV. Les r´esines d´evelop´ees pour la lithographie optique ne sont donc pas adapt´ees `a la technique de lithographie par UV-NIL. En effet, nous avons vu au paragraphe II.1.3 de ce chapitre, que les r´esines de lithographie optique sont constitu´ees de chaˆınes poly- m`eres ou oligom`eres (dont le poids mol´eculaire est compris entre 3000 et 10000 g.mol−1). Ces macromol´ecules pr´esentent donc un poids mol´eculaire et une viscosit´e trop ´elev´es pour ˆetre im- prim´es avec une faible pression, comme en UV-NIL. C’est pourquoi il est n´ecessaire d’utiliser des r´esines constitu´ees de monom`eres `a faible poids mol´eculaire (de quelques centaines de g.mol−1). D’autre part, il est n´ecessaire d’identifier des photo-amorceurs adapt´es `a ces nouvelles mol´ecules et sensibles aux longueurs d’onde d’exposition des outils de nanoimpression. Finalement, pour assurer la long´evit´e du proc´ed´e, ces r´esines doivent d´egazer le moins de compos´es organiques sus- ceptibles de d´egrader la couche anti-adh´esive d´epos´ee sur le moule. L’ensemble de ces contraintes s’ajoute aux crit`eres d’int´egration de r´esine dans un proc´ed´e technologique, `a savoir : r´esistance `
a la gravure, r´esistance `a l’implantation ionique, ou retrait ais´e par voie chimique (couramment appel´e ”stripping”). Il apparaˆıt alors que si le nombre de crit`eres est r´eduit par rapport aux r´esines de lithographie optique, leur formulation n’est pas triviale et n´ecessite de nombreuses ´etapes de d´eveloppement et de caract´erisation.
• Les d´efauts li´es au pressage
Un crit`ere primordial pour l’UV-NIL est la fid´elit´e de reproduction de la topographie du moule. Cela signifie que les motifs pr´esents sur le moule doivent ˆetre parfaitement r´epliqu´es dans le film de r´esine. Cela signifie ´egalement qu’aucun d´efaut de remplissage ne doit apparaˆıtre dans les zones sans motif ; puisque ceux-ci pourraient ˆetre transf´er´es dans la couche sous-jacente lors d’une ´etape de transfert post-lithographique. La formation des d´efauts du type ponts capillaires a ´et´e mise en ´evidence en nanoimpression thermique (voir la Figure 1.10) et leur d´ependance en fonction de la distance r´esine-moule, de la temp´erature et du temps de pressage, du poids mol´eculaire et de l’´epaisseur initiale de r´esine a ´et´e d´emontr´ee [40, 41].
CHAPITRE 1. LA LITHOGRAPHIE ET LA NANOIMPRESSION ASSIST´EE PAR UV : G´EN´ERALIT´ES
(a) Photo optique (b) Ponts capillaires (c) Fusion des ponts (d) Trous capillaires
Fig. 1.10 – Zone de d´efauts du type ”pont capillaire” observ´ee en nanoimpression thermique autour des motifs [40].
• L’´epaisseur de r´esine r´esiduelle
La photo MEB de la Figure 1.11 pr´esente un exemple typique de motifs imprim´es dans la r´esine par UV-NIL. Les motifs du moule sont parfaitement reproduits puisque les dimensions du moule sont respect´ees en largeur et en hauteur. La hauteur du motif, not´ee hm, est ´egale `a la profondeur du moule. Cette photo montre la pr´esence de la couche de r´esine r´esiduelle, not´ee hr (de 40 nm d’´epaisseur ici) en fond des motifs.
Fig.1.11 – Exemple typique de motif imprim´e dans la r´esine par UV-NIL : lignes de largeur L et de hauteur hm, espac´ees d’une largeur S, et une ´epaisseur de r´esine r´esiduelle hr.
En nanoimpression, la couche de r´esine r´esiduelle en fond des motifs ne peut ˆetre compl`etement supprim´ee par le pressage car il est difficile de faire mouvoir compl`etement la r´esine en fond des motifs pendant le pressage (nous d´etaillerons cette probl´ematique au chapitre 3). C’est pourquoi elle est retir´ee par gravure plasma (voir le sch´ema de principe Figure 1.7). L’´epaisseur de cette couche de r´esine r´esiduelle peut cependant ˆetre minimis´ee lors du pressage. Elle doit en plus ˆetre uniforme sur la plaquette, quelles que soient la dimension et la densit´e des motifs afin de garantir un transfert des motifs conforme. En effet, comme le montrent les sch´emas de la Figure 1.12, une ´epaisseur de r´esine r´esiduelle non uniforme peut entraˆıner soit une modification des dimensions des motifs, soit une perte des motifs lors du transfert.
(a) hruniforme (b) hr non uniforme
Fig. 1.12 – Impact de l’uniformit´e de l’´epaisseur de r´esine r´esiduelle en fond des motifs sur le transfert par gravure.
En th´eorie, cette probl´ematique de couche de r´esine r´esiduelle fine et uniforme est minimis´ee en UV-NIL par rapport `a la nanoimpression thermique grˆace `a l’utilisation d’une r´esine fluide, qui peut donc s’´ecouler sur de plus grandes distances. Cependant, `a ce jour, les r´esultats exp´erimen- taux ne semblent pas confirmer cette id´ee (cf. l’´etude men´ee sur ce sujet et pr´esent´ee au chapitre 3) et ce point est toujours critique pour la mise en production de l’UV-NIL.
• Le rendement de la technique
Enfin, un dernier d´efi de l’UV-NIL ”step and repeat” pour int´egrer l’industrie de la micro´elec- tronique, est le temps n´ecessaire pour imprimer toute une plaque de 200 mm de diam`etre. Pour que l’UV-NIL soit rentable, les ´equipements d’UV-NIL doivent lithographier 20 plaquettes par heure. Cet aspect est un point cl´e qui d´eterminera, avec les autres facteurs inclus dans le calcul du ”Cost of Ownership” (prix des r´esines, des moules, temps d’arrˆet des ´equipements...), si cette technique sera viable pour l’industrie de la micro´electronique.