Evaluation de la dimension caractéristique (CD)

La CD définit le respect de la forme du masque inscrite dans la résine suite au procédé de photolithographie. Dans le cas du damier, il s’agit de définir la dose pour laquelle le pas de chaque carré du damier est parfaitement respecté. Dans ce cas, les parties insolées restantes sur le wafer ont une dimension égale aux trous qui représente les parties révélées. Cela revient à vérifier, au moyen d’un MEB ou d’un microscope optique, que 2 carrés consécutifs ont une arrête alignée. La figure 51 schématise les écarts d’alignements des arrêtes.

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figure 51 : illustration des écarts d'alignements

Le cas A représente le cas idéal, les arrêtes de deux carrés consécutifs sont parfaitement alignées, la CD est respectée.

Le cas B représente un triplet SB, insolation, PEB insuffisant car les arrêtes ne sont plus jointes, elles sont éloignées les unes des autres. Cela signifie que les carrés ont une surface réduite par rapport à celle attendue et donc qu’il y a eu sur-gravure. En périphérie des carrés, l’insuffisance de la polymérisation ne permet pas à la résine de résister à l’attaque chimique du solvant.

Le cas C illustre un triplet SB, insolation, PEB trop important, les arrêtes s’entrecroisent ainsi, les carrés pleins ont une surface plus grande que la surface idéale. L’excès de polymérisation se traduit par un élargissement de la surface polymérisée au-delà des dimensions attendues.

Les chapitres suivants sont consacrés à la description de l’expérimentation et à l’analyse des résultats.

2.2.1.1. Description de l’expérimentation

Le premier masque réalisé pour le photo-répéteur est un damier dont les carrés ont un pas de 300 µm. Le côté d’un damier inscrit dans la résine mesure 19,2 mm. Sur un wafer de 6 pouces, 32 damiers sont inscrits sur la surface disponible avec chacun une dose propre. La répartition des tirs (shoot) est représentée sur la figure 52.

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figure 52: répartition des damiers sur le wafer

L’expérimentation nécessite deux wafers pour balayer une large plage de doses d’insolation : le premier couvre une gamme de 25 à 180 mJ.cm-2, le second de 180 à 335 J.cm-2 (pas : 5 mJ.cm-2).

Les wafers sont nettoyés avant enduction : bain d’acide sulfochromique pendant 2 minutes, rinçage abondant à l’eau dé-ionisée, déshydratation 200°C pendant 10 minutes en étuve.

Les paramètres de dépôt de la résine sont : vitesse de dépôt 1000 tr.min-1 par spin-coating pendant 30s, SB de 14 minutes à 50°C en étuve ventilée.

Le recuit PEB est effectué en étuve à 80°C pendant 8 minutes. Cette température de recuit a été établie au fur et à mesures des travaux expérimentaux.

Remarque : le point de référence était un PEB à 80°C en étuve durant 16 minutes sur un substrat PET collé sur un wafer silicium. Ces paramètres, développés pour des murs de 2 µm de largeur sur 20 µm de hauteur avec une dose de 700 mJ.cm-2 ne fonctionnent pas sur un substrat verre pour des carrés de 300 µm de côté, en effet la révélation est impossible ou extrêmement mauvaise. Une série d’essais a permis de définir une plage de température et de durée de recuit pour le SB et le PEB autorisant une révélation de bonne facture.

La révélation est effectuée dans un bain d’isopropanol pendant 2 minutes et 30 secondes.

2.2.1.2. Résultats de l’évaluation du respect de la forme du masque

L’analyse des résultats fait apparaitre plusieurs niveaux de polymérisation.

Pour les doses comprises dans la gamme 25 mJ.cm-2 à 45 mJ.cm-2, les structures n’adhèrent pas après révélation. A partir de 50 mJ.cm-2, les structures adhèrent, ce que montre la figure 53.

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figure 53 : Insolation à 45 mJ.cm-2 (partie gauche) et 50 mJ.cm-2 (partie droite)

De 50 à 70 mJ.cm-2 (cf figure 54) les angles des plots de damier présentent une forme arrondie, ce qui indique que la polymérisation est partielle. Les mesures de largeur des intersections entre 2 carrés pleins sont possibles. A 50 mJ.cm-2, l’intersection mesure 6 µm environ contre seulement 2,2 µm à 75 mJ.cm-2. Lorsque le degré de polymérisation est très faible, la résine s’affaisse d’où une intersection large. Plus la dose croît, plus le degré de polymérisation augmente, plus la résine est mécaniquement résistante et la forme du croisement s’affine. Le phénomène observé est donc un manque flagrant de polymérisation lié à une dose d’insolation nettement trop faible. Ceci ne peut être rapproché des cas B (sur-développement) et C de la figure 51 (sous-développement), pour lesquelles on considère que la résine est suffisamment polymérisée (pour une résistance mécanique) et que les paramètres de recuits doivent être ajustés pour obtenir la forme la plus juste possible au regard du masque.

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figure 54 : Insolation du damier à 50 mJ.cm-2 en haut et 70 mJ.cm-2 en bas. Partie gauche vue générale,

partie droite vue de l’intersection de 2 carrés

De 75 à 140 mJ.cm-2 (figure 55), on observe un surdéveloppement des structures. Les parties développées sont plus grandes que les parties pleines, ce qui correspond au cas B de la figure 51. La figure 55 montre l’évolution des structures. A 140 mJ.cm-2, les arrêtes de deux carrés consécutifs ne sont pas encore contigües mais les murs sont parfaitement rectilignes.

Remarque : De 75 à 90 mJ.cm-2 (figure 55) la jonction entre les lots a cédé, elle a été évacuée dans le bain de révélation, par manque de polymérisation, la mesure de la largeur des croisements n’est plus possible. Aux angles de chaque carré du damier, l’énergie lumineuse est diminuée par les pertes liées à la diffraction des bords. L’énergie reçue ne suffit pas pour entraîner le degré de polymérisation nécessaire à une bonne résistance structurelle.

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figure 55 : Eloignement des arrêtes entre 2 cubes consécutifs, en haut insolation à 75 mJ.cm-2; au centre

105 mJ.cm-2, en bas 140 mJ.cm-2

De 145 à 205 mJ.cm-2, les arrêtes de deux carrés consécutifs sont alignées. La dimension attendue des cotes des carrés du damier est respectée. La figure 56 montre les deux limites de cette plage d’insolation.

figure 56 : Mesure de la largeur de l’intersection entre 2 plots, à gauche 1,95 µm pour une insolation à 145

74 Au delà de 205 mJ.cm-2, les carrés commencent à dépasser la CD (cf phénomène de sous – développement, zone C figure 51), la surface des parties creuses est inférieure à la surface des parties pleines.

La mesure de la largeur de l’intersection des damiers (exemple à la figure 56) donne une information sur le dégré de polymérisation. Cette mesure est réalisée pour chaque insolation et reportée dans le graphique de la figure 57. L’analyse de cette courbe permet d’isoler la zone (en rouge sur le graphique) où l’insuffisance de polymérisation est liée au manque d’insolation. En effet, les variations des largeurs des intersections ont une amplitude importante dans cette zone (les premiers points sont nuls car la résine n’a pas tenu sur le substrat, puis la largeur augmente brutalement et diminue rapidement jusqu’à être nulle traduisant une rigidité qui croît). Ensuite, à partir de la zone verte, l’évolution de la largeur des croisements est constante (plus la dose augmente plus la largeur des croisements augmente). A partir de cette observation, un seuil de polymérisation est approximé 80 mJ.cm-2.

figure 57 : mesure de la largeur de l'intersection de 2 carrés

Remarque : Sur cette courbe, les points de valeur nulle sont les points pour lesquelles la mesure n’est pas possible. En effet, La première série de points d’ordonnée nulle représente les damiers qui n’ont pas adhérés sur le wafer, la seconde série traduit l’impossibilité de réaliser la mesure à cause de la rupture de la jonction entre 2 carrés.

Les analyses précédentes ne tiennent pas compte de l’épaisseur des structures. Or, à partir de 205 mJ.cm-2 (cf figure 56), les flancs des structures ne sont plus parfaitement verticaux, en effet les

75 pieds des structures commencent à être visibles. Une observation de l’intersection de deux carrés avec un angle d’azimut de 30 degrés donne une information sur la problématique du respect des cotes verticales. On observe sur la figure 58 (ci-dessous) un trou dans l’intersection au niveau de la partie supérieure. Ce trou disparait totalement pour une dose de 195 mJ.cm-2, là ou la largeur du croisement augmente suffisamment.

figure 58 : observation de l’intersection de 2 carrés à plusieurs doses d’insolation.

Ce phénomène s’explique par le fonctionnement du photo-répéteur, qui projette l’image du masque sur la résine en réduisant sa taille par cinq (ce qui permet d’augmenter la résolution). L’ouverture numérique du système de projection est 0,63, ce qui correspond à une profondeur de champ approximée de 0,9 µm à 365 nm (cf Équation 3). La projection de deux carrés est illustrée à la figure 59.

76 Les insolations sont réalisées avec un point focal fixé à 7 µm sous la surface de la résine. L’image du masque projetée par l’optique du stepper est donc idéale sur environ 1µm à la cote - 7 µm en prenant l’origine à la surface de la résine. Or l’intersection de 2 carrés sur le masque est un point d’environ 0,7 µm (limite de résolution du masqueur). La projection de cette image au point focal d’insolation est un point théorique de 0,14 µm (0,7 divisé par 5). La résine ne possède pas une résolution si importante et donc la matière en ces points est évacuée au développement. Cette caractéristique de fonctionnement du stepper peut provoquer une déformation des flancs de la structure dans son épaisseur avec l’apparition d’un profil en V (cf figure 59). Les photos MEB de profils de structures clivées sont présentées figure 60.

Remarque : le calcul de la profondeur de champ (DOF, Depth Of Field)) est obtenu par la relation suivante,