L’´etape lithographique

La lithographie optique et la lithographie ´electronique sont combin´ees sur nos moules afin d’ob- tenir `a la fois des motifs de grande r´esolution (en lithographie ´electronique) et des motifs de dimensions microm´etriques (en lithographie optique). En effet, une seule ´etape de lithographie ´electronique n’est pas envisageable car les temps d’´ecriture seraient anormalement ´elev´es pour recouvrir un moule de 100 mm de diam`etre. Cette combinaison de deux techniques de litho- graphie pour un mˆeme niveau est commun´ement appel´ee la ”lithographie hybride”. Nous allons d´etailler dans ce paragraphe ces deux techniques ainsi que les optimisations d´evelopp´ees. II.2.1 La lithographie ´electronique

La lithographie ´electronique permet d’obtenir des motifs de tr`es petites dimensions. De plus, ´etant une technique de lithographie sans masque, il est plus facile, plus rapide et moins coˆuteux de modifier le dessin (ou ”layout”) du moule qu’en lithographie optique.

L’outil d’exposition ´electronique que nous avons utilis´e est le VISTEC VB6 UHR (Ultra-High Resolution). Il s’agit d’un outil d’exposition `a faisceau gaussien, qui dispose d’une tension d’ac- c´el´eration pour extraire les ´electrons de 100 kV. Le diam`etre du faisceau est d’environ 5 nm. Pour toutes les expositions, nous avons utilis´e un courant de 0,25 nA et un pas d’exposition (Beam Step Size : BSS) fix´e `a 5 nm. Tiron et al. [66] et Mollard et al. [64] ont d´ej`a d´emontr´e la faisabilit´e des motifs de tr`es grande r´esolution avec cet outil d’exposition et une r´esine de type HSQ : des plots de 20 nm et des lignes isol´ees de 20 nm respectivement.

Afin d’obtenir une bonne adh´erence des motifs de r´esine d´evelopp´es sur le film de chrome, le substrat est recuit en ´etuve pendant 30 minutes `<sub>a 150˚C (≈ 423 K) avant le d´epˆot de la r´esine.</sub> La sous-couche vue par la r´esine ´etant m´etallique, aucun promoteur d’adh´erence n’est utilis´e. La r´esine utilis´ee est une r´esine `a amplification chimique de tonalit´e n´egative de Sumitomo Che- micals : la NEB22 . Elle est d´epos´ee par centrifugation puis recuite avec des proc´ed´es standards de telle sorte que l’´epaisseur apr`es recuit soit de 180 nm. Apr`es exposition, la r´esine est recuite, ce qui active la r´eaction d’amplification chimique. Plus la temp´erature de recuit est ´elev´ee, plus cette r´eaction sera intensifi´ee, ce qui se traduit par des lignes ´elargies dans le cas de r´esines `a tonalit´e n´egative. La r´esine est ensuite r´ev´el´ee, rinc´ee et enfin recuite pour durcir les motifs de r´esine ainsi obtenus.

La largeur de la ligne finale est d´ependante de la sensibilit´e de la r´esine, de l’´energie apport´ee par le faisceau d’´electrons (appel´ee dose d’exposition), de la nature du substrat, de l’intervalle entre les pas d’insolation ainsi que des temps et temp´eratures des diff´erents recuits. Les conditions exp´erimentales utilis´ees pour le d´epˆot de r´esine, les diff´erents recuits et le d´eveloppement sont des conditions d’utilisation standard de cette r´esine sur des substrats de silicium. Il est cependant n´ecessaire d’ajuster la dose d’exposition au type de substrat utilis´e afin d’obtenir des lignes de largeur ´egale `a leur largeur th´eorique. Pour cela, nous avons fait varier la dose d’exposition de 120 µC/cm2 <sub>`a 210 µC/cm</sub>2_{, mesur´e la largeur de diff´erentes lignes caract´eristiques et compar´e} cette largeur `a la largeur vis´ee. La dose optimale est la dose pour laquelle la largeur mesur´ee exp´erimentalement correspond `a la largeur th´eorique. Les diff´erents motifs ´etudi´es sont : des r´eseaux de lignes dont la largeur de la ligne est ´egale `a la largeur de l’espace entre les lignes (c’est ce que nous appelons des ”lignes isodenses”) de 100 nm et 75 nm et des lignes isol´ees de 100 nm, 75 nm, 60 nm, 50 nm et 40 nm. Le r´esultat de ces mesures est r´esum´e sur le graphique

CHAPITRE 2. FABRICATION DES MOULES POUR LA NANOIMPRESSION ASSIST´EE PAR UV 120 140 160 180 200 220 0 20 40 60 80 100

Largeur des lignes (nm)

Dose (µC/cm²) Lignes denses 100nm Lignes denses 75nm Lignes isolées 100nm Lignes isolées 75nm Lignes isolées 60nm Lignes isolées 50nm Lignes isolées 40nm

Fig. _{2.7 – D´etermination de la dose d’exposition optimale en comparant les largeurs des lignes} exp´erimentales, mesur´ees avec un CD-SEM, aux largeurs de lignes th´eoriques.

Ce graphique montre un comportement plutˆot inhabituel en ce qui concerne la dose optimale : • Les lignes denses et les lignes isol´ees ont la largeur vis´ee `a la mˆeme dose d’exposition

alors qu’en g´en´eral, sur substrat de silicium, la dose optimale pour les lignes denses est plus faible d’environ 30 µC/cm2 par rapport aux lignes isol´ees.

• D’autre part, la dose optimale, proche de 180 µC/cm2, est plus ´elev´ee que celle habituel- lement utilis´ee avec des conditions op´eratoires similaires sur substrat de silicium (environ 100 µC/cm2).

• Enfin, la fenˆetre de proc´ed´e disponible est tr`es large. En effet, dans la gamme ´etudi´ee de 120 `a 210 µC/cm2_{, la largeur de toutes les lignes varie de moins de 10%. Une fenˆetre} de proc´ed´e aussi large est inhabituelle en lithographie ´electronique avec cette r´esine sur silicium, en particulier pour des lignes sub-50 nm [67].

Dans cette large gamme, la dose de travail a ´et´e choisie `a 180 µC/cm2. Les photos MEB de la Figure 2.8 pr´esentent quelques exemples de motifs obtenus apr`es une exposition avec cette dose.

(a) Lignes isodenses de 100 nm (b) Ligne isol´ee de 40 nm (c) Plots de 100 nm espac´es de 150 nm

Fig. _{2.8 – Exemple de motifs obtenus dans la r´esine NEB22 par lithographie ´electronique sur} des substrats de silice recouverts de chrome.

Cependant, avec les param`etres adopt´es pour ce proc´ed´e, il ne nous a pas ´et´e possible d’obte- nir des motifs de dimensions inf´erieures `a 50 nm. Quelques exemples de motifs de dimension inf´erieure `a 50 nm sont report´es Figure 2.9. Apr`es le d´eveloppement, la hauteur de la r´esine est proche de 140 nm. Avec de telles ´epaisseurs, il est difficile d’´eviter l’effondrement des motifs sub-50 nm, le facteur d’aspect ´etant proche de 3. Une solution pour obtenir ces motifs de pe- tite dimension serait alors de diminuer l’´epaisseur de r´esine initiale. Cependant, la r´eduction de l’´epaisseur de r´esine n’est pas possible, une telle ´epaisseur ´etant n´ecessaire pour graver le chrome sous-jacent.

(a) Lignes isodenses de 50 nm (b) Ligne isol´ee de 30 nm (c) Plots de 50 nm espac´es de 150 nm

Fig._{2.9 – Limite en r´esolution de notre proc´ed´e lithographique.}

II.2.2 Combinaison avec une lithographie optique

La combinaison d’une ´etape de lithographie optique avec la lithographie ´electronique permet d’obtenir sur les moules des motifs de dimensions vari´ees, microm´etriques et nanom´etriques. Cette combinaison est couramment r´ealis´ee au CEA-LETI avec la Sumitomo NEB22 pour des applications de recherche et d´eveloppement. De fa¸con g´en´erale, une fois la r´esine d´epos´ee sur les plaquettes, elle est d’abord expos´ee par lithographie ´electronique, puis les plaquettes sont direc- tement transf´er´ees sur un outil de lithographie optique par projection fonctionnant `a 248 nm,

CHAPITRE 2. FABRICATION DES MOULES POUR LA NANOIMPRESSION ASSIST´EE PAR UV

Dans notre cas, les moules sont des plaquettes de 100 mm de diam`etre, dont l’´epaisseur est inf´erieure `a celle des plaquettes de 200 mm. Ces substrats trop fins ne peuvent pas ˆetre expos´es par un outil de lithographie DUV car la marge de distance focale n’est pas suffisante pour focaliser l’image sur ces substrats. Le seul moyen de proc´eder `a une lithographie optique est l’utilisation d’un outil de lithographie contact, le Karl S¨uss MA8, fonctionnant avec une lampe `

a mercure large bande (λ comprise entre 365 et 435 nm).

Les r´esines couramment utilis´ees avec ces ´equipements sont d´epos´ees avec une ´epaisseur sup´e- rieure `a 1 µm. En combinant la lithographie ´electronique et la lithographie optique, l’´epaisseur de r´esine est alors h´et´erog`ene sur la surface de la plaquette. Or, le retrait de la r´esine apr`es l’ouverture du masque dur de chrome est effectu´e par un plasma d’oxyg`ene pur, qui grave le chrome. Avec des ´epaisseurs de r´esine diff´erentes sur la plaquette, les motifs de chrome recouverts d’une faible ´epaisseur de r´esine (typiquement les motifs obtenus par lithographie ´electronique) seront donc alt´er´es par cette ´etape de retrait de la r´esine. Il est donc n´ecessaire de proc´eder `a la lithographie optique avec un film de r´esine de 180 nm d’´epaisseur. Nous avons donc d´ecid´e d’utiliser la NEB22, d´epos´ee dans les mˆeme conditions op´eratoires.

La NEB22 est sensible `a la raie d’insolation 248 nm, mais elle est tr`es peu sensible `a 365 nm. Les conditions exp´erimentales du proc´ed´e lithographique ont donc dˆu ˆetre optimis´ees (temps d’exposition, temp´erature de recuit, dur´ee du d´eveloppement) pour pouvoir proc´eder `a cette lithogaphie. De ce fait, il est impossible de combiner la lithographie optique et la lithographie ´electronique dans un seul film de r´esine. Nous proc´edons donc de la mani`ere suivante :

• D´epˆot de NEB22, exposition par lithographie contact avec un proc´ed´e lithographique optimis´e.

• D´epˆot de NEB22, exposition par lithographie ´electronique et d´eveloppement standard. La lithographie optique est r´ealis´ee en premier afin d’´eviter l’alt´eration des motifs obtenus par lithographie ´electronique lors du deuxi`eme d´epˆot de la r´esine ou du deuxi`eme d´eveloppement. II.2.3 Param`etres des proc´ed´es lithographiques

Le d´eveloppement du proc´ed´e de lithographie ´electronique et de lithographie contact sur substrat isolant avec la NEB22 nous a permis d’obtenir sur un mˆeme moule des motifs de tailles tr`es vari´ees, de 60 nm `a 60 µm, avec une ´epaisseur de r´esine uniforme sur tout le moule. Les conditions exp´erimentales permettant d’obtenir ce r´esultat sont r´esum´ees Tableau 2.2. La photo de la Figure 2.10, obtenue par microscopie optique, pr´esente un exemple de motifs obtenus par combinaison des deux techniques de lithographie.

Ces motifs de r´esine, de dimensions contrˆol´ees, peuvent maintenant ˆetre transf´er´es dans le masque dur de chrome puis dans la silice.

Etape technologique Lithographie ´electronique Lithographie optique D´epˆot de r´esine (NEB22) 4400 rpm - 30 s 4400 rpm - 30 s Recuit apr`es d´epˆot (PAB) 110˚C - 120 s 110˚C - 120 s

Dose d’exposition 180 µC/cm2 6 J/cm2 `a λ=365 nm Recuit apr`es exposition (PEB) 90˚C - 60 s 90˚C - 60 s

D´eveloppement MF702 - 60 s 1/2 MF702 1/2 eau - 180 s

Recuit final 110˚C - 60 s 200˚C - 120 s

Tab. _{2.2 – Conditions exp´erimentales des lithographies ´electronique et optique optimis´ees sur} substrat de silice recouvert de chrome. (90˚C ≈ 363 K, 110˚C ≈ 383 K, 200˚C ≈ 473 K, et 4400 rpm ≈ 461 rad/s.

Fig. _{2.10 – Motifs obtenus dans 180 nm de r´esine NEB22 par combinaison de lithographie} ´electronique et de lithographie optique sur un substrat de silice recouvert de chrome.