La photolithographie

Ce procédé vise à transférer les motifs d‟un masque sur une couche de résine. L‟étape de photolithographie consiste tout d‟abord à étaler une couche de résine photosensible sur la surface du substrat à l‟aide d‟une tournette. La résine est ensuite exposée à un faisceau lumineux, généralement

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dans l‟ultra-violet, à travers le masque qui comporte des zones opaques représentant les motifs à transférer sur le substrat. La résine exposée est ensuite éliminée dans un solvant, le développeur. Afin de réaliser les tranchées et les ouvertures cylindriques sur un substrat de silicium, un masque spécifique en verre a été fabriqué. Il comporte des réseaux (ouvertures-espacements) de cercles et de lignes de différentes ouvertures et différents espacements. Ainsi, ces réseaux sont plus ou moins denses ce qui permet d‟obtenir des condensateurs MIM avec une densité variable. Plus précisément, les ouvertures des motifs circulaires sont de 1, 3, 5, 8, 10, 15 ou 20 µm avec différents espacements de 1, 3, 5, 10 ou 20 µm. De même, les ouvertures des lignes sont de 1, 3, 5, 8 ou 10 µm et les espacements de 1, 3, 5, 10 ou 20 µm pour une longueur totale du réseau de 5000 µm.

I.1.1. Photolithographie des motifs

L‟étape de gravure profonde nécessite l‟utilisation d‟une résine épaisse, de quelques micromètres. La résine utilisée ici est l‟AZ5462, cette résine est étalée sur des wafers de silicium orientées (100) de 100 mm de diamètre.

Une recette standard de photolithographie de ce type de résine a été utilisée. Tout d‟abord, un promoteur d‟adhérence (VM 652) est étalé sur la surface du substrat avec une vitesse de rotation du 4000 tr/mn et une accélération du 2000 rpm/s pendant 60s pour améliorer l‟adhérence de la résine. La résine AZ5462 est ensuite étalée en utilisant les conditions d‟étalement du promoteur. L‟évaporation des solvants de la résine après l‟étalement est effectuée sur une plaque chauffante à 100°C pendant 90 secondes. Puis, l‟exposition de la résine est effectuée sur un équipement d‟insolation MJB4 avec un aligneur UV contenant une raie à 365 nm avec une durée d‟insolation de 105 secondes. La résine est ensuite développée par immersion dans le développeur pendant 165 secondes. La figure 5.1 montre que la recette standard ne permet pas d‟avoir les profils souhaitables pour les motifs car les lignes obtenues ne sont pas droites.

Figure 5.1. Images par microscopie optique des lignes de résine obtenues en utilisant une recette standard de photolithographie sur couche épaisse de résine

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D‟après la littérature, ce problème serait dû à la présence d‟une trop grande concentration de solvant dans la couche de résine [2]. Après l‟étalement de résine, la concentration moyenne du solvant dans le film est comprise entre 20% (films minces) et 40% (films épais). L‟utilisation du recuit à 100 °C permet de diminuer la concentration du solvant par évaporation et diffusion mais pas suffisamment [2].

La figure 5.2 montre l'évolution de la concentration du solvant pour deux épaisseurs différentes du film de résine en fonction du temps et de la température de recuit. On peut remarquer une diminution de la concentration du solvant en fonction du temps de recuit pour atteindre une valeur presque constante après une centaine de secondes. Par ailleurs, on peut constater un effet très important de la température de recuit sur la diminution de la concentration du solvant ; plus la température de recuit augmente plus la concentration du solvant diminue.

Figure 5.2. Evolution de la concentration du solvant résiduel dans une couche de résine en fonction du temps de recuit pour différentes températures [2]

Par conséquence, la durée de recuit de nos couches de résine a été montée à six minutes mais sans que cela ne donne de bons résultats comme le montre la figure 5.3. Cela indique qu‟une grande concentration du solvant est toujours présente dans le couche de résine, d‟où la nécessité d‟augmenter la température de recuit au-dessus de 100°C.

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Figure 5.3. Images par microscopie optique des lignes de résine obtenues après un recuit à 100 °C durant six minutes

Pour une température de recuit de 120°C, des profils bien droits ont été obtenus comme le montre la figure 5.4.a. En revanche, il n‟a pas été possible de développer la résine sur la totalité de la surface même avec une durée de six minutes de développement comme le montre la figure 5.4.a. Etant très élevée, la température de recuit risque de bruler la couche de résine, ce qui rend difficile l‟obtention des profils propres sur toute la surface. L‟utilisation d‟une température de recuit de 110°C permet d‟obtenir des lignes droites et propres comme le montre la figure 5.4.b. Ce résultat indique qu‟un traitement à 110°C permet une diminution de la concentration de solvant en évitant de bruler la couche de résine.

Figure 5.4. Images par microscopie optique des lignes de résine obtenues après un recuit à (a) 120 °C ou à (b) 110 °C

De même, pour obtenir des résultats satisfaisants, les autres paramètres du procédé de photolithographie ont dû être modifiés. Ainsi, la durée d‟exposition a été fixée à 80s au lieu de 105s

Résine non développeé

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dans la recette standard pour éviter la surexposition de la résine et la durée de développement a été fixée à 180 secondes [3].

Les différents paramètres du procédé de photolithographie utilisés sont résumés dans le tableau 5.1.

Tableau 5.1. Les paramètres expérimentaux du procédé de photolithographie sur résine épaisse.

Cette optimisation des paramètres du procédé de lithographie a permis d‟obtenir des profils très nets qui comportent des lignes et des cercles avec une épaisseur de résine de 5.3 µm comme le montrent les images MEB de la figure 5.5.a, b.

Figure 5.5. (a) Vue de dessus par MEB de motifs en résine comportant des lignes et des cercles. (b)Vue en coupe de la couche de résine photolithographiée.