2.2.1 Principe
La technique choisie pour le présent travail est la photolithographie interférentielle di- recte. Celle-ci permet en effet d’obtenir des réseaux présentant des pas très réguliers sur des
surfaces relativement importantes (couramment jusque 1 cm2) et de manière très rapide com- parée notamment aux méthodes séquentielles (de l’ordre de quelques secondes).
Dans cette technique, les mêmes phénomènes physiques que pour la photolithographie sont mis en jeu (exposition d’une résine photosensible par une source lumineuse d’une lon- gueur d’onde donnée). Cependant, aucun masque « physique » n’est utilisé : ce sont les in- terférences lumineuses de deux sources cohérentes qui vont déterminer le motif qui sera « enregistré » (en l’occurence, un réseau de franges parallèles) par la résine déposée directe- ment sur l’éprouvette. Il n’y a donc pas non plus d’étape de réplication contrairement aux réseaux utilisés pour le moiré interférométrique[19].
En raison des principes physiques de cette méthode qui viennent d’être rappelés, le terme « photolithographie interférentielle directe » est ici préféré aux termes « lithographie holo- graphique » ou « lithographie par interférences laser » (LIL pourLaser Interference Lithogra- phy) qui la désigne couramment.
2.2.2 Montage expérimental
En pratique (Fig.2.2), un faisceau laser passe tout d’abord à travers un montage afocal, système de deux lentilles convergentes espacées d’une distance égale à la somme de leurs distances focales : celui-ci entre dans le montage collimaté (c’est-à-dire, parallèle) avec un diamètre d1 et en ressort collimaté avec un diamètre d2. Le rapport des diamètresd2/d1est égal au rapport des distances focales f2/f1.
Au point focal image de la lentille L1(coïncidant donc avec le point focal objet de la lentille L2) est placé un filtre spatial (un « trou d’épingle » plus communément désigné par son nom anglais « pin-hole ») afin de « nettoyer » le front d’onde de ses aberrations.
Le faisceau est ensuite divisé (par division d’amplitude) à l’aide d’un cube séparateur. Les deux faisceaux issus de cette division sont finalement reflétés respectivement par les miroirs M1et M2puis dirigés vers l’éprouvette avec un demi-angle d’incidenceθ.
Un réseau de franges d’interférence parallèles va alors être formé sur cette zone de l’éprou- vette (et « enregistré » par la résine photosensible qui la recouvre). L’interfrange, c’est-à-dire le pas de ce réseau, déduit des lois de l’interférométrie classique, est donné par l’équation1.17 rappelé ici :
p= λ
2 sinθ, (2.1)
où p représente le pas du réseau etλ la longeur d’onde de la source de lumière monochro- matique utilisée.
θ Obturateur « pin-hole » f1 f2 Miroir M4 Miroir M3 LASER Cube séparateur Éprouvette Agrandisseur de faisceau Lentille L1 Lentille L2 Miroir M1 Miroir M2 −→k 1 −k→ 2
(a) Schéma de principe du montage de photolithographie interférentielle directe
(b) Photographie du montage de photolithographie interférentielle directe
Pour obtenir un réseau de traits croisés, il suffit de faire une première exposition dans une direction puis de tourner l’éprouvette de 90° et d’effectuer une seconde exposition1.
2.2.3 Gamme complète
Pour réaliser des réseaux à l’échelle micrométrique, les étapes suivantes sont mises en œuvre.
– Un polissage mécanique par papiers abrasifs et polissage final à la pâte diamantée sont tout d’abord effectués. Le but de ces opérations est d’obtenir une surface à étudier la plus plane possible (de manière à permettre un étalement homogène de la résine) et exempte de rayures de largeur supérieure à la taille du motif codant la surface (typiquement, finition à 1µm).
– La résine photosensible est déposée par centrifugation (spin-coating) en salle noire. La résine utilisée est de marque Shipley Microposit S1813. Il s’agit d’une résine photosen- sible positive c’est-à-dire que la partie insolée est la partie qui sera dissoute. Compte tenu de la rugosité importante de la surface (en comparaison avec les substrats de sili- cium ou d’arsenide de gallium utilisés en microélectronique), les paramètres suivants de centrifugation sont utilisés :
1. une accélération de 2000 tr/min/s puis un palier de 10 s à 2000 tr/min pour pré éta- ler la résine et combler toutes les anfractuosités de la surface ;
2. une accélération de 2000 tr/min/s puis un palier de 60 s à 6000 tr/min pour obte- nir une épaisseur constante de résine d’environ 1,1µm à la surface de l’éprouvette (Tab.2.1) et commencer à éliminer le solvant.
– L’éprouvette est ensuite placée sur une plaque chauffante à une température de 120 °C pendant 1 minute et 30 secondes de manière à éliminer le résidu de solvant de la résine par évaporation. La température ne doit pas être supérieure à la température de transi- tion vitreuse du polymère constituant la résine (autour de 125 °C) sous peine d’annuler les propriétés photosensibles de cette dernière.
– L’exposition est ensuite réalisée d’abord dans une direction puis dans une direction per- pendiculaire de manière à obtenir un réseau de traits croisés. La source lumineuse uti- lisée est un laser à gaz helium-cadmium, de longueur d’onde 441,6 nm, simple mode (TEM00), de puissance nominale 130 mW de marque Kimmon Electric Co. Ltd.
– Un nouveau recuit à 120 °C pendant 1 minute et 30 secondes est effectué de manière à catalyser la réaction chimique activée par l’exposition.
1On pourrait également effectuer une deuxième division d’amplitude des deux faisceaux issus du cube sé-
parateur et réaliser ainsi le réseau croisé en une seule insolation. Cependant, cette méthode nécessite un montage optique plus compliqué, c’est pourquoi elle n’a pas été retenue.
– Le motif est ensuite développé : l’éprouvette est immergée dans une solution de déve- loppeur pur (de marque Shipley Microposit MF321) pendant 20 s puis rincée à l’eau distillée pendant 30 s.
– Un dernier recuit à 120 °C pendant 1 minute et 30 secondes est réalisé afin d’adoucir les formes du motif du réseau.
TAB. 2.1 : Épaisseur de la couche de résine Shipley Microposit S1813 en fonction de la vi- tesse de centrifugation.
Vitesse de rotation (tr/min) 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Épaisseur de la couche de résine (µm) 1,85 1,5 1,3 1,2 1,1 1,0