LA PHOTOLITHOGRAPHIE

La photolithographie est l’étape cruciale pour la réalisation des motifs désirés. Elle permet un transfert de masque dans une résine photosensible à partir d’un masque en verre ou en quartz dont les motifs sont en chrome généralement ou à base de chrome. Il existe une très grande variété de techniques permettant un transfert de masque ou une écriture directe ; présentation faite en chapitre I.

Dans le cadre de cette étude, la photolithographie standard est utilisée. D’une part cette dernière est la seule disponible au laboratoire. D’autre part, cette technique s’avère suffisante pour des motifs dont au moins une des dimensions est au minimum de l’ordre du micromètre. Par ailleurs, l’étude de la photolithographie standard adaptée aux matériaux polymères a permis, après optimisation de différents paramètres de repousser la limite courante pour la résolution (1µm) issus des technologies des semi-conducteurs. Dans le cadre de cette étude, la photolithographie est composée de trois principales sous étapes :

Dépôt de la résine à la tournette

Insolation de la résine à travers un masque (λ=365nm dans ce cas)

CHAPITRE II. Technologie de réalisation de fonctions optiques intégrées polymères

Résine photosensible positive (SPR 700-0.8)

Couche d’or

Couche de cœur (PMMA)

Substrat de silicium

Gaine optique inférieure (PMATRIFE)

6.1 Dépôt de la résine

Les résines utilisées dans cette étude sont les SPR700-1.2 et SPR 700-0.8. La première citée a été employée pour mettre au point l’étape de photolithographie. Le polymère étant toujours le PMMA. Très rapidement, le problème de dissolution de la couche de PMMA par le solvant de résine est apparu. Ce solvant est le lactate d’éthyle. Avec un paramètre de solubilité de 20,5 (MPa)1/2 et des liaisons hydrogènes moyennes, ce dernier est un bon solvant pour le PMMA.

Afin de palier à ce problème, une fine couche d’or est déposée sur le PMMA avant le dépôt de la résine. De ce fait, la dissolution du PMMA par le solvant de la SPR700 est rendue impossible. De plus, cette fine couche inorganique s’avèrera indispensable pour servir de couche de masquage pendant la gravure du polymère. Ce dernier point sera détaillé dans le paragraphe 8.2. Toutefois, un nouveau désagrément est engendré par cette couche intermédiaire. Ceci est présenté dans le paragraphe qui suit.

6.2 Problème lié à la couche barrière d’or

A ce stade de la réalisation, quatre couches de matériaux sont déposées (gaine inférieure, couche de cœur, couche d’or et couche de résine photosensible) comme le montre la Figure II.17.

Figure II.17 : Représentation schématique des différentes couches déposées avant l’étape de photolithographie

Une fois le dépôt de la résine photosensible effectué, cette dernière doit subir des étapes de recuit, d’insolation et de développement afin reproduire les motifs désirés dans la résine à partir d’un masque. Les différentes étapes recommandées par les fournisseurs pour la résine SPR 700-0.8 sont détaillées dans la Figure II.18.

CHAPITRE II. Technologie de réalisation de fonctions optiques intégrées polymères

« Soft Back » = recuit à 95°C pendant 1 minutes et 30secondes sur plaque chauffante afin d’éliminer le solvant

Insolation de la résine photosensible sous UV (365nm) à travers un masque

Développement (gravure humide) de la résine photosensible

« Post Exposure Back : PEB » = recuit à 115°C pendant 1 minutes et 30secondes sur plaque chauffante afin d’améliorer l’état de surface des motifs

Figure II.18 : Représentation schématique des étapes nécessaires pour la réalisation de motifs avec la résine photosensible (SPR 700-0.8) préconisées par les fournisseurs.

Dans notre cas, l’insolation et le développement, une fois optimisés, ne posent aucun problème par la suite. Par contre, les recuits notamment à 115°C font apparaître des défauts à la surface de la couche d’or déposée sur le polymère (Figure II.19).

Figure II.19 : Photo AFM des rides apparaissant à la surface de la bicouche PMMA/Or après recuit à 115°C.

Ces défauts sous forme de rides engendrent une rugosité de surface suffisamment élevée pour entraîner par la suite des pertes optiques par diffusion de la lumière. Concernant une couche de PMMA (~2,5µm) sur laquelle était déposée une fine couche d’or (quelques nm) et subissant un recuit à 115°C pendant 1min30sec, la rugosité RMS mesurée est

CHAPITRE II. Technologie de réalisation de fonctions optiques intégrées polymères

d’environ 80nm. Notons que ces rides sont appelées parfois aspect « peau d’orange », « worms aspect » ou aspect « ver ».

Afin d’éliminer ces rides l’idée première est de trouver des résines commerciales ne nécessitant pas de recuit à si haute température. Dans les faits, la température devait être inférieure à 85°C par mesure de sécurité car lors des premiers essais ces rides apparaissaient sur les couches PMMA/or vers 89°C.

Un résumé de différentes résines est montré en Tableau II.8

Résine photosensible Recuit de séchage (prebake) Recuit après insolation (Post Exposure Bake: PEB)

OiR 620-7i 90°C/60s 115°C/60s Ultra-i 123 90°C/90s 120°C/90s OiR 897-12i 90°C/60s 120°C/90s SPR 700-1.2 90°C/60s 115°C/60 SPR 955CM-0.9 90°C/90s 120°C/90s SPR 955CM-2.1 90°C/90s 120°C/90s SPR 220-3.0 115°C/60s 115°C/90s SPR 220-7.0 115°C/60s 115°C/90s AZ P4903 115°C/60s Attendre 45min S1805 90°C-115°C/45s 115°C/60s S1813 90°C-115°C/60s 115°C/60s S1818 90°C-115°C/60s 115°C/60s S1827 90°C-115°C/90s 115°C/60s STR 1045 90°C/90s - STR 1075 90°C/180s -

Tableau II.8 : Résumé de différentes résines commerciales ainsi que les temps et températures de recuits préconisées.

La plupart des résines photosensibles commerciales trouvées ont au moins une étape de recuit à une température minimale de 90°C.

Afin d’étudier plus précisément ce phénomène d’apparition des rides et pour l’éliminer, une étude thermomécanique a été effectuée en premier lieu sur le PMMA (ce dernier servant de matériau de mise au point des procédés de réalisation et de caractérisation). L’étude qui suit a permis d’améliorer les propriétés thermomécaniques du PMMA, ce qui servira pour résoudre le problème des défauts (rides) comme cela sera exposé par la suite.