Préparation des nanostructures d’or

La procédure de préparation des substrats nano-structurés est présentée dans la Figure V. 7.

Insolation DUV sélective

Au Résine irradiée Résine commerciale Dépôt d’or Lift-off Développement Insolation DUV sélective

Au Résine irradiée Résine commerciale Au Résine irradiée Résine commerciale Dépôt d’or Lift-off Développement

d’or) avec différentes largeurs de tranchées. La technique de base est la photolithographie interférométrique 193 nm. Cette première étape est suivie d’un dépôt d’or et lift-off. Cette étape de transfert est nécessaire car les motifs obtenus dans la résine seraient dissous lors du dépôt de la solution de copolymère.

IV.3.1 Lithographie 193 nm

La résine utilisée pour la lithographie 193 nm est une résine commerciale à amplification chimique fournie par Rhom&Haas Electronics Materials. Elle est déposée par spin-coating sur des substrats de Si (100) de taille 2 cm x 2 cm. L’épaisseur visée est 160 nm environ. Cette épaisseur a été optimisée pour garantir un bon lift-off par la suite.

Après dépôt, le film est recuit afin d’éliminer le solvant résiduel et de le stabiliser physiquement en réduisant le volume libre créé lors de l’étape de dépôt. Ce recuit s’effectue sur une plaque chauffante avec une température de 120 °C pendant 2 minutes.

L’échantillon est ensuite exposé à travers un montage interférométrique utilisant un laser 193 nm comme source d’irradiation. Le montage utilisé conduit à des motifs périodiques de période 600 nm, la largeur des tranchées pouvant être adaptée entre 250 nm et 450 nm en modifiant la dose reçue par l’échantillon. La surface irradiée est de l’ordre de 3 mm x 3 mm. L’échantillon est ensuite recuit à 120 °C pendant 2 minutes pour induire la modification de la résine dans les zones irradiées et il est développé dans une solution basique afin d’obtenir des nanostructures. Un exemple typique est donné sur la Figure V. 8.a.

IV.3.2 Dépôt d’or et lift-off

Les nanostructures en résine doivent être transférées dans un matériau inerte pour pouvoir être utilisées. Différentes techniques sont envisageables, dont la gravure chimique ou ionique. La technique de dépôt métallique (Au) suivi d’une étape de lift-off a été choisie car elle ne nécessite pas de moyens trop importants. Après lithographie, les nanostructures sont vérifiées par AFM puis le dépôt d’une couche d’or par évaporation sous vide est réalisé. L’épaisseur de la couche d’or est ajustée à travers le temps de dépôt. Typiquement, une épaisseur de 30 nm est utilisée. L’échantillon est ensuite plongé dans le cyclohexanone pour éliminer le surplus de résine. Un exemple de lignes d’or sur substrat de silicium est donné sur la Figure V. 8.c et la Figure V. 8.d. On notera le bon transfert des motifs et la faible rugosité de bord des lignes.

Chapitre V : Application à la nanostructuration de copolymères à blocs par auto-assemblage dirigé a) b) c) d) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 50 40 30 20 10 0 X[µm] Z [n m ]

Figure V. 8 : Topographie des surfaces nano-structurées: a) nanostructures de résine, b) profil des nanostructures de résine, c) nanostructures d’or, d) profil des nanostructures d’or.

V. Démixtion sur substrat non-structuré

V.1 Introduction

Une partie importante de ce travail a consisté à étudier les phénomènes de démixtion sur substrat de silicium non-structuré. Le but de cette étape préliminaire était d’identifier et d’optimiser les différents paramètres de dépôt et post-traitement de films minces de P(S-b-MMA) conduisant à une démixtion optimale.

Ces paramètres sont essentiellement : l’épaisseur du film, la température de recuit et le temps de recuit.

L’objectif est de définir les conditions qui conduisent à des longueurs de blocs les plus grandes possibles et à des alignements partiels.

La méthode la plus connue pour élever l’ordre d’une structure copolymère à blocs consiste à effectuer un recuit du matériau. Ce traitement thermique permet aux chaînes du polymère de se relaxer et aux nano-domaines de minimiser leurs énergies interfaciales.

V.2.1 Gamme de températures pertinentes

L’apparition des blocs de copolymère suppose qu’on fournisse suffisamment d’énergie thermique au système pour que les chaînes de polymère puissent se réorganiser et minimiser l’énergie libre du système. L’échantillon doit donc être chauffé après dépôt pour se réorganiser.

Il est évident que la séparation de phase ne peut pas avoir lieu avec une température inférieure aux températures de transition vitreuse de PS et de PMMA. Pour cette raison, la limite inférieure de température a été choisie égale à 120°C, l’épaisseur étant fixée, dans un premier temps, à 25 nm.

La Figure V. 9.a montre le résultat après 21 heures de recuit à 120°C. Aucune démixtion n’est observée. Ce phénomène n’est observé qu’à partir de 140°C. Pour des températures entre 140°C et 220°C, la démixtion est observée. A partir de 220°C, un autre phénomène est observé : on remarque dans la Figure V. 9.b que les structures disparaissent après 10 minutes de recuit à cette température. Ce phénomène a été expliqué par la dégradation thermique du polymère à cette température élevée. Le système PMMA est en effet connu pour être sujet à dépolymérisation pour des températures élevées.

a) b) Figure V. 9 : Images AFM (image de phase) des films P(S-b-MMA) : a) 21 heures de recuit à 120°C

Chapitre V : Application à la nanostructuration de copolymères à blocs par auto-assemblage dirigé

Dans ces conditions, l’intervalle de température pertinent a été réduit à [140°C ; 210 °C]. Dans toute cette gamme de température, la démixtion est réalisée sans détruire les propriétés mécaniques du copolymère pour une longue durée de recuit. Les structures obtenues sont décrites dans le paragraphe suivant.

V.2.2 Taille des nano-domaines

La Figure V. 10 présente des images en phase de différents échantillons recuits à des températures entre 150°C et 190°C, pendant le même temps (30 minutes).

150 °C 160°C a) 200nm b) 170 °C 190°C c) d) 200nm

Figure V. 10 : Image de phase pour des films P(S-b-MMA) recuit à différentes températures pendant un même temps de recuit (30 minutes), la fenêtre de scan est 1µmx1µm, épaisseur de 25 nm : a) 150°C , b)160°C , C) 170°C, d)190°C.

Dans tous les cas, les nano-domaines sont observés. Leur largeur ne varie pas d’un échantillon à l’autre. Toutefois, il apparaît clairement que la longueur des domaines est très différente.

que la dégradation du polymère soit sensible. Il est clair qu’une température élevée favorise la mobilité des chaînes et permet ainsi de diminuer l’énergie interfaciale du système en permettant un réarrangement avec un ordre à longue échelle. Yufa et al [22] ont étudié aussi l’effet de la température de recuit sur la longueur des nano-domaines du PMMA. Ils ont démontré que la longueur des nano-domaines augmente avec la température de recuit des films P(S-b-MMA).

Ce régime de fonctionnement sera bien évidemment à favoriser dans la suite. En effet, l’objectif final est d’obtenir des domaines alignés avec les motifs faits par photolithographie. Ces motifs présentent des dimensions de l’ordre du mm. Le but est d’obtenir des longueurs de blocs du même ordre de grandeur.

V.2.3 Alignement des nano-domaines

Une augmentation du temps de recuit en conservant une température relativement faible (150°C) ne permet pas d’obtenir un alignement sur de plus longues distances (Figure V. 11). Dans cette figure, les temps de recuit ont été choisis de manière à ce qu’aucune modification structurale ne soit plus observée pour des temps plus grands.

On constate une nouvelle fois qu’une température élevée est à privilégier pour obtenir un alignement sur de grandes distances, la limite étant dictée par la dégradation du polymère. 5h 150°C 3h 180°C 1h 200°C a) 400nm b) 400nm c) 400nm

Figure V. 11 : Images AFM des films P(S-b-MMA) d’épaisseur 26 nm, la fenêtre de scan est 2µmx2µm, a) 5 heures de recuit à 150°C b) 3 heures de recuit à 180°C c) 1 heure de recuit à 200°C.

Chapitre V : Application à la nanostructuration de copolymères à blocs par auto-assemblage dirigé