PRINCIPE DE LA TECHNIQUE

La photolithographie consiste à transférer des motifs prédéfinis sur un substrat en appliquant une résine photosensible sous forme d'un film fin sur la surface du substrat et en exposant ensuite la résine à des rayonnements lumineux à travers un masque optique formé de zones opaques et transparentes. La réalisation d’une photolithographie peut être décrite généralement en trois étapes principales (figure II. 7) :

i) L’enduction de la résine : elle consiste à étaler sur un substrat ou un échantillon propre une couche de résine de façon uniforme et contrôlée. Cela se fait généralement à l’aide d’une tournette ou "spin-coater" qui fait appel aux forces centrifuges. L’épaisseur de la couche de résine souhaitée, qui correspondra à la hauteur de la structure, est contrôlée par la vitesse de rotation de la tournette et le temps de rotation. Ces paramètres dépendent des propriétés physicochimiques de la résine, notamment sa viscosité. Un problème couramment rencontré lors de l’étalement par centrifugation repose sur le fait que la résine s’accumule davantage aux bords du substrat où la couche sera plus épaisse (effet de bord).

Figure II.6 : Etapes d’enrésinement sur un substrat.

Il existe aussi des résines photosensibles sous forme de film sec ou "dry film" d'épaisseur bien contrôlée. L’étalement sur les substrats se fait par une procédure de laminage. Un avantage de ces résines par rapport aux résines classiques se manifeste par le fait qu’aucun effet de bord n’est observé après l’étalement. La procédure d’enduction des films secs utilisés dans ces travaux sera détaillée en paragraphe II.7.2.2.

ii) L’insolation : cette étape consiste à exposer de façon sélective la résine photosensible à un rayonnement de lumière ultraviolette de longueur d'onde précise en utilisant un masque optique. Les rayons passant au travers du masque engendrent des réactions chimiques dépendant de la formulation de la résine. Une duplication des motifs du masque est alors obtenue en négatif ou en positif selon le type de résine utilisée.

iii) Le développement : il consiste à révéler l’image latente par la dissolution sélective de la couche photosensible dans un solvant spécifique que l'on appelle le développeur.

Selon le type de résine utilisée (positive ou négative), l’image obtenue sera l’image du masque ou de son complément.

Figure II.7 : Etapes principales de la lithographie avec une résine négative.

Dans cette étape, le temps du développement est également un paramètre important qui dépend de la nature de la résine ainsi que de son épaisseur. Un développement long dans le solvant peut conduire à une dissolution des zones devant rester alors qu’une durée courte peut causer un développement incomplet conduisant à des zones où la résine n'a pas été dissoute.

De façon générale, il existe deux types de résine, la résine positive et la résine négative. Une résine est dite positive lorsque les zones exposées à la lumière deviennent solubles pendant le développement car le rayonnement ultraviolet produit une transformation chimique des macromolécules, entraînant une solubilité accrue des zones exposées dans le développeur. Au contraire, une résine est dite négative lorsque les zones exposées demeurent pendant le développement, ce qui n'a pas été exposé étant dissout lors du développement. Dans ce cas, le rayonnement UV entraîne une polymérisation des zones exposées, conférant ainsi à ces zones une tenue particulière au solvant de développement alors que les parties non insolées disparaissent sélectivement dans ce solvant. Il existe également des résines, dites réversibles, qui ont la propriété de changer de polarité (positive ou négative) selon la procédure d’application, ou parfois suite à une étape de recuit appelée recuit d’inversion ou "reversal bake" en anglais.

Des étapes complémentaires peuvent survenir dans les protocoles photolithographiques. Certaines sont requises selon le type de résine utilisée ou la nature du substrat, alors que d’autres sont optionnelles selon le procédé envisagé et le degré

d’optimisation à atteindre pour la réalisation du dispositif. Une brève description de ces étapes est donnée ci-dessous :

i) La déshydratation : cette étape a pour but de retirer les molécules d’eau présentes à la surface de l’échantillon et donc d’augmenter l’adhérence de la résine. Elle se fait juste avant l’étalement de la résine.

ii) L’utilisation de promoteur d’adhérence : c’est une étape qui permet, lorsque le promoteur d’adhérence est étalé avant le dépôt de la résine, d’obtenir également une meilleure adhérence de la résine.

iii) L’exposition du substrat au plasma à O2 ou à Ar : en plus de sa capacité à nettoyer la surface du substrat, cette étape permet également d’améliorer l’adhésion entre la résine et le substrat en général.

iv) Le recuit "soft bake" : il consiste à évaporer les solvants de la résine après l’étalement, au four ou sur plaque chauffante à une température et une durée précises.

v) Le recuit "Post-Exposition Bake" (PEB) : pour faire réagir la partie exposée de certaines résines, une étape de traitement thermique après exposition et avant développement est nécessaire.

vi) L’enlèvement des bords de résine : cette étape permet de retirer l’accumulation de résine sur les bords ou les coins des échantillons. Son utilisation dépend de la précision requise et du format de l’échantillon. Cela peut se faire suite à l’étalement de la résine ou après le recuit "soft" par des étapes supplémentaires d’exposition et de développement avec utilisation d’un masque adapté à la taille de l’échantillon.

vii) Le recuit de durcissement : il est utilisé pour durcir la résine et la rendre plus résistante aux attaques des solutions (généralement acides) comme par exemple lors des gravures chimiques. Cette étape est appliquée après le développement.

viii) L’exposition en pleine plaque ("Flood exposition") : cette étape est parfois nécessaire pour les résines réversibles. Il s’agit d’exposer la résine sans masque afin d’inverser sa polarité. Dans ce cas, elle est appliquée après l’étape de PEB. Elle peut également dans d’autres cas être utilisée afin de durcir la résine après l’étape de développement.