C REATION DU MOTIF : LA LITHOGRAPHIE

2.1.1. Principes généraux

Le but de l'étape de lithographie est de réaliser un masque de résine qui correspond au dessin que l'on veut transférer dans notre matériau. Pour cela, on transfère le motif voulu à une résine sensible au rayonnement en insolant sélectivement les zones définies par le masque d'insolation qui contient l'information du dessin. La résine est principalement constituée de trois composants. Le premier est un polymère dont les propriétés sont telles qu’il résiste aux étapes de gravure ou de dépôt, lui permettant de jouer le rôle de masque lors du transfert du motif au matériau. L’autre est un agent sensible au rayonnement (lumineux ou électronique) qui, sous irradiation, modifie les propriétés de solubilité de la résine. Le troisième composant n’est autre que le solvant, permettant de garder la résine sous forme liquide avant utilisation, et qui sera évaporé dès le séchage. On peut décrire la création du masque lithographique en plusieurs étapes.

Résine positive Résine négative DEVELOPPEMENT COUCHAGE + RECUIT INSOLATION Résine Matériau à graver

Figure 2-1 : description schématique du principe de la lithographie

• Le dépôt de résine, ou couchage consiste à étaler une couche uniforme de résine sensible sur la surface de l'échantillon. On procède généralement par centrifugation, l'épaisseur de la résine étant déterminée par ses propriétés intrinsèques (viscosité) et par la vitesse de rotation.

• Le recuit après dépôt (soft-bake) permet d'éliminer le solvant restant après centrifugation ainsi que d'homogénéiser la couche de résine.

• L'exposition, à un faisceau électronique ou de photons (UV, X, ...) permet d'initier localement une modification de la structure chimique de la résine. Les zones insolées sont définies par le masque d'insolation contenant toute l'information du motif de base, et qui se présente sous différentes formes selon le mode d'insolation choisi. On forme ainsi dans la résine une image "latente" du masque qui sera révélée lors des étapes suivantes.

• Le développement consiste à révéler l'image latente en éliminant sélectivement les zones de résine définies lors de l'insolation dont la solubilité est la plus élevée. Dans le cas de résine dite "positive", c'est la zone insolée qui est rendue la plus soluble. A l'inverse, l'insolation de résine "négative" la rend moins soluble. On

obtiendra donc une image inverse ou directe du masque de départ selon la polarité de la résine utilisée.

• Un dernier recuit est effectué pour achever de sécher et densifier le motif de résine obtenu à la surface de l'échantillon à graver. C'est généralement l'étape la moins critique, puisque le motif est d'ores et déjà formé.

Il existe des cas particuliers de résines pour lesquelles certaines étapes supplémentaires sont nécessaires :

• Résines à amplification chimique : ces résines emploient un agent amplificateur d'insolation qui permet de diminuer les doses nécessaires. Un recuit après insolation (Post Exposure Bake ou PEB) est requis pour étendre et homogénéiser les transformations initiées par l'insolation, achevant la formation de l'image latente. Dans le cas de l'insolation optique, cette étape permet également de gommer les éventuelles variations d'insolation dues aux ondes stationnaires créées entre le masque et l'échantillon.

• Résines à inversion : la polarité de ces résines peut être inversée par une double insolation. En lithographie optique, une première insolation est effectuée avec le masque pour définir l'image latente. Un recuit après insolation puis une deuxième insolation cette fois de toute la couche de résine sont alors effectués afin d'inverser la sensibilité des zones insolées/protégées vis à vis du développeur.

Dans tous les cas, et quel que soit le mode d'insolation utilisé, la résolution que l'on peut atteindre est directement proportionnelle à la longueur d'onde du rayonnement utilisé. Pour la lithographie dite optique, les longueurs d'ondes utilisables vont de 436 nm (lampe à mercure) à 193 nm (laser ArF) et permettent d'atteindre la résolution ultime de 90 nm. Un moyen de dépasser cette résolution limite est d'utiliser comme source d'insolation un faisceau électronique dont la longueur d'onde équivalente (longueur d'onde de De Broglie) est de l'ordre du picomètre. En pratique, les aberrations introduites par les lentilles électrostatiques d'un microscope électronique à balayage limitent la résolution à une dizaine de nanomètres.

2.1.2. Lithographie optique

L'insolateur Karl Zuss MJB3 utilise une lampe au mercure et un système de masquage par contact qui nous permet d'atteindre une résolution de l'ordre du micron. Le masque utilisé consiste en une lame de quartz sur laquelle le motif est retranscrit par dépôt métallique (chrome). Il est appliqué directement sur la surface de l'échantillon recouvert de résine, le contact étant assuré par vide d'air. La source d'insolation est réglée de manière à produire un faisceau de lumière ultra violette parallèle afin d'obtenir des flancs de résine les plus droits possible.

Les résines utilisées sont des résines standard en microélectronique, peu onéreuses et faciles à mettre en oeuvre. Elles résistent assez bien aux différents procédés de gravure présentés plus loin, notamment grâce à leur épaisseur importante (entre 1 et 2 µm).

L'inconvénient majeur de cette technique est l'utilisation d'un masque onéreux, réalisé sur commande à l'unité et imposant donc une série de motif définie et non modulable. La souplesse d'utilisation et en particulier la rapidité de mise en oeuvre ainsi que la qualité des résultats obtenus font néanmoins de la lithographie optique la technique de choix pour les applications où la résolution désirée n'est pas limitante.

2.1CREATION DU MOTIF : LA LITHOGRAPHIE