Techniques de lithographie

La photolithographie est l’une des méthodes de fabrication les plus utilisées dans les milieux académiques et industriels. En effet, celle-ci est rapide, limitée en coût et facile à utiliser. Le fonctionnement de la photolithographie repose sur l’exposition d’une résine photosensible à une lumière UV. Un masque transparent composé de motifs opaques de chrome est employé pour

structurer le faisceau d’excitation. Ainsi, seulement certaines portions de la résine seront exposées à la lumière. La structure de la résine est modifiée lorsqu’insolée, et les structures sont révélées lors de l’étape de développement où la résine est exposée à un solvant. Il existe deux groupes de résines photosensibles, les résines positives et négatives. Lors du développement, les résines positives ayant été exposées à la lumière seront retirées, tandis qu’elles seront conservées pour une résine négative. La Figure 3.2 présente une schématisation du processus de fabrication de structures par photolithographie.

Figure 3.2 – Schématisation du procédé de photolithographie. Une résine photosensible est étalée sur un substrat puis exposée à la lumière UV. Pour une résine positive, les portions insolées seront retirées lors du développement. L’inverse se produira avec une résine négative.

Les dimensions minimales typiques sont de l’ordre de plusieurs centaines de nanomètres, où cette limitation en résolution est due à la diffraction de la lumière. La photolithographie ne peut alors pas être utilisée pour fabriquer des structures de l’ordre de quelques dizaines à la centaine de nanomètres comme il est question dans cette thèse. Voilà pourquoi les techniques de lithographie EBL et UV-NIL ont été employées pour la fabrication des échantillons nanostructurés. En effet, ces techniques permettent de fabriquer des structures dont les dimensions peuvent atteindre quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres [Graczyk

La lithographie EBL est une technique qui utilise des électrons pour modifier les propriétés de la résine, ici électrosensible. L’utilisation d’électrons permet de s’affranchir de la limitation due à la diffraction de la lumière et ainsi atteindre des résolutions beaucoup plus petites. Le fonctionnement de cette technique est similaire à celui de la photolithographie, par rapport aux étapes de fabrication, c’est-à-dire l’étalement d’une résine, l’écriture de motifs à l’aide d’un masque, suivi de leur développement. L’écriture des motifs se fait à l’aide d’un logiciel permettant de contrôler notamment la puissance et la position du faisceau à électrons, ainsi que le temps d’exposition. Les électrons vont pénétrer la résine et la rendre soluble à un développeur. Il est toutefois important de bien contrôler la dose (densité de charges déposées) afin de minimiser les effets de proximité [Stepanova et Dew, 2012]. Ceux-ci sont dus aux électrons pénétrants dans la résine qui vont rétrodiffuser et élargir les motifs. Ces effets peuvent être compensés par exemple en diminuant la dose d’écriture ou en réduisant la taille des motifs en gardant la même dose. La Figure 3.3 présente un schéma illustrant la fabrication de structures métalliques par EBL.

Figure 3.3 – Schématisation de la fabrication de structures métalliques par lithographie électronique. Deux couches de résines sont utilisées pour éviter le recouvrement des flancs de la structure lors du dépôt métallique.

Il peut être préférable d’utiliser deux couches de résines au poids moléculaire différent lors de l’étape d’enrésinement. Une résine au poids moléculaire faible (LMW, résine 2) sera insolée

plus rapidement qu’une résine au poids moléculaire élevé (HMW, résine 1). Cela permet de graver un trou en forme pyramidale ou avec une « casquette » et ainsi d’éviter le recouvrement des flancs de la structure lors du dépôt métallique pouvant nuire à l’étape de soulèvement.

La lithographie électronique permet de fabriquer des structures dont les dimensions sont très petites de façon reproductible. Cependant, plusieurs limitations sont à prendre en compte lors de l’utilisation de cette technique lithographique. Tout d’abord, les temps d’écriture peuvent atteindre plusieurs heures, même plus d’un jour selon les dimensions des structures et la surface d’écriture, rendant les coûts de fabrication non négligeable. Voilà pourquoi la charge d’utilisation d’un microscope électronique est grande et peut être contraignante en milieu académique. Une maintenance régulière est également nécessaire et peut occasionner des retards dans les utilisations.

La lithographie par nanoimpression (NIL) est une technologie émergente pour la micro et nanofabrication, et est vue comme une alternative à la photolithographie et à la lithographie électronique [Traub et al., 2016]. La NIL a une limite de résolution autour de quelques dizaines de nanomètres et permet de fabriquer des structures sur de grandes surfaces en quelques heures seulement. Elle est également une technique bien adaptée pour la fabrication rapide de plusieurs échantillons, ce qui n’est pas envisageable pour la lithographie électronique. La NIL repose sur l’embossage de motifs dans une résine visqueuse à l’aide d’un moule réutilisable. Le type de lithographie par nanoimpression utilisée dans la thèse est le « soft-UV-NIL », c’est-à-dire la lithographie par nanoimpression assistée par UV à l’aide d’un moule souple en PDMS. La Figure 3.4 présente le processus de fabrication d’un échantillon nanostructuré par soft-UV-NIL. Un moule en silicium est tout d’abord fabriqué par lithographie électronique et représente le négatif de la structure à être fabriquée. L’étampe de PDMS dur (H-PDMS) et de PDMS souple est ensuite fabriquée à partir du moule de silicium et sera utilisée pour la nanoimpression.

Figure 3.4 – Schéma de la fabrication d'un moule en H-PDMS/PDMS et d'un échantillon nanostructuré par « soft-UV-NIL ».

Le moule maître peut être réutilisé indéfiniment, et le moule en PDMS peut être réutilisé plusieurs fois permettant ainsi une fabrication rapide d’échantillons. Cette reproductibilité est particulièrement intéressante pour des applications biologiques où plusieurs échantillons sont nécessaires.