Fabrication des moules pour la nanoimpression assist´ee par UV

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La lithographie en micro´electronique

L’industrie micro´electronique impose une r´eduction constante des dimensions des motifs afin d’augmenter les performances des circuits int´egr´es, leur densit´ d’int´egration, et de r´eduire leur coˆut de fabrication. La lithographie ´etant l’´etape qui d´efinit la dimension des motifs a` fabriquer, c’est aussi elle qui r´egit la r´eduction des dimensions ainsi que l’augmentation de la densit´ d’int´egration des composants sur une puce.

Ainsi, la lithographie a permis de r´eduire la dimension des grilles des transistors de quelques microns a` des dimensions submicroniques puis sub-100 nm, en utilisant des syst`emes optiques d’exposition fonctionnant avec des longueurs d’onde (λ) de 436 nm puis 365 nm, 248 nm et 193 nm. A l’heure actuelle, les motifs de plus petites dimensions (aussi appel´es Dimensions Critiques ou Critical Dimensions : CD) fabriqu´es en production sont des grilles de transistor de 65 nm. Ils sont fabriqu´es par lithographie optique par projection DUV (”Deep Ultra-Violet”), fonctionnant a` λ = 193 nm. Cependant, comme nous le verrons au paragraphe II.2, ces techniques de lithographie ne peuvent pas permettre la r´ealisation des nœuds technologiques futurs. C’est pourquoi, a` l’heure actuelle, de nouveaux syst`emes lithographiques sont en d´eveloppement pour que les nœuds technologiques 45 nm, 32 nm puis 22 nm puissent ˆetre produits. La mise au point de ces nouvelles technologies complexes, appel´ees ”lithographies ´emergentes”, doit suivre un calendrier strict. C’est le rˆole de la feuille de route de l’ITRS. La Figure 1.3 repr´esente un extrait de la feuille de route de 2006 pour la lithographie. Sur cette feuille de route, nous retrouvons les diﬀ´erents nœuds technologiques a` produire, ainsi que les largeurs des grilles de transistors correspondantes (largeur du motif r´eellement fabriqu´e), en fonction du temps. A chaque nœud technologique est associ´ee la technique de lithographie qui est le candidat le plus probable pour la r´ealisation des circuits int´egr´es. Il apparaˆıt sur cette figure que la nanoimpression est une des solutions envisag´ees pour le nœud technologique de 32 nm, pr´evu en production pour 2013.

Nous allons voir dans cette partie le principe de la lithographie optique par projection ainsi que ses limitations avant de d´ecrire les diﬀ´erentes techniques de lithographie ´emergentes enonc´ees sur la Figure 1.3.

La lithographie optique par projection

Le principe

La technique de lithographie la plus utilis´ee actuellement en micro´electronique est la lithographie optique par projection, fonctionnant avec des longueurs d’onde d’exposition de 248 ou 193 nm. Le principe de cette technique est sch´ematis´ sur la Figure 1.4.

En lithographie optique, un film de r´esine, d´epos´ en surface d’un substrat de silicium, est expos´ par un flux de photons a` travers un masque. Ce film de r´esine est donc expos´ de mani`ere s´elective. Dans les zones expos´ees, les photons r´eagissent avec la r´esine et modifient ses propri´et´es de solubilit´e. Les motifs sont ensuite r´ev´el´es dans du d´eveloppeur (typiquement une solution aqueuse basique) : les zones de la r´esine qui sont peu solubles subsistent a` la surface du substrat, le reste de la r´esine ´etant solubilis´e dans le d´eveloppeur. Il existe deux cat´egories de r´esine : les r´esines a` tonalit´e positive et les r´esines a` tonalit´e n´egative. Pour les r´esines a` tonalit´e positive, la zone expos´ee est retir´ee lors du d´eveloppement, alors que pour les r´esines a` tonalit´e n´egative, la partie expos´ee devient insoluble dans le d´eveloppeur, comme le montre le sch´ema de la Figure 1.4.

Des motifs de r´esine de bonne qualit´e (dimensions respect´ees, faible rugosit´e de bord, …) sont obtenus grˆace a` l’utilisation, a` la fois d’un outil d’exposition performant, et d’une r´esine de bonne qualit´e.

L’outil d’exposition

En lithographie optique par projection, le masque se trouve a` plusieurs centim`etres du substrat, ce qui ´evite une d´egradation trop rapide du masque, li´ee au contact avec la r´esine. La Figure 1.5 pr´esente le sch´ema d’un outil de lithographie optique par projection. Le syst`eme d’illumination est constitu´e d’une source et d’un condenseur. La source lumineuse ´emet un rayonnement contrˆol´e en intensit´ a` une longueur d’onde sp´ecifique. Ce rayonnement traverse ensuite un condenseur, dont le rˆole est de collecter, filtrer et focaliser le rayonnement issu de la source. Le faisceau lumineux passe ensuite a` travers le masque o`u les motifs a` r´epliquer sont reproduits a` l’´echelle 4X ou 5X. Les rayonnements incidents sont alors diﬀract´es au niveau du masque. Enfin, un syst`eme de lentilles de projection situ´e entre le masque et la surface du substrat r´eduit la dimension des motifs et focalise les rayonnements sur le substrat. Les motifs sont obtenus sur toute la surface de la plaquette par photo-r´ep´etition, les diﬀ´erents champs recouvrant la plaquette ´etant successivement expos´es. L’outil d’exposition est alors couramment appel´ un photo-r´ep´eteur.

Les r´esines de lithographie optique

Les r´esines de lithographie optique sont g´en´eralement compos´ees d’une matrice polym`ere, d’un compos´e photosensible et de divers additifs, dilu´es dans un solvant. La matrice polym`ere est le squelette de la r´esine. Le compos´e photosensible r´eagit sp´ecifiquement a` la longueur d’onde d’exposition. Une fois activ´e par l’exposition, il r´eagit avec la matrice polym`ere dans les zones expos´ees pour modifier sa solubilit´e dans le d´eveloppeur. Les divers additifs, pr´esents en tr`es faible quantit´e (quelques pourcents de la masse solide), permettent d’am´eliorer les propri´et´es du film de r´esine (son adh´erence au substrat, ses propri´et´s optique ou filmog`ene). Enfin, le solvant permet un ´etalement du film avec une ´epaisseur fine (inf´erieure a` 500 nm) et uniforme sur tout le substrat. Il est elimin´ par ´evaporation lors des ´etapes de centrifugation et de recuit.

Les r´esines d´evelopp´ees pour chaque nouvelle g´en´eration lithographique doivent poss´eder un certain nombre de propri´et´es, telles que :

• Un fort pouvoir r´esolvant et une diﬀusion contrˆol´ee du compos´e photosensible activ´e afin d’obtenir des motifs de tr`es petite dimension,

• Une photo-sensibilit´ elev´ee permettant de travailler avec des temps d’exposition les plus courts possibles pour augmenter la productivit´e,

• Une transparence aux longueurs d’onde de travail la plus ´elev´ee possible afin de garantir une homog´en´eit´ de la dose d’exposition dans toute l’´epaisseur du film de r´esine,

• Une valeur de contraste la plus elev´ee possible [7]. Une valeur de contraste elev´ee traduit un comportement de seuil de la r´esine a` l’exposition : les zones de r´esine faiblement expo-s´ees (en dessous du seuil) se comportent comme des zones non expos´ees, et compensent la faible exposition provoqu´ee par des ordres de diﬀraction elev´es, diﬃcilement collect´es par les lentilles. Au dessus de la dose de seuil, la r´eaction chimique doit d´ebuter rapidement afin que les temps d’exposition soient les plus courts possibles.

• Une rugosit´e de bord de ligne la plus faible possible afin de minimiser les d´egradations des performances des composants fabriqu´es,

• Une forte adh´erence au substrat pour ´eviter un d´ecollement des motifs,

• De bonnes propri´et´es de r´esistance a` la gravure apr`es exposition afin de faciliter l’´etape de transfert des motifs et de conserver la forme et la dimension des motifs.

La lithographie optique par projection fonctionnant avec des longueurs d’onde d’exposition de 248 et 193 nm permet actuellement de fabriquer des motifs de mani`ere contrˆol´ee pour le nœud technologique 65 nm, c’est a` dire des largeurs de grille de 45 nm. La lithographie devant suivre la r´eduction constante des dimensions des motifs impos´ee par l’industrie micro´electronique, de nouvelles solutions doivent ˆetre d´evelopp´ees pour les nœuds technologiques futurs, et ce a` partir du nœud 45 nm. Nous allons voir dans le paragraphe suivant quelles strat´egies peuvent ˆetre utilis´ees pour diminuer les dimensions des motifs.

Les limitations de la lithographie optique par projection

Pour que la lithographie puisse suivre la feuille de route impos´ee par l’industrie de la micro´elec-tronique, il est n´ecessaire de diminuer en permanence la dimension des motifs sur les masques, d’am´eliorer les syst`emes optiques pour qu’ils soient capables de les projeter, et d’am´eliorer la r´esolution des r´esines. La r´esolution d’un syst`eme optique est la plus petite dimension qu’il peut r´esoudre : pour des dimensions sup´erieures a` la r´esolution, deux points distincts sur le masque seront distincts apr`es diﬀraction de l’image a´erienne dans la r´esine, alors que pour des dimensions inf´erieures a` la r´esolution, deux points distincts sur le masque seront confondus dans la r´esine. L’am´elioration de la r´esolution ´equivaut alors a` r´esoudre des lignes de plus en plus petites.

En lithographie optique, la r´esolution d´epend de nombreux param`etres du syst`eme optique et de la r´esine. Elle est d´ecrite par l’´equation de Rayleigh (relation 1.1) [7] : R = k1 × λ (1.1) O`u R est la r´esolution, k1 une constante d´etermin´ee par les param`etres des el´ements optiques utilis´es, le type de masque et la r´esine, λ la longueur d’onde d’exposition et NA l’ouverture num´erique de l’optique de projection (param`etre d´ependant de l’indice optique du milieu et de l’angle maximum de collection des faisceaux diﬀract´es, i.e. du diam`etre de la lentille de projection).

Au vu de l’´equation 1.1, les diverses solutions permettant d’am´eliorer la r´esolution (diminuer R) sont la diminution du facteur k1, la diminution de la longueur d’onde d’exposition et/ou l’augmentation de l’ouverture num´erique [8] :

• La diminution de la longueur d’onde ´etait la solution la moins coˆuteuse et la plus facile a` mettre en œuvre. C’est pour cela que c’est la solution adopt´ee jusqu’`a pr´esent (nous sommes pass´es de la gamme 435-365 nm a` 248 nm puis a` 193 nm).

• L’augmentation de l’ouverture num´erique s’est faite par le d´eveloppement de lentilles de projection de plus en plus performantes, dont le diam`etre est de plus en plus grand. L’augmentation de ce param`etre induit donc des syst`emes de plus en plus on´ereux.

• Enfin, la diminution du facteur k1 a et´ assur´ee par l’utilisation de r´esines plus r´esolvantes, par l’am´elioration des param`etres d’imagerie (type d’illumination) et par l’am´elioration des masques (dont le dessin comprend des corrections r´ealis´ees par calcul num´erique).

Pour atteindre les nœuds technologiques futurs, des techniques de lithographie ´emergentes sont a` l’´etude telles que la lithographie a` immersion, la lithographie extrˆeme ultra violet, la lithographie sans masque, ainsi que la nanoimpression. Dans le paragraphe suivant, nous pr´esenterons les principales caract´eristiques de chacune de ces techniques.

Les lithographies ´emergentes

Dans cette partie, nous allons bri`evement d´ecrire le principe ainsi que les avantages et limitations associ´ees aux diﬀ´erentes techniques de lithographie ´emergentes. Nous allons voir que chaque technique a pour objectif l’am´elioration de la r´esolution pour les nœuds technologiques futurs par une approche diﬀ´erente.

D’une mani`ere g´en´erale, pour toutes les techniques de lithographie ´emergentes, de nouvelles formulations de r´esines doivent ˆetre d´evelopp´ees parall`element a` l’optimisation des outils d’ex-position. Ces d´eveloppements sont n´ecessaires pour r´epondre aux nouvelles contraintes induites par chacune de ces techniques et satisfaire les objectifs de r´esolution, de rugosit´e des flancs et de sensiblit´ requis par l’ITRS. Nous pr´esenterons dans ce paragraphe les principales techniques lithographiques envisag´ees pour le nœud technologique 32 nm.

La lithographie `a immersion

Le principe de la lithographie a` immersion consiste a` introduire un fluide d’indice optique sup´e-rieur a` celui de l’air entre les lentilles de projection et la plaquette afin d’augmenter l’ouverture num´erique du syst`eme [9]. Le liquide utilis´e pour les premi`eres g´en´erations de lithographie par immersion est l’eau (indice optique 1.44 a` λ=193 nm). Ce liquide sera ensuite remplac´ par des fluides a` fort indice optique dans les g´en´erations ult´erieures (indice optique sup´erieur a` 1.6 puis 1.8 a` λ=193 nm). Cette technique est actuellement d´evelopp´ee avec des photo-r´ep´eteurs fonctionnant a` 193 nm. Elle ne n´ecessite donc pas le d´eveloppement de nouvelles sources d’ex-position, mais un d´eveloppement des ´equipements est n´ecessaire pour int´egrer la dispense et le retrait du fluide d’immersion.

La lithographie a` 193 nm a` immersion est la prochaine technique de lithographie a` entrer en production pour le nœud technologique 45 nm d’ici a` 2009 [10]. Mais pour les nœuds technolo-giques futurs, les points critiques r´esident dans le d´eveloppement des fluides a` fort indice et des r´esines r´esolvantes et adapt´ees au nouveau fluide [11].

La lithographie double exposition

Le but de la lithographie par double exposition est d’augmenter la densit´ d’int´egration en diminuant la densit´ des motifs a` r´ealiser en une ´etape lithographique, et en proc´edant a` une double exposition. L’´etape de lithographie unique est alors remplac´ee par une succession de deux ´etapes lithographiques [12]. Plusieurs variantes de ce proc´ed´ ont et´ propos´ees [13, 14], mais l’id´ee g´en´erale consiste a` obtenir le motif final grˆace a` une double exposition. Cette technologie est envisag´ee pour le nœud technologique 32 nm avec des photo-r´ep´eteurs DUV fonctionnant a` λ=193 nm. L’augmentation du nombre d’´etapes technologiques est alors compens´ee par l’absence d’investissement dans de nouveaux syst`emes d’exposition. Les points critique de cette technologie restent cependant son rendement global, puisque le nombre d’´etapes technologiques est doubl´e. Par ailleurs, l’alignement entre les diﬀ´erents niveaux lithographiques dans un mˆeme film de r´esine est lui aussi d´elicat. Enfin, de nouvelles r´esines r´esolvantes doivent ˆetre d´evelopp´ees.

La lithographie extrˆeme ultra-violet

La lithographie extrˆeme ultra-violet (ou EUV) est une technique de lithographie optique par projection qui fonctionne avec une source ´emettant a` une longueur d’onde de 13.4 nm [15]. A cette longueur d’onde, tous les mat´eriaux utilis´es habituellement dans la r´ealisation de photo-r´ep´eteurs comme le quartz sont absorbants. Le syst`eme optique ne fonctionne donc plus en transmission, mais en r´eflexion. Le syst`eme optique et les masques sont alors compos´es de miroirs de Bragg con¸cus pour maximiser la r´eflectivit´ a` la longueur d’onde de travail. Enfin, un vide pouss´e (de l’odre de 10−8 bars ≈ 10−3 Pa) doit ˆetre r´ealis´ tout le long du parcours des rayons afin d’´eviter l’absorption par l’air.

Ce proc´ed´ est consid´er´ comme un bon candidat pour les nœuds technologiques futurs (et principalement pour le nœud 22 nm) puisqu’avec une telle longueur d’onde, des motifs de tr`es petite dimension peuvent ˆetre r´esolus. Il reste cependant un certain nombre de points techniques a` d´evelopper : les sources EUV ne sont pas suﬃsamment puissantes pour atteindre les crit`eres de productivit´e ´etablis par l’ITRS ; les r´esines actuelles sont peu sensibles, pr´esentent une rugosit´e de bord encore trop importante, et ne sont pas assez r´esolvantes [16]. D’autre part, l’introduction de d´efauts au cours de la fabrication des masques n’est pas encore contrˆol´ee [17]. Par ailleurs, le point critique de cette technologie est le coˆut des outils d’exposition et des masques.

La lithographie ´electronique

La lithographie ´electronique est une technique de lithographie sans masque (ou Mask Less Li-thography : ML2) fonctionnant avec un faisceau d’´electrons [18]. Les motifs sont directement dessin´es a` l’aide de ce faisceau qui balaye le film de r´esine d´epos´ sur le substrat. Cette lithogra-phie est donc une technique lente, a` rendement faible, mais qui pr´esente une grande flexibilit´ par rapport a` la g´eom´etrie des motifs expos´es. D’autre part, cette technique permet d’obtenir des motifs de tr`es grande r´esolution, ´egale au diam`etre du faisceau ´electronique (qui peut atteindre quelques nanom`etres).

Actuellement, cette technique est principalement utilis´ee pour des applications de recherche et d´eveloppement, et tr`es peu en production, a` l’exception de la r´ealisation de puces tr`es sp´eciali-s´ees, fabriqu´ees en petites s´eries, o`u l’achat de masques optiques ne devient pas rentable. Mais des techniques de lithographie ´electronique fonctionnant avec de nombreux faisceaux en parall`ele (appel´ees ”lithographie ´electronique a` multi-faisceaux”) sont a` l’´etude, et devraient ainsi am´e-liorer le d´ebit de la lithographie ´electronique standard sans perdre ses avantages en r´esolution [19].

La nanoimpression

Contrairement a` ces techniques de lithographie qui reproduisent les motifs du masque dans la r´esine par contraste chimique, la nanoimpression est une technique de lithographie ´emergente qui produit des motifs dans la r´esine par contraste topographique. En eﬀet, le masque est remplac´ par un moule, pr´esentant des motifs tridimensionnels sur sa face active (face en contact avec la r´esine). Ce moule est press´ dans la r´esine qui remplit alors ses cavit´es. Plusieurs variantes de cette technique ont et´ propos´ees [20]. Parmi elles, nous ne citerons que la nanoimpression thermique et la nanoimpression assist´ee par UV ou UV-NIL (Ultra-Violet curing NanoImprint Lithography). Ces deux techniques sont d´ecrites plus en d´etail dans la section suivante.

La r´esolution en nanoimpression n’est plus limit´ee par des ph´enom`enes de diﬀraction des rayon-nements UV, mais elle est limit´ee par la r´esolution des motifs pr´esents sur le moule. Elle peut donc potentiellement reproduire des motifs de dimensions inf´erieures a` la dizaine de nanom`etres

[21]. De plus, les techniques ´emergentes pr´esent´ees pr´ec´edemment n´ecessitent le d´eveloppement d’outils lithographiques tr`es on´ereux, avec des syst`emes optiques complexes. Par rapport a` ces solutions, la nanoimpression paraˆıt alors tr`es attractive puisque les coˆuts des outils d’exposition sont r´eduits. Cette technique est alors consid´er´ee par l’ITRS [6] comme un candidat possible pour l’´etape lithographique utilis´ee pour le nœud technologique 32 nm pour 2013. N´eanmoins, de nombreux points techniques sont encore a` r´esoudre pour rendre cette technologie viable.

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Table des matières

Introduction g´en´erale
Chapitre 1 La lithographie et la nanoimpression assist´ee par UV : G´en´eralit´es
Introduction
I La micro´electronique et ses enjeux
II La lithographie en micro´electronique
II.1 La lithographie optique par projection
II.2 Les limitations de la lithographie optique par projection
II.3 Les lithographies ´emergentes
III La nanoimpression assist´ee par UV : UV-NIL
III.1 Contexte
III.2 Principe de l’UV-NIL
III.3 Les challenges de la nanoimpression
III.4 Les b´en´efices de l’UV-NIL par rapport `a la nanoimpression thermique
III.5 Les applications de l’UV-NIL en micro´electronique
IV Dispositif exp´erimental
IV.1 Proc´edure exp´erimentale de l’UV-NIL par centrifugation
IV.2 La presse EVG620
IV.3 La presse EVG770 NIL Stepper
Conclusion
Chapitre 2 Fabrication des moules pour la nanoimpression assist´ee par UV
Introduction
I Etat de l’art des diff´erents proc´ed´es de fabrication de moules
I.1 Proc´ed´e utilisant un masque dur de chrome
I.2 Proc´ed´e utilisant une couche d’ITO
I.3 Proc´ed´e utilisant du HSQ
I.4 Conclusion
II La fili`ere ”chrome” sur silice d´evelopp´ee
II.1 Le substrat
II.2 L’´etape lithographique
II.3 La gravure du chrome et de la silice
II.4 Caract´erisation du proc´ed´e de fabrication complet
Conclusion
Chapitre 3 Performances lithographiques
Introduction
I Les propri´et´es des r´esines UV-NIL
I.1 Propri´et´es
I.2 Principe r´eactionnel de la photo-polym´erisation
I.3 Les r´esines UV-NIL commerciales
I.4 Les r´esines UV-NIL d´evelopp´ees au laboratoire
II Caract´erisations physico-chimiques des mat´eriaux
II.1 Mesure de la viscosit´e
II.2 L’´epaisseur des films de r´esine
II.3 La photo-sensibilit´e de la r´esine
II.4 Les interactions avec la couche anti adh´esive
II.5 La contraction du film de r´esine induite par l’exposition
II.6 Conclusion
III Caract´erisation de l’homog´en´eit´e du pressage
III.1 Probl´ematique
III.2 Etude du pressage de g´eom´etries simples
III.3 Etude du pressage de motifs
III.4 Influence de la viscosit´e de la r´esine
III.5 Conditions exp´erimentales pour obtenir hr uniforme
Conclusion
Chapitre 4 Int´egration de l’UV-NIL : gravure de la r´esine photo-polym´eris´ee 109
I Introduction
I.1 Probl´ematique
I.2 Mode op´eratoire
II Protocole exp´erimental
II.1 Pr´eparation des ´echantillons
II.2 Outil de gravure
II.3 La spectroscopie de photo-´electrons X
III Analyse physico-chimique de la r´esine avant gravure
III.1 Analyse AFM
III.2 Analyse XPS
III.3 Analyse FTIR
III.4 Conclusion
IV Impact de la chimie du plasma sur les propri´et´es physico-chimiques de la r´esine
IV.1 Comportement des syst`emes mod`eles expos´es aux plasmas d’oxyg`ene, argon et fluor´es
IV.2 Plasma d’oxyg`ene
IV.3 Plasma d’argon
IV.4 Plasmas fluor´es
IV.5 Conclusion des modifications engendr´ees par les diff´erents plasmas
IV.6 Cin´etiques de gravure
V Utilisation du proc´ed´e d’HBr-Cure pour l’UV-NIL
V.1 Le proc´ed´e d’HBr-Cure
V.2 Impact d’un proc´ed´e de HBr-Cure sur les r´esines UV-NIL
V.3 Impact sur les plasmas suivants
V.4 Conclusion sur le traitement HBr-Cure
VI Transfert de motifs
Conclusion
Conclusion g´en´erale
Chapitre A Report des moules fins sur des supports ´epais
Chapitre B La fabrication des moules par la fili`ere alternative
Chapitre C Mod`ele pr´eliminaire d’´ecoulement de pressage axisym´etrique
I Mod`ele rh´eologique
I.1 Mise en place g´eom´etrique
I.2 Prise en compte des conditions exp´erimentales
II Mod`ele m´ecanique du comportement du substrat
III Interaction substrat/r´esine
Bibliographie