Etapes de r´ealisation d’un circuit en micro´electronique

Le systeme d’illumination a pour r^ole de fournir une illumination uniforme sur la totalite de la surface du masque. A n de respecter cette condition, un arrangement complexe d’elements optiques (miroirs, lentilles et ltres) est utilise. La con guration optique permettant une telle illumination, decrite en detail dans la section 1.3.4 est appelee con guration de Kohler.

La source lumineuse doit satisfaire plusieurs conditions. La premiere est d’^etre hautement monochromatique de maniere a reduire au maximum les aberrations au niveau des optiques. En plus d’^etre monochromatique, la longueur d’onde recherchee doit ^etre su samment petite de maniere a pouvoir resoudre optiquement les motifs presents sur le masque. En n, a n d’assurer un rendement industriel viable, la source lumineuse doit ^etre puissante de maniere a reduire les temps d’exposition necessaires pour chaque substrat.

La necessit de realiser des motifs toujours plus ns a conduit l’industrie microelectronique a rechercher des longueurs d’ondes toujours plus petites. Les premieres sources utilisaient une lampe a decharge de mercure dont le spectre d’emission contient deux raies puissantes a 436nm et 365nm. Des la n des annees 80, le passage aux sources lasers a excimeres a permis d’atteindre des longueurs d’onde de 248nm et 193nm a haute intensit . En 2015, ASML apres des decennies de recherche introduit la source plasma EUV (extr^eme ultra-violet). Cette derniere permet d’atteindre une longueur d’onde de 13.5nm. Les equipements permettant l’utilisation d’une telle source commencent a ^etre utilises industriellement, longtemps retenus par un co^ut prohibitif et un contr^ole de proced di cile.

Cette course aux faibles longueurs d’onde est directement correlee au parametre le plus important d’un proced photolithographique : sa resolution, notee R. La de nition mathematique de la resolution s’inspire du critere de resolution de ni par Rayleigh. Historiquement, ce critere de nit la separation minimale entre deux points sources permettant de les distinguer a travers un systeme optique limite par la di raction. Selon ce critere les deux points sources sont consideres comme resolus si le premier maximum de di raction de l’un correspond au premier minimum de l’autre (en terme de t^ache d’Airy). Cette distance est notee RRayleigh : RRayleigh = 1:22 f (1.2)

Dans le cadre de cette these des resines type Novolak/DNQ seront utilisees. Ces resines sont positives (la region exposee devient soluble dans le developpeur) et sont constituees de trois elements principaux : une base de resine Novolak qui determine les proprietes structurelles et de developpement, un compose photo-reactif DiazoNaphtoQuinone (DNQ) qui permet de rendre la resine soluble une fois exposee et un solvant qui permet a ces deux composants d’exister sous forme liquide pour permettre l’etalement de la resine. Ce type de resine a et utilise par l’industrie micro-electronique (lithographie a 436nm ou 365nm) jusqu’a l’avenement de la lithographie par immersion. Un nouveau type de resine fut alors introduit : les resines a ampli cation chimique : Chemically Ampli ed Resist (CAR). Ces resines o rent de meilleures performances pour les n uds avances. Aujourd’hui, avec l’introduction de lithographie EUV, de nouveaux de s sur la formulation chimique des resines apparaissent.
L’image aerienne creee par le systeme d’exposition est projetee sur la resine et se propage a travers son epaisseur. L’intensit de l’image aerienne alors qu’elle se propage dans la resine dimi-nue a cause du phenomene d’absorption (d’autres e ets modi ent egalement sa distribution par exemple le defocus). Le degr d’absorption est un parametre cle de la resine en photolithogra-phie. Si elle est trop faible, le temps d’exposition devra ^etre long ce qui aboutit a une diminution du rendement. Si l’absorption est trop elevee, des di erences importantes de developpement ap-paraissent entre le sommet et le bas de la resine, ce qui ne permet pas d’obtenir des pro ls acceptables.
La sensibilit verticale d’une resine a la dose d’exposition correspond a sa courbe de contraste. Cette courbe relie la hauteur de resine apres developpement a la dose recue durant l’exposition. La Figure 1.18 presente deux courbes de contraste, l’une pour une resine positive et l’autre pour une resine negative. Dans le cas d’une resine positive, la resine n’est pas developpee lorsque la dose est inferieure a D0 tandis qu’elle est totalement developpee pour une dose superieure a Dtc (pour dose-to-clear). Le comportement inverse est obtenu avec une resine negative.

Dans cette section nous presenterons deux techniques de microlithographie ne faisant pas appel a la photolithographie. Le choix est fait de se limiter a des techniques qui mettent a pro t une exposition a dose variable pour generer des microstructures car elles se rapprochent le plus de la lithographie grayscale utilisee dans le cadre de cette these. Par consequent, certains concepts developpes par ces approches peuvent ^etre transposes au cadre du grayscale. D’autres techniques existent mais ne seront pas presentees dans ce manuscrit. le principal defaut de ces techniques est un temps d’ecriture beaucoup trop important (lithographie multi-photons, lithographie thermique…).

La lithographie par Digital Micro-Mirrors (DMD) est une technique de lithographie directe basee sur la modulation d’une dose d’exposition appliquee au lm de resine sur le substrat. La mo-dulation d’intensit est realisee par l’intermediaire d’une matrice de micro-miroirs dont chaque element peut ^etre contr^ole individuellement pour modi er sa re ectivit a une illumination inci-dente. Les systemes classiques de DMD sont composes d’un matricage de 1024 par 768 miroirs carres d’environ 10µm de c^ote.
La surface des miroirs est eclairee uniformement. Chaque miroir peut pivoter de maniere a reduire ou a augmenter sa re exion a l’illumination incidente. En utilisant un systeme de contr^ole numerique, il est donc possible de soumettre la resine a une dose variable spatialement. L’architecture d’un systeme DMD est presentee sur la Figure 2.1 ci-dessous. On retrouve plu-sieurs elements en commun avec un appareil de photolithographie, notamment la presence d’une source lumineuse, d’une lentille de projection qui applique egalement un facteur de reduction avant de projeter l’intensit lumineuse sur la resine.
L’utilisation des DMD est tres avantageuse car elle ne necessite pas la creation d’un masque chaque fois qu’une nouvelle exposition doit ^etre testee. En outre, il est possible d’implementer une boucle de retroaction en utilisant un diviseur de faisceau et une photo-diode a n de corriger dynamiquement l’intensit lumineuse re echie par la matrice de miroirs par rapport a la cible desiree. La resine principalement utilisee avec cette technique est le Poly(methyl methacrylate) (PMMA). [Ma et al., 2015, Totsu et al., 2006, Deng et al., 2017] presentent des applications de la lithographie DMD pour la realisation d’elements micro-optiques comme des matrices de pyra-mides, des re ecteurs paraboliques ou encore des microlentilles. Les dimensions de ces structures sont de plusieurs dizaines de micrometres, largement au-dela des dimensions d’inter^et pour cette these. [Luo and Zhang, 2017] explorent les possibilites o ertes par la double lithographie DMD a n de creer un matricage de microlentilles sur une surface courbe. Cette technique consiste a faire subir deux expositions successives a la resine avec deux doses di erentes.
Malgre tous ses avantages la technique de lithographie DMD sou re d’une vitesse d’ecriture trop faible pour envisager un transfert industriel. De plus, la taille des champs et des motifs atteignables ne permet pas d’envisager cette approche pour atteindre les dimensions attendues dans le cadre de cette these.

L’ecriture directe par laser est une technique relativement recente de micro-fabrication se basant sur l’utilisation d’un laser a dose variable a n de creer des motifs dans une resine photo-sensible. La source est une diode laser de longueur d’onde d’exposition 405nm ou 375nm dont le taille de spot permet, pour les appareils les plus performants, d’atteindre des performances en resolution jusqu’a 300nm (Modele DWL 66+ d’Heidelberg Instrument [hei, 2020]). Selon les modeles, le nombre de doses di erentes s’eleve a 128 ou 256 m^eme s’il est possible, en theorie, d’atteindre un nombre elev de niveaux en combinant plusieurs expositions a doses di erentes au m^eme endroit.
Chaque point de la resine peut ^etre exposee a une dose precise. Apres exposition la resine est developpee comme en lithographie classique. La relation entre niveau d’intensit et epaisseur de resine apres developpement (courbe de contraste) peut ^etre obtenue simplement gr^ace a des expositions tests suivies d’une mesure pro lometrique. En utilisant cette relation, [Loomis et al., 2016] propose un algorithme permettant de determiner la valeur de dose a appli-quer en chaque point de la resine de maniere a obtenir une forme donnee apres developpement. Il applique son algorithme a la realisation d’une matrice de microlentille de plusieurs dizaines de micrometres de diametre.
[Khazi et al., 2018] utilise egalement la lithographie directe par laser, et concentre son etude sur le transfert des formes obtenues dans le substrat par gravure Reactive Ion Etching (RIE).
[Lima et al., 2019] utilise un dispositif d’ecriture directe laser avec 128 niveaux dont la resolution laterale est de 600nm. La lon-gueur d’onde du laser est de 405nm. Le dis-positif utilise est tout-en-un : le laser est fourni avec un logiciel permettant de rensei-gner le pro l resine souhaite de maniere a generer l’exposition ideale, cette derniere etant ensuite a nee gr^ace a la courbe de contraste de la resine, determinee experimentalement. Des microlentilles, pyramides, et extrusions sont illustrees. Les dimensions laterales de ces objets depassent plusieurs centaines de na-nometres. L’impact du hardbake et du trans-fert de la forme par RIE est egalement etudie dans l’article. La Figure 2.2 a gauche illustre les di erentes etapes entre l’exposition et le trans-fert dans le silicium de motifs pyramides. La resolution atteignable par l’ecriture directe la- ser ne permet pas de l’envisager pour adresser les dimensions d’inter^et dans cette these.

Dans cette section seront presentees les techniques utilisant un masque pour moduler l’in-tensit lumineuse recue par la resine.

Comme son nom l’indique la lithographie a exposition multiple consiste a illuminer la resine plusieurs fois avec di erents masques (ou portion de masque) et conditions d’exposition. Cette approche a et developpee initialement dans le cadre de la photolithographie classique car elle permet de repousser la limite de resolution de Rayleigh.
Le nombre d’altitudes atteignables dans la resine avec l’exposition multiple est egal a n+1 ou n correspond au nombre d’expositions. En 2017, [Fallica et al., 2017] utilise la double exposition dans un stepper Extr^eme Ultra-Violet (EUV) avec un masque a interferences. Plusieurs reseaux de di raction a trois niveaux d’altitude sont obtenus pour un periode minimale de 100nm et une hauteur de 80nm. L’utilisation d’une source EUV permet d’atteindre une resolution horizontale d’environ 40nm.
L’exposition multiple n’est pas un candidat serieux pour realiser des formes complexes a l’echelle micrometrique a cause du nombre de masques necessaires devenant tres rapidement un facteur limitant. M^eme en supposant un budget masque non limite, le resultat dans la resine ne serait pas forcement de qualite en raison des problemes d’alignements entre chaque masque et chaque exposition.

Propose initialement par [Popovic et al., 1988], le uage thermique est un proced utilisant les techniques de lithographie conventionnelles pour produire des motifs 3D a geometrie va-riable. Cette methode de fabrication ne necessite qu’un equipement de photolithographie et de traitement thermique, la rendant compatible aux contraintes industrielles de salle blanche.
C’est cette technique qui est aujourd’hui utilisee par STMicroelectronics pour realiser les matrices de microlentilles abordees dans la partie contexte.
La technique du uage consiste a realiser une photolitho-graphie classique a n de creer des formes dans la resine (cube, cylindre, parallelepipede..) puis a les faire fondre par echau ement thermique. La forme nale est le resultat de phenomenes physiques complexes. Dans le cas ou n formes di erentes doivent ^etre realisees sur le m^eme sub-strat, cette etape doit ^etre repetee n fois. C’est notamment le cas de la double matrice de microlentilles presentee sur la Figure 2.5 ci-dessous dont les etapes de proced sont resumees graphiquement sur la Figure 2.4 ci-contre. Expo + dév Fluage.
L’optimisation de la forme des microlentilles necessite un travail empirique et iteratif : la forme obtenue apres uage ne correspond pas forcement a celle attendue. De nombreux parametres in uent sur la mise en forme de la resine : les forces d’adhesion, la mouillabilite des interfaces, l’angle de contact entre resine et substrat sur les bords des structures… Il arrive egalement que la resine reticule durant l’etape de uage : les cha^nes polymeres se solidi ent entre elles et perdent en mobilite. En n, un phenomene de perte de masse est egalement observ lors de l’etape de mise en forme, d^u a une evaporation.
La mise en forme par uage n’est pas non plus une solution lorsque les formes recherchees mesurent plusieurs centaines de micrometres jusqu’a l’echelle du millimetre. Dans ce cas, le temps de durcissement de la resine est bien trop long pour ^etre industriellement viable. La resine n’est pas durcie uniformement et ces inhomogeneites de durcissement resultent en un gradient d’indice optique nefaste.
Le uage fait toujours l’objet de recherche active, notamment sur les modeles predictifs de uage [Berard-Bergery et al., 2019]. Cependant, il est clair que la variet des motifs atteignables est intrinsequement limitee par la nature de la mise en forme par temperature. Il est par exemple impossible d’obtenir des structures a pente lineaire a l’image d’une pyramide de resine. De plus, des problemes d’alignement apparaissent des lors que plusieurs formes doivent ^etre realisees. En n, les etapes de photolithographie successives nuisent a la cadence et au co^ut de production pour des structures avec di erentes altitudes.

Les masques High Energy Beam Sensitive (HEBS) sont constitues d’une plaque de verre crown 1 naturellement transparente a l’illumination. Une implantation ionique est realisee de maniere a rajouter des atomes d’argent juste en dessous de la surface du verre. En exposant cette structure a un faisceau electronique su samment energetique (>10keV) la transmission du materiau peut ^etre modi ee localement gr^ace a une reaction chimique entre les atomes d’argent et les cristaux du verre. La diminution de la transmission est proportionnelle a la dose appliquee. Un masque HEBS est visible sur la Figure 2.6 ci-dessous :
La lithographie grayscale avec masque HEBS reste peu developpee, avec un seul fabricant de masque sur le marche [can, 2020]. Le fabricant de masque fournit un masque de calibration permettant d’obtenir la courbe de contraste de la resine a partir de 200 niveaux de gris di erents. [Yuan et al., 2002] utilise la courbe de contraste obtenue avec le masque de calibration a n de realiser une microlentille de 50µm de diametre. Le temps d’exposition est tres long : plus de 30 minutes. Le masque utilise n’est pas presente, mais est decrit comme un arrangement d’anneaux concentriques dont la densit optique diminue du centre de la lentille vers l’exterieur.
[Yang et al., 2007] utilise egalement un masque de calibration a n de realiser un masque HEBS permettant d’obtenir des matrices de microlentille asymetriques a base hexagonale. Le masque est constitue d’anneaux d’un micrometre d’epaisseur avec des densites optiques di erentes. L’ar-ticle souligne que la courbe de contraste obtenue pour la resine presente des instabilites pour des grandes valeurs de densites optiques. A n d’obtenir une surface lisse, les densites optiques utilisees sont donc restreintes entre 0 et 1.
Plus recemment, [Dillon et al., 2008] etudie l’application de la lithographie HEBS pour realiser un coupleur optique (largeur de 25µm et hauteur de 8µm) et souligne, sur la base de simulations, les limitations inherentes a l’utilisation de la courbe de contraste comme outil de construction du masque. Il utilise un modele photolithographique similaire a celui qui sera decrit dans le chapitre 3 et le modele de developpement de la resine de Mack (3.37). Une calibration complete du modele resine est realisee : les parametres de Dill sont determines en mesurant la transmission de la resine. Le modele de developpement est calibre in situ pendant l’etape de developpement pour plusieurs doses di erentes. La calibration est nalement ajustee sur la base des courbes de contraste de la resine.
Deux simulations de l’etape de developpement sont realisees : la premiere seulement selon la direction z (1D), la seconde en prenant en compte la nature isotrope de l’etape de developpement (2D). L’approche uni-directionnelle donne les resultats les plus proches du design initial mais neglige les e ets lateraux de l’etape de developpement. L’ecart entre le design et le pro l reel est d’autant plus important que l’epaisseur de resine augmente et que les densites optiques varient rapidement sur le masque.
En n, [Dillon et al., 2008] propose une methode d’optimisation de masque, dont le point de depart est le masque obtenu avec l’approche courbe de contraste. Le pro l resine est simule puis le masque est ajuste en utilisant un algorithme de recuit simule. La fonction de co^ut correspond aux moindres carres entre le pro l vise et simule. L’optimisation est realisee sur la base de l’optique geometrique et la simulation donne de bons resultats. Cependant, aucun resultat experimental n’est propose.

La lithographie grayscale est une extension de la lithographie classique appliquee a la realisation de formes arbitraires dans une resine photosensible. Le masque utilise en litho-graphie grayscale est compose exclusivement de motifs de chrome sous-resolus ou en limite de resolution. Ce type de motifs permet une modi cation locale d’amplitude a l’illumination incidente sur la resine. La resine etant spatialement exposee a une dose variable, son taux de dissolution est modi e localement. Le taux de developpement d’une resine (negative ou positive) etant proportionnel a son degr de dissolution dans le developpeur, il est possible d’obtenir des formes 3D complexes en contr^olant avec precision la dose recue par chaque point de la resine. Les structures obtenues peuvent ^etre transferees dans le substrat par gravure ou conservees telles quelles.
La taille, la forme, et la disposition des motifs de chrome sur le masque sont autant de variables qui in uent sur sa transmission. Tous ces parametres sont souvent regroupes sous le terme generique de densit de chrome. La densit de chrome est toujours choisie de maniere a eviter le transfert direct des motifs de chrome dans la resine. A n de respecter cette condition, les motifs de chrome sont dessines de maniere a rester en limite de resolution de l’equipement de photolithographie, donnee par le critere de Rayleigh adapte a la lithographie (1.3).