Compte-rendu de TP

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Table des matièresI Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1I.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1I.2 Principe de la lithographie électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1I.3 Remarques préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2II Présentation du matériel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3II.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3II.2 Résine utilisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4III Protocole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5III.1 Spin-coating de la résine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5III.2 Réglage de la mise au point et optimisation du step size . . . . . . . . . . . . . . . 5III.3 Mesure du courant pour l’insolation de la résine et intérêt des tests de dose . . . . 7III.4 Type de substrat à utiliser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8III.5 Calibration du champ d’écriture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8III.6 Création d’un système de coordonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9III.7 Développement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10IV Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10IV.1 Généralités sur les observations effectuées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10IV.2 Différences liées à la taille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11IV.3 Différences liées à la forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13IV.4 Raccords des champs d’écriture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13V Conclusion(s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14IIntroductionI.1 ObjectifsL’objectif de cette séance est de manipuler un appareil de lithographie électronique, de réaliser desmotifs sur une résine posée sur un substrat de silicium et d’observer les caractéristiques et paramètresdéterminant la qualité de la lithographie (qualité d’insolation des motifs, définition des contours. . . )I.2 Principe de la lithographie électroniqueLa lithographie électronique consiste à insoler certains motifs sur un échantillon sensible aux électronsayant une énergie de 20 à 100 keV, réglable via la tension d’accélération V acc 1 . Avec des notationsusuelles (E étant l’énergie d’un électron), nous obtenons l’expression de la longueur d’onde λ associéeaux électrons avec le petit calcul suivant :E = p22m = 4π2 22mλ 2Or nous avons aussi, en négligeant l’énergie thermique de l’électron :E = eV acc1. Il y a typiquement plusieurs générations d’appareils à l’IEF, les plus anciens fonctionnant autour de 20 à 30 kV tandisque les plus récents travaillent davantage aux alentours de 80-100 kV.1
D’où l’expression de la longueur d’onde λ associée à l’électron 2 :λ =h√ 2emVaccOn se place donc à des longueurs d’ondes comprises entre 4 et 9 pm environ, ce qui correspond dansle domaine électromagnétique à des rayons X.L’intérêt d’une telle réduction de la longueur d’onde utilisée par rapport aux longueurs d’ondes électromagnétiquesutilisées en lithographie optique (typiquement 404,7 nm pour les lithographies utilisantdes lampes à vapeur de mercure) est de limiter les effets de diffraction lors de l’insolation.En effet, la résolution de la lithographie est proportionnelle au rapport :λONoù λ est la longueur d’onde utilisée dans le procédé et ON l’ouverture numérique du faisceau (ici ON =sin (i 0 ) dans le vide où i 0 est l’angle d’ouverture). Or il n’est pas vraiment possible de jouer sur la valeurde l’ouverture numérique : il ne nous reste donc plus que λ comme paramètre pour améliorer les choses.I.3 Remarques préliminairesI.3.a Lorsque l’observation est destructive. . .En lithographie électronique, le dispositif d’observation est basé sur le même principe que le dispositifd’insolation. Ainsi, la méthode d’observation est perturbative. En observant l’échantillon, on l’insole, etpar conséquent il est indispensable de disposer d’un système informatisé de coordonnées permettantd’atteindre des endroits déterminés de l’échantillon sans avoir à l’observer.I.3.bDu caractère user-dependant de la lithographie électroniqueComme l’instrument d’observation est le même que l’instrument de manipulation lors de la lithographie,c’est donc la qualité de la mise au point faite par l’utilisateur qui détermine la qualité de lalithographie. Ainsi, contrairement à la lithographie optique où les manipulations sont succinctes et primaires,il s’agit-là d’un procédé dont la qualité dépend très largement de l’expérimentateur et pour lequella reproductibilité d’un échantillon à l’autre est donc plus difficile à garantir.I.3.c C’est pas bientôt fini ? !Il s’agit d’un procédé extrêmement lent, car les motifs sont insolés point par point tandis qu’enlithographie optique, l’ensemble du wafer est insolé simultanément (méthode de fabrication collective),ce qui permet d’obtenir des temps de l’ordre de la minute pour insoler un wafer entier. Ici, le tempsnécessaire pour la lithographie dépend de la surface (au sens « aire ») à insoler.Prenons l’exemple décrit à la Figure 1 page suivante , à savoir un carré de 1 cm de côté, que l’onsouhaite entièrement insoler avec des spots de 10 nm de diamètre. Avec les notations de la figure citéeet en supposant que l’ensemble tient une cadence de N p = 10 6 pts/s, le temps nécessaire ∆t pour insolerest alors donné par :∆t = L x⌀ s× L y⌀ s× 1 N p= 1 × 10 6 sIl faut plus de 11 jours pour insoler notre petit carré ! Autant dire que de tels ordres de grandeur pour∆t ne sont absolument pas envisageables pour une production industrielle (où les wafers font davantage30 cm de diamètre que 1 cm. . . ).Ainsi, l’insolation d’un wafer entier, même de quelques centimètres de diamètre, prend plusieursdizaines d’heures, voire plusieurs jours, ce qui en fait un procédé inutilisable à l’échelle de l’industriede masse, et le réserve à l’utilisation en laboratoire ou pour la création de masques qui servent ensuite2. En toute rigueur, il faudrait prendre en compte les effets relativistes, notamment pour les plus fortes valeurs deV accpuisque dans ce cas les électrons atteignent alors des vitesse de presque 2 × 10 8 m.s −1 . Toutefois, même sans en tenircompte, l’idée est la même : plus les électrons sont énergétiques, plus la longueur d’onde qui leur est associée est faible.2
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