Un nouveau masque dur

Nov 22, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12180 (2022) Citer cet article

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Cette lettre résout un obstacle majeur qui gêne la fabrication de structures à micro-échelle en silicium basée sur la photolithographie. La photolithographie conventionnelle est généralement réalisée sur des surfaces de tranches lisses et plates pour créer une conception 2D, puis la graver pour créer des caractéristiques à un seul niveau. Il est cependant incapable de traiter des surfaces non planes ou des tranches déjà gravées et de créer plus d'un niveau dans la structure. Dans cette étude, nous avons décrit un nouveau flux de processus basé sur une salle blanche qui permet de créer facilement de telles structures 3D hiérarchiques à plusieurs niveaux dans un substrat. Ceci est obtenu en introduisant une couche de masque dur sacrificiel ultra-mince en dioxyde de silicium sur le substrat qui est d'abord modelée en 3D via plusieurs cycles de lithographie. Ce motif 3D est ensuite mis à l'échelle verticalement d'un facteur de 200 à 300 et transféré sur le substrat situé en dessous via une étape de gravure profonde en une seule fois. La méthode proposée est également facilement caractérisable : en utilisant des caractéristiques de différentes topographies et dimensions, les taux de gravure et les sélectivités ont été quantifiés ; ces informations de caractérisation ont ensuite été utilisées lors de la fabrication de structures cibles spécifiques. En outre, cette étude compare de manière exhaustive la nouvelle technique de transfert de motifs aux méthodes déjà existantes de création de structures à plusieurs niveaux, telles que la lithographie en niveaux de gris et l'empilement de puces. Le processus proposé s'est avéré moins cher, plus rapide et plus facile à normaliser par rapport à d'autres méthodes, ce qui a rendu le processus global plus fiable et reproductible. Nous espérons que cela encouragera davantage de recherches sur les structures hybrides qui détiennent la clé d’améliorations spectaculaires des performances de plusieurs dispositifs à micro-échelle.

Les progrès des techniques de traitement micro-nano basées sur la lithographie ont révolutionné la technologie dans le monde entier grâce à sa capacité à produire en masse de manière rentable des structures allant d'une longueur inférieure à 10 nm jusqu'à une échelle millimétrique. Certaines de ces structures comprennent des composants électroniques à l'échelle nanométrique comme les FET, les IGBT1, des caractéristiques submicroniques comme les guides d'ondes optiques2, les lentilles de Fresnel3, les dispositifs photoniques4 et les dispositifs micro-nanofluidiques5. Les caractéristiques légèrement plus grandes à l'échelle micro (1 à 100 μm) et méso (0,1 à 1 mm) sont encore plus utiles dans la technologie moderne et ont connu des myriades d'applications dans les domaines de la microfluidique6, des technologies de refroidissement7,8, de la recherche sur les batteries9, de la sorption-désorption10, du dessalement11 et de la catalyse12. . Bien qu’omniprésente, polyvalente et indispensable en tant que technique de fabrication micro-nano, la lithographie conventionnelle en salle blanche souffre d’une limitation majeure. Ce type de traitement ne peut créer efficacement que des structures 2,5D ou à un seul niveau (Fig. 1a, b), mais est incapable de créer de manière fiable des structures hiérarchiques 3D hybrides à plusieurs niveaux (structures avec plus d'un niveau de hauteur ou de profondeur, comme illustré). sur les figures 1c – e) de profondeurs supérieures à 1 à 5 μm. Par la voie conventionnelle LELE (Litho-Etch Litho-Etch), une conception/motif 2D (contrôle total disponible sur la conception des caractéristiques en 2D) est d'abord posé lithographiquement sur une couche de masque sacrificielle [généralement, un polymère photosensible appelé photoresist (PR)] sur la plaquette. Ce masque est désormais utilisé comme protection pour graver la partie exposée du motif sur la plaquette. Grâce à une série de « lithographie + gravure », l'ensemble du motif peut être gravé à une seule profondeur spécifique, donnant ainsi naissance à une structure à un seul niveau. Le processus conventionnel en salle blanche LELE nécessiterait normalement plusieurs séries de « lithographie + gravure » consécutives pour obtenir les structures multi-niveaux souhaitées (Fig. 1f – i). Le goulot d'étranglement est dû à un deuxième cycle de lithographie insatisfaisant (Fig. 1i) sur des tranches qui ont déjà subi un cycle de « lithographie + gravure » et comportent donc des caractéristiques gravées (hauteur ≥ 5 μm). Cela constitue un obstacle majeur à la fabrication à une époque où les structures hybrides détiennent la clé d’améliorations spectaculaires des performances des appareils existants. (Des détails supplémentaires sur l’utilité des structures hybrides peuvent être trouvés dans la section « Impact ».)