Brevet FR2775797A1 — publié le 19990910

DISPOSITIF ET PROCEDE DE FORMATION DE MOTIFS DE LITHOGRAPHIE UTILISANT UN INTERFEROMETRE Domaine technique L'invention concerne un dispositif de lithographie et un procédé permettant de former des motifs de lithographie dans une couche sensible. L'invention trouve des applications notamment dans les domaines de la micro-électronique, la micromécanique et l'optique, pour la réalisation de microstructures ou de nanostructures, c'est-à-dire de structures dont les dimensions, très petites, se situent dans une gamme allant de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres. L'invention peut être mise en oeuvre, par exemple, dans la fabrication de dispositifs tels que des transistors mono-électron, des boîtes quantiques, des fils quantiques, ou des réseaux de diffraction pour rayons X. Etat de la technique antérieure La réalisation des structures de microélectronique ou de micro-mécanique associe des techniques de lithographie à des techniques de dépôt de matériau, de gravure de matériau, de dopage, d'oxydation, etc... Les techniques de lithographie permettent la mise en forme de couches de matériau, telle qu'en particulier des couches de résine photosensible. Ces couches de résine servent ensuite à graver ou éliminer sélectivement des parties d'autres couches sousjacentes ou sus-jacentes. Les couches sensibles, telles que la résine photosensible, sont soumises à un faisceau d'exposition à travers un masque optique. Ce masque présente des motifs d'exposition, de façon à n'exposer, ou insoler, que des parties sélectionnées de la couche sensible. Les parties sélectionnées correspondent soit aux motifs que l'on souhaite pratiquer dans la couche sensible, soit à des parties complémentaires des motifs que l'on souhaite réaliser. Enfin, un développement de la couche sensible permet d'éliminer les parties insolées (résine positive) ou au contraire les parties non insolées (résine négative). I1 s'avère cependant que ces techniques de lithographie, connues, sont incompatibles avec les dimensions de certaines nanostructures et certaines microstructures que l'on souhaite réaliser, et les contraintes liées à la production industrielle de dispositifs incluant de telles structures. En particulier, les techniques usuelles de lithographie sont inadaptées à la réalisation industrielle de structures telles que des réseaux de rainures ou de bandes parfaitement rectilignes, agencées selon un pas très fin, inférieur au micron, et de très grande longueur, par exemple de tordre d'une dizaine de centimètres. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un procédé de formation de motifs de lithographie, et un dispositif de lithographie correspondant, ne présentant pas les difficultés et limitations évoquées ci-dessus. Un but de l'invention est en particulier de proposer un tel procédé et un tel dispositif permettant de réaliser de façon industrielle des dispositifs comportant des structures dont les dimensions sont comprises entre quelques nanomètres et quelques micromètres. Un autre but est de proposer un dispositif et un procédé de lithographie permettant de réaliser des structures telles que des réseaux, avec de grandes dimensions et un pas très fin. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un procédé de formation de motifs de lithographie dans une couche sensible par soumission de cette couche à au moins un faisceau d'exposition. Conformément à l'invention, le procédé comporte au moins une étape lors de laquelle on fait passer le faisceau d'exposition par un interféromètre pour exposer la couche sensible selon un motif d'interférence. Le procédé de l'invention peut combiner l'utilisation de plusieurs faisceaux d'exposition, ces derniers pouvant être utilisés soit simultanément, soit successivement. Le procédé peut, notamment dans le cas où la couche sensible est une couche de résine photosensible, être complété par un développement de la couche sensible pour mettre en forme les motifs de lithographie selon le motif d'interférence. Selon un aspect particulier de l'invention, le faisceau d'exposition peut être un faisceau de photons ou un faisceau d'électrons. Le faisceau de photons peut comprendre notamment des rayons X, des U.V., des rayons dans le visible, l'infrarouge. Le motif d'interférence peut se présenter sous la forme d'un réseau de franges d'aspect moiré. Les franges sont dite franges de "moiré". Pour une description plus détaillée des franges de moiré, obtenues notamment à partir de rayons X, on peut se reporter aux documents (1) et (2) dont les références sont précisées à la fin de la présente description. Pour obtenir des franges de "moiré" on utilise de préférence un interféromètre comportant deux ou plusieurs réseaux périodiques associés. En effet, les franges de "moiré" sont le résultat d'un phénomène d'interférence qui se produit notamment lorsqu'une onde électromagnétique se propage successivement à travers deux réseaux périodiques. Les deux réseaux périodiques peuvent présenter des pas différents. Dans ce cas, les réseaux sont agencés de façon à présenter sensiblement la même orientation. Les deux réseaux peuvent aussi présenter des pas identiques. Ils sont alors agencés de façon à présenter des orientations angulairement décalées. Le pas des réseaux de l'interféromètre peut être ajusté en fonction de la longueur d'onde du faisceau d'exposition de façon à être, de préférence, du même ordre de grandeur. Selon un aspect particulier de l'invention, on peut utiliser un interféromètre dont les réseaux périodiques sont formés par des réseaux atomiques de matériaux cristallins. Ces réseaux ont l'avantage de présenter un pas de l'ordre de grandeur de la fraction de nanomètre. Ainsi, les franges de "moiré" obtenues peuvent présenter un pas ajustable entre des valeurs inférieures au nanomètre, jusqu'à plusieurs dizaines de micromètres, par exemple. Le pas des franges de "moiré" est en effet toujours supérieur au pas des réseaux. Le pas des franges est indépendant de la longueur d'onde du rayonnement qui traverse l'interféromètre mais peut être ajusté en modifiant le pas des réseaux ou en modifiant l'orientation relative des réseaux qui composent l'interféromètre. A titre d'exemple, dans le cas où deux réseaux composant l'interféromètre présentent le même pas d, le pas des franges de "moiré", noté D, est relié au pas d des réseaux par la relation suivante. d D= . # Dans cette formule, qui est valable pour des faibles valeurs de 0, 0 représente l'angle, mesuré en radians, entre les orientations des réseaux. Pour des angles 0 plus grands, ltexpression de la relation entre le pas des franges de "moiré" et les pas des réseaux est plus complexe. Le document (3), dont la référence est indiquée à la fin de la présente description, illustre l'obtention de franges de "moiré" présentant un pas de 17 Vm, à partir de plaquettes de silicium dont l'orientation est décalée d'un angle de 2,5 sec. Dans un autre exemple, concernant l'utilisation d'un interféromètre avec deux réseaux de pas différents, notés dl et d2, mais présentant la même orientation (0=0) , le pas D des franges de "moiré" est tel que dl-d2 dl - d2 Pour la réalisation d'interféromètres comportant deux réseaux de pas différents mais orientés de la même façon, on peut utiliser des plaquettes de matériaux cristallins différents. On peut aussi utiliser des cristaux du même matériau et appliquer à l'un des cristaux une contrainte supplémentaire par rapport à l'autre cristal afin de faire légèrement varier le pas de son réseau. La contrainte peut être une contrainte externe exercée par l'application au cristal de forces de tension ou de compression. Elle peut également être une contrainte interne. Une telle contrainte interne peut être générée par l'introduction d'impuretés dans le cristal, par diffusion ou implantation, ou encore par création de défauts cristallins par bombardement ionique. Pour former une figure d'interférence à partir d'un faisceau d'électrons on peut aussi utiliser un biprisme de Mollenstedt capable de séparer le faisceau d'électrons en deux faisceaux et de défléchir ces faisceaux de façon qu'ils se recouvrent et forment une figure d'interférence. Les deux faisceaux émis par un biprisme de Môllenstedt se comportent comme s'ils étaient émis par deux sources fictives, et le pas D des franges d'interférence électronique obtenues est tel que L D = X.-, où "X" est la longueur d'onde électronique, a "L" la distance séparant la couche de matériau sensible et les sources fictives, et "a" la distance séparant les sources fictives entre elles. Les documents (4), (5) et (6), dont les références sont précisées à la fin de la présente description, donnent une description plus détaillée de l'interférométrie électronique. L'invention concerne également un dispositif de lithographie pour appliquer sur une couche sensible au moins un faisceau d'exposition. Conformément à 1 ' invention, le dispositif comporte un interféromètre disposé entre une source du faisceau d'exposition et la couche sensible, pour former dans la couche sensible un motif d'interférence. Comme indiqué précédemment, le faisceau d'exposition peut être un faisceau d'électrons ou un faisceau de photons (visible, UV, X, ...). Lorsque le faisceau d'exposition est un faisceau d'électrons, l'interféromètre du dispositif de lithographie peut être un interféromètre électronique à filament polarisé. La source du faisceau d'exposition peut être une source d'électrons comportant une cathode à émission de champ telle qu'une cathode à micropointe. Par ailleurs, dans une réalisation particulière du dispositif, la source du faisceau d'exposition et l'interféromètre peuvent être réalisés sur un même substrat sous forme intégrée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures - La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de lithographie conforme à 1 invention utilisant une source de photons. - La figure 2 montre un substrat comportant un réseau de bandes parallèles obtenu conformément à l'invention. - La figure 3 est une représentation schématique, en coupe, d'un dispositif conforme à 1 invention utilisant une source d'électrons. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La figure 1 montre de façon schématique les principaux éléments d'un dispositif de lithographie conforme à l'invention. La référence 10 indique une source de photons de forte intensité capable d'émettre un faisceau large 12 tel que des rayon X. Le faisceau 12 de rayons X, émis par la source, 10 peut être généré par exemple à partir d'un faisceau primaire d'électrons fourni par un synchrotron. Selon des variantes, la source 10 peut être remplacée par une source émettant un faisceau d'électrons. Le faisceau 12 est dirigé vers la surface d'une couche superficielle 14 de matériau sensible à la longueur d'onde du rayonnement de la source 10. La couche de matériau sensible est, par exemple, une couche de résine photosensible formée sur un substrat 16. Toutefois, avant d'atteindre la surface de la couche de matériau sensible, le faisceau 12 traverse un interféromètre 18 formé par exemple par deux plaques de matériau cristallin (deux plaques très fines ( quelques centaines de nm dans le cas où on utilise des électrons)). La traversée de l'interféromètre 18 permet de former sur la couche du matériau sensible 14 une figure d'interférence 20 composée d'une alternance de franges "brillantes", recevant le rayonnement, et de franges "sombres". Ces franges sont des franges de "moiré" telles que décrites précédemment. On peut noter que la matériau sensible de la couche superficielle 14 peut être exposé plusieurs fois, en modifiant par exemple l'orientation du substrat lors de chaque exposition. Les franges d'interférence obtenues lors des différentes expositions peuvent être croisées afin de réaliser, par exemple, un motif selon un réseau orthogonal ou carré. Par ailleurs, un masque 22 peut être prévu entre la source 10 du faisceau d'exposition et la couche de matériau sensible. Le masque 22 permet d'occulter des parties sélectionnées de la couche sensible 14 sur lesquelles on ne souhaite pas former de figure d'interférence. En particulier, le masque peut comporter des motifs d'exposition correspondant à des structures que l'on souhaite réaliser sur la couche sensible. Ainsi, un tel masque permet de combiner le procédé de l'invention avec les techniques classiques de la lithographie. La figure 2 montre le substrat 16 après un développement de la couche de résine photosensible. Dans l'exemple représenté, la résine est une résine positive, et le développement de la résine permet de dissoudre toutes les parties qui n'ont pas été exposées. On obtient ainsi sur le substrat 16 un réseau de fils 24, parallèles et très fins. Le procédé de l'invention permet de réaliser de tels fils de grande longueur permettant de "couvrir" un substrat d'un diamètre de 300 mm. Les fils fins 24 peuvent à leur tour être utilisés comme masque de gravure pour mettre en forme des couches sous-jacentes du substrat 16. La formation de franges d'interférence peut être obtenue, dans une autre mise en oeuvre particulière de l'invention, avec une source ponctuelle d'électrons. Pour obtenir une figure d'interférence à partir d'une unique source d'électrons, on peut utiliser un biprisme de Môllenstedt. Ce biprisme est construit pour l'essentiel autour d'un fil polarisé. Il permet de séparer en deux moitiés un faisceau d'électrons émis par une source, et défléchir ces deux faisceaux pour qu'ils se recouvrent et interfèrent. L'interférence produit des franges d'interférence modulées en intensité, parallèles au fil polarisé du biprisme. Par analogie avec l'interférence optique une frange "brillante" correspond à une frange où les électrons atteignent la cible et une frange "sombre" correspond à une frange où les électrons n'atteignent pas la cible. A titre d'illustration du principe d'interférence électronique, on peut se reporter aux documents (4), (5), (6) et (7) dont les références sont précisées à la fin de la présente description. La figure 3 montre un dispositif de lithographie, conforme à l'invention, utilisant l'interférence d'électrons. Des parties de cette figure, identiques ou similaires à celles de la figure 1, portant les mêmes références auxquelles on a ajouté 100 (cent). Une source d'électrons ponctuelle 110 est formée par une cathode à micropointe 110a et une grille d'extraction 110b. L'énergie des électrons d'un faisceau 112 émis par la source 110 est fonction de la tension appliquée entre la cathode à micropointe 110a et la grille d'extraction 110b. Un interféromètre 118, du type de Môllenstedt comporte un fil 118a (vu en coupe), et des plaques équipotentielles 118b. On peut noter que l'interféromètre 118 de même que la source 110 peuvent être réalisés de manière intégrée sur un même substrat. Le fil 118a, polarisé, sépare le faisceau 112 en deux moitiés de faisceau 112a et 112b. Une déflexion de ces faisceaux permet de former une zone d'interférence 120 et de former sur une couche sensible 114, qui constitue une anode, des franges d'interférence. Cette déflexion est obtenue en ajustant la différence de potentiel entre le fil 118a et les plaques 118b. La couche sensible est par exemple une résine sensible du type utilisé de façon connue dans les opérations de lithographie avec un masqueur électronique (électron beam pattern generator). La référence 122 désigne un diaphragme délimitant le champ d'interférence donc d'insolation. La tableau I ci-après indique en fonction de l'énergie des électrons, du diamètre du fil polarisé 118a et de la distance d'entre le fil polarisé et la surface sensible, la valeur de l'interfrange. TABLEAU I ENERGIE ET LONGUEUR D'ONDE DU DIAMETRE DU DISTANCE INTERFRANGE FAISCEAU FIL (um) FIL/ANODE (um) D'ELECTRONS E=5OeV 0,1 1 cm 17 um k=0,17 mm E=50eV 0,1 1 mm 1,7 um R=0,17 mm E=50eV 0,1 10 um 0,017 um k=0,17 mm E=100eV 0,1 10um 12 nm k=0,11 mm L'interfrange, c'est-à-dire la distance d'axe à axe entre deux franges (brillantes ou sombres) consécutives est maximum lorsque les deux faisceaux 112a et 112b défléchis commencent à se superposer. Lorsque la tension de polarisation, appliquée au fil 118a est augmentée, les faisceaux 112a et 112b se courbent, se superposent davantage et la valeur de l'interfrange diminue. La valeur de l'interfrange dépend pour l'essentiel de l'énergie des électrons, du diamètre du fil 118a et de la distance d et de la polarisation appliquée au fil et aux plaques 118b. Le développement consiste à baigner (ou arroser) les plaquettes portant la résine insolée dans (avec) un bain chimique qui peut être du type basique ou solvant. Cette opération permet de dissoudre les parties insolées de la résine dans le cas d'une résine positive, et de dissoudre les parties non-insolées dans le cas d'une résine négative. DOCUMENTS CITES (1) "X-ray MOIRE fringes topography of lattice defects in quartz" par A.R. Lang, NATURE, vol. 220, Novembre 16, 1968, pages 652,657. (2) "The years of X-Ray interfermetry", par M. Hart, Proc. R. Soc. Lond. A. 346, 1-22 (1975) (3) "Use of the Ewald sphere inaligning crystal pairs to produce X-ray moire fringes par J. Bradler et A. R. Lang, Acta Crystallographica, vol. A24, 1968, pages 245 à 247. (4) "Construction d'un interféromètre électronique pour l'étude des propriétés émissives de micropointes à effet de champ. Diffraction et interférence d'électrons lents", par C. Py, These de Doctorat (Physique) Université Joseph Fourier-Grenoble 1 ( 1993). ou "Low-energy electron interference with Spindt-type microtips" par C. Py et R. Baptist, J. Vac. Sci. Technol. B 13(2), Mar/Apr 1995 (5) "Electron interferometry and interference electron microscopy. PAR G.F. Missiroli, G. Pozzi and U. Valdré, J. Phys. E Sci. Instrum, vol. 14 (1981), p. 649-670. (6) "Interferometrie electronique à basse énergie" par W. Lai, Thèse de Doctorat (Sciences des matériaux), Université Aix-Marseille III (1997); (7) "Practical Electron Microscopy in Materials Science-Monograph Three", pages 80 à 84 de J. W. Edingt-on - Macmillan/Philips Technical Library REVENDICATIONS 1. Procédé de formation de motifs de lithographie dans une couche (14, 114) de matériau sensible par soumission de cette couche à au moins un faisceau d'exposition (12, 112), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape lors de laquelle on fait passer le faisceau d'exposition à travers un interféromètre (18, 118) pour exposer la couche de matériau sensible selon un motif d'interférence. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le faisceau d'exposition est un faisceau de photons. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le faisceau d'exposition est un faisceau d'électrons. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le motif d'interférence est un réseau de franges, dites franges de "moire". 5. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre le développement de la couche (14, 114) de matériau sensible pour former les motifs de lithographie selon le motif d'interférence. 6. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on utilise un interféromètre équipé de réseaux périodiques. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on fait passer en outre le faisceau d'exposition à travers un masque (22, 122) présentant des motifs d'exposition. 8. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on utilise un interféromètre (118) comprenant un biprisme de Mollenstedt. 9. Dispositif de lithographie pour appliquer à une couche de matériau sensible (14, 114) au moins un faisceau d'exposition (12, 112), caractérisé en ce qu'il comporte un interféromètre (18, 118) disposé entre une source (10, 110) du faisceau d'exposition et la couche de matériau sensible pour former dans la couche de matériau sensible un motif d'interférence. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le faisceau d'exposition (112) est un faisceau d'électrons et dans lequel l'interféromètre (118) est un interféromètre électronique à filament polarise. 11. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la source (110) de faisceau d'exposition est une source d'électrons comportant une cathode à émission de champ. 12. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la source du faisceau d'exposition et l'interféromètre sont formés sur un même substrat. 13. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le faisceau d'exposition (12) est un faisceau de photons ou d'électrons. 14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le motif d'interférence étant un réseau de franges de "moire" l'interféromètre comporte au moins deux réseaux périodiques. 15. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel la source (10) du faisceau d'exposition est une source de photons générés par un faisceau d'électrons d'un synchrotron. 16. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel les réseaux périodiques de l'interféromètre (18) sont formés par les réseaux atomiques de matériaux cristallins. 17. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel l'interféromètre (18) comporte des plaquettes de matériau cristallin à réseaux atomiques, présentant une orientation ajustable. 18. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel l'interféromètre (18) comporte deux réseaux cristallins réalisés en un même matériau et dont l'un est soumis à une contrainte suffisante pour modifier son pas de réseau.