Brevet FR2906401A1 — publié le 20080328

Procédé de dépôt d'une couche polymère sur une face non plane d'un support par trempage. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un procédé de dépôt d'une couche polymère d'une épaisseur prédéterminée sur une face non plane d'un support et, plus particulièrement, d'un substrat utilisé dans un composant microélectronique ou un microsystème. État de la technique La réalisation de dispositifs électroniques, tels que des composants microélectroniques ou des microsystèmes, nécessite le plus souvent la réalisation d'une étape de lithographie destinée à transférer des motifs sur un substrat. L'étape de lithographie consiste, de manière générale, à déposer une couche en résine photosensible sur un substrat. La couche en résine photosensible est, ensuite insolée, à travers un masque structuré, c'est-à-dire à travers un masque comportant des motifs. La résine photosensible est, enfin, développée de manière à obtenir, dans ladite résine, des motifs correspondant soit aux motifs du masque (cas d'une résine photosensible positive), soit aux parties complémentaires des motifs du masque (cas d'une résine photosensible négative). Une étape de gravure peut ensuite être réalisée à travers la résine photosensible structurée pour transférer les motifs dans le substrat. L'étape de lithographie et, en particulier, la phase correspondant au dépôt de la couche en résine photosensible, également appelée phase de couchage de la résine, sont critiques en terme de résolution et de qualité. 2906401 2 La technique la plus classiquement utilisée pour déposer la couche en résine sur un substrat, est le dépôt de résine par centrifugation, également connu sous le nom anglo-saxon de spin coating . Cette technique consiste à former un film mince uniforme sur un substrat mis en rotation. Un liquide est, 5 ainsi, déposé sur la surface du substrat et il est étalé sur la face du substrat, par l'action de la force centrifuge créée par la rotation du substrat. Ceci forme, une fois le solvant évaporé, un film mince en résine photosensible. Bien que largement répandue, cette technique n'est pas adaptée à tout type 10 de substrat. En effet, la technique de dépôt par centrifugation ou de spin coating génère des défauts pour les substrats présentant une surface non plane. A titre d'exemple, pour une surface munie de zones en relief, par exemple des piliers, l'épaisseur de la couche déposée par spin coating risque de ne pas être uniforme. Les flancs des zones en relief peuvent être 15 exempts de résine tandis que la résine peut s'accumuler au pied des zones en relief. Pour une surface comportant des zones en creux, par exemple des cavités, le liquide déposé pénètre dans les zones en creux de manière inhomogène, créant des amas de liquide dans les angles d'une zone en creux ou au fond de ladite zone. Or, dans certaines applications, il est 20 souhaitable d'avoir une couche en résine d'épaisseur uniforme sur la partie plane du substrat sans que la résine ne remplisse les zones en creux. Avec la technique de dépôt par spin coating , l'élimination de l'excès de résine contenu dans les zones en creux doit être réalisée lors des étapes d'insolation et/ou de développement de la résine, ce qui peut générer des 25 défauts du fait de l'inhomogénéité du dépôt de résine dans les zones en creux. Une technique de dépôt a été proposée pour déposer une résine photosensible sur un substrat présentant une face non plane. Cette 30 technique a, par exemple, été reportée par Nga P. Pham et al. dans l'article Direct spray coating of photoresist-a new method for patterning 3-D structures (Eurosensors XVI The 16th European Conference on Solid-State 2906401 3 Transducers, September 15-18 2002, Prague, Czech Republic). Elle consiste à pulvériser, sur un substrat mis en rotation, un spray d'un composé destiné à former la couche et dilué dans un solvant, à l'aide d'une buse de pulvérisation ultrasonique. Ceci permet de déposer le composé sur 5 l'ensemble du substrat, notamment en déplaçant le substrat par rapport à la buse de pulvérisation. Cette technique est également connue sous le nom anglo-saxon spray coating . Cette technique reste, cependant, difficile à mettre en oeuvre. De plus, 10 l'épaisseur des couches déposées est limitée car le composé est dilué dans un solvant et il présente une faible viscosité. Ainsi, avec la technique dite de spray coating , les couches déposées ne peuvent pas avoir une épaisseur supérieure à 10 m, pour des zones en creux d'une profondeur supérieure à 250 m. Enfin, cette technique induit une perte de produit importante. En 15 effet, le recouvrement complet du substrat par le composé oblige à vaporiser une grande quantité de solution pour obtenir la quantité réellement nécessaire de composé déposé. Ceci engendre un surcoût financier. Pour des substrats particuliers, la couche en résine peut être déposée à 20 l'aide d'un film sec photosensible. Dans ce cas, le film est laminé sur la face avant du substrat et sa rigidité permet d'obtenir une membrane recouvrant les zones en creux sans y pénétrer. Cette technique n'est, cependant, adaptée qu'aux substrats comportant des faces munies de zones en creux qui n'ont pas besoin d'être remplies. De plus, l'utilisation d'un film sec offre 25 une résolution de 10 m alors que le dépôt par centrifugation d'une couche en résine permet d'obtenir une résolution de 0,5 m à 1 m. Objet de l'invention L'invention a pour but un procédé de dépôt d'une couche polymère d'une épaisseur prédéterminée sur une face non plane d'un support remédiant aux 30 2906401 4 inconvénients de l'art antérieur et plus particulièrement, facile à mettre en oeuvre et peu coûteux. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le procédé comporte au 5 moins les étapes successives suivantes : mise en place du support au-dessus d'un mélange liquide comprenant au moins le polymère ou au moins un précurseur dudit polymère, la face non plane du support étant dirigée vers le bas, en direction du mélange, trempage de la face non plane du support dans ledit mélange, 10 retrait de la face non plane hors dudit mélange, et mise en rotation du substrat à une vitesse de rotation prédéterminée pour obtenir ladite épaisseur. Selon un développement de l'invention, la face non plane du support 15 comporte des zones en relief, l'épaisseur prédéterminée de la couche polymère étant uniforme sur la totalité de la face non plane. Selon un autre développement de l'invention, la face non plane du support comporte des zones en creux comportant des parois non recouvertes par la 20 couche polymère. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : 30 Les figures 1 à 7 représentent schématiquement en coupe un premier mode de réalisation d'un procédé selon l'invention. 25 2906401 5 -La figure 8 représente l'évolution de l'épaisseur d'une couche en benzocyclo-butène déposée par un procédé de dépôt selon l'invention en fonction de la vitesse de rotation du substrat, pour différentes viscosités cinématiques, l'épaisseur étant mesurée sur le plan principal de la face 5 non plane du substrat. - Les figures 9 à 15 représentent schématiquement en coupe un second mode de réalisation d'un procédé selon l'invention. Io Description de modes particuliers de réalisation Comme représenté sur les figures 1 à 7, une couche polymère 1 d'une épaisseur E prédéterminée est déposée sur un support 2, selon un premier mode particulier de réalisation. 15 Le support 2 est, plus particulièrement, un substrat destiné à être utilisé dans le domaine de la microélectronique, par exemple pour former un dispositif microélectronique ou un microsystème. Il est, par exemple, en matériau semi-conducteur tel que du silicium. Sur les figures 1 à 7, il comporte des 20 première et seconde faces opposées 3 et 4, respectivement non plane et plane. La première face 3 comporte des zones 3b, en relief par rapport à un plan principal 3a parallèle au plan de la seconde face 4 et formant des piliers. Les zones en relief 3b peuvent être de tout type de forme. Sur les figures 1 à 7, elles sont de section rectangle. 25 Le polymère de la couche 1 peut être un polymère thermoplastique ou thermodurcissable ou un élastomère. Parmi les polymères thermosplastiques, on peut citer le polyimide (PI), le polyamide-imide (PAI), un polymère liquide cristal (LCP), un polysulfone (PSU), le berizo-cyclo- 30 butène (BCB), les colles acryliques, l'éthylène acétate, le polytétrafuoroéthylène (PTFE), le polyfluorure de vinylidène (PVDF), le poly(éthylène téréphtalate) également connu sous le sigle PET. Parmi les 2906401 6 polymères thermodurcissables, on peut citer les résines époxy, le silicone, le polyester. La couche polymère 1 peut, de plus, être une couche en résine photosensible, positive ou négative destinée à être utilisée dans une étape de lithographie. 5 La couche polymère 1 est déposée sur la face non plane 3 du substrat 2 en trempant ladite face 3 dans un mélange liquide ou dans une solution contenant le composé à déposer. Ledit composé est, plus particulièrement, le polymère à déposer ou au moins un précurseur dudit polymère, c'est-à- io dire un monomère. Le polymère ou le précurseur dudit polymère est, de préférence, dilué dans un solvant. A titre d'exemple, le polymère ou le précurseur dudit polymère peut être dilué dans un solvant tel que le propylène glycol méthyl éther acétate également appelé PGMEA. Un agent photo-amorceur, tel que la diazo-naphto-quinone (DNQ), peut également être 15 ajouté. Ainsi, comme représenté sur les figures 2 et 3, le substrat 2 est placé audessus d'un récipient 5 contenant un mélange liquide ou une solution 6 d'une viscosité cinématique prédéterminée. Le mélange liquide 6 comprend, par 20 exemple, un polymère et un solvant. La face non plane 3 du substrat 2 est dirigée vers le bas, en direction dudit mélange 6. Une partie du substrat 2 est ensuite plongée dans le mélange 6 de sorte que la face non plane 3 soit totalement immergée dans le mélange 6 (flèche F1). Aucun mouvement de rotation n'est appliqué au substrat 2 pendant l'étape de trempage. 25 Comme représentée sur la figure 4, une fois retirée du mélange 6 (flèche F2), la totalité de la face non plane 3 du substrat 2 est recouverte d'une couche ou pellicule de mélange 7 visqueuse et présentant une épaisseur non uniforme. En effet, la mise en contact de la face non plane 3 du substrat 2 30 avec le mélange 6 permet de faire adhérer ledit mélange 6 par capillarité, sur 2906401 7 la face 3 du substrat 2, sous forme d'une couche ou d'une pellicule 7, lorsque le substrat 2 est retiré du mélange 6. Pour obtenir une couche polymère 1 d'une épaisseur E uniforme (figure 7), 5 c'est-à-dire constante quelque soit le relief de la face non plane 3, le substrat 2 est mis en rotation à une vitesse prédéterminée. La mise en rotation du substrat est représentée par la flèche F3 sur la figure 4. Elle peut être réalisée dès la sortie du mélange 6, face non plane 3 disposée vers le bas, ou bien elle peut être réalisée une fois le substrat 2 retourné. Le solvant 10 éventuellement contenu dans le mélange est, ensuite, éliminé de manière à obtenir la couche polymère 1. L'élimination du solvant peut être réalisé par tout type de moyen connu, par exemple en réalisant un traitement thermique tel qu'un recuit ou à l'air ambiant. De plus, lorsque le mélange liquide 6 contient un précurseur du polymère, une étape supplémentaire de 15 polymérisation peut être réalisée après l'étape d'élimination du solvant. La vitesse de rotation du substrat 2 peut être choisie en fonction de la viscosité cinématique du mélange 6 à déposer, pour obtenir une épaisseur E prédéterminée de la couche polymère 1. Ainsi, avant de réaliser le dépôt 20 d'une couche polymère 1, on peut tracer, pour un mélange 6 particulier comprenant le polymère ou son précurseur et présentant une viscosité cinématique prédéterminée, une courbe représentant l'évollution de l'épaisseur E de la couche polymère 1 déposée, en fonction de la vitesse de rotation du substrat 2. Ceci permet de déterminer la vitesse de rotation à 25 appliquer au substrat en fonction de l'épaisseur E de couche désirée et de la viscosité cinématique du mélange. A titre d'exemple, quatre courbes A à D sont reportées sur la figure 8 et illustrent chacune l'évolution de l'épaisseur E d'une couche en benzo-cyclo-butène en fonction de la vitesse de rotation d'un substrat, respectivement pour des viscosités cinématiques de 2,4.10-5 30 m2/s (soit 24 cSt), de 1,95.10-4 m2/s (soit 195 cSt), de 3,5.10-4 m2/s (soit 350 cSt) et de 1,1.10-3 m2/s (soit 1100 cSt). Ainsi, pour obtenir une couche de 2906401 8 10 m d'épaisseur, la vitesse de rotation du substrat doit être de l'ordre de 1500 tours par minute (tr/min) lorsque la solution a une viscosité cinématique de 3,5.104 m2/s et de l'ordre de 4500 tr/min lorsque la solution a une viscosité cinématique de 1,1.10-3 m2/s. Pour des viscosités cinématiques plus 5 faible, on constate qu'il n'est pas possible d'obtenir des épaisseurs supérieures à 10 m. Cependant, pour une épaisseur de 6 m, la vitesse de rotation doit être de l'ordre de 2000 tr/min pour une viscosité de 1,95.10-4 m2/s. Pour une viscosité cinématique de 2,4.10-5 m2/s, une vitesse de rotation de l'ordre de 2000 tr/min permet d'obtenir une épaisseur de l'ordre de 2 m. 10 On constate, à travers cet exemple, que le procédé de dépôt selon l'invention permet d'obtenir une large gamme d'épaisseur pour une couche polymère. Plus particulièrement, l'épaisseur E peut varier de quelques micromètres à plusieurs centaines de micromètres, en fonction de la vitesse de rotation du 15 substrat et de la viscosité de la solution. L'épaisseur E est, de préférence, comprise entre 1 m et 200 m. La viscosité dynamique du polymère peut également varier d'environ 10-2 poiseuille noté PI (soit 10 centipoises noté cPo) à 1 PI (soit 1000 cPo). 20 A titre d'exemple, le substrat est trempé dans une solution commercialisée par la société JSR Corporation sous le nom de PFR IX 335. Le substrat est, ensuite, mis en rotation à une vitesse de rotation de 2000 tr/min de manière à former une couche d'épaisseur uniforme. Un recuit est ensuite réalisé à une température de 115 C pendant 90 secondes, puis ladite couche est 25 insolée et un nouveau recuit est réalisé à une température 90 C pendant 90 secondes pour former la couche en résine. Selon un second mode de réalisation représenté sur les figures 9 à 15, la face non plane 3 du substrat 2 comporte des zones 3c, en creux par rapport 30 au plan principal 3a de la face non plane 3. Plus particulièrement, le rapport 2906401 9 de forme d'une zone en creux 3c, c'est-à-dire le rapport entre la profondeur et la largeur de la zone en creux 3c est supérieur ou égal à 0,5. Les principales étapes de dépôt sont identiques à celles du premier mode de 5 réalisation décrit aux figures 1 à 7. Le substrat 2 est ainsi disposé. face non plane 3 vers le bas, en direction du mélange liquide 6 (figure 10). La face non plane 3 est, ensuite, trempée dans le mélange liquide 6 (figure 11) de manière à obtenir une couche de solution 7 sur la face non plane 3 du substrat 2 (figure 12). 10 On constate, cependant, que, contrairement au premier mode de réalisation et pour un rapport de forme supérieur ou égal à 0,5, la couche de solution 7 ne recouvre pas la totalité de la surface de la face non plane 3 du substrat 2. En effet, les zones en creux 3c contiennent de l'air avant leur immersion 15 dans la solution. Le mélange 6 ne se dépose donc pas au fond des zones en relief 3c. Seules les parties correspondant au plan principal 3a de la face non plane 3 et la partie supérieure des flancs des zones en creux 3c est recouverte par la solution 6. 20 Le substrat 2 est alors mis en rotation pour obtenir une couche de solution 7 uniforme disposée uniquement sur les parties correspondant au plan principal 3a de la face non plane 3. Ainsi, les parois des zones en creux 3c ne sont pas recouvertes par la couche polymère 1. De la même manière que pour une face munie de zones en relief, une étape permettant d'éliminer le 25 solvant peut, ensuite, être réalisée pour obtenir la couche polymère 2. Un tel procédé de dépôt permet notamment de déposer une couche polymère uniforme sur une face d'un substrat munie de cavités de section rectangulaire, avec par exemple une profondeur de 7011m et une largeur de 30 801ätm, sans remplir lesdites cavités. Un tel procédé peut, par exernple, être utilisé avec un substrat muni de vias traversants. 2906401 10 Le procédé de dépôt selon l'invention est simple à mettre en oeuvre. Il permet de réaliser des dépôts de produits visqueux, éventuellement photosensibles, sur des substrats présentant une face non plane. Pour des 5 zones en relief, il permet de déposer des couches présentant une épaisseur uniforme. Pour des zones en creux présentant un rapport de forme supérieur ou égale à 0,5, il permet de réduire les défauts car il n'est pas nécessaire d'éliminer le produit contenu dans lesdites zones en creux. Enfin, comparé aux techniques selon l'art antérieur, la consommation de mélange utilisé 10 reste limitée, la quantité de mélange consommée correspondant sensiblement à celle nécessaire au dépôt de la couche. Un tel procédé est donc économique. Le procédé ne dépend pas de la viscosité du produit puisqu'il suffit d'adapter la vitesse de rotation pour obtenir une épaisseur précise. 15 Revendications 1. Procédé de dépôt d'une couche polymère (1) d'une épaisseur prédéterminée (E) sur une face non plane (3) d'un support (2), caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes successives suivantes : - mise en place du support (2) au-dessus d'un mélange liquide (6) comprenant au moins le polymère ou au moins un précurseur dudit polymère, la face non plane (3) du support (2) étant dirigée vers le bas, io en direction du mélange (6), trempage de la face non plane (3) du support (2) dans ledit mélange (6), retrait de la face non plane (3) hors dudit mélange (6), et mise en rotation du support (2) à une vitesse de rotation prédéterminée pour obtenir ladite épaisseur (E). 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face non plane (3) du support (2) comporte des zones en relief (3b), l'épaisseur (E) prédéterminée de la couche polymère (1) étant uniforme sur la totalité de la face non plane (3). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la face non plane (3) du support (2) comporte des zones en creux (3c) comportant des parois non recouvertes par la couche polymère (1). 25 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les zones en creux (3c) ont un rapport de forme supérieur ou égal à 0,5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse de rotation du support (2) est choisie en fonction de la 30 viscosité cinématique du mélange liquide (6) pour obtenir ladite épaisseur (E). 11 20 2906401 12 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mélange liquide (6) comporte un solvant dans lequel est dilué le polymère ou le précurseur de polymère. 5 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le solvant est éliminé après l'étape de mise en rotation du support (2). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élimination du solvant est réalisée par une étape de recuit. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'épaisseur prédéterminée (E) de la couche polymère est rendue uniforme par l'étape de mise en rotation du support (2) 15 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche polymère (1) est une couche polymère photosensible. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'épaisseur (E) prédéterminée de la couche polymère (1) est 20 comprise entre 11_tm et 200 m. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le mélange liquide (6) présente une viscosité dynamique comprise entre 10-2 PI et 1 PI. 25