Brevet FR2966940A1 — publié le 20120504

Banc d'écriture laser directe de structures MESA comportant des flancs à pentes négatives Le domaine de l'invention est celui de la photolithographie sans masque mettant en oeuvre plus précisément la structuration par écriture laser directe de matériaux photosensibles. En effet, le dispositif et le procédé selon l'invention peuvent, par 5 exemple, servir à la réalisation de composants électroniques ou optoélectroniques. Le dispositif et le procédé selon l'invention trouvent une application directe dans le domaine de la micro-électronique pour réaliser notamment un procédé connu sous le nom anglo-saxon de « lift-off » ou 10 « décollement » en français. Cette technique est un procédé bien connu dans le domaine de la micro-électronique. Elle permet de structurer un film mince déposé sur un substrat sans avoir à graver le ou les matériaux constituant le film. Cette technique est dite « additive » en opposition à « soustractive » car elle ne 15 comporte pas d'étape de gravure directe des matériaux constituant le film. Cette technique est tout particulièrement utile pour la structuration des couches métalliques dont les solutions de gravure sont parfois complexes et/ou incompatibles avec les matériaux en présence. Le « lift-off » consiste à former sur un substrat au moyen d'une 20 couche « pochoir » l'image inverse du motif à réaliser. Cette couche pochoir couvre certaines zones du substrat et en laisse apparaître d'autres. Le film à structurer est ensuite déposé par-dessus la couche « pochoir ». Puis, la couche pochoir est dissoute dans un liquide. La dissolution de la couche pochoir entraine le décollement du film déposé à sa surface. Le point clef du 25 lift-off réside dans le profil des bords de la couche pochoir. Ces bords doivent être impérativement inclinés de façon à créer une rupture au niveau du film déposé afin de permettre la dissolution de la couche pochoir. Les avantages de cette technique du « lift off » sont : - De structurer en une seule étape le film déposé, sans utiliser de 30 solution de gravure spécifique liée au film généralement constitué de matériaux différents ; De minimiser les risques de pollution du substrat car une seule étape de structuration est opérée ; - D'obtenir des bords de motifs en pente. Le principal désavantage est la difficulté à créer le pochoir adapté. 5 Dans le domaine de la lithographie par masquage, la couche pochoir peut être constituée : - D'une couche en résine photosensible - De deux couches qui peuvent être les associations suivantes : 10 o résine photosensible/résine photosensible o polyamide /molybdène o couche diélectrique inorganique/résine photosensible ; - De trois couches qui peuvent être les associations suivantes : o résine photosensible/aluminium/résine photosensible ; 15 o polyamide /polysulfone/SiO La figure 1 illustre la technique du « lift-off » réalisée avec une résine photosensible négative, c'est-à-dire que la partie insolée est dissoute lors du développement et lors d'une insolation sous masque. Cette technique comporte cinq étapes principales notées A, B, C, D et E sur la figure 1. 20 L'étape A consiste à déposer une couche de résine 2 sur un substrat 1. L'étape B consiste à déposer un masque 3 et à insoler la résine 2, les parties masquées n'étant pas insolées. L'étape C consiste à dissoudre ou à développer les parties masquées 4. L'étape D consiste à déposer uniformément le film 5 à structurer. Dans l'étape E, on dissout la résine 2. Le 25 film 6 reste aux emplacements du masque. Une des conditions pour que le « lift-off » fonctionne bien est d'assurer une cassure franche entre la couche de matériau 5 déposée à la surface du pochoir et la couche de matériau 2 déposée sur le substrat 1. Cette séparation permet au solvant d'entrer en contact avec la couche 30 pochoir et de la dissoudre parfaitement. Pour assurer cette cassure, le bord de la résine ouverte à l'étape C doit présente un profil en forme de « casquette » garantissant la réussite du « lift-off ». On entend par là un profil incliné à pente inversée. La pente inversée ne permet pas l'accrochage de la couche 5 sur ses flancs. Dans le domaine de la photolithographie par 35 masquage, cette technique est maîtrisée. Cependant, il existe d'autres techniques de photolithographie comme la photolithographie par écriture laser directe. Cette technologie d'écriture laser directe permet de faire, entres autres, du prototypage rapide et de réaliser rapidement des composants sur mesure en petites et moyennes séries. De nombreux secteurs techniques sont concernés par cette technologie comme la microstructuration de surface, la microfluidique, la microélectronique, les capteurs,... Plusieurs entreprises ont développé avec des approches techniques différentes le procédé d'écriture laser directe. Les points techniques clefs qui différencient ces entreprises concernent en particulier la mise en forme du faisceau laser et la gestion de l'écriture qui peut être obtenue soit par déplacement du faisceau laser, soit par déplacement du substrat. Ainsi, la société Heidelberg a développé un équipement d'écriture laser direct qui comporte un système de déflexion du faisceau laser associé à un dispositif déplaçant le substrat sous le faisceau. La méthode d'écriture développée par Heidelberg est appelée « scanning » et consiste à parcourir la surface complète du substrat quelque soit la structuration à effectuer. La profondeur du champ du système développé par Heidelberg est limitée par le système de déflexion. La société française KLOE a mis au point un banc d'écriture laser qui se différencie de celui de la société Heidelberg sur les deux points suivants : - Le faisceau est fixe, il est mis en forme pour avoir une grande profondeur de champ ; = la méthode d'écriture est dite vectorielle, c'est-à-dire que le faisceau laser ne se déplace qu'aux endroits à structurer. La figure 2 représente une vue générale d'un banc de photolithographie par écriture laser directe, similaire à ceux développés par la société KLOE. Le procédé de photolithographie par écriture laser directe consiste à structurer une couche mince photosensible à l'aide d'un faisceau laser focalisé se déplaçant au-dessus de la couche. Dans cette approche, seules les zones à écrire sont parcourues par le faisceau laser, ce mode d'écriture est dit « vectoriel ». Dans ce type d'équipement, il est important, pour réaliser des gravures de grande finesse, que le faisceau laser d'écriture soit focalisé sur les couches photosensibles avec une taille de spot très faible, proche du micron et que ce faisceau possède une profondeur de champ importante, c'est-à-dire une faible divergence autour de la zone de pincement du laser. Le banc d'écriture 10 comprend essentiellement deux parties principales : - Une partie optique : Cette partie optique est constituée d'une source laser UV 20 émettant un faisceau F dans l'ultraviolet, d'un dispositif de mise en forme du faisceau 21 et 22 et d'un dispositif de focalisation 23 du faisceau F. Cette chaine optique est fixe et permet d'obtenir au final un spot laser dont la taille est de dimension voisine de celle des microstructures à réaliser. La figure 3 représente schématiquement la focalisation du faisceau F par le dispositif de focalisation 23 sur le substrat 1, via une lentille simple ; - Une partie mécanique : Cette partie mécanique est constituée de platines de translation 30 qui permettent de déplacer l'échantillon ou le substrat 1 sous le faisceau laser dans les deux directions d'un plan sensiblement perpendiculaire au faisceau laser. Le banc d'écriture comprend également des moyens de contrôle qui sont : - des moyens de gestion de la puissance de la source laser UV, 25 ces moyens sont constitués d'un cube séparateur 24 et d'un photodétecteur 25 ; - une caméra de contrôle 41 qui permet de réaliser une image dans le domaine visible du substrat en cours d'écriture à travers la lame dichroïque 26. 30 L'ensemble est piloté par un ordinateur 40 qui gère la source UV, l'allumage et l'extinction du faisceau d'écriture et coordonne le déplacement des platines de translation. La partie optique a pour objectif de fournir un faisceau laser focalisé ayant un profil d'intensité le plus plat possible pour générer un éclairement homogène associé à une grande profondeur de champ. La source laser 20 est l'élément optique le plus en amont dans le montage, ses caractéristiques sont déterminantes sur la qualité d'écriture et jouent sur la chaine de traitement optique nécessaire. Cette source doit avoir notamment les caractéristiques suivantes : - Une longueur de cohérence importante ; - Une faible largeur de raie ; - Une faible divergence ; - Une longueur d'onde faible pour que les taches de diffraction soient les plus faibles possibles au niveau du substrat. Le dispositif de mise en forme du faisceau est nécessaire pour obtenir un spot circulaire de faible dimension au foyer de l'objectif de focalisation 23. Un montage possible consiste à réaliser un filtrage spatial au moyen d'une ouverture circulaire 22 diffractant la lumière. Cette ouverture circulaire effectue la troncation du faisceau incident et permet d'obtenir au point de focalisation un profil d'intensité constant. On obtient ainsi des faisceaux lumineux dont la répartition d'énergie est sensiblement constante. De plus, on peut modifier la taille du spot lumineux au point focal en changeant simplement la dimension de l'ouverture calibrée 22 sans changer l'objectif de focalisation. Cependant, la perte en intensité lumineuse au passage du trou de diffraction est considérable, le trou ne laissant passer qu'un pour cent de l'énergie incidente. Pour minimiser ces pertes, une lentille de préfocalisation 21 peut être positionnée afin de concentrer le faisceau au passage du trou de diffraction 22. Un des inconvénients de la photolithographie par écriture laser directe est qu'il est difficile d'obtenir et de contrôler dynamiquement les profils en forme de « casquette » souhaités garantissant la réussite du « lift-off ». Le dispositif selon l'invention permet de réaliser simplement des profils de couches en forme de « casquette » sans modifier profondément les bancs existants. Plus précisément, l'invention a pour objet un banc d'écriture laser directe destiné à réaliser des structures de type mésa à pente inversée sur un substrat. L'invention concerne également l'utilisation d'un tel banc pour la réalisation de composants électroniques par la technique connue sous le terme de « lift-off » sur un substrat plan comportant une ou plusieurs couches planes photosensibles. Ainsi l'invention a pour objet un banc d'écriture laser directe destiné à réaliser des structures de type mesa, ledit banc comprenant au moins : un laser d'écriture, le faisceau optique issu du laser d'écriture étant à symétrie radiale ; une optique de focalisation du faisceau optique au niveau du plan des couches planes photosensibles ; des moyens de déplacement en translation du substrat plan, caractérisé en ce que le banc comprend des moyens optiques ou mécaniques agencés de façon que la partie utile du faisceau optique soit inclinée au niveau du plan des couches photosensibles afin de créer dans lesdites couches des profils à pente inversée, la partie utile du faisceau optique étant la partie du faisceau optique qui contribue effectivement à créer lesdits profils. De préférence, le laser d'écriture provient d'une source laser de courte longueur d'onde émettant dans l'UV, afin d'obtenir un faisceau focalisé permettant la réalisation de motifs de dimension micrométrique. Parmi les lasers envisagés, on trouve notamment les diodes laser, les lasers à gaz et les lasers à solides. Le choix de l'optique de focalisation n'est pas limitatif. Elle peut être, par exemple, une optique de focalisation de microscope. Elle peut-être à focale variable. On peut ainsi régler l'inclinaison des flancs formés dans la résine. Les moyens optiques ou mécaniques d'obturation peuvent être choisis parmi une lame plane mince opaque à bord droit ou une lame d'apodisation, les filtres par absorption, les filtres par réflexion, les filtres interférentiels, les filtres neutres et les filtres polariseurs.35 L'invention a également trait à l'utilisation d'un banc tel que défini plus haut pour la réalisation de pentes inclinées dans une résine. En particulier, l'invention à trait à l'utilisation d'un banc tel que défini ci-dessus pour la réalisation d'une étape d'un procédé photolithographique, notamment une étape de « lift-off ». L'invention consiste alors en un procédé d'écriture laser directe sur un substrat recouvert d'une résine consistant en : - la fourniture d'un banc d'écriture laser tel que défini ci-dessus, - le traitement de ladite résine par le laser issu du banc. Plusieurs modes de réalisation sont possibles. Dans une première variante, l'axe optique de l'optique de focalisation est perpendiculaire au plan des couches photosensibles et que le banc comporte des moyens d'obturation partielle du faisceau optique situés au voisinage de l'optique de focalisation. Les moyens d'obturation sont ou une lame plane mince opaque à bord droit ou une lame d'apodisation permettant de générer au niveau du plan des couches planes photosensibles un faisceau optique tel que la partie utile du faisceau optique soit inclinée au niveau du plan des couches photosensibles sans franges de diffraction. Avantageusement, les moyens d'obturation sont montés sur au moins une platine réglable en translation et/ou en rotation. Dans une seconde variante, le faisceau optique est à symétrie radiale jusqu'au niveau du plan des couches planes photosensibles, l'axe optique de l'optique de focalisation étant perpendiculaire au plan des couches photosensibles, le faisceau optique étant défocalisé au niveau du plan des couches planes photosensibles. Avantageusement, l'optique de focalisation introduit de l'aberration sphérique sur le faisceau optique de sorte que la caustique d'aberration sphérique au niveau du plan des couches planes photosensibles comporte plus d'énergie en périphérie qu'au centre. L'invention concerne également l'utilisation d'un banc d'écriture laser directe comme décrit précédemment pour la réalisation d'une étape d'un procédé photolithographique. Elle concerne enfin un procédé d'écriture laser directe sur un 35 substrat recouvert d'une résine consistant en : - la fourniture d'un banc d'écriture laser directe comme décrit précédemment ; - le traitement de ladite résine par le laser issu de ce banc d'écriture laser. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 déjà commentée représente les principales étapes du 10 procédé dit de « lift-off » ; La figure 2 représente une vue générale d'un banc d'écriture laser selon l'art antérieur ; La figure 3 représente la focalisation du faisceau d'écriture sur le substrat selon l'art antérieur ; 15 Les figures 4, 5 et 6 représentent schématiquement différentes variantes de réalisation selon l'invention de la focalisation du faisceau d'écriture sur le substrat. Le principe général du dispositif selon l'invention est d'introduire 20 sur le banc d'écriture des moyens optiques ou mécaniques agencés de façon que la partie utile du faisceau optique soit inclinée au niveau du plan des couches photosensibles afin de créer dans lesdites couches des profils à pente inversée, la partie utile du faisceau optique étant la partie du faisceau optique qui contribue effectivement à créer lesdits profils. 25 Plusieurs modes de réalisation sont possibles. Elles sont représentées sur les figures 4 à 6. Sur chaque figure, on a représenté le faisceau F venant de la source 20 par une série de rayons lumineux, l'optique de focalisation 23 et le substrat 1. 30 Dans une première variante illustrée en figures 4 et 5, l'axe optique de l'optique de focalisation est perpendiculaire au plan des couches photosensibles et le banc comporte des moyens d'obturation partielle 50 du faisceau optique situés au voisinage de l'optique de focalisation. En figure 4, les moyens d'obturation sont situés avant l'optique de focalisation, en figure 35 5, les moyens d'obturation sont situés après l'optique de focalisation. Les moyens d'obturation sont ou une lame plane mince opaque à bord droit comme illustrée sur les figures 4 et 5 ou une lame d'apodisation permettant de générer au niveau du plan des couches planes photosensibles un faisceau optique tel que la partie utile du faisceau optique soit inclinée au niveau du plan des couches photosensibles sans franges de diffraction. Ainsi, les rayons lumineux atteignent le substrat avec un angle par rapport à la normale du plan sur lequel repose le substrat. Les moyens d'obturation peuvent être montés sur au moins une platine réglable en translation et/ou en rotation de façon à ajuster l'angle d'attaque du faisceau de focalisation. Les grands avantages de cette technique sont sa simplicité de mise en oeuvre qui nécessite peu d'adaptations du banc et ses possibilités de réglage, offrant la capacité de régler dynamiquement les moyens d'obturation. Ainsi il a été montré que plus la lame d'apodisation pénètre le faisceau, plus l'effet est accentué au niveau de la couche photosensible ; la pente du profil étant plus importante. Alternativement, les moyens d'obturation peuvent être choisis parmi les filtres par absorption, les filtres par réflexion, les filtres interférentiels, les filtres neutres et les filtres polariseurs. Dans une seconde variante illustrée en figure 6, le faisceau optique est à symétrie radiale jusqu'au niveau du plan des couches planes photosensibles, l'axe optique de l'optique de focalisation étant perpendiculaire au plan des couches photosensibles, le faisceau optique étant défocalisé d'une distance d au niveau du plan des couches planes photosensibles. Pour obtenir l'effet de pente sur les bords de la résine, il est nécessaire de défocaliser au-delà de la profondeur de champ. Ceci peut entraîner une perte de résolution, le pinceau de lumière étant plus large et une perte de la puissance d'insolation. Pour pallier cet inconvénient, les optiques de pré-focalisation ou de focalisation peuvent introduire de l'aberration sphérique sur le faisceau optique de sorte que la caustique d'aberration sphérique au niveau au niveau du plan des couches planes photosensibles comporte plus d'énergie en périphérie qu'au centre, favorisant la photosensibilisation. REVENDICATIONS1. Banc d'écriture laser directe (10) sur un substrat plan (1) comportant une ou plusieurs couches planes photosensibles, ledit banc comprenant au moins : un laser d'écriture (20), le faisceau optique (F) issu du laser 5 d'écriture étant à symétrie radiale ; une optique de focalisation (23) du faisceau optique au niveau du plan des couches planes photosensibles ; des moyens de déplacement en translation (30) du substrat plan, caractérisé en ce que le banc comprend des moyens optiques ou 10 mécaniques (50) agencés de façon que la partie utile du faisceau optique soit inclinée au niveau du plan des couches photosensibles afin de créer dans lesdites couches des profils à pente inversée, la partie utile du faisceau optique étant la partie du faisceau optique qui contribue effectivement à créer lesdits profils. 15 2. Banc d'écriture laser directe selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe optique de l'optique de focalisation est perpendiculaire au plan des couches photosensibles et que le banc comporte des moyens d'obturation partielle du faisceau optique situés au voisinage de 20 l'optique de focalisation. 3. Banc d'écriture laser directe selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'obturation sont une lame (50) plane mince opaque à bord droit. 25 4. Banc d'écriture laser directe selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'obturation sont une lame d'apodisation permettant de générer au niveau du plan des couches planes photosensibles un faisceau optique tel que la partie utile du faisceau optique soit inclinée au 30 niveau du plan des couches photosensibles sans franges de diffraction. 5. Banc d'écriture laser directe selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'obturation sont montés sur au moins une platine réglable en translation et/ou en rotation. 6. Banc d'écriture laser directe selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau optique est à symétrie radiale jusqu'au niveau du plan des couches planes photosensibles, l'axe optique de l'optique de focalisation étant perpendiculaire au plan des couches photosensibles, le faisceau optique étant défocalisé au niveau du plan des couches planes photosensibles. 7. Banc d'écriture laser directe selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'optique de focalisation introduit de l'aberration sphérique sur le faisceau optique de sorte que la caustique d'aberration sphérique au niveau du plan des couches planes photosensibles comporte plus d'énergie en périphérie qu'au centre. 8. Utilisation d'un banc d'écriture laser directe selon l'une des revendications précédentes pour la réalisation d'une étape d'un procédé 20 photolithographique. 9. Procédé d'écriture laser directe sur un substrat recouvert d'une résine consistant en : - la fourniture d'un banc d'écriture laser directe selon l'une des 25 revendications 1 à 7 ; - le traitement de ladite résine par le laser issu dudit banc.