Brevet FR3084483A1 — publié le 20200131

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne en général la réalisation de structures de taille micrométrique ou nanométrique, pour former des dispositifs micro-électroniques, optiques ou optoélectroniques, ainsi que des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques. Une application avantageuse de l'invention concerne le domaine des procédés de fabrication d'une matrice (ou « master » selon la terminologie anglo-saxonne) pour la fabrication d'une partie au moins d'un moule de nano-impression. Plus particulièrement, l'invention trouve pour application particulièrement avantageuse la fabrication de matrice pour former des moules ou des pièces de moule, en vue de mouler des microlentilles asphériques, avantageusement à faible, voire très faible, courbure. Ces microlentilles peuvent elles-mêmes être destinées à des applications de collection de lumière, d'imagerie et de guidage de la lumière, en transmission ou en réflexion, par exemple. Une application avantageuse de l'invention concerne le domaine des procédés de fabrication d'une partie au moins d'un moule de nano-impression. Une autre application de la présente invention consiste à fabriquer une microlentille directement, le cas échéant sans mettre en oeuvre l'une quelconque parmi une pièce de moule et une matrice. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Il existe de nombreuses techniques de fabrication de microlentilles. Parmi ces techniques, l'impression par micro-jets et le fluage thermique sont désormais des techniques très avancées qui sont utilisées dans l'industrie pour réaliser des microlentilles de haute qualité optique. Ces techniques sont plus qualitatives que quantitatives lorsqu'il s'agit d'atteindre un profil de surface précis. Par exemple, le fluage thermique de photo-résine (Cf. par exemple l'article de N.T. Gordon et al., intitulé « Application of microlenses fo infrared detector arrays », dans la revue Infrared Phys., 30, 6, 599-604, 1991) et l'impression par micro-jets sont basés sur des phénomènes physico-chimiques délicats impliquant une mise en équilibre des tensions de surfaces en jeu ce qui 2 limite fortement le choix des profils de surface potentiellement obtenus par ces techniques. Au contraire, les techniques d'ablation laser (Cf. par exemple l'article de F. Chen et al., intitulé « Simple fabrication of closed-packed IR microlens arrays 5 on silicon by femtosecond laser wet etching », dans la revue Applied Physics A, (2015) 121 :157-162), de polymérisation à deux photons et d'écriture directe au laser permettent d'obtenir un très grand choix de profils de surface. Toutefois, ces techniques sont séquentielles, ce qui ne les rend pas adaptées en termes de coût et de rendement à une échelle industrielle. 10 L'utilisation de la gravure RIE (pour « reactive ion etching » selon la terminologie anglo-saxonne) (Cf. par exemple l'article de R. Yamazaki et al., intitulé « Microlens for uncooled infrared array sensor », dans la revue Electronics and Communications in Japan, 96, 2, 2013) et l'utilisation de la lithographie avec protons sont quant à elles considérées comme des 15 techniques couteuses, spécialement si elles sont utilisées pour réaliser des microlentilles en polymère. Plus récemment, les techniques de moulage et d'impression telles que celles généralement désignées par leurs appellations anglaises de « hot embossing », « imprinting » et « injection moulding » sont de plus en plus 20 utilisées pour réaliser des microlentilles. Le principe de fabrication est de remplir un moule d'un matériau (typiquement un polymère) et de détacher le matériau depuis le moule. Les microlentilles potentiellement obtenues de cette façon peuvent être de forme hémisphérique ou sphérique. Selon le type de substrat sur lequel le moulage est fait, en silicium ou en verre (ou quartz), les 25 applications pourront concerner, respectivement, le domaine des longueurs d'ondes de l'infra-rouge (IR) ou celui de la lumière visible. Les méthodes de fabrication par impression nécessitent de disposer de moules qui peuvent être eux-mêmes fabriqués par exemple à l'aide des techniques citées dans la publication suivante : « Journal of Optics A: Pure and 30 Applied Optics 8 », issue 7, pages 407-429, publiée en 2006. En règle générale, les techniques standard mises en oeuvre par l'industrie de la microélectronique sont le plus souvent préférées, car elles sont très fiables et 3 l'intégration des microlentilles aux composants finaux, typiquement des composants électronique de type transistor, en est facilitée. Un procédé connu de fabrication d'un moule par les techniques de la microélectronique est décrit ci-après en référence aux figures 1A, 1B et 1C qui 5 représentent des vues en coupe illustrant certaines étapes du procédé. Après dépôt d'une couche 1001 d'oxyde thermique de silicium (SiO2) ou silice, sur une plaque de silicium ou « wafer » 1000 du type de celles utilisées couramment par l'industrie microélectronique, c'est-à-dire une tranche de silicium de grand diamètre, par exemple d'un diamètre de 8 pouces, une 10 couche 1002 de nitrure de silicium (Si3N4), par exemple d'une épaisseur de 350 nanomètres, est déposée sur la couche 1001 d'oxyde thermique. Un motif 1003 est gravé dans la couche 1002 de nitrure par des étapes conventionnelles de lithographie. La couche 1002 de nitrure jouant le rôle de masque dur, la plaque est immergée dans une solution de gravure humide ; une solution 15 d'acide fluorhydrique (HF) est particulièrement adaptée ici. Comme illustré sur la figure 1B, le masque de nitrure 1002 protège les zones de la plaque où la solution de gravure ne doit pas attaquer l'oxyde thermique 1001. La gravure de la couche 1001 d'oxyde thermique est isotrope, formant ainsi une cavité en forme de portion de sphère centrée sur le motif 1003. A l'étape suivante dont le 20 résultat est illustré en figure 1C, le masque de nitrure 1002 est retiré et, après un traitement anti-adhésif, la plaque obtenue 1004 peut être utilisée comme moule pour l'impression. Optionnellement, les motifs en relief du moule peuvent être créés directement dans le silicium 103 sans avoir recours à la couche intermédiaire 25 de silice 102. Dans ce cas, la solution de gravure est un mélange d'acide fluorhydrique (HF) et d'acide nitrique (HNO3) comme rapporté en 2009 dans un article paru dans la revue en langue anglaise Optics Express, Volume 17, Edition 8, pages 6283 à 6292 (2009). Si les procédés de fabrication de moule brièvement décrits ci-dessus 30 conviennent bien pour l'obtention, comme représenté, de motifs sphériques ou hémisphériques, il est en revanche difficile d'obtenir des lentilles dites asphériques de formes voulues ou des lentilles avec de grands rayons de courbure (diamètre très largement supérieur à la flèche) avec ces procédés. Or 4 la production de matrices de microlentilles asphériques est généralement requise dans beaucoup d'applications. Ces lentilles asphériques présentent en effet habituellement des propriétés optiques bien meilleures. Notamment, les lentilles sphériques, contrairement aux lentilles asphériques, induisent des 5 aberrations optiques, les rayons passant par le centre de la lentille ne convergeant pas exactement au même point que ceux passant par les bords. Ceci provoque un flou aux grandes ouvertures et un élargissement de la tache de focalisation qu'il n'est pas possible d'ignorer dans la plupart des applications. Il faut alors avoir recours à l'utilisation de lasers et aux techniques dites 10 de « laser machining » ou ablation laser, déjà mentionnées ci-dessus, qui seules sont susceptibles de pouvoir créer les profils complexes nécessaires avec toutefois l'inconvénient majeur que chaque microlentille doit alors être façonnée individuellement. Ces techniques sont par exemple décrites dans l'article « Spherical and Aspheric Microlenses Fabricated by Excimer Laser 15 LIGA-like Process », de Yung-Chun Lee, et al., paru en 2006 dans la revue en langue anglaise « Journal of Manufacturing Science and Engineering », 129, 126-134. Un objet de la présente invention est donc de proposer un procédé de réalisation d'une structure présentant au moins un motif courbe qui permette de 20 limiter, voire de supprimer, certains au moins des problèmes exposés ci- dessus. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être 25 incorporés. RÉSUMÉ DE L'INVENTION Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation, la présente invention prévoit un procédé de réalisation d'une structure présentant au moins un motif, par exemple pour fabriquer une matrice pour moule de nano- 30 impression, le procédé comprenant les étapes suivantes : - Fournir un substrat présentant une face avant dont : 5 o une partie est structurée par au moins une pluralité de reliefs, les reliefs de chaque pluralité définissant entre eux au moins un espace, de préférence au moins deux espaces, et o une autre partie est exempte de reliefs, 5 Déposer une couche de base, de préférence d'épaisseur uniforme, d'un matériau à base de l'un parmi un polymère et un verre, sur la face avant du substrat, au moins au droit des reliefs, voire au droit de toute la face avant du substrat, la couche de base présentant une première face en regard de la face avant du substrat et une deuxième face opposée à la 10 première face, et - Permettre au matériau de la couche de base de remplir au moins partiellement l'au moins un espace, de préférence tous les espaces, défini entre les reliefs d'une même pluralité par déformation de la couche de base. 15 La couche de base est ainsi déformée de sorte que sa deuxième face forme une structure présentant au moins un motif courbe au droit de l'au moins un espace au moins partiellement rempli par le matériau de la couche de base. Ainsi, la surface libre de la couche de base est déformée du fait du remplissage au moins partiel des espaces entre les reliefs de chaque pluralité. 20 Le volume de matériau déplacé notamment au droit des reliefs lors de la déformation de la couche de base est au plus égal au volume des espaces définis entre les reliefs. En appliquant des techniques classiques de micro-électronique, il est possible de parfaitement maîtriser le volume de ces espaces. Par conséquent, le volume de matériau déplacé est a fortiori aussi 25 bien maîtrisé ; or la forme, la courbure et la flèche du motif formé dépendent en particulier du volume de matériau déplacé. La forme, la courbure et la flèche du motif formé sont donc parfaitement maîtrisables. Le motif ainsi formé peut avantageusement présenter une courbure asphérique, de préférence faible ( REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation (100) d'une structure présentant au moins un motif courbe, par exemple pour fabriquer une matrice (1) pour moule de nanoimpression, le procédé comprenant les étapes suivantes : - Fournir (110) un substrat (2) présentant une face avant (20) dont : o une partie est structurée (21) par au moins une pluralité de reliefs (3), les reliefs de chaque pluralité définissant entre eux au moins un espace (4), et o une autre partie (22) est exempte de reliefs, - Déposer (120) une couche de base (5) d'un matériau à base de l'un parmi un polymère et un verre, sur la face avant (20) du substrat (2), au moins au droit des reliefs (3), la couche de base (5) présentant une première face en regard de la face avant (20) du substrat (2) et une deuxième face (50) opposée à la première face, et - Permettre (130) au matériau de la couche de base (5) de remplir au moins partiellement l'au moins un espace (4) définis entre les reliefs (3) d'une même pluralité par déformation de la couche de base (5), la couche de base (5) étant ainsi déformée de sorte que sa deuxième face (50) forme une structure présentant au moins un motif (6) courbe au droit de l'au moins un espace (4) au moins partiellement rempli par le matériau de la couche de base (5). 2. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel, pour chaque pluralité de reliefs (3), le nombre, la forme et la répartition spatiale des reliefs (3) sont paramétrés au moins en fonction de paramètres viscoélastiques ou plastiques de la couche de base (5) et de paramètres de dépôt de la couche de base (5). 3. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de remplissage (130) au moins partiel de l'au moins un espace (4) défini entre les reliefs (3) d'une même pluralité comprend l'étape suivante : 31 - Remplir entièrement chaque espace jusqu'à générer un motif (6) dont la courbure est déterminée par équilibrage de tensions superficielles en jeu. 5 4. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de remplissage (130) au moins partiel de l'au moins un espace (4) défini entre les reliefs (3) d'une même pluralité peut comprendre une montée en température, au moins 10°, de préférence entre 10 et 40°C, au-dessus de la température de transition vitreuse Tg du matériau à base duquel la 10 couche de base (5) est constituée. 5. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'au moins une pluralité de reliefs (3) définit au moins une cavité (41) formée dans la face avant (20) du substrat (2). 6. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'au moins une pluralité de reliefs (3) comprend une mésa formée sur la face avant (20) du substrat (2) et dans lequel l'au moins un espace (4) comprend au moins une cavité (41) formée dans la mésa. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'au moins une pluralité de reliefs (3) comprend un relief (31) faisant saillie depuis la face avant (20) du substrat (2). 25 8. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, une fois ledit au moins un motif (6) formé, l'étape suivante : - Rigidifier, au moins en surface, la couche de base (5), l'étape de rigidification comprenant le cas échéant l'une correspondante parmi : 30 - l'amenée du polymère, au moins en surface de la couche de base (5), dans un état vitreux, solide ou caoutchoutique, et - l'amenée du verre, au moins en surface de la couche de base (5), dans un état vitreux. 15 20 32 9. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, une fois ledit au moins un motif (6) formé, les étapes suivantes : 5 o Retirer (140) la couche de base (5) autour de chaque motif (6) formé, de sorte à exposer la partie de la face avant (20) du substrat (2) qui est exempte de reliefs, puis o Déposer (150) une couche de finition (7) sur chaque motif et la partie exposée de la face avant (20) du substrat (2). 10 10. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'au moins une pluralité de reliefs (3) définit une cavité (4, 41, 42) et/ou comprend au moins un relief (31) présentant au moins l'une parmi : - une profondeur ou une hauteur supérieure à 10 pm, de préférence 15 supérieure à 100 pm et - au moins une dimension transversale comprise entre 20 et 200 pm, de préférence comprise entre 50 et 100 pm. 11. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 dans lequel l'au moins un espace (4, 41, 42) défini entre les reliefs (3) de chaque partie structurée (21) de la face avant (20) du substrat (2) occupe au moins la moitié de la surface de cette partie structurée (21). 12. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 dans lequel l'étape de dépôt (120) de la couche de base (5) est paramétrée de sorte que la couche de base (5) présente, de préférence avant sa déformation, une épaisseur comprise entre 20 et 200 pm. 13. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 dans lequel l'étape de dépôt (120) de la couche de base (5) comprend l'une des étapes parmi : - Déposer un film sec par laminage, et 33 - Déposer une solution comprenant le matériau de la couche de base (5) par enduction centrifuge. 14. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 dans lequel l'au moins une pluralité de reliefs (3) comprend plusieurs pluralités de reliefs (3) espacées entre elles par la partie (22) de la face avant (20) du substrat (2) qui est exempte de reliefs, chaque pluralité de reliefs (3) étant destinée à la formation d'un motif (6). 10 15. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel l'une au moins parmi ladite partie (22) de la face avant (20) du substrat (2) exempte de reliefs et l'étape de dépôt de la couche de base (5) est paramétrée de sorte que la déformation de la couche de base (5) au niveau de chaque pluralité de reliefs (3) n'influe pas sur la déformation de la couche de base (5) au niveau de toute 15 autre pluralité de reliefs (3). 16. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure est une matrice pour la réalisation d'un moule de na no impression. 20 17. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 15, dans lequel la structure est une pièce d'un moule de nanoimpression. 18. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 25 15, dans lequel la structure est une lentille. 19. Procédé de fabrication d'au moins un moule de nano-impression en utilisant une matrice (1) fabriquée par mise en oeuvre du procédé (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 et la revendication 16. 30 20. Procédé de réalisation d'au moins une microlentille (10) par nanoimpression, en utilisant un moule de nano-impression fabriqué par transfert d'au moins un motif (6) à partir d'une matrice (1), la matrice étant fabriquée par mise 34 en oeuvre du procédé (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 et la revendication 16.