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Une nouvelle technique explose les limites de résolution de la lithographie

L'effet de diffraction représente un maximum théorique de résolution pour les méthodes classiques de la lithographie optique. Des chercheurs financés par l'UE ont découvert comment réaliser des lithographies de sous-longueurs d'ondes et obtenir des entités de taille inférieures en utilisant une technique de nanolithographie non conventionnelle.
Une nouvelle technique explose les limites de résolution de la lithographie
D'après les lois de proportionnalité de la résolution découvertes par Rayleigh, l'effet de diffraction limite la taille de projection d'une image claire sur une plaquette (d'un semi-conducteur par exemple) à la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée pour projeter cette image. Dans le cas de la photolithographie, les plaques de silicium et les motifs sont imprimés avec un polymère sensible à la lumière appelée résine photosensible. L'utilisation d'un rayonnement laser permet une structuration sans contact de la surface avec une grande résolution spatiale et temporelle. L'énergie et l'intensité fournies par une impulsion laser ultracourte peut ainsi générer un échauffement localisé très rapide, un gradient thermique élevé et une vitesse de refroidissement et de re-solidification ultérieure extrêmement rapide.

La génération de micro et nanostructures bien définies avec les techniques classiques de la photo-lithogravure s'avère très compliquée et ce, pour plusieurs raisons; le contrôle de la densité de la résine photosensible, l'intensité de la répartition et la topographie du substrat peuvent toutes se combiner pour rendre cette tâche très ardue. Le financement européen du projet LILAC (Laser-initiated liquid-assisted colloidal lithography) a permis le développement d'une technologie innovante et peu coûteuse et dont la résolution est extraordinaire.

Les chercheurs ont exploité une nouvelle technique colloïdale de lithographie appelée lithographie colloïdale liquide assistée par laser, afin de contrôler la structuration de nanostructures en 3D sur toute une gamme de surfaces différentes. Cette technique repose sur l’utilisation de cristaux colloïdaux comme masques pour la gravure et le dépôt des résines photosensibles, ce qui permet la fabrication de nanostructures sur des substrats plans et non-plans.

Les chercheurs ont pu contrôler le faisceau de lumière dans des schémas de distribution complexe sous particule colloïdale en immergeant les particules de surface dans différents liquides. Cette manipulation réalisée avec des impulsions laser uniques intenses a permis d'obtenir des motifs tridimensionnels complexes sur des substrats de silicium et d'arséniure de gallium.

Cette nouvelle technique met en jeu une interaction complexe entre la diffusion de la lumière laser par les particules colloïdales, le milieu liquide et le substrat - tous ces paramètres pouvant être ajustés et contrôlés par l'utilisateur. Ces caractéristiques distinctes ouvrent la voie à une structuration de motifs sur la surface de toute une gamme de semi-conducteurs sous la barrière théorique de diffraction.

La structuration à l'échelle nanométrique obtenue par cette technique de lithographie colloïdale est complémentaire de la lithographie descendante classique (top-down). Les partenaires du projet LILAC espèrent que cette technologie débouchera sur un grand nombre d'applications nanométriques comme la biodétection et la nanophotonique.

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Mots-clés

Lithographie, résolution, diffraction, photolithographie, résine photosensible, lithographie colloïdale