Lithographie à très haute résolution par l'auto-assemblage du PS-b-PDMS et les gravures plasma associées : application à la fabrication de matrices de nanorubans de graphène

par Javier Arias zapata

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Marc Zelsmann et de Gilles Cunge.

Le président du jury était Mireille Mouis.

Le jury était composé de Rémi Dussart.

Les rapporteurs étaient Francesc Pérez-Murano, Guillaume Fleury.


  • Résumé

    Les copolymères à bloc (BCP) ont la propriété particulière de s’auto-assembler en structures périodiques. Ces macromolécules en association avec la photolithographie est un candidat prometteur à utiliser comme technique alternative pour les patterning avancé de très haute résolution. De cette façon, la réduction des circuits intégrés peut être maintenue. Les BCPs avec une forte incompatibilité chimique entre les deux blocs présentent une valeur élevée du paramètre d’interaction de Flory-Huggins χ. La théorie des BCPs prédit des caractéristiques périodiques de seulement quelques nanomètres avec des BCPs à haut valeur d’interaction.Cette thèse présente un dispositif expérimental en vue du développement d’une lithographie à BCPs de deuxième génération en utilisant le polystyrène-bloc polydiméthylsiloxane (PS-b-PDMS), contre le polystyrène-bloc-Polydi(méthyle méthacrylate) (PS-b-PMMA) à faible valeur de χ. Sur ce sujet, la cinétique d’auto-assemblage d’un PS-b-PDMS avec une valeur du paramètre de segregation χN élevée a été amélioré avec le mélange de plastifiants sélectifs au bloc PS. L’auto-assemblage sur des grandes surfaces a été alors prouvé par un recuit thermique rapide (~ 30 s). Comme une preuve de concept de la lithographie, certains masques PS-b-PDMS testés ont été transférés sur Si, où des caractéristiques allant jusqu’à 25 nm ont été atteintes.Le principe de la lithographie par BCP a également été utilisé pour montrer la structuration de matériaux 2D. Par exemple, le graphène présente un besoin réel de structuration en nanostructures très étroites afin d’ouvrir un gap entre la bande de valence et la bande conduction pour modifier ses propriétés électriques par confinement quantique.Un bas Le PS-b-PDMS a été utilisé pour patterner avec de tailles caractéristiques de 10 nm. Le BCP est déposé par centrifugation et recuit directement sur le graphène.L’auto-assemblage sur de grandes surfaces (1 cm²) est réalisé en quelques minutes et le masque est ensuite transféré vers le graphène par gravure plasma à base d’oxygène, où dans une seule étape la matrice PS est éliminé, les cylindres PDMS oxydés et le graphène gravé. De grandes surfaces de nanorubans de 11 nm de largeur (GNR) ont été fabriquées par la lithographie de l’auto-assemblage du PS-b-PDMS. Un nettoyage au plasma H2 a également été effectué afin d’éliminer les contaminants organiques apparaissant lors des étapes de fabrication. Des techniques différentes pour l’analyse du carbone telles que la spectroscopie photoélectronique de rayons X, la spectroscopie Raman et la microscopie à force atomique ont été utilisées pour montrer la haute qualité des GNR.La caractérisation électrique des GNRs tels que la mobilité et l’ouverture du gap dans le graphène ont également été mesurés pour confirmer le comportement électronique des nanorubans de graphène. Des valeurs de l’ordre de 150 cm²/V s et 30 meV ont été mesurées. L’ensemble de la procédure expérimentale a été réalisé dans le cadre des réglèmentations de salles blanches pour la microélectronique, puis les processus d’auto-assemblage des BCPs proposés sont évolutifs et peu coûteux et sont bien adaptés pour être intégrés aux techniques existantes de fabrication de semi-conducteurs.

  • Titre traduit

    Advanced lithography by self-assembly of PS-b-PDMS and associated plasma ething : application to the fabrication of functional graphene nanoribbons arrays


  • Résumé

    The Block copolymers (BCPs) have the particular property of self-assemble into ordered periodical structures. These macromolecules in association with the classic photolithography, is a promising candidate to be used as an alternative technique for the advanced patterning. This way, the downsizing of the integrated circuits can be kept up. BCPs with high chemical incompatibility between their blocks exhibit a high value of the Flory-Huggins interaction parameter χ. The BCP theory predicts periodical features sizes with high-χ; BCPs of only few nanometers.The BCP lithography principe was also used to show the patterning of 2D materials. For exemple, graphene present a real needs of patterning into very narrow nanostructures to open up a bandgap to switch its electrical properties by quantum confinement. A low χN PS-b-PDMS was used to pattern ~ 10 nm features. BCP is spin-coated and annealed directly on graphene. Self-assembly on large surfaces (1 cm²) is achieved in few minutes and the mask is then transferred on graphene by oxygen-based plasma etching, where in a single step will eliminate the PS matrix, oxidized the PDMS cylinders and etch the graphene. Large surfaces of 11nm-width Graphen nanoribbons (GNRs) were fabricated by the self-assembly of PS-b-PDMS. Dry H2 plasma cleaning was also performed to remove organic contaminants appearing during the fabrication steps. Different analysis techniques of carbon such as Raman and X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy were used to show the high chemical quality of the GNRs.Electrical characterization of the GNRs such as mobility and the bandgap openingin graphene were measured also to confirm the electronic behavior of the graphene nanoribbons. Values of the order of 150 cm²/V s and 30 meV were measured. The entire procedure was realized under microelectronics clean room requirement, then, the BCP self-assembly processes proposed are scalable and low cost, and is well-suited for integration with existing semiconductor fabrication techniques.The lithographical procedure developed in this investigation could also be generalized to fabricate different graphene nanostructures such as graphene nanomeshes or quantum dots that could be envisaged for other applications in functional devices. GNRs on large surfaces are expect to find a broad ranges of applications, in the fields of electrochemical and bioanalysis.


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