Optimisation des traitements de surface de substrats polymères par plasma et développement de techniques de lithographie douce innovantes pour leur métallisation electroless localisée à basse et très haute résolution

Optimization of surface treatments onto polymer substrates by plasma and development of innovative soft lithographic techniques for their localized electroless metallization at low and high resolution

• Auteur / Autrice : Jérémy Coulm
• Direction : Didier Léonard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/03/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences Analytiques. Lsa
• Jury : Président / Présidente : Pierre Lantéri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Bessueille, Michaël Tatoulian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Stremsdoerfer, Emmanuel Delamarche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métallisation

Surfaces (technologie) -- Analyse

Adhésion (physique)

Polymères

Mots clés libres

Dispositifs interconnectés moulés (MID)

Polymères

Traitements plasma microondes

Métallisation electroless

Nano- microtamponnage

Colloïdes de palladium

Analyses de surface

Adhérence

Molded interconnected devices (MID)

Polymers

Microwave plasma treatment

Electroless metallization

Nano-microcontactprinting

Palladium colloids

Surface analysis

Practical adhesion

Résumé

Les dispositifs interconnectés moulés (« Molded Interconnected Devices », MID) sont constitués de supports polymères avec des pistes métalliques déposées à leur surface. Les objectifs de la thèse ont été d'optimiser les traitements de surface de polymères d'origine industrielle étudiés dans le contexte des MID pour obtenir des dépôts par métallisation electroless présentant une bonne adhérence. De plus, des procédés innovants de localisation de tels dépôts métalliques ont été développés. Durant ces travaux, la fonctionnalisation par plasma micro-ondes sous différentes atmosphères azotées et sous différentes conditions a été étudiée pour obtenir l'adsorption d'espèces palladiées (catalyseurs universels de la réaction de métallisation electroless). Des plans d'expériences ont été mis en oeuvre pour identifier un protocole type, développé sur PA12, pour obtenir des dépôts adhérents (Ni, Cu). Cette méthode a pu être globalement transposée avec succès sur d'autres polymères d'origine industrielle (ABS/PC, LCP). La seconde partie des travaux a consisté à développer des protocoles originaux basés sur des colloïdes de palladium directement synthétisés en surface d'un tampon en PDMS (lithographie douce) pour la réalisation de motifs métalliques par des procédés « top-down » et « bottomup ». Des analyses de surface AFM, SEM, TEM, XPS, ToF-SIMS et de mouillage ont permis de caractériser les différentes modifications de surface. Ces protocoles ont permis la réalisation de motifs métalliques MID adhérents jusqu'à 15 μm d'épaisseur et des motifs submicrométriques à haute résolution et haute densité avec des caractéristiques non encore obtenues à ce jour via cette technologie

Molded Interconnected Devices (MID) consist in polymer based substrates with metal tracks at their surface. The aim of this thesis was to optimize surface treatments applied to industrial polymers intended for MID applications, in order to obtain electroless metal coatings exhibiting a high practical adhesion. Furthermore, innovative processes to localize these metal coatings were developed. In this work, surface functionalization based on various operating parameters of microwave plasma using various nitrogen-based atmospheres were studied to obtain palladium (universal catalyst for electroless metallization) adsorption. Designs of experiments were used to identify an optimal set of parameters for PA12 surface treatment to obtain adherent metal coatings (Ni, Cu). These conditions were overall successfully transferred to other industrial polymers (ABS/PC, LCP). The second part of this work consisted in the development of innovative processes based on the use of palladium colloids directly synthetized at the surface of PDMS stamps (soft lithography) to achieve localized metallization using bottom-up and top-down approaches. AFM, SEM, TEM, XPS, ToF-SIMS and wettability measurements allowed to characterise the various surface modifications. These processes made possible 15 μm thick MID metal patterns with satisfactory practical adhesion as well as high resolution and high density sub-micrometric patterns with unseen properties for this technology