Nanotechnologie verte : des polymères de la biomasse comme résines éco-efficientes pour la lithographie

par Mathieu Caillau

Thèse de doctorat en Micro et nanoélectronique

Sous la direction de Yann Chevolot et de Jean-Louis Leclercq.

Soutenue le 05-10-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec École Centrale de Lyon (1857-....) (établissement opérateur d'inscription) et de INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Jérôme Plain.

Le jury était composé de Yann Chevolot, Jean-Louis Leclercq, Emmanuelle Laurenceau, Thierry Delair, Raluca Tiron.

Les rapporteurs étaient Olivier Soppera, Cécile Gourgon.

mots clés

• Nanotechnologies
• Greentech
• Biopolymères
• Lithographie
• Gravure
• Résine
• Lithographie
• Gommes et résines
• Nanotechnologie

Résumé

La lithographie est une étape clé de micro/nanotechnologie pour la fabrication de composants utilisés dans les domaines de la microéléctronique, de l’électronique flexible, de la photonique, du photovoltaïque, de la microfluidique... Cette étape de lithographie nécessite l’utilisation d’une résine inscriptible servant de masque temporaire permettant le transfert de motifs dans le matériau sous-jacent par gravure ou par déposition de nouveaux matériaux. La lithographie fait appel à des résines organiques mais aussi à des solvants organiques et des produits chimiques corrosifs et nocifs, ce qui va à l’encontre des problématiques environnementales et qui engendre des coûts supplémentaires liés à la gestion des risques et des déchets. De plus le contexte réglementaire (REACh ou US pollution act) évolue vers une plus grande protection de l’environnement et de la santé humaine et encourage l’utilisation de produits alternatifs. Dans ce contexte, mon projet de thèse visait à développer une résine biosourcée, non modifiée par des procédés de chimie de synthèse et développable dans l’eau. Cette résine devait être compatible avec les instruments de lithographies conventionnelles. Lors de ce travail, il a été démontré que le chitosane était une résine de tonalité positive permettant la réalisation d’un procédé complet de lithographie/gravure avec uniquement de l’eau comme solvant, sans modification du chitosane et sans l’utilisation de masque additionnel. Des motifs de 50 nm ont été obtenu dans la silice après lithographie électronique et gravure plasma et des motifs de 0.5 à 0.3 μm après photolithographie et gravure.

mots clés

• Nanotechnology
• Greentech
• Biopolymer
• Lithography
• Etching
• Resist

Titre traduit

Green Nanotechnology : polymers from biomass as eco-friendly resists for lithography

Résumé

. Lithography is a key step in micro / nanotechnology with applications in the fields of microelectronics, flexible electronics, photonics, photovoltaics, microfluidics and biomedical. This lithography step requires the use of a writable resist to act as a temporary mask for transferring patterns in the underlying material by etching or deposition. Nowadays, lithography uses synthetic organic resin, organic solvents and hazardous chemicals which is contrary to environmental issues and generates additional costs associated with risk and waste management. Furthermore, regulation rules (REACh, US pollution act) tend to move toward the protection of human health and the environment from the risks that can be posed by chemicals and promote alternative chemicals. In this context, this PhD work aimed at replacing conventional synthetic organic resist with a biopolymer. This biopolymer will not be modified by synthetic organic chemistry, will be compatible with conventional lithography instruments and it should be developable in water. It was demonstrated that chitosan was a positive tone resist allowing accomplishing a complete lithography-etching process. The whole process was performed in aqueous solution without the use of hazardous chemicals. 50 nm features were obtained after ebeam lithography/plasma etching into a silica layer without the use of an additional masking layer. 0.3-0.5 μm feature were obtained using photolithography.