23 avril 2012
Réalisation de nanostructures auto-assemblées de copolymères à blocs orientées et sans défauts
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Savoir graver des nanostructures de manière simple et économique est un enjeu primordial en microélectronique ou pour de futures applications optiques. Les nanostructures obtenues par auto-assemblage de molécules permettent d’atteindre aisément les résolutions souhaitées (~ qques 10 nm), mais il faut savoir maitriser leur orientation et éliminer les nombreux défauts inhérents à ce type d'organisation spontanée. Pour les structures obtenues par séparation de phases de copolymères diblocs, ces objectifs peuvent être atteints en contraignant une mince couche de copolymères par impression avec un moule nanostructuré. Cette méthode simple et les principes qui la fondent viennent d’être publiés dans Advanced Materials.

 

 

La grande majorité des composants électroniques sont réalisés sur une tranche ("wafer") de silicium sur laquelle l’architecture des différentes couches est réalisée à l'aide de masques en résine. L'accroissement des performances (loi de Moore) de ces composants est directement lié à une intégration plus poussée et donc une réduction en taille des structures. La résolution des techniques de gravure par lithographie optique (voie "top-down") devient alors insuffisante. Pour l’échelle actuellement visée de 20 nm, les méthodes envisageables, telle que la gravure par faisceau électronique, sont beaucoup plus contraignantes et onéreuses. Une solution alternative peut être trouvée grâce aux processus d’auto-assemblage moléculaire (voie "botttom-up").

En particulier, les structures auto-assemblées de copolymères séquencés à blocs présentent ainsi une solution alternative aux lithographies usuelles : les copolymères séquencés sont constitués de monomères A et B liés de manière covalente. A basse température ils se structurent par la formation spontanée de séquences ordonnées à l’échelle moléculaire de type AAA…AAA-BBB…BBB- AAA, etc…. Cette micro-séparation de phases, fournit une structuration spatiale en domaines à l'échelle souhaitée (sub-22nm). Pour être utilisables, il faut cependant savoir orienter de façon contrôlée les structures obtenues et il est nécessaire d’éliminer les défauts inhérents à ce type de mise en ordre spontanée, pour obtenir des arrangements sans défaut et "adressable".

 
Réalisation de nanostructures auto-assemblées de copolymères à blocs orientées et sans défauts

(a) Moule de taille latérale de l'ordre du micron, structuré en z à l'échelle de 50 nm. (b) Moule placé au-dessus de la couche nanostructurée désordonnée de copolymères bi-séquencés. (c) Schéma de l’écoulement et du cisaillement généré par la pression. Les 2 orientations obtenues sont telles que : (d) les lamelles s'orientent perpendiculairement aux dents du moule, pour une dynamique de l’écoulement dominante,; (e) les lamelles s'orientent parallèlement à la structure du moule, si la contrainte due à l’énergie de surface du moule est dominante.

Trois équipes du CEA (IRAMIS, LETI et IPhT), en collaboration avec l’Université de Tel-Aviv (R. and B. Sackler School of Physics and Astronomy), viennent de montrer que les défauts de structures auto-assemblées de copolymères bi-séquencés peuvent être éliminés à grande échelle (~ 10 µm, cf. figure) en pressant à chaud la couche de copolymères avec un moule nanostructuré. Ce moule peut être utilisé des milliers de fois pour traiter des couches en série.

Par l'énergie de surface du moule avec la couche et sous l'effet de la pression, le moule provoque des contraintes locales guidant des écoulements à grande échelle en orientant les nanostructures tout en faisant disparaître les défauts (nano-rhéologie). Deux orientations peuvent être obtenues : lorsque la dynamique de l’écoulement est dominante, les lamelles s’orientent perpendiculairement aux dents du moule tandis que si la simple contrainte due à l’énergie de surface du moule prédomine, les lamelles s'orientent parallèlement à la structure du moule. On peut ainsi choisir l'orientation (cf. figure) de la nano-structuration. Des nanostructures sans défauts de résolution ~10 nm ont ainsi pu être obtenues sur des tailles de plusieurs dizaines de microns. Des simulations numériques (SCFT : self-consistent field theory) confirment la stabilité des structures obtenues.

Des structures basés sur l'auto-assemblage contrôlé de copolymères bi-séquencés et incluant des composés métalliques doivent pouvoir être obtenues par cette voie, permettant la réalisation de mémoires et supports d'enregistrement magnétique ultra-haute densité, de nanostructures métalliques pour l'élaboration de méta-matériaux, de les circuits plasmoniques ou encore de capteurs.

 

Contact CEA : Patrick Guenoun

Référence :

Tailoring nanostructures using copolymer nanoimprint lithography,
P. Thébault, S. Niedermayer, S. Landis, N. Chaix, P. Guenoun, J. Daillant, X. Man, D. Andelman and H. Orland,
Advanced Materials, 24 (2012) 1952.

 

Maj : 10/05/2012 (1931)

 

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