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 ».
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.