Nano-Structuration Haute Résolution par Lithographie de Copolymères à Blocs pour des Applications Microélectroniques et de Capteurs

High Resolution Nano-Patterning via Block Copolymer Lithography for Microelectronic and Sensing Applications

• Auteur / Autrice : Achmad fajar Putranto
• Direction : Martin Kogelschatz, Marc Zelsmann
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 16/01/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique
• Jury : Président / Présidente : Redouane Borsali
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Kogelschatz, Magali Phaner-goutorbe, Skandar Basrour, Virginie Ponsinet, Tobias A F Konig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Virginie Ponsinet, Tobias A F Konig

Mots clés

Mots clés libres

Copolymère à blocs

Lithographie

Nanofabrication

Métasurfaces

Diffusion Raman exaltée de surface

Nanocapteur

Block copolymer

Lithography

Nanofabrication

Metasurfaces

Surface enhanced Raman spectroscopy

Nanosensor

Résumé

La réalisation de nanostructures à haute résolution à une échelle inférieure à 10 nm est essentielle pour les avancées technologiques, en particulier dans le domaine de la microélectronique, où la réduction continue de la taille des transistors joue un rôle crucial. Cependant, elle est également importante dans d'autres domaines comme la photonique, pour la fabrication de métasurfaces, ou encore dans le domaine des capteurs (bio)chimiques. Dans ce contexte, l'auto-assemblage dirigé (DSA) de copolymères à blocs (BCP) à haut paramètre χ s'avère être une technique de nanofabrication prometteuse. Un paramètre χ élevé, qui mesure l'incompatibilité chimique entre les blocs, permet la formation de motifs à plus haute résolution (inférieure à 10 nm). Cette thèse de doctorat se concentre sur l'étude du DSA d'un matériau lamellaire à haut χ contenant du silicium, le polystyrène-bloc-poly(1,1-diméthylsilacyclobutane) (PS-b-PDMSB), avec une demi-période de 9 nm, sur des substrats topographiques (procédé dit de graphoépitaxie), avec pour objectif ultime de répondre à des applications en microélectronique et en spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). Pour obtenir une configuration compatible avec la lithographie, c'est-à-dire des lamelles orientées verticalement et ordonnées à longue distance, un contrôle précis du mouillage entre le BCP et son environnement (avec le fond et les parois latérales du substrat, ainsi qu’avec la couche supérieure polymère) est nécessaire. Dans la première partie de ce travail, nous avons évalué divers traitements plasma sur les substrats topographiques, composés de lignes directrices en spin-on-carbon (SOC) et d'un substrat de base en silicium, afin de favoriser cet alignement vertical à l'intérieur des tranchées. En particulier, un traitement plasma HBr/O2 permet à la fois d’obtenir un mouillage neutre à l'interface inférieure (substrat silicium) et un mouillage fortement préférentiel pour le PS sur les parois latérales (lignes de SOC), guidant ainsi efficacement les lamelles BCP verticales le long des tranchées. En revanche, une sous-couche neutre greffée induit un mouillage isotrope, aboutissant à une structure en échelle (alignement perpendiculaire aux lignes directrices). Les observations expérimentales sont en bon accord avec un modèle d'énergie libre développé pour décrire les différentes configurations d’organisation du système. De plus, la suppression sélective d’un des domaines du BCP par gravure plasma, donne lieu à des structures ouvertes orientées verticalement servant de masques lithographiques pour des applications ultérieures. Par ailleurs, le potentiel de ces structures denses, avec des dimensions caractéristiques de moins de 10 nm, a été évalué pour des applications de détection basées sur la SERS. Le dépôt de métal sur ces gabarits BCP donne lieu à diverses structures de lignes d’or nanoscopiques, évaluées à travers la détection de thiophénol greffé. En particulier, les motifs anisotropes alignés sur de longues distances présentent un signal fortement dépendant de la polarisation. Des simulations basées sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) ont été réalisées pour expliquer ces comportements nano-plasmoniques.

Achieving high-resolution nanostructures at sub-10 nm scale is paramount for technological advancements, especially in the field of microelectronics, where the continuous reduction in transistor size plays a crucial role, but also in other fields like in photonics for the fabrication of metasurfaces or in the field of bio/chemical sensors for example. In this context, the directed self-assembly (DSA) of high-χ block copolymers (BCPs) is a promising nanofabrication technique. A higher value of the Flory-Huggins parameter χ, measuring the chemical incompatibility between the blocks, enables the formation of higher resolution features (sub-10 nm). In this PhD thesis, the focus revolves around investigating the DSA of a high-χ lamellar Si-containing material, polystyrene -block- poly(1,1-dimethylsilacyclobutane) (PS-b-PDMSB) with a 9 nm half pitch, on topographic substrates for BCP lithography (a so-called graphoepitaxy process), with the ultimate goal of addressing applications in microelectronics and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). To attain a lithography-compatible configuration i.e., long-range ordered out-of-plane lamellae, precise control of the wetting interaction between the BCP and its environment (e.g., substrate’s bottom and sidewalls, as well as polymeric top-coat) is required. In the first part of the work, we evaluated various plasma chemistry treatments on the topographic substrates, composed of spin-on-carbon (SOC) guiding lines and a Si base substrate, to favour this vertical alignment within trenches. Notably, a HBr/O2 plasma-treatment achieves both neutral wetting at the bottom interface and strong PS-affine wetting at the SOC trench sidewalls, effectively guiding vertical BCP lamellae along the trenches. On the other hand, a grafted neutral underlayer is shown to induce isotropic wetting, resulting in a ladder-like structure (perpendicular alignment along the guiding lines). Experimental observations are in good agreement with a free energy configurational model developed to describe the systems. The selective removal of one of the BCP domains, for example by plasma etching, results in open out-of-plane structures that serve as lithographic templates for further applications. Additionally, the potential of these dense sub-10 nm structures for SERS-based sensing is evaluated. Metal deposition on these BCP templates yields various nanoscopic gold line structures, which are evaluated through the detection of grafted thiophenol. In particular, long-range aligned anisotropic patterns exhibit a strong polarization-dependent signal. Finite-different-time-domain simulations (FDTD) are also carried out to explain these nano-plasmonic behaviours.