Développement de polymères issus de la biomasse pour les procédés de micro et nanofabrication écoresponsables en milieu aqueux – Lithogreen

Afin de développer une résine de lithographie écoresponsable, non-toxique et compatible avec les procédés de micro et nanofabrication, nous devons 1) être capables de produire des biopolymères bien contrôlés et caractérisés, 2) comprendre les photoréactions dans les films minces de polysaccharide et sélectionner le meilleur photosensibilisateur pour une sensibilité et un contraste élevés, 3) comprendre dans les étapes de transfert les réactions se produisant sous plasma et sélectionner le polysaccharide présentant la sélectivité la plus élevée et 4) mettre en œuvre une résine à l'échelle de la pré-industrialisation.
Le consortium Lithogreen est composé de 5 partenaires possédant des savoirs-faire et des expertises complémentaires (chimie des polysaccharides, photochimie, fabrication des nanotechnologies, surface caractérisation et pré-industrialisation).
Nos efforts se sont focalisés sur le chitosane, issu de la chitine le deuxième biopolymère le plus abondant sur terre. Le chitosane est un polysaccharide issu des déchets de l’agroalimentaire, hydrosoluble, non toxique et filmifiable. C’est un polysaccharide composé de N-glucosamine lié en beta1-4 et de N-acétyle glucosamine. Il est caractérisé par son degré d’acétylation et sa masse molaire.

Lors de ces premiers 18 mois, nous avons pu produire plusieurs lots de chitosane parfaitement caractérisé et démontrer qu’en solution aqueuse, le chitosane pouvait être conservé pendant 2-4 sans modification notable de ses performances en tant que résine de lithographie malgré une légère hydrolyse et réorganisation des chaînes. La sélectivité du chitosane en plasma de gravure CHF3 est de 2 par rapport à la silice et nous avons pu démontrer que l’irradiation de chitosane à 193 nm (longueur d’onde utilisée en microélectronique) induisait des ruptures au sein de la chaîne polysaccharidiques entraînant une augmentation de la solubilité du chitosane dans l’eau. Ainsi, des motifs ont pu être écrits par irradiation à 193 nm, révélés par immersion dans l’eau pure. Ces motifs ont ensuite été transférés dans un substrat de silice par gravure au plasma CHF3.
Enfin nous avons pu démontrer que le chitosane été compatible avec la chaîne 300 mm préindustrielle du CEA-Leti, et qu’il était possible de réaliser des films d’épaisseur homogènes sur des wafers de 200 mm.

Les perspectives sont 1) de réaliser des procédés de lithographie/gravure en utilisant des photomasqueur travaillant soit à 248 nm soit à 365 nm (G-line), 2) d’évaluer l’utilisation de chitosane de poids moléculaire proche de 200 kDa vs 500 kDa et 3) d’étudier les propriétés des résines de chitosanes formulées (avec des générateurs de photo-acides et/ou des photo-amorceurs).

Deux publications scientifiques sont en cours de rédaction et deux actions de diffusion vers le grand public ont été réalisées. Une interview du hub NanoFabNet a été faite.

Les techniques de micro-nanofabrication font largement appel à la lithographie. Cette technique nécessite des résines photo- ou électro-inscriptibles permettant le transfert de motifs sur un substrat. Ces résines issues de l’industrie des polymères de synthèse requièrent l’emploi de solvants organiques. Pour des raisons économiques, réglementaires et écologiques, les acteurs du domaine soulignent leurs volontés d’accentuer le développement de procédés plus éco-efficients et moins toxiques. De plus, les projections sur la raréfaction du pétrole imposent d’explorer des matériaux alternatifs intégrant les concepts de la chimie verte.
L’objectif du projet Lithogreen est de développer des résines à base de polysaccharides pour la photolithographie UV et Deep UV (DUV) pour les procédés de micro/nanofabrication en mettant en avant un procédé exempt de produits toxiques, écotoxiques avec pour seul solvant l’eau.
Les polysaccharides sont de bons candidats car ils sont généralement hydrosolubles, biocompatibles et non-toxiques. Nous avons choisis de travailler sur les chitosanes, les alginates et les acides hyaluroniques car ces polysaccharides sont connus pour leur propriétés de filmifications et d’adhésion sur les substrats ce qui est un prérequis.
Parmi ces trois polysaccharides, le chitosane est celui que nous porterons jusqu’à la preuve de la faisabilité de son utilisation sur une ligne préindustriel de micro-électronique, en raison de nos 5 années d’expérience avec ce polysaccharide mais aussi en raison de la possibilité de le produire sans cations métalliques ce qui est préférable sur les chaîne de micro-électronique.
Pour mener à bien ce projet le consortium est constitué de 5 partenaires académique dont les compétences complémentaires incluent la physico-chimie des polysaccharides, photochimie, caractérisation physico-chimique, caractérisation de surface, photolithographie avancée, micro-nanofabrication et évaluation de la compatibilité des procédés pour la micro-électronique. L’organisation du projet est articulé autour de 4 workpackages scientifiques qui concernent : WP1 la production de résines photosensibles à base de polysaccharides, WP2 l’étude des mécanismes réactionnels gouvernant la résistance au plasma des polysaccharides, WP3 l’étude et l’optimisation des photo-réactions et WP4 l’évaluation pré-industrielle d’une résine à base de chitosane sur une chaîne de microfabrication pour la micro-électronique.