Simulation du procédé de nanoimpression thermiquesur silicium revêtu d'un film polymère ultramince

摘要

La nano-structuration des surfaces est un intrigant domaine de la physique des matériaux que l homme s est approprié aussi bien à des fins esthétiques que fonctionnelles. Les nanostructures peuvent être présentes à l état naturel (effet déperlant de la feuille de lotus) ou à l état artificiel pour répondre à des besoins techniques et peuvent alors être fabriquées par lithographie. Le procédé étudié dans cette thèse est la nanoimpression thermique qui permet de répliquer à moindre coût les micro- et nanostructures d un moule vers la surface d un substrat. Ce procédé d embossage consiste à imprimer le moule dans un film mince de polymère thermoplastique (50 à 500 nm d épaisseur) préalablement déposé sur le substrat. Eventuellement, une étape ultérieure de gravure permet de transférer dans ce dernier les motifs imprimés. On s intéresse en particulier à l évaluation des vitesses d impression des structures dans des films de polystyrène sur substrat de silicium. Un logiciel de simulation numérique a été développé ; il utilise la méthode des éléments naturels contraints (C-NEM). L accent a été mis sur la prise en compte de trois effets éminemment importants à l échelle nanométrique : tension de surface, mouillage, glissement à l interface fluide-solide. Combiné à un comportement visqueux non linéaire, cela permet de rendre partiellement compte des phénomènes physiques qui surviennent lors de l impression et d avoir des temps de simulation compatibles avec les contraintes industrielles tout en conservant une évaluation pertinente des vitesses d impression. Cette démarche nous place à mi-chemin entre des modèles analytiques très simples mais ayant un cadre d utilisation très restreint et des modèles plus complexes trop onéreux pour la simulation, comme la viscoélasticité en grandes transformations. Ces travaux abordent enfin le problème de la caractérisation du polymère à l échelle des films minces. Un des défis majeurs relevés ici consistait à appliquer à des films minces le comportement du polymère caractérisé à l échelle macroscopique. La validation expérimentale de toute la théorie élaborée a permis d appuyer cette démarche et d en révéler les limites. Ces approches théorique et expérimentale sont un premier pas vers la conception d un outil numérique d optimisation de la nanoimpression thermique.