Surface Properties of Hard Fluorinated Amorphous Carbon Films Deposited by Pulsed-DC Discharges
Propriétés de surface de carbone amorphe fluoré déposé par des décharges DC pulsées
Résumé
New Generation Lithographic (NGL) techniques have been recently investigated in order to overcome the limitations of the long-used UV lithography. Several techniques have been proposed during the last decades, but the continued improvement of UV lithography rendered them useful only for a limited number of applications. More recently, nanoimprint lithography (NIL), invented in the nineties, has been considered as the new NGL due to its extreme simplicity and high resolution.
Thermal NIL consists in the deformation of a thermoplastic under pressure and temperature by a nanostructured mold, while UV-NIL consists in the polymerization by UV light of a monomer at room temperature and under a lower pressure than Thermal NIL.
One of the main problems of this technique is mold-polymer separation after the process. This problem is especially important for UV-NIL, because the working treatments for Thermal NIL degrade with UV light. In order to address this problem, thin diamond-like amorphous carbon films (DLC) have been proposed as an alternative to existing treatments for their low chemical reactivity and the possibility to incorporate other chemical elements to further reduce their surface energy.
Amorphous carbon exists in different forms, depending on how it is grown. Its mechanical properties range from polymer or graphite-like to almost as resistant as diamond.
Besides the excellent mechanical properties of DLC (high hardness, elasticity and wear resistance, and low dry friction), amorphous carbon has also been found useful in applications requiring inert and/or biocompatible surfaces.
The project DPI2007-61349 of the Science and Innovation Department of Spain, named “Amorphous carbon molds for micro and nanoimprint of polymeric surfaces”, aims to study the effect of the incorporation of different elements in DLC films for the improvement of NIL molds.
This thesis has focused on a series of objectives of this project:
- Design and construction of a very high vacuum reactor for deposition processes and ionic etch
- Incorporation of fluorine to amorphous carbon films and subseqüent characterization by different surface, mechanical and tribological techniques, as well as spectroscopy for the characterization of the plasma used for the process.
- Set up and optimization of a deep ion etch technique with ion beam for the production of molds.
- The use of different lithographic techniques oriented to the production in large scale of nanometric patterns.
- The exploration of mold coating to increase its durability and antisticking properties in nanoimprint processes.
The incorporation of fluorine in DLC films has demonstrated to be useful in the improvement of the properties of NIL molds, because it avoids the use of the current surface treatments, which in addition to being less durable, can react with polymers in presence of UV light.
In this thesis, the influence of fluorine incorporation in the films has been studied. Fluorinated amorphous carbon films have been deposited by pulsed-DC plasma enhanced chemical vapor deposition, by progressively replacing methane by trifluoromethane. The experimental device used for deposition has been designed and built to allow a number of multiple processes in the same reactor. The results of the study demonstrate the feasibility of this technique, of easy industrial implementation, for the deposition of this type of coatings.
The characterization of both the active species in the plasma and the groups incorporated into the deposited films has helped to understand the process of fluorine incorporation, as well as the change in the surface properties that it entails.
Des techniques de lithographie de nouvelle génération (LNG) ont récemment été étudiées afin de surmonter les limites de la lithographie UV utilisée de longue date. Plusieurs techniques ont été proposées au cours des dernières décennies, mais l’amélioration continue de la lithographie UV ne les a rendues utiles que pour un nombre limité d’applications. Plus récemment, la lithographie par nanoimpression (NIL), inventée dans les années 90, a été considérée comme une nouvelle LNG en raison de son extrême simplicité et de sa haute résolution.
La NIL thermique consiste en la déformation d'un thermoplastique sous pression et température par un moule nanostructuré, tandis que la UV-NIL consiste en la polymérisation par la lumière ultraviolette d'un monomère à température ambiante et sous une pression inférieure à celle de la NIL thermique.
L'un des principaux problèmes de cette technique est la séparation moule-polymère après le processus. Ce problème est particulièrement important pour la UV-NIL, car les traitements utilisés pour la NIL thermique se dégradent avec la lumière UV. Afin de resoudre ce problème, des couches minces de carbone amorphe dites « type diamant » (DLC) ont été proposées comme alternative aux traitements existants pour leur faible réactivité chimique et la possibilité d’incorporer d’autres éléments chimiques pour réduire davantage leur énergie de surface.
Le carbone amorphe existe sous différentes formes, en fonction de la façon dont il est cru. Ses propriétés mécaniques vont du polymère ou du graphite à presque aussi résistant que le diamant.
Outre les excellentes propriétés mécaniques du DLC (haute dureté, élasticité et résistance à l'usure, et faible frottement à sec), le carbone amorphe s'est également révélé utile dans les applications nécessitant des surfaces inertes et / ou biocompatibles.
Le projet DPI2007-61349 du département de la Science et de l’Innovation en Espagne, intitulé « Moules en carbone amorphe pour micro et nano-impressions de surfaces polymères », vise à étudier l’effet de l’incorporation de différents éléments dans des films DLC pour l’amélioration des moules NIL.
Cette thèse s'est concentrée sur une série d'objectifs de ce projet :
- Conception et construction d'un réacteur à très haut vide pour des procédés de dépôt et gravure ionique
- Incorporation de fluor au carbone amorphe et caractérisation subséquente par différentes techniques superficielles, mécaniques et tribologiques, ainsi que spectroscopie pour la caractérisation du plasma utilisé pour le procédé.
- Mise en place et optimisation d'une technique de gravure ionique profonde à faisceau ionique pour la production de moules.
- L’utilisation de différentes techniques lithographiques orientées vers la production à grande échelle de motifs nanométriques.
- L’exploration du revêtement de moules pour augmenter sa durabilité et ses propriétés anti-adhérentes dans les procédés de nano-impression.
L'incorporation de fluor dans les films de DLC s'est avérée utile pour améliorer les propriétés des moules NIL, car elle évite l'utilisation des traitements de surface actuels, qui, en plus d'être moins durables, peuvent réagir avec les polymères en présence de rayons ultraviolets.
Dans cette thèse, l'influence de l'incorporation de fluor dans les films a été étudiée. Des films de carbone amorphe fluorés ont été crus par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à courant continu pulsé, en remplaçant progressivement le méthane par du trifluorométhane. Le dispositif expérimental utilisé pour la croissance a été conçu et construit pour permettre plusieurs processus dans le même réacteur. Les résultats de l'étude démontrent la faisabilité de cette technique, de mise en œuvre industrielle facile, pour le dépôt de ce type de revêtements.
La caractérisation à la fois des espèces actives dans le plasma et des groupes incorporés dans les films déposés a permis de comprendre le processus d’incorporation de fluor, ainsi que la modification des propriétés de surface qu’il entraîne.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)