Rubrique : Les procédés de fabrication des nanocomposants
Les procédés utilisés pour fabriquer les nanocomposants consistent à venir insérer un motif fonctionnel sur ou dans un substrat initial. Il peut s’agir aujourd’hui d’une plaquette de silicium d’un diamètre de 200 mm à 300 mm (figure 4) ou d’un autre semi-conducteur, d’un substrat de verre ou de plastique, ou même d’un substrat métallique. Les procédés sont les suivants :
* Modifications locales de composition en utilisant des techniques d’épitaxie, de diffusion ou d’implantation d’éléments chimiques à des concentrations extrêmement faibles, inférieures à 1 ppm (partie par million).
L’épitaxie consiste à faire croître une couche généralement monocristalline de composition parfaitement définie de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres d’épaisseur sur le substrat, de façon à obtenir de nouvelles propriétés semi-conductrices. Les procédés utilisés sont généralement la MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition) qui est un dépôt sous vide en phase vapeur utilisant des composés organométalliques, ou l’épitaxie par jets moléculaires (MBE) qui est un dépôt sous vide poussé à partir d’une ou plusieurs sources solides chauffées.
La diffusion consiste à faire diffuser dans un four à haute température (à environ 1 000 °C) un composé chimique dans la plaquette de semi-conducteur.
L’implantation se fait sous vide. Un équipement d’implantation ionique se compose d’une source de production d’ions, d’un accélérateur de particules et d’une chambre où se trouvent les substrats ;
* Oxydation ou dépôts de couches de composition et d’épaisseur extrêmement bien définies : dépôts de couches inorganiques ou de polymères à partir de solutions, dépôts PVD, CVD ou PECVD tels que décrits dans le chapitre précédent, ainsi que des méthodes dérivées encore plus précises telles que la MOCVD ou l’ALD (Atomic Layer Deposition). Les épaisseurs de ces couches peuvent aller de quelques nanomètres à quelques micromètres. Jusqu’à très récemment, les couches déposées étaient de l’oxyde de silicium, des borophosphosilicates, de l’aluminium, du cuivre, du titane, de l’or, du platine et du nitrure de titane. De nouveaux composés apparaissent aujourd’hui pour améliorer les performances électriques ou électroniques des composants, tels que les oxydes d’hafnium ;
* photolithographie et gravure pour définir des motifs. Ce procédé permet d’atteindre aujourd’hui des dimensions de motifs extrêmement réduites de quelques dizaines de nanomètres et donc de mettre sur une seule puce électronique d’un centimètre carré de surface des centaines de millions de transistors ;
* photolithographie. Elle utilise des équipements d’exposition sous rayonnement UV (λ = 365 nm, 248 nm ou 193 nm) dont le principe est le même que celui des chambres d’exposition photographique classiques, la longueur d’onde étant simplement plus basse et la résolution meilleure, puisqu’on atteint aujourd’hui des résolutions de 40 nm (dimension minimale d’un motif). Pour descendre encore plus bas en résolution (10-20 nm), sont actuellement développés des équipements à source dite « Deep UV », de longueur d’onde de 13,5 nm.
* Il existe deux types de procédés de gravure : les procédés de gravure humide qui utilisent des solutions chimiques pour graver les couches déposées et les procédés de gravure par plasma, réactif ou non, qui utilisent une décharge dans un milieu gazeux pour attaquer ces couches ;
* autres procédés : à ces procédés s’ajoutent des recuits thermiques ou sous flux lumineux, laser ou autres, des procédés de polissage mécanique ou mécano-chimique et éventuellement d’autres procédés très spécifiques pour certaines applications.
Pilote de synthèse par pyrolyse laser du CEA. (détail du réacteur et vue d’ensemble)
Nouvelle machine SPS installée sur la plate-forme de la société Mécachrome à Vibraye (Sarthe). Caractéristiques maximales : force : 2 000 kN ; courant : jusqu’à 30 000 ampères sous une tension de 10V ; température 2 400 °C ; diamètre maximum de pièces réalisables : 350 mm. (équipement opéré en partenariat avec le CEA).
Plaquette de silicium de 300 mm réalisée à l’usine STMicroelectronics
de Crolles (Isère)
Exemple de circuit nanoélectronique comportant plusieurs dizaines de millions de transistors
Salle blanche pour la fabrication de circuits nanoélectroniques.
Chaînes d’atomes d’or sur une surface de silicium observées au microscope à effet tunnel.
