Chapitre 13Micro et nano
Micro- et nanofabrication
La micro- et la nanofabrication fabriquent des structures bien plus petites qu'un cheveu : les transistors d'une puce, les engrenages d'une montre, les fibres d'un filtre. Au lieu de couper ou de comprimer de la matière massive, ces procédés font croître, étirent, déposent ou enlèvent de la matière par étapes mesurées en microns (millièmes de millimètre) ou même en atomes isolés.
L'idée générale
À cette échelle, les outils ordinaires sont inutiles : aucun foret n'est assez fin et aucune main assez stable. Le travail est donc fait par la lumière, les ions, les champs électriques et la chimie, qui peuvent être focalisés ou contrôlés bien en dessous de ce que l'œil voit. Voyez cela comme écrire avec un faisceau au lieu de sculpter avec un couteau : plus le faisceau est fin, plus l'écriture est fine.
Beaucoup de ces procédés se déroulent en salle blanche : des salles dont l'air est filtré jusqu'à contenir des milliers de fois moins de particules de poussière que l'air ordinaire, avec des opérateurs en combinaison intégrale. Un seul grain de poussière est bien plus grand qu'un transistor : une seule particule qui se pose sur une plaquette peut ruiner une puce.
Les 9 procédés de ce chapitre
13.1Croissance cristalline Czochralski (plaquettes de silicium)Tire lentement un cristal unique géant de silicium hors d'un bain fonduOuvrir la leçon
13.2PhotolithographieProjette un motif avec de la lumière sur un revêtement photosensible, puis le graveOuvrir la leçon
13.3Épitaxie par jets moléculaires (MBE)Fait croître un cristal une couche atomique à la fois à partir de jets sous ultra-videOuvrir la leçon
13.4Dépôt par couches atomiques (ALD)Revêt une surface d'une couche atomique par cycle avec des gaz en alternanceOuvrir la leçon
13.5Faisceau d'ions focalisé (FIB)Usine ou ajoute de la matière avec un faisceau d'ions sous un microscopeOuvrir la leçon
13.6Usinage laser femtosecondeEnlève de la matière avec des impulsions laser ultracourtes, sans fondreOuvrir la leçon
13.7LIGADessine de profondes fentes aux rayons X ou aux UV, les remplit de nickel, puis moule des copiesOuvrir la leçon
13.8Polymérisation à deux photonsDurcit la résine uniquement au point focal d'un laser pour imprimer des micro-pièces en 3DOuvrir la leçon
13.9ÉlectrofilageÉtire un jet de polymère en nanofibres avec une haute tensionOuvrir la leçonCôte à côte
| Procédé | En une ligne | Idéal pour | Taille de série | Précision |
|---|---|---|---|---|
| 13.1Croissance cristalline Czochralski (plaquettes de silicium) | Tire lentement un cristal unique géant de silicium hors d'un bain fondu | Plaquettes de silicium pour puces et cellules solaires | Production continue de lingots | Un cristal quasi parfait, découpé en plaquettes jusqu'à 300 mm de diamètre |
| 13.2Photolithographie | Projette un motif avec de la lumière sur un revêtement photosensible, puis le grave | Puces informatiques, capteurs, MEMS | Production de masse, des millions de puces | Motifs jusqu'à des dizaines de nanomètres |
| 13.3Épitaxie par jets moléculaires (MBE) | Fait croître un cristal une couche atomique à la fois à partir de jets sous ultra-vide | Lasers, LED, transistors rapides, recherche | Petits lots de plaquettes | Couches atomiques isolées |
| 13.4Dépôt par couches atomiques (ALD) | Revêt une surface d'une couche atomique par cycle avec des gaz en alternance | Films ultra-minces dans les puces, revêtements au fond de trous profonds | Production de puces en grande série | Environ un dixième de nanomètre par cycle |
| 13.5Faisceau d'ions focalisé (FIB) | Usine ou ajoute de la matière avec un faisceau d'ions sous un microscope | Réparation de puces, préparation d'échantillons, prototypes | Pièces uniques | Jusqu'à environ 10 nanomètres |
| 13.6Usinage laser femtoseconde | Enlève de la matière avec des impulsions laser ultracourtes, sans fondre | Stents, découpe du verre, micro-trous | Du prototype à la grande série | Quelques microns |
| 13.7LIGA | Dessine de profondes fentes aux rayons X ou aux UV, les remplit de nickel, puis moule des copies | Pièces d'horlogerie, micro-engrenages, micro-moules | Petite à moyenne série ; copies en plastique en grande série | Détail sub-micronique, parois droites très hautes |
| 13.8Polymérisation à deux photons | Durcit la résine uniquement au point focal d'un laser pour imprimer des micro-pièces en 3D | Micro-optique, structures pour cellules, prototypes | Pièces uniques et petites séries | Détail sub-micronique |
| 13.9Électrofilage | Étire un jet de polymère en nanofibres avec une haute tension | Filtres, pansements, structures pour tissus | D'échantillons de laboratoire aux lignes rouleau à rouleau | Fibres de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns d'épaisseur |
Comment choisir dans cette famille
- Fabriquer le matériau de base des puces ? Les cristaux de silicium viennent de la croissance Czochralski, et les couches cristallines les plus fines de l'épitaxie par jets moléculaires (MBE).
- Motifs de millions de dispositifs plats identiques : la photolithographie ; ajout de films de quelques atomes d'épaisseur : l'ALD.
- Réparer, couper ou inspecter un seul minuscule point : le faisceau d'ions focalisé ; usinage de micro-détails dans le métal ou le verre : le laser femtoseconde.
- Hautes micro-pièces métalliques à parois droites : la LIGA ; vraies micro-formes 3D : la polymérisation à deux photons.
- Grandes surfaces de voile de fibres fines, à bas coût : l'électrofilage.
Mots clés
- Micron (µm)
- un millième de millimètre ; un cheveu fait environ 70 µm de large.
- Nanomètre (nm)
- un millième de micron ; quelques atomes côte à côte.
- Plaquette (wafer)
- un disque mince et poli de cristal, généralement du silicium, sur lequel les puces sont construites.
- Résine photosensible (resist)
- un revêtement que la lumière, les rayons X ou les électrons modifient chimiquement, utilisé comme pochoir.
- Salle blanche
- une salle à l'air fortement filtré, gardée presque sans poussière.
- Chambre à vide
- une enceinte fermée dont l'air est pompé, pour que les atomes et les faisceaux circulent librement.
- MEMS
- systèmes micro-électro-mécaniques, minuscules machines et capteurs construits sur des puces.
- Voxel
- un pixel 3D, le plus petit volume qu'un procédé puisse former d'un coup.
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