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La microélectronique a besoin de chimistes

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Grenoble, 6 et 7 juin. Lors de la 7ème Revue Annuelle du Leti une session était consacrée aux molécules et à la chimie pour la nanoélectronique. Pour aller plus loin dans la réduction de taille des transistors, le pass

La 7ème Revue Annuelle du Leti (filiale du CEA) marque certainement un tournant : pour la première fois des exposés montraient des molécules chimiques au sein de circuits microélectroniques. Et révélait aussi que l’électronique ‘grande surface’ sur supports non silicium (papier, textile) avec des procédés du type impression ou tissage s’ouvre largement.

Cette revue annuelle a été aussi l’occasion de sentir l’évolution et les tendances de l’industrie microélectronique au travers des exposés de Tsugio Makimoto (ex Corporate advisor de Sony) et de Denis Griot (Senior vice-president de Freescale Semiconductor) et bien sûr de faire le point sur les grandes directions de recherche du Leti avec Laurent Malier responsable de l’animation des programmes.

La microélectronique a d’abord été une affaire de métallurgistes (production des monocristaux de silicium, utilisation d’aluminium) puis de spécialistes des matériaux (dépôts de couches minces d’oxydes et céramiques). Les chimistes entraient par la petite porte avec les produits d’attaque (réactifs très purs) et les gaz pour les dépôts.

Depuis une dizaine d’années ils prennent de plus en plus d’importance : l’arrivée du cuivre dans les microcircuits a posé des problèmes d’électrochimie (effets de pile) et la miniaturisation pose des problèmes au niveau des résines de lithographie (travail sur la pureté et la formule de ces polymères).

Aujourd’hui ils se situent au même niveau que les concepteurs de circuits. Si l’on veut continuer à suivre la loi de Moore il faut dépasser la « simple » réduction d’échelle et passer à d’autres concepts.

Comme l’explique Xavier Hugon responsable du laboratoire Mémoires Nanodispositifs et optique «la vraie nanoélectronique passera par des molécules spécifiquement conçue pour assurer une fonction particulière». Ce sera en fait la rencontre entre le monde de la microélectronique telle qu’on la connaît, qui assurera l’architecture globale des circuits, et la chimie qui chargée de synthétiser les molécules fonctionnelles d’où le terme Chimtronique.

On peut imaginer d’un côté faire des milliards de telles molécules en milieu liquide que l’on versera sur une tranche de silicium avec des sites spécifiques d’accrochage sur lesquels viendront se fixer les molécules.

Pour cela il faut donc synthétiser les molécules, faire de la modélisation supramoléculaire pour décrire leurs interactions, développer des techniques de localisation et d’accrochage sur les wafers, des tests de caractérisation, avoir une architecture tolérante aux défauts pour disposer enfin de données fiables.

Les molécules sur lesquelles le Leti et d’autres laboratoires du CEA en amont travaillent sont des nanotubes de carbone, des porphyrines, des molécules photosensibles etc ; on parle de molécules présentant des états bistables (ou plus) correspondant à des états ouvert ou fermé.

Les nanotubes par exemple pour réaliser de microcanons à électrons pour l’affichage, sont produits directement sur un substrat lui-même décoré de millions de sites catalytiques de quelques nanomètres et ceci par CVD sur des wafers de 200 mm (installation Centura) ; la percée réalisée au Leti est que ce dépôt se fait à seulement 520 °C pour des nanotubes monoparoi. Le Leti a déjà réalisé un prototype d’écran monochrome prouvant la viabilité du concept : écran 6 pouces dont la consommation est trois fois moindre qu’un écran LCD avec 10 000 h de fonctionnement prouvé.

Les porphyrines sont des molécules organiques contenant en leur milieu un atome métallique, du cobalt par exemple. Une telle molécule est conductrice si le cobalt est à un degré d’oxydation de trois et résistante s’il est de deux. Sur cette molécule il est possible de fixer des groupements chargés de l’accrochage sur des nanofils d’indium par exemple et l’on cherche des moyens de l’accrocher sur le silicium. Il est possible de faire des variations sur la nature du métal et ainsi d’accéder à des propriétés différentes.

Mais la chimie offre bien d’autres possibilités de réaliser des fonctions par des changements de forme de la molécule. Les énergies mises en jeu pour passer d’un état à un autre sont alors très faibles, ce qui permettra de résoudre les problèmes d’énergie (actuellement la dissipation thermique dans un microprocesseur atteint les 100 W/cm2 soit autant que dans une centrale nucléaire !).

Toutes ces avancées ne seront possibles qu’avec un vrai dialogue entre chimistes et électroniciens et avec l’aide de moyens d’observation et de caractérisation à l’échelle de la molécule (toute la microscopie à force atomique et ses variantes, voir article IT N° 867) et avec les calculs de modélisation moléculaire.

Autre possibilité, l’utilisation de nanoparticules, permettant une reconfiguration du système et la construction de véritables dispositifs neuronaux faisant appel à des synapses artificiels pour lesquels il faut développer aussi toute une algorithmique.

Il y a du pain sur la planche, des collaborations à bâtir car tout cela est très complexe et obtenir l’adhésion des consommateurs (les nanotubes et leurs éventuels dangers). Une nouvelle feuille de route se met en place.

Plus généralement la chimie est aussi sollicitée sous son aspect polymère. Le Leti, le Liten et le CSEM (Suisse) ont créé en 2004 une plateforme virtuelle sur les polymères pour répondre aux besoins au niveau des applications de la microélectronique pour l’automobile, le médical, les biotechnologies, les sources d’énergie etc. Les recherches s’effectuent aussi bien au niveau des polymères eux mêmes que des moyens de transformation (microinjection, thermoformage) et des traitements de surface et de l’assemblage.

Et maintenant… la Macroélectronique !

La microélectronique grande surface, appelée aussi macroélectronique reprend les idées de la microélectronique mais travail sur de grandes surfaces de verre, plastiques, tissu, papier. Pour Francis Bertrand du Leti c’est même un nouveau modèle économique qui se crée.

Il s’agit d’intégrer des fonctions peu complexes sur des dispositifs de taille variable selon l’application : écran de visualisation, capteurs biométriques, antennes etc. Les coûts sont réduits du fait du procédé et des exigences moindres sur la précision (environ 10 µm). Les dépôts sont fait par voie humide et non sous vide et au déroulé.

Il existe déjà une plateforme électronique grande surface qui réunit autour du CEA Leti et Liten, Thalès, Thomson et Corning (écrans) qui travaille sur des substrats verre donc rigides.
Des études sont en cours pour des substrats souples, y compris l’acier (projet européen Flexidis) et les matériaux organiques (projet européen Polyapply).

Le fait important est que sur le territoire de l’Isère, les industriels du textile et du papier se sont emparés de l’idée et ont créé la plateforme Métis qui partage des moyens techniques et humains pour des projets de recherche précompétitive.

 Pour l’instant cinq entreprises pilotes en font partie (Sofileta, Piolat, SIEGL/groupe HTH, Filatexor/Thuasne et Arjowiggins SAS) aux côtés du CEA (Leti, Liten, DRFMC) avec le soutien du Conseil général de l’Isère, de la commune de Bourgoin  Jallieu et de l’AEPI. Une plateforme qui pourrait bien s’étendre à tout Rhône-Alpes. Là encore, il y aura besoin de chimistes.

Christian Guyard

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