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Orsay Physics et le Cimap lancent Ciclop, un laboratoire pour affiner l'imagerie à l'échelle du nanomètre

Xavier Boivinet

Mis à jour le 09/07/2020 à 15h16

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Orsay Physics et le Cimap lancent Ciclop, un laboratoire pour affiner l'imagerie à l'échelle du nanomètre

Pour préparer des échantillons d'objets grâce à des faisceaux d'ions focalisés, ceux-ci doivent circuler dans du vide de l'ordre de 0,0001 pascal, voire dans de l'ultravide (0,000 000 01 pascal).

© Orsay Physics

L'entreprise Orsay Physics et le Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Cimap) ont annoncé le 6 juillet la création du laboratoire commun Ciclop à Caen (Calvados). Le but est d'améliorer et de développer de nouveaux systèmes à base de faisceaux d'ions focalisés. En attaquant la matière, ceux-ci permettent de préparer des échantillons avant de les étudier visuellement ou chimiquement.

Un consortium constitué du Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Cimap) et de l’entreprise Orsay Physics, basée à Fuveau (Bouches du Rhône), a annoncé le 6 juillet la création du laboratoire Ciclop, pour Cimap Common Laboratory with Orsay Physics. Le but de ce laboratoire commun est d’améliorer et de développer de nouvelles colonnes et sources de faisceaux d’ions focalisés (FIB, pour focused ion beam).

Soutenu par un financement de l’Agence nationale de la recherche à hauteur de 300 000 euros sur 3 ans, le laboratoire sera implanté au Cimap, à Caen (Calvados), qui regroupe le CEA, le CNRS, l’Ensicaen et l’Université de Caen Normandie. « L'idée est de créer une association structurée sur le long terme pour être pérenne et s'autofinancer au bout de trois ans, souligne Marie Planchet, manager administration et qualité chez Orsay Physics. Les travaux s’appuieront sur les expertises complémentaires des partenaires et porteront sur des axes de recherche communs. »

Suivre l'évolution de la microélectronique

Le marché des systèmes utilisant des FIB est certes un marché de niche, mais très concurrentiel, assure Mme Planchet : « La seule façon de tirer son épingle du jeu est d’innover et de garder de l’avance. » Parmi les concurrents principaux : l’américain Thermo Fisher, l’allemand Zeiss et les japonais Jeol et Hitachi. « L’objectif est de s’adapter aux évolutions rapides du marché, notamment dans la microélectronique où les échelles descendent aujourd’hui vers 7 nanomètres (nm), 5 nm, voire 3 nm », ajoute Anne Delobbe, directrice de la recherche et développement chez Orsay Physics.

Les systèmes à base de FIB sont très utilisés en microélectronique, mais aussi en sciences des matériaux et en sciences de la vie. Ils permettent de graver la matière en la bombardant d’ions – souvent du gallium ou du xénon. Une des applications principales est la préparation d'échantillons à très petite échelle - par exemple en faisant une coupe - avant de l’imager au microscope électronique à balayage (SEM, pour scanning electron microscopy). Cela permet d’observer des défauts éventuels.

Les faisceaux focalisés peuvent également être associés à des spectromètres de masse à ionisation secondaire (SIMS) pour fournir une analyse chimique de l'échantillon. Enfin, le FIB peut servir à préparer des lames très fines d’objets avant de les analyser dans un microscope à transmission.

Brillance, optique et imagerie

Les travaux menés au sein de Ciclop porteront sur trois axes principaux. Les deux premiers sont l’augmentation de la brillance des sources d’ions et l’optimisation des optiques de transport. « Le but est d’améliorer les caractéristiques de la source d'ions, comme la brillance ou la dispersion énergétique par exemple, précise Mme Delobbe. Une dispersion en énergie à la source est responsable de certaines aberrations optiques. »

Un autre enjeu est de pouvoir travailler à très basse énergie en descendant à 100 électronvolts (eV) ou quelques centaines d'eV, alors qu'il y a quelques années les FIB étaient utilisés presque uniquement à 30 000 eV. « Plus l’énergie est importante, plus la matière est dégradée autour de l’échantillon, souligne Mme Delobbe. Le réseau atomique est détruit et le matériau devient amorphe. »

Le troisième axe de recherche concerne la conception de nouveaux détecteurs pour obtenir des images avec une meilleure sensibilité. En effet, même si ce n’est pas leur usage principal, les systèmes à base de FIB permettent aussi de faire des images : quand les ions frappent la surface à préparer, des électrons et des ions secondaires sont émis. Ceux-ci peuvent être captés par un détecteur. Il existe toutefois une limite par rapport au SEM : « La résolution des FIB au gallium ou au xénon n'est pas aussi bonne », admet Mme Delobbe. Alors que les microscopes électroniques à balayage permettent de descendre sous le nm, la résolution des FIB au gallium atteint 2,5 nm au mieux.

Vers du dopage localisé

Si les travaux menés au sein de Ciclop permettront d’améliorer les systèmes FIB pour répondre à l’évolution du marché de la microélectronique, ils permettront aussi d’explorer des pistes plus fondamentales en lien avec l’électronique du futur ou l’ordinateur quantique. Par exemple en faisant du dopage localisé : réussir à placer un seul ion à un endroit précis… et savoir le retrouver.

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