Section 08 Micro et nano-technologies, micro et nanosystèmes, électronique, photonique, électromagnétisme, énergie électrique

I. Micro-Nanotechnologies

Les micro-nanotechnologies ont trait à la fabrication, la mesure et le contrôle de matériaux ou dispositifs à des échelles micro et nanométriques. Les recherches menées dans le périmètre de la section 08 sur ce thème peuvent se décliner selon trois axes : les nanomatériaux qui constituent la « matière première », la micro-nanofabrication qui permet la structuration de ces derniers, et la micro-nanocaractérisation qui rend possible leur étude.

A. Nanomatériaux

Les nanomatériaux sont des matériaux dont la taille ou la structuration comporte au moins une dimension comprise entre 1 et 100 nanomètres environ. Cette taille nanométrique leur confère des propriétés physiques, chimiques ou biologiques particulières permettant d'envisager de très nombreuses applications en électronique (puits, fils et boîtes quantiques), en optique (modification des indices de réfraction, propriétés spectrales, etc.), dans le photovoltaïque (cellules de 5e génération) et dans bien d'autres domaines. Ces nanomatériaux peuvent être élaborés avec divers outils de nanofabrication, synthétisés par voie chimique ou d'origine naturelle (biologiques en particulier). Les nanomatériaux sous forme de cristaux atomiques 2D (graphène, MoS2, h-BN...) ont suscité récemment un intérêt majeur. Leurs propriétés uniques permettent d'envisager des applications dans des domaines aussi variés que l'électronique haute fréquence, l'optique, l'énergie et les capteurs. L'engouement pour cette thématique est tel que les propriétés de ces matériaux sont déjà bien maîtrisées. Des plans atomiques isolés peuvent être précisément réorganisés couche par couche en hétérostructures selon une séquence préalablement définie. Ces structures ouvrent de nouveaux horizons qui vont bien au-delà du simple « après graphène ». Les matériaux 1D de type nanofils semi-conducteurs (silicium, III-V, avec et sans hétérostructures) ont également permis des avancées notables dans le domaine de l'électronique et de la photonique. Enfin, les matériaux 0D de type nanoparticules semi-conductrices (InSb, HgTe...), synthétisés chimiquement, permettent d'envisager de nombreuses applications en photonique tels que les photodétecteurs à bas coût à des longueurs d'ondes difficilement accessibles avec les technologies conventionnelles.

Outre la poursuite des recherches sur les semi-conducteurs traditionnels (les composants des processeurs utilisent des couches semi-conductrices de quelques nanomètres), il est recommandé d'explorer les potentialités de nouveaux matériaux (ferroélectriques, piézoélectriques, ferromagnétiques, matériaux à changement de phase, composés moléculaires...) et de leur intégration hétérogène sur des plate-formes (notamment silicium) multi-matériaux.

B. Micro-Nanofabrication

Les approches conventionnelles descendantes « top-down » doivent relever le défi d'une miniaturisation incessante des dispositifs conjuguée avec l'avènement d'architectures complexes et hétérogènes. La lithographie optique à immersion est dorénavant utilisée à l'échelle industrielle mais, à l'aube des prochains nœuds technologiques (14 nm et au-delà), elle devra céder la place soit à la lithographie extrême UV utilisant un rayonnement X à 13,5 nm, soit à la lithographie électronique multifaisceaux. Cependant, ces deux méthodes de lithographie alternatives continuent à soulever quelques interrogations concernant leurs réelles capacités à s'introduire durablement et efficacement dans l'industrie de la microélectronique. L'utilisation éventuelle des copolymères di-blocs (CPB) pour l'écriture, sans masques, de motifs de résine de dimensions inférieures à 15 nm, est dorénavant une troisième option considérée avec intérêt par la communauté des nanosciences et nanotechnologies. Des programmes de recherches pluridisciplinaires, associant notamment les chimistes et les technologues, se focalisent sur l'évaluation du potentiel de cette technique en termes de défectivité et de compatibilité avec les procédés conventionnels. Les techniques de dépôt et de croissance de films ultraminces doivent également s'adapter aux nouvelles architectures 3D des transistors. Les dépôts à l'échelle atomique (Atomic Layer Deposition) et autres épitaxies à basse température doivent être optimisés pour améliorer les qualités structurales, interfaciales et électriques des films élaborés. Enfin, les procédés de gravure par plasma évoluent fortement afin de permettre le transfert de motifs nanométriques dans divers matériaux sous-jacents sans altérer leurs propriétés.

Les approches dites « bottom-up » progressent toujours en termes de reproductibilité et de capacité à être utilisées à l'échelle de substrats de grande surface. Une association vertueuse des techniques de nanostructuration des surfaces (manipulation de nanocolloïdes métalliques, matrice de copolymères di-blocs ou d'alumine anodique porosifiée) avec les procédés de croissance localisée permet dorénavant de réaliser des nanofils semi-conducteurs homogènes et contrôlés et accroît significativement le potentiel de leur intégration dans des filières CMOS à faible budget thermique. Quant aux techniques d'auto-assemblage, on constate une grande diversification de leur mise en œuvre et la possibilité de décliner leur usage pour diverses applications en magnétisme, plasmonique et biologie.

Signalons enfin la généralisation des techniques de nanoimpression douce (soft NIL) sur la quasi-totalité des centrales technologiques du réseau Renatech où des procédés de réplication de micro- et nanostructures sur de grandes surfaces de substrats rigides (verre, silicium) ou flexibles sont développés et mis à profit pour différentes applications en photonique, nanofluidique ou magnétisme.

Le développement de l'ensemble de ces techniques de micro- et nanofabrication doit s'appuyer sur des outils de caractérisation et de métrologie dédiés.

C. Micro-Nanocaractérisation

Progrès des techniques à sonde locale

Les microscopies et spectroscopies à sonde locale jouent un rôle prépondérant dans les progrès réalisés en matière de micro-nanocaractérisation. Elles permettent de manipuler, mesurer et caractériser les matériaux et les composants nanométriques (propriétés électroniques, optiques, mécaniques, etc.). Leur développement est bien ancré au cœur de la section 08 et s'oriente notamment vers les mesures électriques à faible bruit et à très haute fréquence sur des dispositifs de haute impédance. Les autres tendances concernent l'imagerie ultra-rapide en milieu liquide et la haute résolution pour des applications en biologie. Les limitations à résoudre (temps d'acquisition trop longs, aberrations optiques...) conduisent à remplacer les sondes actuelles par de nouveaux concepts (sondes circulaires à haute fréquence et haut facteur de qualité) ou à intégrer les transductions (sondes piézorésistives ou piézoélectriques).

Ces cinq dernières années ont donc vu le développement de procédés technologiques de fabrication de sondes MEMS AFM, dont les concepts ont été prouvés, et qui font maintenant l'objet de transferts technologiques par la création de « start-up » grâce à des collaborations avec les industriels du domaine de l'instrumentation. On peut citer en exemples le développement du scanning microwave microscope (SMM) (Agilent) mais aussi celui de la spectroscopie nano-Raman (Horiba Jobin-Yvon) qui ouvrent de nouvelles perspectives pour la caractérisation des couches minces.

Les grandes plate-formes

De grandes plate-formes de micro-nanocaractérisation ont vu le jour, sous l'impulsion des initiatives d'excellence, dans le cadre des investissements d'avenir.

Un premier projet (ExCELSiOR) a permis de constituer un centre de mesures à dimension européenne dans le domaine des nanosciences, partagé entre communautés académiques et industrielles. Son ambition est de développer la future génération d'instruments et moyens expérimentaux dont bénéficiera une large communauté scientifique (physique, biologie...) et qui équiperont les centres industriels des secteurs de la nanoélectronique.

Les moyens sont mis à disposition grâce à deux plate-formes : l'une pour les microscopies à sonde locale, l'autre pour la caractérisation électrique (DC au THz et IR).

Un autre projet (IMPACT), en partenariat avec le CEA, a permis de mettre en place une plate-forme de nanocaractérisation quasi in situ (avec transfert sous vide des substrats, jusqu'à 300 mm de diamètre) dédiée aux études avancées des procédés technologiques et matériaux des futures générations de composants et circuits électroniques. Il comporte deux plate-formes : l'une pour les caractérisations optiques (ellipsométrie, photoluminescence, Raman), l'autre pour la spectroscopie de photo-électrons. Enfin, une plate-forme (TEMPOS), en cours d'installation sur le plateau de Saclay, permettra d'analyser, in situ, par microscopie électronique en transmission à haute résolution, les mécanismes de croissance épitaxiale de films minces et autres nano-objets.

D. Enjeux sociétaux, risques

Les micro-nanotechnologies ont une importance croissante en raison des retombées économiques attendues dans plusieurs secteurs industriels (électronique et communications, chimie, biologie, médecine et santé, etc.). Les pays développés orientent leurs investissements selon des feuilles de route et de prévision technologique. On voit ainsi se densifier les recherches pour les nanotechnologies alternatives au CMOS mais également dans un but de récupération d'énergie « propre ».

En matière de risques, des préoccupations réelles et légitimes existent pour la santé et l'environnement. Les risques à long terme pour les personnes impliquées dans la fabrication et l'utilisation de certains nanomatériaux sont en effet encore mal identifiés.