En bref
Des chercheurs ont utilisé une impulsion de lumière extrêmement brève pour creuser de minuscules trous dans du silicium, un matériau employé dans les puces électroniques. Plus l’impulsion est puissante, plus les trous sont profonds et leur forme change. Cette idée pourrait un jour aider à fabriquer des motifs sans masque, mais elle n’a pas encore fait ses preuves en usine.
Pourquoi chercher une autre méthode ?
Les motifs minuscules des puces en silicium sont généralement fabriqués en plusieurs étapes, parfois à l’aide de masques qui projettent un dessin précis sur la surface. Leur fabrication est complexe et coûteuse : il faut notamment déposer des couches sensibles à la lumière, les exposer, les traiter avec des produits chimiques, puis retirer certaines parties du matériau. À mesure que les composants rétrécissent, la précision du masque devient elle aussi déterminante.
L’écriture directe au laser consiste à concentrer la lumière sur des points précis pour retirer de la matière, sans masque intermédiaire. Mais les lasers visibles ou proches de l’infrarouge ne permettent pas toujours de réduire suffisamment la taille du faisceau. En outre, l’énergie qu’ils transmettent peut chauffer le matériau et provoquer des effets indésirables, comme des contraintes ou de minuscules fissures.
Les ultraviolets extrêmes permettent d’étudier des faisceaux plus petits et une élimination localisée de matière. La brièveté d’une impulsion ne suffit toutefois pas à prouver que les dégâts liés à la chaleur disparaissent. Les chercheurs espéraient que des impulsions extrêmement courtes les limiteraient, mais leur étude n’a pas mesuré directement cet effet.
Une grande installation pour une impulsion d’une fraction de billionième de seconde
L’expérience a été menée à l’installation japonaise SACLA, avec un laser à électrons libres produisant des impulsions d’environ 30 femtosecondes. Une femtoseconde représente une fraction infime de seconde : l’énergie a donc été transmise à l’échantillon en un temps extrêmement bref. Les photons avaient une énergie d’environ 92 électronvolts et frappaient perpendiculairement une plaquette de silicium de 525 micromètres d’épaisseur.
Dans les conditions de l’expérience, le silicium ne réfléchissait presque pas la lumière utilisée, qui pénétrait jusqu’à une profondeur d’environ 0,59 micromètre. Un système optique en deux étapes concentrait le faisceau sur une zone mesurant approximativement 350 sur 700 nanomètres. Il comprenait notamment un miroir de Kirkpatrick-Baez et un miroir elliptique. Les échantillons étaient installés sur des supports de précision qui permettaient de diriger les impulsions vers différents endroits.
Ces caractéristiques décrivent un dispositif expérimental de pointe, et non un appareil que l’on pourrait simplement installer dans une usine ordinaire. Les résultats ont été obtenus grâce à une source lumineuse située dans une grande installation spécialisée. Pour généraliser cette méthode, il faudrait des sources d’ultraviolets extrêmes plus faciles à utiliser, ainsi que des solutions pour les faire fonctionner de façon fiable et efficace.
La puissance de l’impulsion dessine le cratère
Après l’exposition, les chercheurs ont mesuré le relief des échantillons avec un microscope à force atomique, qui révèle les très petites différences de hauteur à la surface. Pour une dose absorbée de 8 électronvolts par atome, soit 6,0 joules par centimètre carré, la profondeur moyenne des cratères était d’environ 1,5 micromètre. Certains atteignaient 1,8 micromètre à leur point le plus profond.
Les cratères n’étaient pas tous identiques. La plupart avaient une forme de large cuvette, qui se resserrait vers un creux central. Sur l’un des échantillons, on distinguait un bourrelet de matière, comme si du silicium retiré avait été redéposé à proximité. D’une impulsion à l’autre, les dimensions variaient d’environ 13 à 20 %. Le résultat était donc reproductible, mais pas parfaitement uniforme.
Avec une dose réduite à 5 électronvolts par atome, soit 3,7 joules par centimètre carré, la profondeur moyenne atteignait environ un micromètre et la largeur, 1,1 micromètre. La variation de largeur était de l’ordre de 10 %, tandis que celle de la profondeur allait de 18 à 36 %. L’énergie modifie donc non seulement la quantité de matière retirée, mais aussi la régularité des cratères.
À 2 électronvolts par atome, soit 1,5 joule par centimètre carré, la matière retirée restait plus proche de la zone initialement atteinte par la lumière. Les cratères faisaient environ 0,6 micromètre de profondeur, et certaines de leurs dimensions suivaient la forme du faisceau, dont la largeur était inférieure à un micromètre. Leur fond était toutefois rugueux et contenait encore des résidus de silicium. La dose la plus faible permettait donc de créer un motif de moins d’un micromètre dans une direction, sans obtenir une surface parfaitement lisse.
Des simulations utiles, mais encore imparfaites
L’équipe ne s’est pas contentée de mesurer les cratères : elle a aussi utilisé un ensemble de simulations à plusieurs échelles, appelé SURFwiX. Le programme XTANT a servi à modéliser la réaction des électrons et les premiers changements dans le matériau, pendant les femtosecondes et les picosecondes qui suivent l’impulsion. Les chercheurs ont ensuite utilisé le logiciel LAMMPS pour simuler la déformation du silicium, la propagation des ondes de pression et l’éjection de matière sur une durée plus longue, jusqu’à l’échelle de la nanoseconde.
Pour réduire le coût des calculs, les chercheurs ont utilisé un modèle plus petit tout en conservant la dose absorbée, selon un principe de similitude. Les simulations ont bien reproduit la tendance générale : une dose plus élevée entraîne des cratères plus grands. Mais, pour la dose la plus forte, les cratères calculés étaient plus petits que ceux observés. Le modèle sous-estimait leur profondeur d’un facteur d’environ trois et leur largeur d’environ deux.
Les simulations suggèrent qu’une partie du silicium situé au bord du cratère pourrait être projetée, puis retomber et se solidifier. Cela pourrait expliquer le bourrelet de matière redéposée. Toutefois, l’écart entre les calculs et les mesures montre que les modèles à l’échelle atomique ne décrivent pas encore tous les détails du phénomène. Il faudra les améliorer avant de pouvoir prévoir précisément la forme des cratères.
Du cratère microscopique aux applications possibles
L’écriture directe par ultraviolets extrêmes pourrait un jour servir à fabriquer des motifs ou des masques destinés à des composants de taille relativement importante. Parmi les domaines envisageables figurent certains capteurs électromécaniques miniatures, la commande de moteurs, la gestion des batteries et les appareils médicaux. Ce sont des pistes d’application, pas des usages que l’expérience a déjà permis de démontrer.
Cette méthode pourrait aussi réduire le recours à certaines étapes de fabrication des masques, comme les traitements chimiques, la gravure au plasma ou le retrait de couches sensibles à la lumière. Mais l’étude n’a évalué ni les ressources consommées ni l’impact environnemental de la méthode, et elle ne l’a comparée aux procédés existants ni en coût ni en vitesse. L’idée d’une fabrication à sec moins gourmande en ressources reste donc une hypothèse à examiner, et non une conclusion établie.
Un obstacle pratique tient à la source lumineuse utilisée : l’expérience reposait sur un laser à électrons libres installé dans une infrastructure spécialisée. L’étude indique que la production d’ultraviolets extrêmes par génération d’harmoniques d’ordre élevé pourrait ouvrir la voie à des sources plus compactes. Mais leur utilisation dans l’industrie nécessiterait encore des développements et des essais. Les impulsions encore plus brèves, de l’ordre de l’attoseconde, pourraient également aider à limiter les contraintes thermiques, mais l’expérience ne l’a pas vérifié.
Conclusion
L’expérience montre qu’une seule impulsion très brève d’ultraviolets extrêmes peut retirer du silicium et creuser un cratère dont la profondeur et la forme dépendent de l’énergie reçue. Les cratères allaient d’environ 0,6 micromètre de profondeur à la dose la plus faible jusqu’à 1,8 micromètre pour le plus profond obtenu à la dose la plus élevée. Les mesures présentaient toutefois des variations notables. L’intérêt de ces travaux est d’avoir démontré qu’un usinage direct à l’échelle microscopique est possible, et non d’annoncer une technologie prête pour l’industrie. Il reste à améliorer les simulations, à tester la vitesse et la reproductibilité sur un plus grand nombre d’échantillons, à mesurer les effets thermiques et environnementaux et à mettre au point des sources lumineuses adaptées. D’ici là, cette impulsion de lumière reste un outil prometteur en laboratoire, pas un remplacement éprouvé des méthodes de fabrication des puces.