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Nano-électronique : Impulsion initiale et un des moteur de la nanotechnologie Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1) Polytech-Lyon 5 ème année Nano-électronique

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  • Nano-électronique : Impulsion initiale et un des moteur de la nanotechnologie

    Chap. 2 : Nanoélectronique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (2)

    « informatique » provient de la concaténation de « information » et de « automatique ». On peut le voir comme « traitement automatique de l’information ». Il désigne aussi bien le domaine industriel en rapport avec l'ordinateur que l'informatique théorique : un ensemble de sciences formelles qui ont pour objet d'étude la notion d'information et des procédés de traitement automatique de celle-ci, l'algorithmique . Il désigne aussi par extension, la mise en application de méthodes informatiques qui peut concerner des problématiques annexes telles que le traitement du signal, la calculabilité ou la théorie de l'information.

    Informatique :

    « La science informatique n'est pas plus la science des ordinateurs que l'astronomie n'est celle des télescopes. »

    — Hal Abelson

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (3)

    L’électronique est une branche de la physique appliquée, traitant entre autres de la mise en forme et de la gestion de signaux électriques, permettant par exemple de transmettre ou recevoir des informations.

    Electronique :

    •On date généralement les débuts des applications de l'électronique à l'invention du tube électronique en 1904, l'ancêtre du transistor. Ce dernier compose actuellement l’essentiel des processeurs grand public.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (4)

    D’abord un peu d’histoire …

    Les allergiques peuvent passer ces quelques transparents

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (5)

    Informatique : Dans l'usage contemporain, le substantif « informatique » devient un mot polysémique qui désigne autant le domaine industriel en rapport avec l'ordinateur (au sens de calculateur fonctionnant avec des algorithmes), que la science du traitement des informations par des algorithmes.

    Un algorithme est une suite finie et non ambiguë d’opérations ou d'instructions permettant de résoudre un problème.

    Le mot algorithme vient du nom latinisé du mathématicien perse Al-Khawarizmi, écrivant en langue Arabe, surnommé « le père de l'algèbre ».

    Il fut le vecteur de la diffusion des chiffres arabes (empruntés aux indiens) dans le Moyen-Orient et dans le Califat de Cordoue, d'où Gerbert d'Aurillac (Sylvestre II) les fera parvenir au monde chrétien.

    Al-Khawarizmi, ~783 - ~850 (Bagdad)

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (6)

    Informatique : Depuis des millénaires, l'Homme a créé et utilisé des outils l'aidant à calculer (abaque, boulier...). Pour réaliser des calculs complexes, il a également mis au point des algorithmes. Parmi les algorithmes les plus anciens, on compte des tables datant de l'époque d'Hammourabi (environ -1750).

    Si les machines à calculer évoluent constamment depuis l'Antiquité, elles ne permettent pas de traiter un algorithme: c'est l'homme qui doit exécuter les séquences de l'algorithme, au besoin en s'aidant de machines de calculs (comme pour réaliser les différentes étapes d'une division euclidienne).

    Le roi Hammurabi de Babylone face au dieu Shamash, détail du bas-relief de la stèle du Code

    de Hammurabi

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (7)

    Informatique : Quelques dates importantes . En 1642, Blaise Pascal imagine une machine à calculer, la Pascaline, qui fut commercialisée et dont sept exemplaires existent dans des musées.

    C'est en 1642, à l'âge de dix-neuf ans, qu'il en conçut l’idée, voulant soulager la tâche de son père qui venait d’être nommé surintendant de la Haute-Normandie par le cardinal de Richelieu et qui devait remettre en ordre les recettes fiscales de cette province; elle permettait d’additionner et de soustraire deux nombres d'une façon directe et de faire des multiplications et des divisions par répétitions.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (8)

    Informatique : Quelques dates importantes 1801, Invention du métier Jacquard (métier à tisser) mis au point par le Lyonnais Joseph Marie Jacquard ( 1752 - 1834).

    La machine Jacquard combine les techniques des aiguilles de Basile Bouchon, les cartes perforées de Falcon et du cylindre de Vaucanson. La possibilité de la programmer, par utilisation de cartes perforées, fait qu'il est parfois considéré comme l'ancêtre de l'ordinateur. Les cartes perforées guident les crochets qui soulèvent les fils de chaînes. Elles permettent de tisser des motifs complexes.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (9)

    Informatique : Quelques dates importantes 1801, Invention du métier Jacquard (métier à tisser) mis au point par le Lyonnais Joseph Marie Jacquard ( 1752 - 1834).

    Grâce à lui, il est possible pour un seul ouvrier de manipuler le métier à tisser, au lieu de plusieurs auparavant. À Lyon, le métier Jacquard fut mal reçu par les ouvriers de la soie (les Canuts) qui voyaient en lui une cause possible de chômage. Ce fut une des causes de la Révolte des Canuts, où les ouvriers cassèrent les machines. À l'origine, Jacquard travailla sur ce projet afin de limiter le travail des enfants, qui étaient souvent employés comme aides par leurs parents tisseurs. Mais il regretta toute sa vie les conséquences sociales de cette innovation. En effet, les enfants durent trouver du travail ailleurs dans des usines où les conditions étaient plus difficiles.

    Métiers Jacquard actuels en Grande Bretagne

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  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (10)

    Informatique : Quelques dates importantes En 1834 Charles Babbage (mathématicien anglais) imagine une machine à calculer programmable : la machine analytique (analytical engine). Il ne la réalisera jamais (sauf pour un prototype inachevé), mais il passera le reste de sa vie à la concevoir dans les moindres détails.

    Dans un article elle mentionne un véritable algorithme très détaillé pour calculer les nombres de Bernoulli avec la machine. Ce programme est souvent considéré comme le premier véritable programme informatique au monde, car les algorithmes décrits jusque-là n'étaient pas écrits avec un formalisme, un langage, destinés à être exécuté sur une machine.

    Ada Byron (Lovelace), fille de Lord Byron : 1815-1852

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  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (11)

    Informatique : Quelques dates importantes Alan Turing, (23 juin 1912 - 7 juin 1954), est un mathématicien, cryptologue et informaticien britannique. Il est auteur de l'article fondateur de la science informatique qui allait donner le coup d'envoi à la création des calculateurs universels programmables (ordinateurs)

    Vue d’artiste d’une Machine de Turing (sans la table de transition)

    Une machine de Turing est un modèle abstrait du fonctionnement des appareils mécaniques de calcul, tel un ordinateur et sa mémoire, imaginé par Alan Turing en 1936 en vue de donner une définition précise au concept d’algorithme ou « procédure mécanique ». Ce modèle est toujours largement utilisé en informatique théorique, en particulier pour résoudre les problèmes de complexité algorithmique et de calculabilité.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (12)

    Informatique : Quelques dates importantes Alan Turing, (23 juin 1912 - 7 juin 1954), est un mathématicien, cryptologue et informaticien britannique. Il est auteur de l'article fondateur de la science informatique qui allait donner le coup d'envoi à la création des calculateurs universels programmables (ordinateurs)

    Machine de Turing fait en lego

    Une machine de Turing est un modèle abstrait du fonctionnement des appareils mécaniques de calcul, tel un ordinateur et sa mémoire, imaginé par Alan Turing en 1936 en vue de donner une définition précise au concept d’algorithme ou « procédure mécanique ». Ce modèle est toujours largement utilisé en informatique théorique, en particulier pour résoudre les problèmes de complexité algorithmique et de calculabilité.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Alan Turing, , autres contributions majeurs

    Cryptanalyse d’Enigma pendant la 2eme guerre mondiale Travail sur les premiers ordinateurs Test de Turing Morphogénèse

    Électronique et informatique

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    Informatique : Quelques dates importantes

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Alan Turing, , autres contributions majeurs

    Cryptananlyse d’Enigma pendant la 2eme guerre mondiale Travail sur les premiers ordinateur Test de Turing Morphogénèse

    Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (14)

    Informatique : Quelques dates importantes

    Version américaine d'une machine de cryptanalyse d'Enigma (Bombe).

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  • Alan Turing

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    Informatique :Von Neumann Von Neumann, 1903 Budapest – 1957 Washington

    L’architecture de Von Neumann décompose l’ordinateur en 4 parties distinctes : 1.l’unité arithmétique et logique (UAL) ou unité de traitement, qui effectue les opérations de base ; 2.l’unité de contrôle, qui est chargée du séquençage des opérations ; 3.la mémoire, qui contient à la fois les données et le programme qui indique à l’unité de contrôle quels calculs faire sur ces données. La mémoire se divise en mémoire vive (programmes et données en cours de fonctionnement) et mémoire de masse (programmes et données de base de la machine) ; 4.les dispositifs d’entrée-sortie, qui permettent de communiquer avec le monde extérieur.

    Architecture Von Neumann : Ce modèle, extrêmement innovant pour l'époque, est à la base de la conception de nombre d'ordinateurs.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

    http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Von_Neumann_architecture.svg�http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Von_Neumann_architecture.svg�http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Von_Neumann_architecture.svg�

  • Électronique et informatique

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    Electronique :

    Le tube électronique a longtemps été le seul composant actif existant. Il a permis la fabrication, souvent en grande série, des premiers appareils électroniques : récepteur radio, télévision, radar, etc. Il a connu son apogée dans les années 1960-1970.

    John Ambrose Fleming, 1904, diode à vide

    Lee De Forest, 1907, Audio ou triode (ancêtre du transistor)

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  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (17)

    Electronique : Edwin Armstrong, 1890-1954, le père malheureux de la FM

    Armstrong fut l'un des inventeurs les plus prolifiques de l'histoire de la radioélectricité doublé d'un visionnaire. Il déposa plusieurs brevets exceptionnels dans l'histoire de la radio :

    – le circuit à réaction (breveté en 1914) ; – la super-réaction (brevetée en 1922) ; – le récepteur superhétérodyne qui définit la structure du récepteur moderne puisque toujours utilisée de nos jours (breveté en 1918).

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (18)

    Electronique : la maturité avec les semi-conducteurs Suite aux travaux sur les semi-conducteurs, le transistor a été inventé le 23 décembre 1947 par les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Téléphone. Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.

    Le transistor est considéré comme un énorme progrès face au tube électronique : beaucoup plus petit, plus léger et plus robuste, fonctionnant avec des tensions faibles, autorisant une alimentation par piles, et il fonctionne presque quasi instantanément une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage, généraient une consommation importante et nécessitaient une source de tension élevée (plusieurs centaines de volts). L'industrialisation vient dès le début des années 1950

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • En 1958, l’américain Jack Kilby invente le premier circuit intégré jetant ainsi les bases du matériel informatique moderne.

    Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (19)

    Electronique : la maturité avec les semi-conducteurs

    À l'époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les câblant à la main. Il ne faudra par la suite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (20)

    Le transistor Le transistor est un composant électronique actif utilisé : • comme interrupteur dans les circuits logiques ; • comme amplificateur de signal ; • pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations.

    Il existe une multitude de type de transistor. - Transistor bipolaires - Transistor à effet de champ - Transistor à unijonction

    Eux-mêmes divisés en une multitude de sous type

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Électronique et informatique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (21)

    Informatique : Le transistor à effet de champ : exemple animé du MOSFET

    http://youtu.be/-l6QgYoYcko

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Transistor

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (22)

    LE TRANSISTOR

    L est la taille du gate, en gros la distance entre la source et le drain. C’est cette distance que l’on compare généralement. W, la largueur est l’extension du transistor dans la direction perpendiculaire. Typiquement la largueur est beaucoup plus grande que la taille du gate. Une gate de 1 µm limite la fréquence autour de 5 GHz et 0.2 à environ 30 GHz.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Transistor

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (23)

    L’amplificateur opérationnel (Ampli-op, AO, AOP, …) est un amplificateur différentiel : c'est un amplificateur électronique qui amplifie une différence de potentiel électrique présente à ses entrées.

    Physiquement, un amplificateur opérationnel est constitué de transistors, de tubes électroniques ou de n'importe quels autres composants amplificateurs. On le trouve communément sous la forme de circuit intégré.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Impulsion initiale et moteur de la nanotechnologie: l’électronique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (24)

    L’Évolution de l’intégration (nombre de transistors, …) est depuis spectaculaire, sans doute l’évolution la plus spectaculaire d’une technologie de tous les temps.

    Un die est un petit morceau de semiconducteur sur lequel un circuit intégré électronique a été fabriqué

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1)

    Impulsion initiale et moteur de la nanotechnologie: l’électronique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (25)

    L’Évolution de l’intégration (nombre de transistors, …) est depuis spectaculaire, sans doute l’évolution la plus spectaculaire d’une technologie de tous les temps.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Loi de Moore

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (26)

    • La Loi de Moore a été exprimée en 1965 par Gordon Moore, ingénieur de Fairchild Semiconductor, un des trois fondateurs d'Intel. Constatant que la complexité des semi-conducteurs proposés en entrée de gamme doublait tous les ans à coût constant depuis 1959, date de leur invention, il postulait la poursuite de cette croissance (en 1965, le circuit le plus performant comportait 64 transistors). Cette augmentation exponentielle fut rapidement nommée Loi de Moore ou, compte tenu de l'ajustement ultérieur, Première loi de Moore.

    • En 1975, Moore réévalua sa prédiction en posant que le nombre de transistors des microprocesseurs (et non plus de simples circuits intégrés moins complexes car formés de composants indépendants) sur une puce de silicium double tous les deux ans. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une loi physique mais juste d'une extrapolation empirique, cette prédiction s'est révélée étonnamment exacte. Entre 1971 et 2001, la densité des transistors a doublé chaque 1,96 année. En conséquence, les machines électroniques sont devenues de moins en moins coûteuses et de plus en plus puissantes.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Loi de Moore

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (27)

    Une version commune, variable et sans lien avec les énoncés réels de Moore est : « quelque chose » double tous les dix-huit mois, cette chose étant « la puissance », « la capacité », « la vitesse », « la fréquence d'horloge », … Ces pseudo « lois de Moore » sont celles le plus souvent diffusées, car elles fleurissent dans des publications grand public et sur de nombreux sites Internet

    Exemple la vitesse d’horloge n’évolue vraiment

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Loi de Moore

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (28)

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Loi de Moore : le mur

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (29)

    La loi de Moore s'est jusqu'ici révélée étonnamment exacte, et elle pourrait en principe le rester jusque vers 2015 avant qu'on ne soit réellement confronté aux effets quantiques, car vers 2015, les processeurs devraient contenir plus de 15 milliards de transistors.

    • Les dimensions ne pourront plus être réduites (on ne peut pas faire moins qu’une couche atomique), • Augmentation des fuites (effet tunnel, …) • Aspects financiers (les usines coutent de plus en plus chères : milliard de dollards) • Certains constructeurs ont arrêté leur progression pour s’intéresser par exemple à la réduction de la consommation • Problème de programmation, ….

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Loi de Moore : le mur

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (30)

    Cette Loi de Moore à suscité tout un tas d’expressions qu’on retrouvent très fréquemment. Le dessin ci-dessous en présente quelques uns : More than Moore, More Moore, Beyond CMOS, …

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Loi de Moore : le mur

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (31)

    Évolution du chiffre d’affaire de l’industrie électronique

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Loi de Moore : le mur

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (32)

    Et plus récemment ….

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Historique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (33)

    Évolution de la technologie : en structure de composant

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Historique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (34)

    Évolution de la technologie : en structure de composant

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Historique

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (35)

    Évolution de la technologie : les nouveaux paradigmes

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Rappel sur la voie Top-Down ou descendantes. On part d’une structure existantes (par exemple un circuit imprimé ) et on va chercher à le

    miniaturiser de plus en plus, chaque composant diminuant de taille graduellement et atteignant

    des dimensions nanométriques.

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (36)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • La voie top-down est tirée par l’industrie micro- nano électronique qui progresse extrêmement rapidement (loi de Moore) Son outil de prédilection pour la définition et la réalisation des étapes est la photo-lithographie.

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (37)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (38)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    La fabrication des processeurs en quelques étapes

    Salle de gravure des processeurs chez STMicroelectronics

    galette de silicium

    Une usine de fabrication de processeur coûte extrêmement cher, ~ 10zaines de milliards de dollars.

    1. Conception-architecture

    2. Production des composants

    3. Test et Assemblage

    4. Moyens engagés

    STMicroelectronics à Crolles (38)

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (39)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Développement basé sur le modèle de fabrication des circuits intégrés à base de Silicium – Etapes communes

    • croissance, dépôt, lithographie, gravure + Etapes spécifiques

    • Matériaux « exotiques », gravures sélectives 3D, encapsulation

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (40)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Evolution des techniques et technologies

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (41)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (42)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Cycle de fabrication d’une puce

    Complexité du procédé, nombre de boucles, rendement de fabrication

    Wafer

    Dépôt, croissance Lithographie Gravure

    Puce

    Si, III-V

    Oxydes, nitrures, polymères

    UV, e-, X

    Humide, sèche, isotrope, anisotrope

    Mise en boîtier

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (43)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Réalisation des wafers

    Fabrication d’un lingot de silicium monocristallin à partir de la méthode CZ

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (44)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Du lingot à la plaque

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (45)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Année Diamètre des wafers (mm ; pouces)1964 25 ; 11969 50 ; 21974 75 ; 31978 100 ; 41982 125 ; 51985 150 ; 61990 200 ; 81998 300 ; 12

    Année Diamètre des wafers (mm ; pouces)1964 25 ; 11969 50 ; 21974 75 ; 31978 100 ; 41982 125 ; 51985 150 ; 61990 200 ; 81998 300 ; 12

    2007 : 450mm;18’’ en cours de développement

    Industrie MEMS

    Industrie CMOS

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (46)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Photolitho-gravure : clé de la miniaturisation • Toutes les techniques de procédés technologiques présentent

    peu d'intérêt si elles ne se réalisent pas pleine plaque. Il faut pouvoir oxyder, doper, métalliser localement suivant des motifs très bien définis et sur des surfaces de plus en plus faibles afin de créer et d'interconnecter des dispositifs élémentaires entre eux.

    • Le procédé de transfert d'un masque (physique ou logiciel) vers la plaquette s'appelle photolithogravure. Ce mot est construit à partir de lithos (pierre en grec) et, de photographie. Il s'agit d'un procédé photographique qui permet la gravure d'une couche (solide) telle que nitrure, oxyde, métal, etc..., suivant un motif bien défini.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (47)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Lithographie • créer des motifs à la surface du wafer à chaque étape du procédé • exposition à une radiation (UV, DUV, EUV, e-, X) d’une résine (resist) sensible, à

    travers un MASQUE • La résine est une couche liquide étalée au préalable sur le wafer • Suite à l’irradiation, la résine exposée devient sensible et peut être développée

    1. Silicium

    Si

    2. Étalement de résine

    3. Insolation

    4. Développement

    masque UV

    5. Gravure ou dépôt ou surdopage Localisés après dissolution résine

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (48)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Les séquences • Un masque pour exposer la résine grace à un photorépéteur : - une image est projetée sur la résine • La résine est développée et dissoute (zone exposées ou non) • La résine est utilisée comme masque pour transférer les structures dans le wafer

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1)

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1)

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (49)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Lithographie optique

    Ci dessus étapes comme on peut les faire dans une salle blanche académiques

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1)

    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (50)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Gravure : Anisotropie/Isotropie

    • Profils – Taux d’anisotropie (mécanisme diffusionnel) – Sensibilité à l’orientation cristalline (mécanisme

    réactionnel)

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (51)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    • Energie - cause de la réaction photochimique qui modifie la vitesse de dissolution de la résine. Vecteur de l’information • Masque – modulation de l’énergie pour créer l’image latente du masque dans la résine • Système d’alignement – permet d’aligner le masque avec les niveaux précédant • Résine – Transfert de l’image du masque vers le wafer après développement et transfert • Substrat – Préparation de surface nécessaire

    Les principales composantes

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (52)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Le masque • Bloque l’énergie dans la région adéquate - absorbant

    - Matériau opaque pour la longueur d’onde désirée • Transmet l’énergie dans la région adéquate

    - Parfaitement transparent pour à la longueur d’onde désirée

    • En Photolithographie - Chrome sur quartz

    • L’extrême UV (EUV) - Multicouches Mo/Si reflecteur + absorbeur

    • Lithographie X - Au/W sur Si3N4

    Chap. 2 : Nanoélectronique

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    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    • Contrairement à la photographie on ne veut pas de niveaux de gris. Le meilleur contraste est nécessaire

    •Une résine est composée de 3 éléments :

    - Résine polymère : propriétés mécanique

    - Élément photo actif inhibiteur de dissolution (PAC)

    - Solvant

    • Polymère transparent à la longueur d’onde utilisée

    • PAC absorbant à la longueur d’onde utilisée

    • Dissoute par un solvant là où l’inhibiteur est détruit

    •La résine restante est résistante vis-à-vis des différents processus et protège le substrat

    La résine

    Chap. 2 : Nanoélectronique

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    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Résine en couche mince

    3000 à 6000 tr/min – 1( à 30 sec.)

    e=1 à plusieurs µm

    t = kp2/w1/2

    – k = spinner constant, typically 80-100 – p = resist solids content in percent – w = spinner rotational speed in rpm/1000

    •accélération (homogénéité) • vitesse et viscosité

    (épaisseur)

    • Étalement : spin coating

    Chap. 2 : Nanoélectronique

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    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Lithographie optique • La plus répandue • Appareillage : lampe UV (200 à 400 nm), micropisitionneur (x, y, θ) • Résolution limitée par la diffraction (Fresnel)

    R= (λ(g+e))1/2 L : longeur d’onde de travail g : distance masque/résine e : épaisseur résine

    • Technique simple et économique la plus répandue dans les labos et en R&D

    Chap. 2 : Nanoélectronique

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    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    1/3 - Lithographie par contact

    Chap. 2 : Nanoélectronique

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    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    2/3 - Lithographie par proximité

    Chap. 2 : Nanoélectronique

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    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    3/3 - Lithographie par projection Technique la plus répandue dans l’industrie

    Chap. 2 : Nanoélectronique

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    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Comparaisons •Contact : contact résine/masque… usure, pollution Rapport 1:1 Pas de limitation par la diffraction • Proximité : Pas de contact. Rapport 1:1 Limité par la diffraction de proximité • Projection : masque loin de la résine. Reduction 5-10:1 Limité par la diffraction de Fraunhoffer

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (60)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (61)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    ASML est un des principaux fabricants de machine pour la

    lithographie

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (62)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (63)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (64)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    Parmi beaucoup de techniques (voir vidéos) en jouant avec les interférences

    ~ E2

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (65)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    Parmi beaucoup de techniques (voir vidéos) en jouant avec les interférences

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (66)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    On peut même combiner :

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (67)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    La technique du double patterning

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (68)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    Différentes techniques pour la réalisation du double patterning

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (69)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    Double patterning : méthode LELE

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (70)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante

    Double patterning : méthode SADP

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (71)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique La prochaine génération de lithographie optique : EUV

    Une technique prometteuse mais qui a eu beaucoup de retard Malgré ces délais elle semble maintenant vraiment émerger :

    Successful EUV-productivity endurance test at second customer VELDHOVEN, the Netherlands, 2 September 2014 - ASML Holding N.V. (ASML) today announces that a second customer has successfully performed an EUV-endurance test during which wafer processing capability was proven of around 600 wafers within 24 hours, on an NXE:3300B EUV system.

    Update on Performance of NXE:3300B EUV System at Customer Site VELDHOVEN, the Netherlands, 30 July 2014 - ASML Holding N.V. (ASML) today confirms reports that one customer has exposed more than 500 wafers on an NXE:3300B EUV system within 24 hours.

    Chap. 2 : Nanoélectronique

    http://www.asml.com/asml/show.do?lang=EN&ctx=5869&rid=50742�http://www.asml.com/asml/show.do?lang=EN&ctx=5869&rid=50686�

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    Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (72)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique La prochaine génération de lithographie optique : EUV

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (73)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : la source

    A ces λ tout absorbe : vide !!!!

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (74)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : la source

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (75)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : la source

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (76)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : la source

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (77)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : les lentilles ne sont plus possibles : miroirs

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (78)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : les lentilles ne sont plus possibles : miroirs

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (79)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : les lentilles ne sont plus possibles : miroirs

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (80)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : efficacité

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (81)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : la source

    Evidemment avec d’autres difficultés liés à la résine, au vide (vibrations, temps perdu aux pompage, échange des wafers, …), ….

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (82)

    Nano-électronique lithographies alternatives

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (83)

    Nano-électronique lithographies alternatives

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (84)

    Nano-électronique lithographies alternatives

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (85)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Techniques non conventionnelles

    – Avantages : simple, haute résolution (10 nm), faible coût, grandes surfaces – Inconvénients : durée de process, chauffage, alignement, masque 1:1 qui s’use

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (86)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Electron lithographie

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (87)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Electron lithographie

    10 systèmes ont la production d’un scanner optique !!

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (88)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    Un environnement de travail spécifique et contrôlé : salle blanche

    • Enceinte à atmosphère contrôlée – Pièces en surpression – Climatisation, Hygrométrie – Travail sous hottes à flux laminaires – Vêtements spécifiques – Sas d’entrée – Fluides traités

    • Installations et maintenances – Matériaux de construction spécifiques – Coûts d’exploitation importants (centrale de soufflage,

    filtres HEPA, climatisation, purification des fluides…)

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (89)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    salle blanche : notion de classe

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (90)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    ST Crolles 2 : 5000 m2 CL1 6x106 m3/h 24 MW

    Salle Blanche Industrielle

    Chap. 2 : Nanoélectronique

  • Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (91)

    Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique

    • Coût d’investissement d’une chaîne Si-CMOS 42 nm : 40 milliards US$ (INTEL)

    • Coût du produit fini :

    Salle Blanche Industrielle

    Chap. 2 : Nanoélectronique

    � Nano-électronique : �Impulsion initiale et un des moteur de la nanotechnologieDiapositive numéro 2Diapositive numéro 3Diapositive numéro 4Diapositive numéro 5Diapositive numéro 6Diapositive numéro 7Diapositive numéro 8Diapositive numéro 9Diapositive numéro 10Diapositive numéro 11Diapositive numéro 12Diapositive numéro 13Diapositive numéro 14Diapositive numéro 15Diapositive numéro 16Diapositive numéro 17Diapositive numéro 18Diapositive numéro 19Diapositive numéro 20Diapositive numéro 21Diapositive numéro 22Diapositive numéro 23Diapositive numéro 24Diapositive numéro 25Diapositive numéro 26Diapositive numéro 27Diapositive numéro 28Diapositive numéro 29Diapositive numéro 30Diapositive numéro 31Diapositive numéro 32Diapositive numéro 33Diapositive numéro 34Diapositive numéro 35Diapositive numéro 36Diapositive numéro 37Diapositive numéro 38Diapositive numéro 39Diapositive numéro 40Diapositive numéro 41Diapositive numéro 42Diapositive numéro 43Diapositive numéro 44Diapositive numéro 45Diapositive numéro 46Diapositive numéro 47Diapositive numéro 48Diapositive numéro 49Diapositive numéro 50Diapositive numéro 51Diapositive numéro 52Diapositive numéro 53Diapositive numéro 54Diapositive numéro 55Diapositive numéro 56Diapositive numéro 57Diapositive numéro 58Diapositive numéro 59Diapositive numéro 60Diapositive numéro 61Diapositive numéro 62Diapositive numéro 63Diapositive numéro 64Diapositive numéro 65Diapositive numéro 66Diapositive numéro 67Diapositive numéro 68Diapositive numéro 69Diapositive numéro 70Diapositive numéro 71Diapositive numéro 72Diapositive numéro 73Diapositive numéro 74Diapositive numéro 75Diapositive numéro 76Diapositive numéro 77Diapositive numéro 78Diapositive numéro 79Diapositive numéro 80Diapositive numéro 81Diapositive numéro 82Diapositive numéro 83Diapositive numéro 84Diapositive numéro 85Diapositive numéro 86Diapositive numéro 87Diapositive numéro 88Diapositive numéro 89Diapositive numéro 90Diapositive numéro 91