un moteur pour la voie Top-down
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Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Nano-électronique : Impulsion initiale et un des moteur de la nanotechnologie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique Informatique : « 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. « La science informatique n'est pas plus la science des ordinateurs que l'astronomie n'est celle des télescopes. » — Hal Abelson Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (2) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique Electronique : 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. •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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (3) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique D’abord un peu d’histoire … Les allergiques peuvent passer ces quelques transparents Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (4) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (5) Al-Khawarizmi, ~783 - ~850 (Bagdad) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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). Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (6) 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 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (7) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (8) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (9) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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. Ada Byron (Lovelace), fille de Lord Byron : 1815-1852 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (10) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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) 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 dePolytech-Lyon calculabilité. / Matériaux 5ème année (2013-2014) (11) Vue d’artiste d’une Machine de Turing (sans la table de transition) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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) 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 dePolytech-Lyon calculabilité. / Matériaux 5ème année (2013-2014) (12) Machine de Turing fait en lego Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique Informatique : Quelques dates importantes Alan Turing, , autres contributions majeurs Cryptanalyse d’Enigma pendant la 2eme guerre mondiale Travail sur les premiers ordinateurs Test de Turing Morphogénèse Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (13) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique Informatique : Quelques dates importantes Alan Turing, , autres contributions majeurs Cryptananlyse d’Enigma pendant la 2eme guerre mondiale Travail sur les premiers ordinateur Test de Turing Morphogénèse Version américaine d'une machine de cryptanalyse d'Enigma (Bombe). Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (14) Chap. 2 : Nanoélectronique Alan Turing Informatique :Von Neumann Von Neumann, 1903 Budapest – 1957 Washington Architecture Von Neumann : Ce modèle, extrêmement innovant pour l'époque, est à la base de la conception de nombre d'ordinateurs. 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (15) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique Electronique : John Ambrose Fleming, 1904, diode à vide Lee De Forest, 1907, Audio ou triode (ancêtre du transistor) 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (16) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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). Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (17) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (18) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique Electronique : la maturité avec les semi-conducteurs En 1958, l’américain Jack Kilby invente le premier circuit intégré jetant ainsi les bases du matériel informatique moderne. 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (19) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (20) Chap. 2 : Nanoélectronique Électronique et informatique Informatique : Le transistor à effet de champ : exemple animé du MOSFET http://youtu.be/-l6QgYoYcko Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (21) Chap. 2 : Nanoélectronique Transistor 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (22) GHz. Chap. 2 : Nanoélectronique Transistor 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (23) Chap. 2 : Nanoélectronique Impulsion initiale et moteur de la nanotechnologie: l’électronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (24) Chap. 2 : Nanoélectronique Impulsion initiale et moteur de la nanotechnologie: l’électronique 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (25) (2013-2014) (1) Chap. 2 : Nanoélectronique Loi de Moore • 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (26) Chap. 2 : Nanoélectronique Loi de Moore 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (27) Chap. 2 : Nanoélectronique Loi de Moore Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (28) Chap. 2 : Nanoélectronique Loi de Moore : le mur 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, …. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (29) Chap. 2 : Nanoélectronique Loi de Moore : le mur 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, … Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (30) Chap. 2 : Nanoélectronique Loi de Moore : le mur Évolution du chiffre d’affaire de l’industrie électronique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (31) Chap. 2 : Nanoélectronique Loi de Moore : le mur Et plus récemment …. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (32) Chap. 2 : Nanoélectronique Historique Évolution de la technologie : en structure de composant Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (33) Chap. 2 : Nanoélectronique Historique Évolution de la technologie : en structure de composant Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (34) Chap. 2 : Nanoélectronique Historique Évolution de la technologie : les nouveaux paradigmes Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (35) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique 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) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique 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) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique La fabrication des processeurs en quelques étapes 1. Conception-architecture 2. Production des composants 3. Test et Assemblage 4. Moyens engagés galette de silicium STMicroelectronics à Crolles (38) Salle de gravure des processeurs chez STMicroelectronics Une usine de fabrication de processeur coûte extrêmement cher, ~ 10zaines de milliards de dollars. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (38) Chap. 2 : Nanoélectronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (39) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Evolution des techniques et technologies Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (40) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (41) Nano-électronique Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Cycle de fabrication d’une puce Wafer Dépôt, croissance UV, e-, X Humide, sèche, isotrope, anisotrope Lithographie Gravure Si, III-V Puce Oxydes, nitrures, polymères Mise en boîtier Complexité du procédé, nombre de boucles, rendement de fabrication Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (42) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Réalisation des wafers Fabrication d’un lingot de silicium monocristallin à partir de la méthode CZ Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (43) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Du lingot à la plaque Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (44) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Année DiamètreNano-électronique des wafers (mm ; pouces) 1964 25 ; 1 1969 50 ; 2 1974 75 ; 3 1978 100 ; 4 1982 125 ; 5 1985 150 ; 6 1990 200 ; 8 1998 300 ; 12 Industrie CMOS Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (45) Industrie MEMS 2007 : 450mm;18’’ en cours de développement Chap. 2 : Nanoélectronique 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (46) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Lithographie • • • • Nano-électronique 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 UV masque Si 1. Silicium 2. Étalement de résine 3. Insolation 5. Gravure ou dépôt ou surdopage Localisés après dissolution résine 4. Développement Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (47) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (48) Nano-électronique Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Lithographie optique Ci dessus étapes comme on peut les faire dans une salle blanche académiques Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (49) (2013-2014) (1) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Gravure : Anisotropie/Isotropie • Profils – Taux d’anisotropie (mécanisme diffusionnel) – Sensibilité à l’orientation cristalline (mécanisme réactionnel) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (50) (2013-2014) (1) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Les principales composantes • 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (51) Chap. 2 : Nanoélectronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (52) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique La résine • 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 lePolytech-Lyon substrat/ Matériaux 5ème année (2013-2014) (53) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Résine en couche mince • Étalement : spin coating t = kp2/w1/2 – k = spinner constant, typically 80-100 – p = resist solids content in percent – w = spinner rotational speed in rpm/1000 3000 à 6000 tr/min – 1( à 30 sec.) e=1 à plusieurs µm Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (54) •accélération (homogénéité) • vitesse et viscosité (épaisseur) Chap. 2 : Nanoélectronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (55) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique 1/3 - Lithographie par contact Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (56) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique 2/3 - Lithographie par proximité Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (57) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique 3/3 - Lithographie par projection Technique la plus répandue dans l’industrie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (58) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Comparaisons Nano-électronique •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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (59) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (60) Chap. 2 : Nanoélectronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (61) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (62) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (63) Chap. 2 : Nanoélectronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (64) Chap. 2 : Nanoélectronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (65) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante On peut même combiner : Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (66) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante La technique du double patterning Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (67) Chap. 2 : Nanoélectronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (68) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante Double patterning : méthode LELE Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (69) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Comment réduire la taille des motifs à longueur d’onde constante Double patterning : méthode SADP Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (70) Chap. 2 : Nanoélectronique 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 : 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. 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. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (71) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique La prochaine génération de lithographie optique : EUV Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (72) (2013-2014) (1) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : la source Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (73) A ces λ tout absorbe : vide !!!! Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année EUV : la source Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (74) Nano-électronique Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année EUV : la source Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (75) Nano-électronique Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année EUV : la source Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (76) Nano-électronique Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : les lentilles ne sont plus possibles : miroirs Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (77) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : les lentilles ne sont plus possibles : miroirs Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (78) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique EUV : les lentilles ne sont plus possibles : miroirs Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (79) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année EUV : efficacité Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (80) Nano-électronique Chap. 2 : Nanoélectronique 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, …), …. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (81) Chap. 2 : Nanoélectronique Nano-électronique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (82) lithographies alternatives Chap. 2 : Nanoélectronique Nano-électronique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (83) lithographies alternatives Chap. 2 : Nanoélectronique Nano-électronique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (84) lithographies alternatives Chap. 2 : Nanoélectronique 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 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (85) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Electron lithographie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (86) Nano-électronique Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Electron lithographie 10 systèmes ont la production d’un scanner optique !! Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (87) Chap. 2 : Nanoélectronique 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…) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (88) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique salle blanche : notion de classe Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (89) Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Salle Blanche Industrielle ST Crolles 2 : Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (90) 5000 m2 CL1 6x106 m3/h 24 MW Chap. 2 : Nanoélectronique Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Salle Blanche Industrielle • Coût d’investissement d’une chaîne Si-CMOS 42 nm : 40 milliards US$ (INTEL) • Coût du produit fini : Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (91)
