Quelques colonnes de silicium de quelques micromètres au microscope électronique :De telles structures rendent le matériau plus élastique. Crédit :Laszlo Pethö / Empa
Des chercheurs de l'ETH et de l'Empa ont montré que de minuscules objets peuvent être fabriqués à partir de silicium beaucoup plus déformable et plus résistant qu'on ne le pensait auparavant. De cette façon, les capteurs des smartphones pourraient être plus petits et plus robustes.
Depuis l'invention du transistor MOSFET il y a soixante ans, l'élément chimique silicium sur lequel il est basé est devenu une partie intégrante de la vie moderne. Il a inauguré l'ère de l'informatique, et maintenant, le MOSFET est devenu l'appareil le plus produit de l'histoire. Le silicium est facilement disponible, pas cher, et possède des propriétés électriques idéales, mais aussi un inconvénient important :il est très cassant et, donc, se casse facilement. Cela peut devenir un problème lorsque l'on essaie de fabriquer des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) à partir de silicium, comme les capteurs d'accélération des smartphones modernes.
A l'ETH de Zurich, une équipe dirigée par Jeff Wheeler, Scientifique senior au Laboratoire de nanométallurgie, avec des collègues du Laboratoire de mécanique des matériaux et nanostructures de l'Empa, a montré que, sous certaines conditions, le silicium peut être beaucoup plus résistant et déformable qu'on ne le pensait auparavant. Leurs résultats ont récemment été publiés dans la revue scientifique Communication Nature .
Dix ans d'efforts
"C'est le résultat d'un effort de 10 ans, " dit Wheeler, qui a travaillé comme chercheur à l'Empa avant sa carrière à l'ETH. Pour comprendre comment de minuscules structures de silicium peuvent se déformer, dans le cadre d'un projet SNF, il s'est penché de plus près sur une méthode de production largement utilisée :le faisceau d'ions focalisés. Un tel faisceau de particules chargées peut broyer très efficacement les formes souhaitées en une plaquette de silicium, mais ce faisant, laisse des traces distinctes sous la forme de dommages de surface et de défauts, qui provoquent la rupture du matériau plus facilement.
Wheeler et ses collaborateurs ont eu l'idée d'essayer un type particulier de lithographie comme alternative à la méthode des faisceaux d'ions. "D'abord, nous réalisons les structures souhaitées - de minuscules piliers dans notre cas - en gravant de la matière non masquée des zones de la surface du silicium à l'aide d'un plasma gazeux, " explique Ming Chen, un ancien Ph.D. étudiant dans le groupe de Wheeler. Dans une étape supplémentaire, la surface des piliers, dont certains sont plus étroits qu'une centaine de nanomètres, sont d'abord oxydés puis nettoyés en enlevant complètement la couche d'oxyde avec un acide fort.
Chen a ensuite étudié la résistance et la déformabilité plastique de piliers de silicium de différentes largeurs avec un microscope électronique et a comparé les deux méthodes de production. À cette fin, il a enfoncé un petit poinçon en diamant dans les piliers et a étudié leur comportement de déformation au microscope électronique.
Le processus de production pour fort, piliers de silicium déformables (liens). Les piliers sont d'abord gravés à travers une résine, puis oxydé et enfin nettoyé. Sur la droite, le résultat final est visible (image au microscope électronique). Crédit :ETH Zurich
Des résultats frappants
Les résultats ont été frappants :les piliers qui avaient été fraisés avec un faisceau d'ions se sont effondrés sur une largeur de moins d'un demi-micromètre. Par contre, les piliers réalisés par lithographie n'ont subi de fractures fragiles qu'à des largeurs supérieures à quatre micromètres, tandis que des piliers plus minces étaient capables de mieux résister à la contrainte. "Ces piliers de silicium lithographique peuvent se déformer à des tailles dix fois plus grandes que ce que nous avons vu dans le silicium usiné par faisceau d'ions avec la même orientation cristalline, avec le double de la force!" dit Wheeler, résumer les résultats de ses expériences.
La résistance des piliers produits par lithographie a même atteint des valeurs auxquelles on ne s'attendrait qu'en théorie, pour des cristaux idéaux. Ce qui fait la différence ici, dit Wheeler, est la pureté absolue des surfaces des piliers, qui est obtenu par l'étape de nettoyage final. Il en résulte un nombre beaucoup plus petit de défauts de surface à partir desquels une fracture pourrait provenir. Avec l'aide d'Alla Sologubenko, chercheur au centre de microscopie ScopeM de l'ETH, cette déformabilité supplémentaire a également permis à l'équipe d'observer un changement frappant dans les mécanismes de déformation à des tailles plus petites. Cela a révélé de nouveaux détails sur la façon dont le silicium peut se déformer.
Applications dans les smartphones
Les résultats obtenus par les chercheurs de l'ETH pourraient avoir un impact immédiat sur la fabrication de MEMS en silicium, Wheeler dit :« De cette façon, les gyroscopes utilisés dans les smartphones, qui détectent les rotations de l'appareil, pourrait être rendu encore plus petit et plus robuste."
Cela ne devrait pas être trop difficile à réaliser, étant donné que l'industrie utilise déjà la combinaison de gravure et de nettoyage Wheeler et ses collègues ont enquêté. Le procédé pourrait également être appliqué à d'autres matériaux ayant des structures cristallines similaires à celle du silicium, croient les chercheurs. De plus, du silicium plus élastique pourrait également être utilisé pour améliorer encore les propriétés électriques du matériau pour certaines applications. En appliquant une grande contrainte du semi-conducteur, la mobilité de ses électrons peut être augmentée, qui peut conduire, par exemple, à des temps de commutation plus courts. Jusque là, il fallait produire des nanofils pour y parvenir, mais maintenant cela pourrait être fait directement en utilisant des structures intégrées dans une puce semi-conductrice.
