Un substrat de microprocesseur en graphène accélère les dispositifs électroniques
Le carbone existe sous plusieurs formes physiques, les plus connues étant le diamant et le graphite (mine de crayon). Une structure supplémentaire appelée graphène a été découverte en 2004. Le graphène est une simple feuille de carbone, épaisse d’un atome, qui peut également former des tubes. Ce matériau possède une résistance, une conductivité électrique, et d’autres propriétés, absolument extraordinaires. L’une des nombreuses utilisations récemment découvertes du graphène sont les «interconnexions» des microprocesseur. Celles-ci fonctionnent comme les conducteurs internes d’une puce, reliant ses différents micro-composants. Les interconnexions actuelles sont faites de cuivre, mais le graphène se révèle un conducteur plus performant. Pour que cette application soit possible, le graphène doit être rendu compatible avec les outils et procédés industriels existants en matière de semi-conducteurs. Cela impliquera l’intégration du graphène dans des substrats semi-conducteurs standard. Cependant, les fabriques de semi-conducteurs disposent d’exigences de pureté très strictes qui, jusqu’à présent, se sont avérées difficiles à satisfaire. Le projet G4SEMI, financé par l’UE, a mis au point une solution qui répond aux exigences des fabricants et propose du graphène sur un substrat qui peut être facilement intégré dans les procédés actuels. Le résultat est une nouvelle technologie appelée «graphène sur plaquette». L’équipe a démontré son adéquation et a intensifié sa fabrication.
Du prototype au stade de pré-production
G4SEMI, en tant que projet en phase 2, s’appuie sur la technologie de transfert de synthèse du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) développée dans le cadre du projet Graphene Flagship financé par l’UE. Ce projet antérieur a travaillé en collaboration avec des clients potentiels afin de comprendre leurs besoins et leurs limitations. Grâce à cette contribution, G4SEMI a fait passer la technologie du graphène sur plaquette du stade du prototype à celui de la pré-production pour l’industrie commerciale des semi-conducteurs. «Avec la technologie CVD», explique Jesus de la Fuente, coordinateur de G4SEMI, «nous pouvons déposer une couche de graphène de haute qualité sur un catalyseur spécial dans un réacteur CVD.» Les catalyseurs accélèrent les réactions chimiques. La première étape du processus de dépôt consiste à préparer un catalyseur à base de cuivre, qui crée une couche de graphène de haute qualité dans le réacteur CVD. L’étape suivante consiste à faire croître une couche de graphène sur le catalyseur. Cela implique de placer le catalyseur dans le réacteur dans des conditions de température et de pression optimales. N’importe quel gaz carbonique peut constituer la source de carbone.
Nouveau procédé de transfert et démonstrations
Les clients ont besoin que le graphène soit sur une plaquette spécifique, afin qu’il puisse être utilisé dans les usines établies. «Pour ce faire,» poursuit Jesus de la Fuente, «nous avons développé un procédé de transfert où nous prenons la couche de graphène du substrat et la déplaçons vers la plaquette porteuse.» Le client peut insérer cette plaquette dans ses procédés de fabrication standard. L’équipe a démontré l’efficacité de ces nouvelles méthodes dans des usines de CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) qui représentent la grande majorité du marché. L’augmentation de la production des plaquettes de 200 mm dont l’industrie a besoin a constitué un élément essentiel du projet. Suite à la réussite du projet, l’équipe a conclu un accord d’approvisionnement avec des partenaires industriels de premier plan. Il s’agira de multiplier par 25 la capacité de production. L’utilisation du graphène pour les interconnexions supprime un goulet d’étranglement important dans la vitesse des microprocesseurs. La technologie sera appliquée à la fabrication de biocapteurs médicaux avancés dont la sensibilité s’en trouvera considérablement améliorée. Elle sera également appliquée aux commutateurs optiques capables de véhiculer 100 fois plus de données que les fibres optiques actuelles, et aux puces à plus hautes capacités de mémoire.
Mots‑clés
G4SEMI, graphène, semi-conducteur, dépôt chimique en phase vapeur (CVD), microprocesseur, interconnexions, graphène sur plaquette, puce, CMOS