Du silicium étonnamment déformable

Inventé il y a soixante ans, le transistor Mosfet est basé sur un semi-conducteur, le silicium. Il est depuis impossible d'imaginer la vie moderne sans cet élément chimique. Il a permis le triomphe de l'ordinateur, et le Mosfet est aujourd'hui le dispositif le plus fabriqué de l'histoire. Le silicium est facilement disponible, bon marché et possède des propriétés électriques idéales, mais il présente également un inconvénient important : il est très fragile et se brise donc facilement. Cela peut devenir un problème lorsque le silicium est utilisé pour fabriquer des microsystèmes, des dispositifs mécaniques de quelques micromètres seulement tels que les capteurs d'accélération des téléphones mobiles modernes.

A l'ETH Zurich, une équipe dirigée par Jeffrey Wheeler, du Laboratoire de nanométallurgie, en collaboration avec des collègues du Laboratoire de mécanique des matériaux et des nanostructures de l'Empa, a montré que dans 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 Nature Communications.

Dix ans de travail acharné

"C'est le résultat de dix ans de travail acharné", déclare Jeffrey Wheeler, qui avant sa carrière à l'ETH Zurich a mené des recherches à l'Empa à Thoune. Afin de comprendre comment de minuscules structures de silicium peuvent se déformer, il a examiné dans le cadre d'un projet financé par le FNS une méthode de fabrication largement utilisée : le faisceau d'ions focalisé. Un tel faisceau de particules chargées peut très efficacement fraiser les formes souhaitées dans une plaquette de silicium. Il crée néanmoins des dommages et de défauts de surface qui rendent le matériau plus facilement cassable.

Lithographie avec nettoyage final

Jeffrey Wheeler et ses collègues ont eu l'idée d'essayer une forme spéciale de lithographie comme alternative à la méthode du faisceau d'ions. "Nous avons d'abord créé les structures souhaitées – dans notre cas, de minuscules colonnes – en gravant avec un plasma gazeux la partie d'une surface de silicium non recouverte par un masque", explique Ming Chen, un ancien doctorant du groupe de recherche de Jeffrey Wheeler. Dans une étape ultérieure, la surface des colonnes, dont certaines ont moins de cent nanomètres de large, est d'abord oxydée puis nettoyée en éliminant complètement la couche d'oxyde avec un acide fort.

Ming Chen a ensuite utilisé un microscope électronique pour examiner la résistance et la déformabilité plastique de colonnes de silicium de différentes largeurs et a comparé les deux méthodes de fabrication. Pour ce faire, il a enfoncé un minuscule poinçon en diamant dans les colonnes et a observé leur comportement de déformation sous le microscope électronique.

Des résultats étonnants

Les résultats ont été étonnants : les colonnes fraisées par un faisceau d'ions se sont brisées sur une largeur inférieure à un demi-micromètre. En revanche, les colonnes produites par la lithographie ne se sont brisées qu'à des largeurs de plus de quatre micromètres alors que les spécimens plus minces ont bien pu résister à la contrainte. "Ces colonnes lithographiques en silicium sont toujours déformables même à des dimensions dix fois plus grandes que celles produites à l'aide de silicium fraisé par plasma avec la même direction des cristaux, et avec une résistance deux fois plus grande", explique Jeffrey Wheeler en résumant les résultats de ses expériences.

La résistance des colonnes lithographiées a même atteint des valeurs auxquelles on ne s'attendrait en fait qu'en théorie pour des cristaux idéaux. Selon Jeffrey Wheeler, le point fort est la pureté absolue des surfaces des colonnes, qui est obtenue lors du nettoyage final. Cela laisse beaucoup moins de défauts de surface qui pourraient provoquer la rupture du matériau. Avec le soutien d'Alla Sologubenko, chercheuse au centre de microscopie ScopeM de l'ETH Zurich, les chercheurs ont également pu observer un changement frappant des mécanismes de déformation dans les petites dimensions grâce à cette déformabilité supplémentaire. Cela a mis en lumière de nouveaux détails sur la déformation du silicium.

Applications dans les téléphones mobiles

Les résultats de ces recherches menées à l'ETH Zurich pourraient avoir un impact direct sur la production de microsystèmes en silicium, explique Jeffrey Wheeler : "Les gyroscopes utilisés dans les téléphones portables qui détectent la rotation de l'appareil pourraient ainsi devenir encore plus petits et plus robustes." Cela ne devrait pas être trop difficile à réaliser, puisque l'industrie utilise déjà la méthode combinée de gravure et de nettoyage étudiée par Jeffrey Wheeler et ses collègues.

Cela devrait également s'appliquer à d'autres matériaux ayant une structure cristalline similaire à celle du silicium, pensent les chercheurs. En outre, du silicium plus élastique pourrait également être utilisé pour améliorer encore ses propriétés électriques dans certaines applications. Une forte tension dans le semi-conducteur augmente la mobilité de ses électrons, ce qui peut entraîner des temps de commutation plus courts, par exemple. Alors que cela nécessitait auparavant la fabrication de nanofils, cela peut désormais être réalisé directement avec des structures intégrées dans la puce semi-conductrice.