Des déchets de crevette pour une électronique plus écoresponsable ?

Yann Chevolot, Centrale Lyon; Didier Léonard, Université Claude Bernard Lyon 1; Isabelle Servin, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA); Jean-Louis Leclercq, Centrale Lyon; Olivier Soppera, Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et Stéphane Trombotto, Université Claude Bernard Lyon 1

Avec l’explosion du numérique, des objets connectés et de l’intelligence artificielle, la production de composants électroniques poursuit sa croissance. La fabrication de ces composants recourt à des techniques de fabrication complexes qui ont pour objet de sculpter la matière à l’échelle de quelques micromètres à quelques nanomètres, soit environ l’équivalent du centième au millième du diamètre d’un cheveu.

L’impact environnemental de ces procédés de fabrication est aujourd’hui estimé entre 360 et 600 mégatonnes équivalent CO₂ par an dans le monde. Les chercheurs visent à réduire cet impact en s’attaquant aux différentes étapes de fabrication des produits électroniques.

Les procédés de fabrication en microélectronique requièrent l’emploi de matériaux et solvants pétrosourcés – c’est-à-dire issus de ressources fossiles comme le pétrole. Et certains de ces matériaux comportent des composés chimiques classés comme mutagènes, cancérigènes ou reprotoxiques. Pour des raisons économiques, réglementaires, écologiques et de sécurité, les acteurs du domaine soulignent leur volonté d’accentuer le développement de procédés plus respectueux de l’environnement et moins toxiques. De plus, les projections sur la raréfaction du pétrole imposent d’explorer des matériaux alternatifs aux matériaux pétrosourcés – un domaine que l’on appelle la « chimie verte ».

Dans ce contexte, différents matériaux biosourcés (à savoir, des matériaux issus partiellement ou totalement de la biomasse) et hydrosolubles sont étudiés comme une alternative aux matériaux pétrosourcés. Par exemple, la protéine de la soie ou les protéines du blanc d’œuf, deux matériaux appartenant à la famille des polymères (matériaux constitués de molécules de tailles importantes, aussi appelées « macromolécules ») ont été proposés comme résine de lithographie. Cependant, ces polymères biosourcés possèdent des limitations pratiques par exemple être en compétition avec l’alimentation humaine pour ce qui concerne le blanc d’œuf.

Dans nos travaux, nous explorons le potentiel du chitosane, un matériau polymère naturel produit aujourd’hui à l’échelle industrielle à partir de la chitine, que l’on extrait principalement de déchets agroalimentaires, comme les carapaces de crevettes et de crabes, les endosquelettes de seiches et de calmars, et certains champignons.

Nous avons montré que le chitosane est compatible avec une ligne de production pilote semi-industrielle de microélectronique. L’analyse du cycle de vie du procédé que nous proposons montre une réduction potentielle de 50 % de l’impact environnemental par rapport aux résines conventionnelles lors de la réalisation d’étapes de lithographie-gravure similaires.

La lithographie, processus clé de la fabrication des composants électroniques

Par exemple, aujourd’hui, la fabrication d’un transistor nécessite plusieurs centaines d’étapes (entre 300 et 1 000 par puce suivant la nature du composant).

Parmi ces étapes, les étapes de lithographie permettent de dessiner les motifs des composants à l’échelle micro et nanométrique. Ce sont celles qui nécessitent le plus de produits chimiques actuellement pétrosourcés et pour certains toxiques.

La lithographie consiste à recouvrir la plaque de silicium avec une couche de résine sensible à la lumière ou à un faisceau d’électrons – comme une pellicule photographique – de manière à y inscrire des motifs de quelques micromètres à quelques nanomètres par interaction localisée du faisceau avec la matière. En optique, plusieurs longueurs d’onde sont utilisées selon la taille des motifs souhaités.

Plus la longueur d’onde est petite, plus la taille des motifs inscriptibles est petite, et on peut aujourd’hui atteindre des résolutions de moins de 5 nanomètres avec une lumière de longueur d’onde de 13,5 nanomètres, afin de répondre à la demande de miniaturisation des composants électroniques, correspondant à la loi de Moore. Celle-ci stipule que le nombre de transistors sur un circuit intégré double environ tous les deux ans, entraînant une augmentation exponentielle des performances des microprocesseurs tout en réduisant leur coût unitaire.

In fine, lors de l’étape de développement – encore une fois comme un terme emprunté à la photographie argentique, c’est la différence de solubilité entre les zones de la résine qui ont été exposées ou non à l’irradiation ultraviolette ou d’électrons qui permet de créer des ouvertures de géométrie définie à travers la résine de chitosane. Là où la résine disparaît, on accède au substrat de silicium (ou autre couche/matériau sous-jacente). On peut ainsi le graver ou y déposer d’autres matériaux (métaux, diélectriques et semiconducteurs), la résine restante jouant alors le rôle de masque de protection temporaire pour les zones non traitées.

Le chitosane, une solution bio pour la résine

Comme mentionné précédemment, le chitosane est produit à partir de la chitine, le deuxième polymère naturel le plus abondant sur Terre (après la cellulose), mais il peut aussi être produit par des procédés de biotechnologies. En plus d’être un matériau renouvelable, il est biocompatible, non écotoxique, biodégradable et soluble en milieu aqueux légèrement acide.

Au milieu de tous ces avantages, son grand intérêt pour la micro- et la nanofabrication est qu’il peut former des films minces, c’est-à-dire des couches de très faibles épaisseurs. Le chitosane peut donc être facilement étalé sur le substrat en silicium pour remplacer la résine pétrosourcée.

Dans le cadre de plusieurs projets de recherche, nous avons démontré que le chitosane était compatible avec toute la gamme des techniques de lithographie : lithographie électronique, optique (193 nanomètres et 248 nanomètres) et même en nanoimpression. Cette dernière technique consiste à presser directement le film de chitosane avec un tampon chauffé possédant des motifs de tailles submicrométriques.

Le chitosane change de structure quand il est irradié

Nous avons mis en évidence que, sous une exposition à des faisceaux d’électrons ou de lumière, une réduction de la longueur des macromolécules du chitosane se produit du fait de la rupture de certaines liaisons chimiques, selon un processus de « dépolymérisation partielle ».

Ceci a pour conséquence de rendre la zone irradiée de la résine soluble dans l’eau pure alors que les zones non touchées par le faisceau restent insolubles.

Au final, les performances de la résine en chitosane sont proches des résines commerciales en conditions environnementales contrôlées (salles blanches de microélectronique), et ce, d’autant mieux sous atmosphère à faible teneur en dioxygène et/ou à faible taux d’humidité relative, des conditions qui peuvent être contrôlées en salle blanche.

Les motifs ont été transférés avec succès par gravure dans la silice et le silicium pour atteindre des motifs de moins de 50 nanomètres en écriture électronique.

L’amélioration de la résolution constitue un axe de recherche en cours dans notre consortium pour atteindre les standards des résines de référence d’autant plus que l’industrie est en quête de solutions alternatives aux résines classiques pour répondre aux enjeux environnementaux, économiques et technologiques actuels. Les résines biosourcées peuvent être une réelle alternative à partir du moment où elles permettront d’atteindre les résolutions obtenues par les résines classiques, à savoir quelques nanomètres.

L’expertise que nous avons construite au cours des années, dans le cadre notamment du projet ANR Lithogreen, a permis à notre consortium de laboratoires français d’intégrer le projet européen Horizon Europe Resin Green avec des visées de développement en lithographie optique sur toute la gamme de 365 nanomètres à 13,5 nanomètres et en lithographie électronique à haute résolution — ce qui permettrait d’atteindre des résolutions comparables à celles obtenues actuellement avec les résines pétrosourcées.

Le projet Lithogreen ANR-19-CE43-0009 a été soutenu par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR), qui finance en France la recherche sur projets. L’ANR a pour mission de soutenir et de promouvoir le développement de recherches fondamentales et finalisées dans toutes les disciplines, et de renforcer le dialogue entre science et société. Pour en savoir plus, consultez le site de l’ANR.

Yann Chevolot, Chercheur chimie et nanotechnologies pour la santé et environnement, Centrale Lyon; Didier Léonard, Professeur de Chimie des Matériaux, Université Claude Bernard Lyon 1; Isabelle Servin, Ingénieur chercheur en microélectronique / éco-innovation, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA); Jean-Louis Leclercq, Chercheur CNRS Hors Classe – Micro nanotechnologies, Centrale Lyon; Olivier Soppera, Directeur de recherche CNRS, photochimie et photophysique, Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et Stéphane Trombotto, Maitre de conférences, chimiste organicien et polymériste, spécialiste du chitosane, Université Claude Bernard Lyon 1