Les performances et la stabilité des smartphones et des services d’intelligence artificielle (IA) dépendent de l’uniformité et de la précision du traitement des surfaces des semi-conducteurs. Des chercheurs du KAIST ont étendu le concept familier du papier de verre au domaine des nanotechnologies, développant une nouvelle technique capable de traiter les surfaces des semi-conducteurs de manière uniforme jusqu’au niveau atomique. Cette technologie démontre le potentiel d’améliorer significativement la qualité de surface et la précision d’usinage dans les procédés de semi-conducteurs avancés, tels que la mémoire à haute bande passante (HBM).
Le KAIST a annoncé le 11 février qu’une équipe de recherche dirigée par le professeur Sanha Kim du Département de génie mécanique a développé un « nano papier de verre » qui utilise des nanotubes de carbone – des dizaines de milliers de fois plus fins qu’un cheveu humain – comme abrasifs. Cette technologie permet un usinage de surface plus précis que les procédés de fabrication de semi-conducteurs existants, tout en réduisant le fardeau environnemental généré lors de la fabrication, présentant ainsi une nouvelle technique de planarisation.
Bien que le papier de verre soit un outil familier utilisé pour lisser les surfaces par frottement, il a été difficile de l’appliquer à des domaines comme les semi-conducteurs, où un usinage de surface extrêmement précis est requis. Cette limitation provient du fait que le papier de verre conventionnel est fabriqué en collant des particules abrasives avec des adhésifs, ce qui rend difficile la fixation uniforme de particules extrêmement fines.
Pour surmonter ces limitations, l’industrie des semi-conducteurs a adopté un processus de planarisation appelé polissage chimico-mécanique (CMP), qui utilise une suspension chimique dans laquelle des particules abrasives sont dispersées dans un liquide. Cependant, cette méthode nécessite des étapes de nettoyage supplémentaires et génère de grandes quantités de déchets, rendant le processus complexe et lourd pour l’environnement.
Pour résoudre ces problèmes, l’équipe de recherche a étendu le concept du papier de verre à l’échelle nanométrique. En alignant verticalement des nanotubes de carbone, en les fixant dans du polyuréthane et en les exposant partiellement à la surface, ils ont mis en œuvre un « nano papier de verre« . Cette structure supprime structurellement le détachement des abrasifs, éliminant les risques d’endommagement de la surface et maintenant des performances stables même après une utilisation répétée.
Le nano papier de verre développé dans cette étude atteint une densité abrasive environ 500 000 fois plus élevée que celle du papier de verre le plus fin disponible commercialement. La précision du papier de verre s’exprime en termes de densité abrasive (numéro de grain), qui indique la densité de répartition des particules abrasives sur la surface. Alors que le papier de verre courant varie généralement de 40 à 3000 grains, le nano papier de verre dépasse 1 000 000 000 de grains. Grâce à cette structure extrêmement dense, les surfaces ont pu être traitées avec une précision allant jusqu’à quelques nanomètres – équivalente à l’épaisseur de seulement quelques atomes.
L’efficacité du nano papier de verre a été confirmée par des expériences. Des surfaces de cuivre rugueuses ont été polies jusqu’à une finesse au niveau nanométrique, et dans des expériences de planarisation de motifs semi-conducteurs, la technique a réduit les défauts de creusement jusqu’à 67 % par rapport aux procédés CMP conventionnels. Les défauts de creusement désignent le phénomène par lequel le centre des lignes d’interconnexion devient concave, un défaut majeur affectant les performances et la fiabilité des semi-conducteurs avancés comme la HBM.
En particulier, comme les matériaux abrasifs sont fixés sur la surface du papier de verre, la technologie ne nécessite pas l’alimentation continue de solutions de suspension comme dans les procédés conventionnels. Cela réduit les étapes de nettoyage et élimine les boues abrasives usagées, présentant la possibilité de faire évoluer la fabrication des semi-conducteurs vers des procédés plus respectueux de l’environnement.
L’équipe de recherche s’attend à ce que cette technologie puisse être appliquée aux procédés de planarisation de semi-conducteurs avancés comme la HBM utilisée dans les serveurs IA, ainsi qu’aux procédés de collage hybride, qui gagnent en attention en tant que technologies d’interconnexion de nouvelle génération. L’étude est également significative en ce qu’elle étend le concept quotidien du papier de verre à une technologie de traitement de précision nanométrique, suggérant la possibilité de sécuriser les technologies clés requises pour la fabrication de semi-conducteurs.
Le professeur Sanha Kim a déclaré : « Il s’agit d’une étude originale démontrant que le concept quotidien du papier de verre peut être étendu à l’échelle nanométrique et appliqué à la fabrication ultra-précise de semi-conducteurs », ajoutant : « Nous espérons que cette technologie conduira non seulement à une amélioration des performances des semi-conducteurs, mais aussi à des procédés de fabrication respectueux de l’environnement. »
Article : Carbon nanotube sandpaper for atomic-precision surface finishing – Journal : Advanced Composites and Hybrid Materials – Méthode : Meta-analysis – DOI : Lien vers l’étude
Source : KAIST
