Une source de plasma polyvalente au cœur des innovations de demain

Sans les technologies du plasma, il n’y aurait ni smartphones, ni puces, ni cartes SIM. Sans elles, il serait impossible de fabriquer avec une extrême précision les composants miniaturisés de nos appareils électroniques modernes. Discrètes mais révolutionnaires, ces technologies façonnent l’industrie de la microélectronique contemporaine et s’imposent dans de nombreux secteurs industriels. C’est dans ce contexte dynamique et ce marché en pleine expansion que s’inscrivent les antennes à résonance développées au Swiss Plasma Center (SPC), une innovation née de manière inattendue.

Eurêka!
L’idée des antennes résonantes a émergé grâce à une technologie issue d’une autre sphère scientifique: l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Ces dispositifs médicaux utilisent des ondes radiofréquences pour exciter les spins des atomes du corps et produire des images détaillées. En 2003, Philippe Guittienne, alors chercheur au SPC, y a perçu une nouvelle possibilité. Inspiré par la thèse de doctorat de son épouse, il a eu une sorte d’épiphanie : et si ce même principe pouvait être utilisé pour générer du plasma?

Ce déclic a conduit au développement des antennes à réseau résonant, une source de plasma qui génère des électrons hautement énergétiques, favorisant des réactions chimiques inédites sans chauffer ni le gaz ni les surfaces. Cette avancée préserve la qualité des matériaux, ce qui en fait une technologie idéale pour la fabrication ultra-précise.

L’impact de cette innovation est considérable. Si le plasma est souvent associé à l’énergie de fusion, ses applications vont bien au-delà. Il intervient entre autres dans la conception de satellites et de propulseurs plasma, le revêtement de pales de turbines d’avion, le dépôt de couches minces pour les panneaux solaires, l’emballage en rouleau, le soudage plasma et le traitement des déchets. Dans le domaine médical, les bioplasmas sont utilisés pour la stérilisation, le traitement des plaies et même le traitement du cancer. Mais c’est sans doute dans la microélectronique, cette industrie qui se trouve au cœur de notre monde numérique moderne, que son impact est le plus frappant.

Un marché de plusieurs milliers de milliards de francs
Les fabricants de puces utilisent le plasma pour imprimer des circuits électroniques à l’échelle nanométrique. Ces circuits sont composés de millions de transistors fabriqués sur une plaquette de silicium. Pour isoler les transistors entre eux, le silicium est gravé selon un motif déposé au préalable sous forme de couche photosensible.

Autrefois, ce processus était réalisé par «gravure humide» à base d’acides, qui dissolvaient le silicium exposé dans toutes les directions, élargissant le motif au fur et à mesure de sa pénétration dans le matériau. Ce phénomène empêchait d’imprimer des détails fins sur la plaquette. La fabrication de circuits à l’échelle nanométrique exige donc une autre approche. C’est là qu’intervient la gravure plasma.

Au lieu des acides, on utilise des ions accélérés à travers la gaine plasma qui se forme spontanément au contact de la surface du silicium. Les ions bombardent alors le silicium uniquement dans la direction perpendiculaire, garantissant ainsi une reproduction fidèle du motif du circuit.

Les antennes à réseau résonant pourraient avoir un impact considérable sur le traitement plasma des grandes surfaces pour la microélectronique

Cependant, un défi persiste : les sources de plasma monolithiques traditionnelles peinent à maintenir une uniformité sur de grandes surfaces. Or, les fabricants de semi-conducteurs cherchent à produire des plaquettes de silicium toujours plus grandes. La technologie conventionnelle atteint donc ses limites. C’est donc ici que les antennes à réseau résonant pourraient bouleverser la donne. Contrairement aux sources de plasma classiques, ces antennes répartissent l’énergie de manière homogène sur de vastes surfaces, permettant une gravure plasma de haute précision à l’échelle industrielle.

Cette technologie pourrait offrir à l’Europe une opportunité d’entrer sur un marché mondial de plusieurs milliers de milliards de dollars, actuellement dominé par les États-Unis et l’Asie. «Les antennes à réseau résonant pourraient avoir un impact considérable sur le traitement plasma des grandes surfaces pour la microélectronique», déclare Alan Howling, ancien chercheur au SPC et co-auteur du livre.

Auteurs du livre

• Philippe Guittienne est physicien au Swiss Plasma Center, au sein du groupe Physique des plasmas basse température et applications du SPC. Il est également fondateur de Helyssen Sàrl, entreprise dédiée au développement et à la commercialisation des antennes à réseau résonant comme sources de plasma.
• Alan Howling est collaborateur scientifique senior, ancien chercheur et enseignant au Swiss Plasma Center.
• Ivo Furno est professeur adjoint à l’EPFL et responsable du groupe Physique des plasmas basse température et applications du SPC

Pour aller plus loin:
Antennes à Réseau Résonant

La génération de plasma, le quatrième état de la matière, nécessite plusieurs composants. Tout d'abord, elle requiert un gaz tel que l'argon, l'azote ou l'hydrogène. Dans des conditions normales, ces gaz ne sont pas sous forme de plasma. Un champ électromagnétique externe fort est appliqué dans la gamme des ondes radio-fréquences (RF) pour ioniser les atomes et les molécules du gaz: les électrons suivent le champ électrique, tandis que les ions restent presque intacts en raison de leur forte inertie. Ces électrons produisent une cascade de collisions avec les atomes du gaz et les ionisent, entraînant ainsi la génération du plasma. Enfin, un champ magnétique externe peut être utilisé pour façonner et confiner le plasma.

Traditionnellement, il existe deux techniques principales pour générer du plasma: les sources de plasma à couplage capacitif et inductif. Bien que ces deux technologies soient couramment utilisées dans l'industrie, leur impédance de réacteur asymptotique et la non-uniformité du plasma imposent des limitations pour le traitement de grands substrats. Les antennes à réseau résonnant peuvent surmonter ces limitations grâce à leur structure résonante distribuée.

Les antennes à réseau résonnant se composent d'un maillage d'éléments inductifs et capacitifs parallèles, dont le circuit global présente un ensemble de modes résonants. La capacité est choisie de manière à ce que le courant électrique résonne à des fréquences radio de quelques MHz. Les champs magnétiques oscillants associés induisent des champs électriques dans le gaz à basse pression environnant, qui se décomposent électriquement pour former un plasma d'ions et d'électrons. L'impédance réelle à la fréquence de résonance simplifie l'adaptation de puissance et minimise les courants d'entrée élevés inhérents à l'augmentation de la taille des dispositifs conventionnels à couplage capacitif ou inductif.

Les antennes à réseau peuvent être construites sous deux configurations de base: planaire (également appelée «échelle») et cylindrique (également appelée «cage à oiseaux»). Les configurations planaire sont utilisées pour créer un plasma plat pouvant couvrir de grandes surfaces. Cette configuration est particulièrement adaptée pour le traitement de plasma des tranches de silicium, des panneaux de cellules solaires et des écrans plats, ainsi que pour le traitement du verre dans l'architecture, par exemple. D'autre part, la conception cylindrique ou «cage à oiseaux» est mieux adaptée au traitement en volume de plusieurs éléments, comme les barrières biocompatibles sur les implants médicaux, ainsi qu'à l'activation des plastiques pour l'adhésion de la peinture sur les composants automobiles. Toutes ces applications représentent un marché énorme et en forte croissance.