Minatec au cœur des nanotechnologies et nanosciences

Les nanotechnologies grenobloises adossées à un pôle international de nanosciences

L'Institut national polytechnique (INP) de Grenoble s’est engagé à développer avec ses partenaires les nanotechnologies et les nanosciences au sein du pôle Minatec. Notre établissement, fidèle à son esprit pionnier, après avoir été à l’initiative du développement local et national de l'hydraulique et de l’électricité, de la microélectronique et de l’informatique, se lance dans l’aventure des nanotechnologies.
Le pôle Minatec dans lequel se sont engagés l’INP Grenoble et le CEA en sera un élément moteur. En s’appuyant sur une activité de recherche locale importante avec plusieurs centres nationaux (CNRS, CEA, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique [INRIA]…), deux centres européens (Institut Laue Langevin [ILL], European Synchrotron Radiation Facility [ESRF]) et ses universités (Université Joseph Fourier, INPG), ce pôle vise à favoriser le couplage entre les nanosciences et les nanotechnologies.
Les “nanosciences”, c'est l'étude des propriétés de la matière à l'échelle de quelques dizaines ou centaines d'atomes (échelle nanométrique). Une des motivations principales pour travailler à cette échelle est liée à la miniaturisation en microélectronique afin de réduire la taille des composants. Cette miniaturisation est classiquement obtenue par des procédés de gravure de plus en plus sophistiqués. C’est l’approche “top-down”. Un autre développement de la recherche s’oriente vers des solutions radicalement nouvelles partant de la limite inférieure, celle de l'atome, pour concevoir et réaliser des matériaux nouveaux qui auraient des propriétés physiques, chimiques ou biologiques améliorées. C'est l'approche "bottom-up", la base des nanosciences et des nanotechnologies. Elle s'appuie sur l'invention de nouveaux outils et méthodes de fabrication et le développement d'une instrumentation spécifique. Toutes les disciplines (physique, chimie, ingénierie, biologie, logiciels, optique...) sont concernées ainsi que tous les organismes de recherche. Aujourd'hui, si à l'échelle mondiale, une part importante de l'activité des laboratoires de recherche est dédiée aux nanosciences et aux nanotechnologies, c'est bien parce qu'il s'agit d'un secteur stratégique en croissance rapide qui présente un énorme potentiel de développement économique. En témoigne l'importance des programmes et des soutiens financiers apportés à ce secteur.
La mise en œuvre efficace de ces programmes implique la création de fédérations et de “centrales de technologie” regroupant respectivement laboratoires et équipements de recherche.
L'INP Grenoble est largement impliqué dans cette dynamique avec ses équipes de recherche et par le biais des projets fédératifs locaux et régionaux. Tout récemment, cet engagement en Rhône-Alpes s'est traduit par la création en partenariat avec le CNRS et les universités rhônalpines de la Fédération des Micro et Nanotechnologies (FMNT). Cette fédération s’appuie sur les plates formes technologiques du site, parmi lesquelles celles du Centre interuniversitaire de micro-électronique (CIME) et de Nanofab. Cette fédération jouera un rôle structurant essentiel pour la recherche au sein de Minatec.
Une des forces du projet Minatec est de regrouper, sur un même site, un ensemble de compétences contribuant au développement industriel des nanotechnologies de pointe et de leurs applications. Cette proximité, alliée à l'existence de liens forts entre l'université, la recherche et l'industrie, est un atout majeur du projet grenoblois.
Paul Jacquet Président de l’Institut National Polytechnique de Grenoble

A gauche : image d’un îlot de silicium de 5 nm de diamètre, noyé dans un film de silice, développé pour réaliser un nouveau type de mémoire (cliché CEA/DRFMC). A droite : empilement de boîtes quantiques de GaN au sein d’une matrice de GaAlN. Ces structures sont développées pour réaliser des lasers émettant dans l’ultraviolet (cliché CEA/DRFMC).

Avec Minatec, la région grenobloise devient l’un des tout premiers pôles mondiaux des micro et nanotechnologies. Cette confirmation ne doit rien au hasard car Grenoble a bâti, de longue date, un socle de nanosciences qui, aujourd’hui, lui permet de passer avec succès de la recherche fondamentale aux applications.
La bataille de l’infiniment petit est l’un des enjeux économiques les plus importants de ce début du troisième millénaire. Cette bataille stratégique sera gagnée par ceux qui auront su développer, en amont, à la fois des connaissances et des outils pour maîtriser un univers dont la dimension de référence est l’atome. L’ensemble qui consiste en l’étude des propriétés de la matière à l’échelle des atomes est rassemblé sous le vocable de “nanosciences”. Elles conduisent par exemple à l’élaboration de nouveaux matériaux ou à la réalisation de composants de dimensions submicroniques (construits à partir de moins de 1.000 atomes !) et permettent d’envisager un potentiel énorme d’applications nouvelles dans des domaines aussi divers que l’électronique, la robotique, la santé, les télécommunications, l’optique ou la mécanique.
Grenoble fait partie des rares territoires qui, dans le monde, disposent depuis plus de 20 ans de solides compétences, toutes disciplines confondues, pour la recherche sur les propriétés des objets de très petites tailles. Aujourd’hui, comme l’indique Michel Lannoo, directeur scientifique adjoint du département Sciences physiques et mathématiques du CNRS, les chercheurs ont cette capacité de “travailler au niveau moléculaire, atome par atome, pour créer des structures de grande taille avec une organisation moléculaire fondamentalement nouvelle (...) et avec des propriétés grandement améliorées.”
Plus d’un millier de chercheurs grenoblois travaillent sur les “nanosciences”. Leurs recherches concernent les matériaux, les composants, les micro systèmes et les technologies… Avec les équipes de recherche fondamentale du CEA, du CNRS, de l'Université Joseph Fourier et de l'INP Grenoble, Grenoble dispose d'un dispositif de recherche pluridisciplinaire unique en Europe. Cette pluridisciplinarité est, probablement, l’un des facteurs clés de succès pour gagner cette bataille de l’infiniment petit.
Ce dispositif de recherche s’appuie sur de grands équipements européens dont la densité est, là encore, exceptionnelle : l’Institut Laue-Langevin (ILL, source de neutrons), l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, synchrotron), l’European Molecular Biology Laboratory (EMBL, biologie moléculaire) et le Laboratoire des champs magnétiques intenses, qui permettent de traquer les atomes dans leurs derniers retranchements et de mener au cœur des matériaux des expériences déterminantes dans les nanosciences.
En outre, la communauté nanoscientifique grenobloise s’organise pour mettre en commun des outils spécifiques de plus en plus sophistiqués (en microscopie par exemple) et bénéficie d’un accès par le CPMA (Centre de Projets en Microélectronique Avancée) à des équipements du CEA-Léti comme la plate-forme technologique PLATO ou la plate-forme Nanofab (nanofabrication ; cf encadré) au Centre de recherches sur les très basses tempéréatures (CRTB) ou celle du Département de recherche fondamentale sur la matière condensée (DRFMC) du CEA.
Au-delà des centres de recherche publics, l’existence d’une puissante industrie, fortement orientée en R&D
- avec des noms prestigieux comme Motorola, STMicroelectronics, Philips, Infineon, Applied Materials, Tokyo Electron, OnSemiconductors, Thalès...
- crée un environnement extrêmement fertilisant, propre à faciliter et à accélérer le passage de la recherche à l’application, puis au marché.
Cette masse critique en nanosciences a favorisé le lancement du pôle Minatec dont l’ambition est de devenir le pôle d’innovation et d’expertise majeur en Europe pour les micro et nanotechnologies (MNT). Pour aller plus loin et plus vite dans cette fertilisation, les chercheurs grenoblois ont ressenti le besoin d’organiser cette masse critique afin de favoriser les synergies et d’optimiser les moyens humains, les outils et les budgets.
Ainsi, huit laboratoires grenoblois (CNRS, université Joseph Fourier et INP Grenoble), en association avec les laboratoires du CEA/DRFMC, ont présenté un projet “nanophysique” dans le cadre du sixième contrat de plan Etat-Région (CPER). Ces laboratoires comptent quelque 150 chercheurs et enseignants chercheurs et une quarantaine de thésards impliqués dans la nanophysique. Ils sont fédérés au sein de l’Institut de physique de la matière condensée (IPMC : CNRS, UJF, CEA, INPG) qui favorise plus généralement le développement d’axes de recherche nouveaux en physique. Les trois premières années du CPER (2000- 2002) ont permis de faire un bond en avant dans le financement des moyens d’élaboration nouveaux ou plus performants de nano-objets, des outils de leur manipulation, d'observation et de mesure de leurs propriétés physiques.
Créée mi 2002, la Fédération Micro et Nanotechnologies Rhône-Alpes (FMNT) a regroupé six laboratoires – quatre Grenoblois et deux Lyonnais – et plus de 300 chercheurs dont l’activité est Majoritairement consacrée aux MNT. Cette structure aura un rôle déterminant dans l'avenir de Minatec et viendra offrir des moyens de haute technologie ouvrant d'importantes possibilités de recherche à la communauté académique.
L’horizon de 2006 du contrat de plan et la dynamique Minatec devraient favoriser cet élan qui permettra à la région de garder une place d’excellence en nanosciences. C’est dans cette perspective qu’une réflexion est engagée pour la constitution à Grenoble d’une école européenne des nanosciences (en avant-première, une école “pré-doctorale” sur le thème “nanosciences” aura lieu aux Houches en septembre 2003) et d’un Institut des nanosciences destiné à coordonner et développer les activités recherche de plusieurs disciplines en nanosciences, sur le site de Grenoble.
De nombreux laboratoires, appartenant ou non aux fédérations précédentes, sont associés à ce projet déjà soutenu par le CNRS (création de la fédération FR2601 en janvier 2003).
Autant d’initiatives et de projets qui font de Grenoble un pôle européen incontournable pour les nanosciences.

Nanofab à la recherche des bits quantiques
IInaugurée le 10 décembre 2001, la plateforme Nanofab, implantée dans les locaux du CRBT, est dédiée à la nanofabrication par lithographie électronique et ionique, dépôt et gravure, d’objets de taille supérieure à 50 nm. Elle sera la clé de voûte d’un grand nombre d’actions scientifiques programmées dans le CPER Nanophysique : nanooptique, nanoélectronique, nanomagnétisme et nanoinstrumentation. L’implantation d’une salle blanche de 80 m2 permettra aux physiciens de maîtriser complètement les échantillons, de leur fabrication aux caractérisations physiques les plus poussées.
Parmi les projets d’études de Nanofab, figure la réalisation de “bits quantiques” ; ces systèmes à base de jonctions Josephson, combinant supraconductivité et blocage de Coulomb, devraient permettre d’améliorer les puissances de calcul des ordinateurs dans des proportions considérables.
Plus souple dans son fonctionnement, Nanofab apparaît comme un excellent complément, plus accessible aux chercheurs, de la plate-forme Plato
qui pourra ainsi se consacrer pleinement à des programmes plus lourds ou plus spécifiques.

“Les nanosciences existaient à Grenoble et dans quelques grands centres ou « paradis » scientifiques mondiaux bien avant qu’on invente ce terme devenu très tendance aujourd’hui” : c’est ce qu’affirme Jean-Louis Pautrat *
Les travaux sur le magnétisme de Louis Néel, prix Nobel, et l’implantation du CEA à Grenoble représentent, pour ce scientifique de 61 ans, spécialiste des semi-conducteurs au Léti, le point de départ de l’aventure des nanosciences à Grenoble. “Pensez que dès le début des années 60, une coopération entre la section de physique du solide et le service d’électronique du CEA Grenoble allait jeter les bases des premiers circuits intégrés ! .” Et Jean-Louis Pautrat de se souvenir que, jeune thésard, il travaillait déjà en 1962 sur les tout premiers transistors à effet de champ. A cette date, l’Institut Polytechnique de Grenoble avait déjà créé depuis cinq ans l’ENSERG, école dédiée à une électronique alors en plein développement, tandis que du côté de la recherche, de nombreux laboratoires (spectrométrie physique, électrostatique, physique du métal, magnétisme) travaillaient déjà sur les nanosciences... sans le savoir ! Ce substrat fertile a permis l’implantation à la fin des années 60 du premier des grands instruments scientifique, l’Institut Laue-Langevin, bientôt rejoint par le Laboratoire des champs magnétiques intenses puis le synchrotron de l’ESRF. Résultat (parmi bien d’autres) : dès 1986, une équipe mixte CNRS-CEA voyait le jour pour développer la fabrication de nanostructures de semiconducteurs. Pendant le même temps, l’agglomération, grâce à une industrie électronique et informatique exceptionnellement créative et prospère, faisait figure de Silicon Valley française. “Grenoble est le seul pôle en France qui associe recherche publique et universitaire, formation d’ingénieurs et puissance industrielle, le tout dans une perspective de coopération internationale” analyse Jean-Louis Pautrat.
Aujourd’hui, estime-t-il, la complexité aussi bien que la multiplicité des enjeux du développement des nouvelles technologies engendre une dynamique visible à tous les niveaux et en particulier dans le monde de la recherche. Il en résulte une nécessité de croiser les savoirs et les disciplines. Cette transdisciplinarité est l’atout majeur de Grenoble et bien sûr du pôle Minatec et lui permettra à de faire la différence avec ses concurrents dans la compétition mondiale des nanotechnologies.
* Ce chercheur physicien au DRFMC (Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée) du CEA-Grenoble, vient de publier “Demain le nanomonde, voyage au cœur du minuscule” chez Fayard.

Elément important de la recherche en micro et Nanotechnologies, la création de la Fédération des micro et nanotechnologies (FMNT) répond à des enjeux aussi bien scientifiques que stratégiques. Gérard Ghibaudo, son directeur (ci-contre), explique sa vocation et son ambition.

Quelle est la mission de la FMNT ?
Créée en 2002 à l’initiative du CNRS, la FMNT rassemble six laboratoires rhônalpins , très complémentaires les uns des autres ( voir ci-dessous). Elle se propose d’animer, de gérer, de rassembler et de mettre en synergie les activités de recherche, en direction des micro et nanotechnologies, de ces laboratoires. Cela va permettre d’une part de rationaliser et de mutualiser la recherche et d’autre part, grâce à des budgets substantiels, de disposer de moyens technologiques qui s’ajouteront aux équipements importants déjà existants des laboratoires. Cela donnera au final plus de cohérence aux travaux engagés. La FMNT n’a pas vocation à se substituer aux laboratoires qui la composent, mais à fédérer leurs travaux dans quatre domaines essentiels : les matériaux, les technologies, les composants et les microsystèmes. D’ores et déjà, plus de 300 chercheurs et thésards appartenant aux six laboratoires interviennent dans les projets de recherche portés par la Fédération. C’est dire le rôle stratégique qu’elle a pour le développement des micro et nanotechnologies.

Jusqu’à maintenant les moyens lourds auxquels avaient accès ces laboratoires étaient ceux de PLATO, la plateforme du CEA-Léti...
Oui, cet accès, privilégié par le CPMA (Centre de Projets en Microélectronique Avancée), permet d’utiliser les outils au sommet de l’art qui sont les principaux supports d’une recherche coordonnée autour des choix technologiques et des recherches menées au sein du CEA-Léti. L’ambition de ce programme auquel nous sommes associés, impose une gestion très structurée pour la plateforme PLATO. A côté de cet équipement, des outils plus souples d’accès pour les chercheurs académiques et plus évolutifs quant aux technologies mises en œuvre seront mis en place Avec le CIME (Centre interuniversitaire de microélectronique) qui a pour vocation de former des opérateurs, techniciens et ingénieurs en micro et nanotechnologies nous disposerons dans le BCA (bâtiment des composants avancés) de Minatec d’une salle blanche de 900 m2, dont 200 m2 plus spécifiquement dédiés à la recherche et gérés par la FMNT.

Filtres accordables pour réseaux de télécommunications optiques (cliché LEOMFMNT)

Quels avantages pour les chercheurs ?
Dans le cadre de la FMNT ces outils apporteront à leurs utilisateurs plus de liberté et de souplesse, ils sont complémentaires de PLATO. La FMNT veut se positionner en interface entre le monde académique et celui de la recherche technologique faite au CEALéti.

La FMNT favorisera-t-elle la transversalité ?
Bien évidemment ! D’abord, parce que les cinq principaux thèmes de recherche approuvés par la FMNT sont fédérateurs en eux-mêmes. Ils portent sur la microélectronique et la nanoélectronique, les microsystèmes, la photonique, l’électronique de spin, les technologies ultimes et techniques de caractérisation innovantes. Ensuite, parce que les laboratoires ont dans leurs effectifs des chercheurs dont les recherches sont menées en commun et des thésards dont l’encadrement est assuré par plusieurs laboratoires.

Pouvez-vous donner quelques exemples de recherche portés par la FMNT ?
Je peux citer la filière carbure de silicium, les Mems (microsystèmes intégrés), les mémoires magnétiques dynamiques à accès aléatoire, les nanomatériaux et nanostructures, les nouvelles architectures pour le CMOS ultime, les matériaux isolants à forte permittivité, les puces à ADN, les circuits photoniques…

De Grenoble à Lyon, les six laboratoires de la Fédération

Jacques Chirac inaugure Crolles 2
Jacques Chirac, président de la République, a inauguré officiellement le site de Crolles 2 le 27 février dernier en présence des trois présidents des sociétés installées sur le site : Gerard Kleisterlee (Philips), Pasquale Pistorio (STMicroelectronics).


Novellus face à STMicro
L’équipementier américain Novellus Systems Inc. (1,3 Md$ de chiffre d’affaires dans le monde), transfère son siège social européen d’Angleterre à Bernin, juste en face de son important client STMicroelectronics.. La société emploie une trentaine de salariés sur son site isérois et 120 personnes en Europe. Elle est spécialisée dans les équipements avancés pour le dépôt (CVD, PVD), le traitement de surface et la planarisation chimico-mécanique conçus pour les besoins de la fabrication de masse de semi-conducteurs au moindre coût.

Accord DGA-CEA
La Délégation générale à l'armement (DGA) et le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) viennent de signer une déclaration d'intention pour une coopération active dans le domaine des composants électroniques. Plus particulièrement, la DGA souhaite participer au nouveau pôle d'innovation Minatec qui se crée à Grenoble autour du Léti. Ce partenariat devrait contribuer à satisfaire les besoins de la défense pour la veille technologique, l'accès aux technologies civiles les plus avancées, en matière de microélectronique et de microsystèmes, et l'acquisition de technologies spécifiques et offrir ainsi un point d'accès à ces technologies aux entreprises du secteur.

En bref :

Fournisseur européen de quartz pour l’industrie des semi-conducteurs, Mondia Quartz vient d’inaugurer un nouveau site de production de 1.500 m2 comportant deux salles blanches de classe 10 qui répondent aux exigences les plus strictes en matière d’ultra-pureté. La société créée en 1996 (chiffre d’affaires 2002 : 1,5 M€) est partenaire du Léti et engagée dans le programme européen Medea. Déjà implantée en Allemagne, elle installe en Tchéquie une seconde unité de production.

Constructeur de systèmes d’assemblage, ATS Automation France est également la société mère de Photowatt, premier fabricant européen de cellules photovoltaïques. Les deux entreprises sont implantées à Bourgoin- Jallieu dans le Nord-Isère. ATS Automation vient d’investir 4,5 M€ dans la construction d’une usine de 8.500 m2. Employant 430 personnes sur ses deux sites isérois, ATS Automation y a investi 60,5 M€ au cours des deux dernières années.

Spécialisé dans la vente et la maintenance d’équipements de production de circuits intégrés, Tokyo Electron (TEL) double la surface de ses bâtiments de Meylan afin de répondre plus rapidement aux demandes de ses clients fabricants de semi-conducteurs de la région grenobloise. TEL vient également d’inaugurer un centre d’applications dédié au développement de nouvelles applications pour le test des puces sur des “wafers” de 200 et 300 mm.

Jusqu’alors directeur des technologies de l’information au CEA, Bernard Barbier, 50 ans, ingénieur centralien, a été nommé directeur du Léti (Laboratoire d’électronique et des technologies de l’information du CEA). Spécialiste des plasmas thermonucléaires, il dispose également d’une grande expertise dans les systèmes industriels, notamment les biopuces, l’imagerie médicale, les transmissions...

MINATEC 2003
• Rendez-vous de la recherche et de l'industrie, les troisièmes rencontres internationales des micro et nanotechnologies se tiendront du 22 au 26 septembre 2003 à Grenoble.
http://www.minatec.com/minatec2003/

• En parallèle aux rencontres Minatec 2003, se déroulera le Workshop ISMT 03 (Innovative Mass Storage Technologies).
http://www.minatec.com/imst2003

JNOG
Les Journées nationales de l’optique guidée à Valence rassemblent la communauté française travaillant dans le domaine de l'optique guidée et de ses applications. Une dizaine d’exposants participeront à cette
manifestation. 12, 13 et 14 novembre 2003.
http://193.253.199.20

Seizièmes “Entretiens Jacques Cartier”
Cette édition présentera Minatec et les grands projets coopératifs en micro et nanotechnologies dans le monde. Les 2 et 3 décembre à Grenoble.
www.minatec.com/agenda/jacques-cartier.htm