Brevet FR3018631A1 — publié le 20150918

B13101 - 12-GR1C0-0488 1 CALODUC ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION Domaine La présente demande concerne un caloduc et un procédé de fabrication de ce caloduc. Elle vise plus particulièrement un caloduc miniaturisé adapté à réaliser des transferts de chaleur à l'intérieur d'une puce de circuits intégrés ou d'un empilement de puces de circuits intégrés. Exposé de l'art antérieur Un caloduc ("heat pipe" en anglais) est un dispositif adapté à transférer de la chaleur d'une surface chaude vers une 10 surface froide, en utilisant les changements d'état liquide-vapeur d'un fluide. De façon classique, un caloduc comporte une enceinte hermétique renfermant un fluide. En fonctionnement, un côté de l'enceinte est placé au voisinage d'une source chaude, par 15 exemple un dispositif électronique que l'on souhaite refroidir, et un côté opposé de l'enceinte est placé au voisinage d'une source froide, par exemple un dissipateur thermique. Dans la zone chaude du caloduc, le fluide se vaporise en emmagasinant de la chaleur. La vapeur ainsi formée se diffuse à travers 20 l'enceinte jusqu'à la zone froide du caloduc, puis se condense dans la zone froide en libérant de la chaleur. Une fois à l'état liquide, le fluide retourne vers la zone chaude du caloduc par B13101 - 12-GR1C0-0488 2 capillarité le long des parois de l'enceinte, et le cycle recommence. Les caloducs existants sont adaptés à refroidir de façon sensiblement uniforme la totalité d'une surface 5 relativement importante, par exemple la totalité de la surface d'une puce de circuits intégrés ou d'un empilement de puces de circuits intégrés. En revanche, du fait de leur encombrement relativement important, les caloducs existants ne sont pas adaptés à transférer de la chaleur entre des zones spécifiques 10 localisées d'une puce de circuits intégrés ou d'un empilement de puces de circuits intégrés. Il existe un besoin pour un caloduc miniaturisé, simple à réaliser, pouvant par exemple être utilisé pour évacuer de la chaleur depuis des zones chaudes localisées d'une puce de 15 circuits intégrés ou d'un empilement de puces de circuits intégrés. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un caloduc, comportant les étapes suivantes : a) 20 former dans un substrat une ouverture cylindrique munie d'une pluralité de renfoncements annulaires s'étendant radialement autour d'un axe central de l'ouverture ; b) disposer dans les renfoncements des bandes annulaires disjointes en un matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone ; et c) 25 faire croitre des nanotubes de carbone dans l'ouverture à partir desdites bandes annulaires. Selon un mode de réalisation, l'étape a) comprend une alternance d'étapes de gravure anisotrope et d'étapes de passivation. 30 Selon un mode de réalisation, les étapes de gravure anisotrope sont effectuées à l'aide d'un plasma au SF6, et les étapes de passivation sont effectuées à l'aide d'un plasma au C4F8. Selon un mode de réalisation, l'étape b) comprend une 35 étape de dépôt, sur les parois de l'ouverture, d'une couche B13101 - 12-GR1C0-0488 3 continue d'un matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone, et une étape de gravure isotrope focalisée d'une partie de cette couche située à l'extérieur des renfoncements. Selon un mode de réalisation, le matériau catalyseur comprend du fer ou de l'aluminium. Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre, avant l'étape b), une étape de dépôt, sur les parois de l'ouverture, d'une couche intermédiaire en un matériau 10 d'accroche pour ledit matériau catalyseur. Selon un mode de réalisation, le matériau de la couche intermédiaire est en outre adapté à rendre plus étanches les parois de l'ouverture. Selon un mode de réalisation, la couche intermédiaire 15 est en oxyde de silicium. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, après l'étape c), une étape de densification des nanotubes de carbone. Selon un mode de réalisation, l'étape de densification 20 comprend une étape de trempage des nanotubes de carbone dans une solution contenant un solvant, suivie d'évaporation du solvant. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, après l'étape c), une étape de remplissage partiel de l'ouverture par un liquide caloporteur, suivie d'une étape de 25 fermeture hermétique de l'ouverture. Un autre mode de réalisation prévoit un caloduc comportant : une ouverture cylindrique disposée dans un substrat, ladite ouverture étant munie d'une pluralité de renfoncements annulaires s'étendant radialement autour d'un axe 30 central de l'ouverture ; des bandes annulaires disjointes en un matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone, situées dans les renfoncements ; et des nanotubes de carbone s'étendant dans l'ouverture à partir desdites bandes annulaires. B13101 - 12-GR1C0-0488 4 Selon un mode de réalisation, le caloduc comporte en outre un liquide caloporteur remplissant partiellement l'ouverture. Selon un mode de réalisation, le caloduc comporte au 5 moins un capot fermant hermétiquement l'ouverture. Un autre mode de réalisation prévoit une puce de circuit intégré comprenant au moins un caloduc du type susmentionné. Brève description des dessins 10 Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures LA à 1H sont des vues en coupe illustrant 15 de façon schématique des étapes d'un procédé de fabrication d'un mode de réalisation d'un caloduc ; la figure 2 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d'un mode de réalisation d'une puce de circuit intégré comportant un caloduc ; et 20 la figure 3 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d'un mode de réalisation d'un système comportant une puce de circuit intégré et un dispositif de refroidissement comportant un caloduc. Description détaillée 25 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par ailleurs, dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "approximativement", "sensiblement", 30 "environ", "de l'ordre de" et "quasiment" signifient "à 10% près", et des références directionnelles telles que "vertical", "horizontal", "latéral", "en dessous", "au-dessus", "supérieur", "inférieur", etc., s'appliquent à des dispositifs orientés de la façon illustrée dans les vues en coupe correspondantes, étant B13101 - 12-GR1C0-0488 entendu que, dans la pratique, ces dispositifs peuvent être orientés différemment. Les figures lA à 1H sont des vues en coupe illustrant de façon schématique des étapes d'un exemple de procédé de 5 fabrication d'un caloduc. La figure lA illustre une étape de dépôt, sur une surface supérieure d'un substrat 100 dans lequel on souhaite réaliser le caloduc, d'un premier masque 103 délimitant une ouverture laissant apparaître la surface supérieure du substrat 100, et d'un second masque 105 recouvrant le masque 103 ainsi que la périphérie de la région de la face supérieure du substrat 100 non revêtue par le masque 103. La région apparente du substrat 100 non revêtue par le masque 105 est par exemple de forme sensiblement circulaire. A titre d'exemple, le masque 103 définit une ouverture circulaire, et le masque 105 définit une ouverture circulaire centrée sur l'ouverture du masque 103 mais de diamètre inférieur. D'autres formes d'ouverture des masques 103 et 105 peuvent toutefois être prévues. A titre d'exemple non limitatif, le substrat 100 est un substrat en un matériau semiconducteur, par exemple du silicium, le masque 103 est un masque métallique, et le masque 105 est un masque en résine. La figure lB illustre une étape de formation, dans une partie supérieure du substrat 100, d'une ouverture 107 s'étendant depuis la région de la face supérieure du substrat 100 non revêtue par les masques 103 et 105, en direction de la face inférieure du substrat, par exemple selon une direction générale approximativement verticale. Comme cela apparaît sur la figure lB, l'ouverture 107 présente des parois latérales crénelées ou ondulées, définissant dans le substrat 100 une pluralité de renfoncements annulaires 109 approximativement parallèles, s'étendant radialement autour d'un axe central X de l'ouverture. Pour obtenir cette forme ondulée de l'ouverture 107, on peut par exemple effectuer une alternance d'étapes de gravure anisotrope et d'étapes de passivation des parois de la partie déjà gravée de l'ouverture. A titre d'exemple, les étapes B13101 - 12-GR1C0-0488 6 de gravure anisotrope sont réalisées par gravure de type DRIE (de l'anglais "Deep Reactive Ion Etching" - gravure ionique réactive profonde), à l'aide d'un plasma à base de SF6, et les étapes de passivation sont réalisées à l'aide d'un plasma à base de C4F8. Tout autre procédé de gravure permettant d'obtenir les crénelures souhaitées peut toutefois être utilisé. A titre d'exemple non limitatif, l'ouverture 107 a une hauteur ou profondeur totale de l'ordre de 10 à 1000 pin et un diamètre moyen de l'ordre de 2 à 250 gm, et chaque renfoncement 10 109 a une hauteur de l'ordre de 100 à 500 nm et une largeur ou épaisseur (distance du fond du renfoncement au débouché du renfoncement sur la partie centrale cylindrique de l'ouverture 107) de l'ordre de 30 à 300 nm. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ces exemples particuliers de 15 dimensions. Dans l'exemple représenté, les conditions de gravure sont choisies de façon que, comme cela a été représenté sur la figure 1B, les renfoncements annulaires 109 débouchent sur la partie cylindrique centrale de l'ouverture 107 au niveau du bord 20 intérieur du masque 105 ou entre le bord intérieur du masque 105 et le bord intérieur du masque 103. En d'autres termes, dans cet exemple, les conditions de gravure sont choisies de façon que le plus petit diamètre des renfoncements annulaires 109 soit inférieur au diamètre de l'ouverture délimitée par le masque 25 103, et supérieur ou égal au diamètre de l'ouverture délimitée par le masque 105. A titre d'exemple non limitatif, le plus petit diamètre des renfoncements annulaires 109 est inférieur de 10 à 500 nm au diamètre de l'ouverture délimitée par le masque 103. 30 La figure 1C illustre une étape optionnelle de formation d'une couche 111 sur les parois latérales et sur le fond de l'ouverture 107. Une fonction de la couche 111 peut être de servir de couche d'accroche pour un dépôt ultérieur d'un matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone, 35 dans le cas où le substrat 100 ne serait pas lui même en un B13101 - 12-GR1C0-0488 7 matériau adapté à recevoir un tel catalyseur. De plus, l'ouverture 107 étant destinée à contenir un fluide caloporteur du caloduc, la couche 111 peut avoir pour rôle d'étanchéifier les parois de l'ouverture 107 dans le cas où le substrat 100 ne serait pas lui-même en un matériau suffisamment imperméable. A titre d'exemple non limitatif, la couche 111 est en oxyde de silicium. La couche 111 est par exemple réalisée par oxydation des parois latérales et du fond de l'ouverture 107, ou par toute autre méthode de dépôt adaptée, par exemple par dépôt PVD (de l'anglais "Physical Vapor Deposition" - dépôt physique en phase vapeur). La couche 111 a par exemple une épaisseur de l'ordre de 10 à 150 nm. L'épaisseur de la couche 111 est choisie de façon que le matériau de la couche 111 ne remplisse pas entièrement les renfoncements 109. La figure 1D illustre une étape, postérieure à la formation de la couche 111 le cas échéant, de dépôt d'une couche 113 en un matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone sur les parois latérales de l'ouverture 107. A titre d'exemple, la couche 113 contient du fer, de l'aluminium, ou tout autre matériau adapté à servir de base pour la croissance de nanotubes de carbone. La couche 113 peut être déposée par pulvérisation d'une source du matériau catalyseur à l'aide d'un faisceau d'électron, ou par toute autre méthode de dépôt adaptée. L'épaisseur de la couche 113 est de préférence choisie suffisamment importante pour que le matériau de la couche 113 remplisse entièrement les renfoncements 109 ou, le cas échéant, la partie des renfoncements 109 non remplie par la couche 111. La figure lE illustre une étape postérieure au dépôt de la couche 113, au cours de laquelle le masque 105 est retiré, le masque 103, de plus grande ouverture, étant conservé. Après le retrait du masque 105, une étape de gravure isotrope, sensiblement verticale dans cet exemple, est mise en oeuvre pour retirer, au niveau des parois latérales de l'ouverture 115, les parties de la couche 113, de la couche 111 et/ou du substrat 100, non revêtues par le masque 103. La partie de la couche 113 B13101 - 12-GR1C0-0488 8 recouvrant le fond de l'ouverture 107 est également retirée. La gravure isotrope de la figure lE peut être mise en oeuvre à l'aide d'un plasma focalisé, ou par toute autre méthode de gravure adaptée. A l'issue de cette gravure, comme cela apparaît sur la figure lE, le matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone forme des anneaux 115 disjoints, approximativement parallèles, disposés dans les renfoncements 109. Chaque anneau ou portion annulaire ou bande annulaire 115 du matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone est isolé des anneaux 115 adjacents par une portion de couche 111. Après cette étape, le masque 103 peut être retiré. La figure 1F illustre une étape au cours de laquelle on fait croître des nanotubes de carbone à partir de la surface des anneaux 115 tournée vers l'intérieur de l'ouverture 107. La 15 croissance des nanotubes de carbone peut être réalisée par CVD (de l'anglais « Chemical Vapor Deposition » - dépôt chimique en phase vapeur) à une température comprise entre 550 et 700°C, ou par toute autre méthode adaptée. Comme cela a été représenté de façon schématique sur la figure 1F, les nanotubes de carbone 20 croissent selon une direction générale approximativement orthogonale à la surface du matériau catalyseur, c'est à dire selon une direction générale approximativement horizontale dans cet exemple. Ainsi, à partir de la surface intérieure de chaque anneau 115, se forme un anneau 117 constitué d'un agrégat de 25 nanotubes de carbone. La longueur des nanotubes de carbone, qui définit la largeur des anneaux 117, est choisie de façon que les anneaux 117 n'obturent pas entièrement les ouvertures des anneaux 115. A titre d'exemple non limitatif, la largeur des anneaux 117 est inférieure à la moitié du rayon de l'ouverture 30 des anneaux 115. La largeur des anneaux 117 est par exemple comprise dans la plage allant de 1 à 50 pm. Comme cela sera expliqué plus en détail ci-après, les anneaux 117 de nanotubes de carbone sont destinés à permettre à un fluide caloporteur sous forme liquide de se déplacer par 35 capillarité le long des parois latérales de l'ouverture 107. B13101 - 12-GR1C0-0488 9 La figure 1G illustre une étape optionnelle de densification des anneaux 117 de nanotubes de carbone, visant notamment à améliorer la capacité des anneaux 117 à transporter un liquide par capillarité. Lors de cette étape, les anneaux 117 peuvent être imbibés, par exemple par trempage, d'une solution contenant un solvant, par exemple de l'isopropanol. L'évaporation du solvant suite au trempage entraine une densification des anneaux 117. La figure 1H illustre une étape postérieure à la 10 formation des nanotubes de carbone, au cours de laquelle un liquide caloporteur 119, par exemple de l'eau ou tout autre liquide adapté, est disposé dans l'ouverture 107 de façon à remplir partiellement mais pas totalement l'ouverture 107. A titre d'exemple, le substrat 100 est plongé dans un bain 15 contenant le liquide 119, puis retiré. A la sortie du bain, le substrat 100 est orienté de façon que la face ouverte du substrat soit tournée vers le bas, afin que l'ouverture 107 se vide d'une partie du liquide 119 qu'elle contient. Seule une partie du liquide 119 piégée par les nanotubes de carbone 117 20 reste alors confinée dans l'ouverture 117. Un capot 121 est ensuite rapporté sur la face ouverte (face supérieure dans l'orientation de la figure) du substrat 100, de façon à fermer hermétiquement l'ouverture 107. A titre d'exemple non limitatif, le capot 121 peut être une plaque 25 rigide en un polymère, collée sur la face supérieure du substrat, une pâte de bouchage étalée sur la face supérieure du substrat, un film étanche collé sur la face supérieure du substrat, etc. A titre de variante, le capot 121 peut être directement une source de chaleur, par exemple une puce de 30 circuit intégré ou tout autre élément à refroidir, ou une source froide, par exemple un dissipateur thermique. On obtient alors un caloduc 130 dont le fonctionnement est le suivant. Un côté de l'enceinte formée par l'ouverture 107, par exemple la partie supérieure de l'enceinte, est placé 35 au voisinage ou au contact d'une source chaude, et un côté B13101 - 12-GR1C0-0488 10 opposé de l'enceinte, par exemple la partie inférieure de l'enceinte, est placé au voisinage ou au contact d'une source froide. Dans la partie chaude du caloduc, c'est à dire dans sa partie supérieure dans cet exemple, le fluide 119 se vaporise en emmagasinant de la chaleur. La vapeur ainsi formée se diffuse à travers l'enceinte 107, principalement via la zone de l'enceinte libre de nanotubes de carbones, jusqu'à la partie froide du caloduc, c'est à dire sa partie inférieure dans cet exemple. Dans la zone froide du caloduc, le fluide se condense en libérant de la chaleur. Une fois à l'état liquide, le fluide retourne vers la zone chaude par capillarité le long des parois de l'enceinte, du fait de la présence des anneaux 117 de nanotubes de carbone, puis le cycle recommence. Un avantage des modes de réalisation décrits est qu'ils permettent de réaliser un caloduc de façon particulièrement simple, et en particulier de façon compatible avec les techniques et outils usuels de fabrication de circuits intégrés. Un autre avantage est que les caloducs ainsi réalisés peuvent aisément être intégrés dans une puce de circuits intégrés ou dans un empilement de puces de circuits intégrés, par exemple à côté, en dessous ou au-dessus de composants susceptibles de dissiper de la chaleur. A titre d'exemple non limitatif, une pluralité de caloducs du type décrit ci-dessus peut être intégrée dans un même substrat en vue de réaliser un dispositif de refroidissement destiné à être disposé au contact d'une puce de circuit intégré susceptible de dissiper de la chaleur, ou entre deux puces d'un empilement de puces de circuits intégrés. La figure 2 illustre de façon schématique et partielle un exemple d'une puce de circuit intégré 200 comportant un substrat 100, par exemple en silicium. La puce 200 comprend, dans et/ou sur une région 202 du substrat, des composants (non représentés) susceptibles de générer de la chaleur. La puce 200 comprend en outre, intégrés dans le substrat 100 au voisinage de la région active 202, des caloducs 130 du type décrit en B13101 - 12-GR1C0-0488 11 relation avec les figures lA à 1H. Un avantage est que les caloducs 130 peuvent être placés au plus près de la région active 202 du substrat, et ainsi refroidir efficacement les composants générateurs de chaleur. La figure 3 illustre de façon schématique et partielle un exemple d'un système comportant une puce de circuit intégré 300 et, accolé à une face de la puce 300, un dispositif de refroidissement 303 comportant un substrat 100, par exemple en silicium, dans lequel sont formés un grand nombre de caloducs 130 du type décrit en relation avec les figures lA à 1H. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisation décrit ne se 15 limitent pas à l'exemple de procédé décrit ci-dessus permettant de disposer des bandes annulaires disjointes d'un matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone, dans des renfoncements anulaires, le long des parois latérales d'une ouverture formée dans un substrat. Plus généralement, tout autre 20 procédé permettant de parvenir à une structure du type illustré par la figure lE peut être utilisé. En outre, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples susmentionnés dans lesquels l'ouverture 107 a une forme générale cylindrique à section 25 circulaire. D'autres formes d'ouverture peuvent être prévues, par exemple des formes cylindriques à section hexagonale, à section carrée, à section ovale, etc. De plus, dans les exemples décrits ci-dessus, l'ouverture 107 réalisée à l'étape de la figure lB ne traverse 30 pas entièrement le substrat 100. La partie inférieure du substrat 100 ferme alors la partie inférieure du caloduc. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. A titre de variante, l'homme du métier saura adapter le procédé décrit au cas où l'ouverture 107 réalisée à 35 l'étape de la figure lB est traversante. Dans ce cas, on pourra B13101 - 12-GR1C0-0488 12 notamment prévoir une étape supplémentaire de fermeture de la face inférieure de caloduc par un capot. Par ailleurs, il apparaîtra à l'homme du métier que les modes de réalisation décrits peuvent être combinés avec 5 d'autres dispositifs connus de refroidissement ou de transport de chaleur. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un caloduc (130), comportant les étapes suivantes : a) former dans un substrat (100) une ouverture cylindrique (107) munie d'une pluralité de renfoncements 5 annulaires (109) s'étendant radialement autour d'un axe central de l'ouverture (107) ; b) disposer dans les renfoncements (109) des bandes annulaires (115) disjointes en un matériau (113) catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone ; et 10 c) faire croitre des nanotubes de carbone (117) dans l'ouverture (107) à partir desdites bandes annulaires (115). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) comprend une alternance d'étapes de gravure anisotrope et d'étapes de passivation. 15 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les étapes de gravure anisotrope sont effectuées à l'aide d'un plasma au SF6, et les étapes de passivation sont effectuées à l'aide d'un plasma au C4F8. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 3, dans lequel l'étape b) comprend une étape de dépôt, sur les parois de l'ouverture (107), d'une couche continue (113) d'un matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone, et une étape de gravure isotrope focalisée d'une partie de cette couche située à l'extérieur des renfoncements (109). 25 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit matériau catalyseur (113) comprend du fer ou de l'aluminium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant en outre, avant l'étape b), une étape de dépôt, 30 sur les parois de l'ouverture (107), d'une couche intermédiaire (111) en un matériau d'accroche pour ledit matériau catalyseur (113).B13101 - 12-GR1C0-0488 14 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le matériau de la couche intermédiaire (111) est en outre adapté à rendre plus étanches les parois de l'ouverture (107). 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel 5 la couche intermédiaire (111) est en oxyde de silicium. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre, après l'étape c), une étape de densification des nanotubes de carbone (117). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel 10 l'étape de densification comprend une étape de trempage des nanotubes de carbone (117) dans une solution contenant un solvant, suivie d'évaporation du solvant. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant en outre, après l'étape c), une étape de 15 remplissage partiel de l'ouverture (107) par un liquide caloporteur (119), suivie d'une étape de fermeture hermétique de l'ouverture (107). 12. Caloduc (130) comportant : une ouverture cylindrique (107) disposée dans un 20 substrat (100), ladite ouverture étant munie d'une pluralité de renfoncements annulaires (109) s'étendant radialement autour d'un axe central de l'ouverture (107) ; des bandes annulaires (115) disjointes en un matériau catalyseur pour la croissance de nanotubes de carbone, situées 25 dans les renfoncements (109) ; et des nanotubes de carbone (117) s'étendant dans l'ouverture (107) à partir desdites bandes annulaires (115). 13. Caloduc (130) selon la revendication 12, comportant en outre un liquide caloporteur (119) remplissant partiellement 30 l'ouverture (107). 14. Caloduc (130) selon la revendication 12 ou 13, comportant au moins un capot fermant hermétiquement l'ouverture (107).B13101 - 12-GR1C0-0488 15 15. Puce de circuit intégré (200) comprenant au moins un caloduc (130) selon l'une quelconque des revendications 12 à 14.