Au nom du père (Chapitre IX ; Tome I)

De la fraiseuse au RFID 

Avertissement : Vous l’aviez compris, ceci n’est qu’un roman, une fiction, une « pure construction intellectuelle », sortie tout droit de l’imaginaire de son auteur.
Toute ressemblance avec des personnages, des lieux, des actions, des situations ayant existé ou existant par ailleurs dans la voie lactée (et autres galaxies), y compris sur la planète Terre, y est donc purement, totalement et parfaitement fortuite ! 

Historiquement, l’entreprise de l’arrière-arrière-grand-père était une menuiserie-charpenterie de chantier naval. Elle a évolué au fil des générations vers la découpe de tôles et de poutrelles d’acier plat, toujours pour la construction navale. D’où les antiques outils qui s’y trouvent encore stockés en remise.

Puis, ayant loupé le passage au traitement des polymères, elle s’est spécialisée dans le fraisage des hélices, des pièces mobiles d’artillerie et autres grosses pièces de la « Home fleet » depuis le début de la dernière guerre.

Pour s’orienter ensuite dans le découpage « fin » de matrice de serrurerie et autres pièces automobiles ou mécaniques, mais sans jamais en faire le montage.

Plus tard, on lui a confié un premier contrat de découpage de bloc de silicium dont l’industrie électronique est friande auxquels d’autres ont succédé.

Désormais, elle cuit elle-même ses silicates, les découpe et les « grave » pour sortir des « puces » électroniques. Et une part de cette production est destinée à recevoir des antennes souples pour faire offices de RFID.

« Le » marché émergeant du début du millénaire nouveau d’après Lady Catherin qui interrompt l’ingénieur responsable de production. 

 

« La RFID (de l’anglais Radio Frequency IDentification) est le produit du siècle. Il s’agit seulement d’une méthode pour mémoriser et récupérer des données à distance en utilisant des marqueurs appelés « radio-étiquettes » (« RFID tag » ou « RFID transponder » en anglais). »

Les radio-étiquettes sont de tout petits objets, tels que des étiquettes auto-adhésives, qui peuvent être collées ou incorporées dans des objets ou produits et même implantées dans des organismes vivants (animaux, corps humain).

Elles comprennent une antenne associée à une puce électronique qui leur permet de recevoir et de répondre aux requêtes radio émises depuis un émetteur-récepteur placé à proximité dans son cheminement.

« C’est tellement léger, discret, fin et peu cher, qu’on peut en mettre partout, jusque dans tes papiers d’identité, les passeports biométriques, et même, pourquoi pas, dans tes billets de banques, tes chèques, ton slip, tes pompes. »

Et d’en montrer des pas plus gros qu’un grain de riz.

« Et demain, avec les nanotechnologies, ça n’aura même pas l’épaisseur d’un cheveu ! »

On en trouvera dans chaque produit, même mono-usage, ou à usage répétitif, les cartes de paiement, de santé incluant demain tout le dossier médical d’un patient, ses arythmies cardiaques ou menstruels, les cartes de fidélités, les paquets de cigarettes, les bouteilles de whisky, le contrôleur de gestion des appareils ménagers, les compteurs électriques d’eau ou de gaz, les poubelles à tri sélectif, etc. etc. 

 

Ces puces électroniques contiennent un identifiant et forcément, si ce n’est aujourd’hui, ce sera demain, des données complémentaires.

Car demain, cette technologie d’identification va remplacer les codes à barres. « On suivra non seulement chaque produit sorti d’une usine quelconque, même située à l’autre bout de la planète, mais même sa température tout au long de la chaîne logistique et jusque dans ton frigidaire qui pourra même lire les dates de péremption et les afficher. »

Faut savoir qu’un système de radio-identification se compose de marqueurs, nommés radio-étiquettes ou transpondeurs (de l'anglais transponder, contraction des mots transmitter et responder) et d’un ou plusieurs lecteurs. Un marqueur est composé d’une puce et d’une antenne. Ce sont soit des dispositifs passifs, ne nécessitant aucune source d’énergie en dehors de celle fournie par les lecteurs au moment de leur interrogation.

« Auparavant, la lecture des puces passives était limitée à une distance d’environ 10 mètres, mais maintenant, grâce à la technologie utilisée dans les systèmes de communications avec l’espace lointain, cette distance peut s’étendre jusqu’à 200 mètres. »

Outre de l’énergie électromagnétique pour l’étiquette, le lecteur envoie un signal d’interrogation particulier auquel répond l’étiquette.

« L’une des réponses les plus simples possibles est le renvoi d’une identification numérique, par exemple celle du standard EPC-96 qui utilise 96 bits. Une table ou une base de données peut alors être consultée pour assurer un contrôle d’accès, un comptage ou un suivi donné sur une ligne de montage, ainsi que toute statistique souhaitable. »

Le marqueur est extrêmement discret par sa finesse (parfois celle d’un morceau de rhodoïd), sa taille réduite (quelques millimètres), et sa masse négligeable.

« Son coût étant devenu minime, on peut envisager de le rendre jetable, bien que la réutilisation soit nettement plus « écologiquement correcte ». Il se compose uniquement d’une antenne, d’une puce de silicium et d’un substrat et/ou d’une encapsulation. » 

 

Soit ce sont des marqueurs « actifs » et « semi-actifs » (aussi appelés BAP, Battery-Assisted Passive tags, « marqueurs passifs assistés par batterie ») qui incluent… une batterie. « Ma sœur, Lady Margaret travaille actuellement sur des condensateurs dopés aux nanostructures. Elle a pu ainsi diviser par 6 les temps de charge et multiplier les temps de décharge d’autant. Aujourd’hui, on essaye de faire la même chose avec du graphème, mais en attendant d’améliorer le processus de fabrication, on travaille avec des micro-batteries au lithium… », fait-elle un brin malicieuse…

Et cette batterie leur permet d’émettre un signal ou d’enregistrer des données au fil du temps.

« De ce fait, ils peuvent être lus depuis de longues distances, contrairement aux marqueurs passifs », précise l’ingénieur qui accompagne le petit groupe.  

« Quant aux étiquettes semi-actives, elles n’utilisent pas leur batterie pour émettre des signaux. Elles agissent comme des étiquettes passives au niveau communication. Mais leur batterie leur permet d’enregistrer des données lors du transport, entre deux lectures ».

Ces étiquettes sont déjà utilisées dans les envois de produits sous température dirigée et enregistrent la température de la marchandise à intervalle régulier.

Les dispositifs semi-actifs ou actifs comportent un émetteur de radiofréquences qui va activer les marqueurs qui passent devant eux en leur fournissant à courte distance l’énergie dont ceux-ci ont besoin, et les matériels avec batterie, grâce aux « nanotechnologies » fournissent déjà des solutions rechargeables à distance (par électromagnétisme) à l’approche d’une antenne de lecture. 

Le seul moyen de les rendre inactives, c’est encore d’enfermer l’ensemble dans une boîte métallique et de jeter le tout au fond de la mer : la distance de communication possible est diminuée, par effet de cage de Faraday, qui réalise un blindage électromagnétique.

« Ou de les ébouillanter, comme des œufs durs ! » en ricane Paul. 

 

On « trace » ainsi et sans problème les fûts de bière, les livres dans les librairies et les bibliothèques ou la localisation des bagages dans les aéroports, les contrôle d'accès, les « clés électroniques » d'accès des immeubles sont des marqueurs permettant la protection « sans serrure » de bâtiments ou portières automobiles (et jusqu’à l’antivol, même en moyen de gamme). Les badges mains-libres, permettent une utilisation jusqu’à 150 cm (selon le type d’antenne utilisée).

Ils peuvent contenir une identité numérique ou un certificat électronique ou y réagir et permette l'accès à un objet communicant ou son activation. La radiofréquence de la plupart des badges d'accès ne permet qu'une utilisation à quelques centimètres, mais ils ont l’avantage de permettre une lecture-écriture dans la puce, pour mémoriser des informations. Les palettes et conteneurs peuvent être suivis dans des entrepôts ou sur les docks via des marqueurs UHF.

« Leur lecture n'est théoriquement pas possible à travers l’eau (et donc le corps humain). Cependant lors des RFID Journal Awards 2008, l'entreprise Omni-ID a déjà présenté une étiquette RFID lisible à travers l’eau et à proximité de métal, avec un taux de fiabilité de 99,9 %. »

Des marqueurs micro-ondes (2,45 GHz) permettent déjà le contrôle d'accès à longue distance de véhicules, comme par exemple sur de grandes zones industrielles. On trace déjà les aliments, dans la chaîne du froid, qui peuvent théoriquement être suivis par une puce enregistrant les variations de température. Elles sont également utilisées à Bruxelles (Belgique) comme titre de transport sur le réseau de STIB, à Paris même les arbres, les animaux d'élevage ou des animaux de compagnie comme les chats et les chiens, ce qui est même devenu obligatoire en Suisse, des animaux sauvages (cigognes, manchots).

Des relevés scientifiques peuvent être faits aussi par ces « marqueurs » pour la collecte des données issues des relevés scientifiques produits dans un organisme ou par des stations de mesure isolées et autonomes.

« Chez l'Homme, les « radio-marqueurs sous-cutanées », originellement conçus pour la traçabilité des animaux, peuvent sans aucune contrainte technique être utilisés. La ville de Mexico a implanté cent soixante-dix radio-marqueurs sous la peau de ses officiers de police pour contrôler l’accès aux bases de données mais aussi, dit-on, pour mieux les localiser en cas de kidnapping… »

Et l’autre de poursuivre : « Une analyse académique effectuée chez Wal-Mart a démontré que la radio-identification peut réduire les ruptures d’inventaire de 30 % pour les produits ayant un taux de rotation entre 0,1 et 15 unités/jour. On s’en sert déjà comme d’une saisie automatique d’une liste de produits achetés ou sortis du stock qui permet dès aujourd’hui le paiement automatique » !

Demain, ces étiquettes « intelligentes » remplaceront donc les codes-barres de la norme UPC/EAN. Les radio-identifiants sont en effet assez longs et dénombrables pour envisager de donner à chaque objet un numéro unique.

« En 2005, IBM dénombrait 4 millions de transactions RFID chaque jour. En 2010, on compte plus 30 milliards le nombre d'étiquettes RFID produites dans le monde soit plus d’1 milliard de transistors par être humain ! Nous en produisons une toute partie ici même, pour quelques clients britanniques et d’autres dans tout le Commonwealth ».

Miss sort le grand jeu pour vendre sa soupe à l’une de ses actionnaires, plus que de décrire le processus de fabrication des puces globalement, par photo-lithogravure, à Paul. 

 

Les étapes du procédé de photolithographie, commencent par l'application d'une photo-résine sous forme d'un film fin sur la surface d'un substrat (ex : silicium ou oxyde de silicium). Elle est ensuite exposée à une radiation lumineuse. Lors de cette étape l'utilisation d'un masque, formé de zones opaques et transparentes, permet de définir le motif que l'on souhaite reproduire sur la plaquette.

Les principaux matériaux utilisés pour la fabrication de composants micro-électroniques sont choisis pour leurs propriétés intrinsèques. En premier lieu vient le silicium, matériau semi-conducteur par excellence (le plus abondant, le moins cher à fabriquer et disposant des très bonnes propriétés de semi-conducteur).

Il est aussi possible de trouver des matériaux semi-conducteurs composites, tels l'arséniure de gallium (GaAs), le nitrure de bore (BN), le phosphure d'indium (InP), etc., ayant d'autres propriétés intéressantes.

On trouve aussi certains métaux tels que l'aluminium ou le cuivre, choisis pour leurs propriétés conductrices notamment, qui peuvent jouer le rôle de connexion interne, ou encore des isolants tels que le dioxyde de silicium (SiO₂) et certains matériaux organiques. On peut encore ajouter à cette liste bon nombre de matériaux qui se prêteront, par exemple, à la réalisation de résistances ou de capacités.

Chacun de ces matériaux doit être mis en œuvre selon des techniques adaptées, afin d'en obtenir les propriétés recherchées. Ainsi les métaux sont généralement déposés par des procédés de pulvérisation en phase vapeur, les oxydes de silicium seront créés par oxydation du silicium qui constitue les « wafers », etc.

Des caractéristiques de planéité, d'état de surface et de conductivité bien précises sont recherchées à tous les stades de la fabrication.

Chaque ajout, ou retrait, de matière sur une plaquette nécessite d'être fait selon un certain schéma, définit lors de la conception de la puce, de telle sorte que chacune des caractéristiques pour lesquelles un matériau est recherché puisse jouer pleinement son rôle au sein du composant une fois celui-ci terminé et mis en boîtier. 

 

L'exposition à la lumière crée des réactions au sein de la résine et engendre des modifications chimiques, les zones irradiées vont voir leur solubilité évoluer suivant le type de résine - positive ou négative.

Les solvants spécifiques contenus dans le développeur vont permettre d'éliminer certaines parties du film de résine, qui couvre encore toute la surface de la plaquette, et de mettre à nu le substrat.

Dans le cas où la région exposée devient plus soluble, une image positive du masque est formée sur la résine, d'où le terme résine positive. À l'inverse lors de l'utilisation d'une résine négative l'image formée l'est en négatif (les zones exposées résistent au développement).

L'étape suivante, généralement la gravure, va éliminer la couche du substrat (ex : SiO₂) dans toutes les régions non recouvertes de résine, les motifs du masque seront alors reproduits sur la couche inférieure. Les photo-résines doivent donc assurer essentiellement ces deux rôles.

Dans un premier temps il s’agit d’offrir une bonne réponse à l'exposition radiative, afin d'assurer la reproduction fidèle et précise de l'image du masque.

Et dans un second temps de protéger efficacement le substrat durant la gravure, ce qui implique une certaine résistance aux agents utilisés (acides, plasmas...). 

 

« Les propriétés de base des résines photosensibles peuvent être classées selon trois catégories : Les propriétés optiques, qui comprennent la résolution et l'indice de réfraction ; les propriétés chimiques et mécaniques, qui incluent la photosensibilité, la viscosité, l'adhésion, la résistance à la gravure, la stabilité thermique, la sensibilité aux gaz ambiants (ex : oxygène, vapeur d'eau...) ; les aspects technologiques et la sécurité, qui comprennent la pureté, les métaux contenus, les latitudes de process, la durée de vie... »

Les résines photosensibles sont composées pour l'essentiel de trois matériaux : une matrice, un composé photosensible et un solvant. Les propriétés de la résine sont altérées par des transformations photochimiques du matériau photo-actif, la principale conséquence étant la modification de sa solubilité.

La matrice est une résine polymère, souvent désignée par le terme générique « novolak », qui est un Crésol/Formaldéhyde.

C'est elle qui procure au film, une fois polymérisée, ses propriétés mécaniques et physiques. La vitesse de dissolution d'un film uniquement composé de « novolak » (sans agent photo-actif) dans un développeur aqueux est de l'ordre de 150Å.s − 1.

Les résines « novolak » possèdent de bonnes propriétés de stabilité thermique, de résistance aux agents de gravure, et permettent d'atteindre de hautes résolutions de motifs. Elles offrent aussi une bonne transparence et sont solubles dans des développeurs aqueux.

Le composé photo-actif dans les résines positives est du « diazonaphtoquinone » (DNQ). Il n'est pas ou peu soluble dans le développeur.

Le solvant, quant à lui, détermine la viscosité de la résine. Il constitue environ 70 % de la résine et comporte généralement plusieurs composants.

« Actuellement ce sont principalement des PGMEA (Propylène Glycol Monomethyl Éther Acétate) et des Éthyle Lactate (EEP, Éthyle 3-Ethoxy Propionate).

Les résines photosensibles positives sont couramment désignées par le terme « novolak-diazonaphtoquinone », ou « DNQ-Novolak. » » 

 

Le principe de la photolithographie repose sur la capacité des résines à voir leur solubilité évoluer en fonction de la quantité de radiation lumineuse absorbée. Le mécanisme mis en jeu pour les résines positives « DNQ-Novolak » peut se décomposer en deux principales composantes : « Dans les résines non exposées, le PAC interagit avec la résine « novolak » lors de la polymérisation pour inhiber la solubilité de la résine dans les développeurs alcalins par formation de liaisons hydrogène avec la matrice. La dissolution du film dans le développeur passe à environ de 10 à 20Å.s − 1.

Pour les résines exposées, la partie active (photosensible) du « DNQ » va réagir et se transformer sous l'action de la lumière, phénomène de photolyse classique, et en présence d'eau. Il s'en suit un réarrangement moléculaire avec la matrice qui libère les liaisons hydrogène ainsi qu'une production d'acide carboxylique. La présence d'acide carboxylique, qui est une molécule polaire, a pour conséquence d'augmenter considérablement la solubilité, la vitesse de dissolution des parties exposées du film exposées avoisine alors 1.000 à 2.000Å.s − 1. »

Le mécanisme de formation des images dans de la résine positive est donc basé sur la différence de solubilité des zones exposées, ou non, à un rayonnent lumineux, avec des vitesses de dissolution du film variant d'un facteur 100 (de 10 à 1.000Å.s − 1).

« De la photo évoluée » conclut Lady Joan la béotienne béate et jusque-là silencieuse, se remettant petit-à-petit de sa dose « d’alcooloïdes alambiqués » ingérée peu avant et à jeun !  

 

L'adhésion des résines sur les substrats Si, SiO₂ et Al est globalement faible, ce qui est susceptible de causer de sérieux problèmes lors des étapes de gravure où les procédés utilisés sont très agressifs pour la résine.

« Les solutions mises en œuvre sont d'une part la déshydratation de la surface des substrats, et d'autre part l'apport d'un composé favorisant l'adhésion résine/substrat. »

La pureté de la résine est un facteur influant sur les caractéristiques finales du motif lithographié. Afin d'assurer une quantité minimale de polluants dans la solution, on a recours à des règles strictes de filtration et de stockage.

« Les méthodes de filtration, sous pression d'azote, permettent d'éliminer les particules de dimension supérieure à 0,1 μm. Les métaux, notamment le sodium et le potassium, sont indésirables car susceptibles de contaminer le matériau semi-conducteur par diffusion. La quantité résiduelle de Sodium (Na) et de potassium (K) dans les résines ne doit pas dépasser 0,5 ppm. »

La quantité de solide contenu dans la résine détermine aussi sa viscosité. Elle est, en quelque sorte, fonction du temps car dans le cas des résines positives, le « PAC » se décompose lentement pour finir par former des précipités (après un stockage prolongé par exemple).

Elle dépend pour l'essentiel de la température et de la proportion de solide présent. C'est la viscosité qui va déterminer l'épaisseur du film déposé par enduction centrifuge, en fonction la vitesse de rotation.

« La résistance à la gravure définit la capacité de la résine à subir le procédé de gravure des plaquettes durant le transfert de motif. Les résines doivent développer une bonne résistance à la gravure pour remplir pleinement leur rôle. Si cette résistance est généralement bonne dans le cas des gravures humides, il n'en est pas de même pour les gravures sèches, beaucoup plus agressives. La difficulté rencontrée est due au fait que la sensibilité aux radiations de la résine s'en trouve amoindrie. »

La résistance peut être améliorée par une augmentation de la quantité de liaisons entre les chaînes moléculaires du matériau.

L'insolation, l’étape suivante, consiste en l'exposition de certaines zones de la résine, par le biais d'un système de masquage, à un rayonnement ultraviolet. Il se créé alors, par réaction photochimique, une image latente dans l'épaisseur de la résine photosensible. Le degré d'exposition dépend essentiellement de l'intensité de la source et du temps d'exposition et est mesuré par l'intermédiaire d'une énergie surfacique. Il conditionne le degré d'avancement de la réaction photochimique qui dépend de la sensibilité de la résine.

« L'exposition de la résine est une étape critique du procédé de photo-lithogravure pour plusieurs raisons : on procède plaquette par plaquette, par conséquent la durée d'exposition influe directement sur le temps de cycle. La durée d'exposition est un paramètre offrant relativement peu de marges car une résine sous-exposée entraîne une dégradation sensible de la résolution des motifs. Le temps consacré à l'alignement des plaquettes n'est pas négligeable et est difficilement réductible. L'amélioration des durées de process à ce niveau passe donc obligatoirement par une optimisation des réactions photochimiques. »

Les motifs obtenus deviendront par la suite les différentes zones actives des composants électroniques (exemple : contact, drain...) ou les jonctions entre ces composants. 

 

« Naturellement, nous testons ensuite nos puces après leur découpage. Les déchets sont de l’ordre de + ou - 10 % de rebuts, dû pour l’essentiel à des irrégularités de réfaction lumineuses au moment de la gravure. Il suffit de très, très peu de chose, malgré une atmosphère hyper-contrôlée. » Ce qu’ils peuvent voir à travers les hublots où sont enfermées les robots manipulateurs et les chaînes de traitement de ces puces…

Procédés très intéressants, qui subjuguent véritablement Miss Joan, mais qui ne présentent aucun intérêt pour les projets de Paul en matière de traitement de ses céramiques réfractaires ou d’une protection des très hautes températures par voie de répulsion électromagnétique dense sur les « pré-plasmas » pouvant se former sur les parties chaudes de ses engins.

Et pourtant, et pourtant, se dit-il. 

 

Au déjeuner sont servis de la « panse de brebis farcie ». Ce n’est pas tant l’idée de manger de l’estomac cuit et recuit qui peut révulser. C’est la composition de la farce, avec ses traces vertes, jaunes, ocres qui est un peu repoussante.

Mais le fumet est délicieux et l’amertume de la bière noire comme du charbon fait passer l’ensemble.

Un peu avant le crépuscule et une bonne heure de caboteur plus tard, ils arrivent enfin en face de l’île Shiant, qui a donné son nom à la famille, ou l’inverse. Paul n’a pas posé la question.