INDUSTRIE AERONAUTIQUE ET SPATIALE FRANCAISE

Transcription

1 INDUSTRIE AERONAUTIQUE ET SPATIALE FRANCAISE COMITE TECHNIQUE Réf. GIFAS/5064/2006 Avril 2006 GROUPEMENT DES INDUSTRIES FRANCAISES AERONAUTIQUES ET SPATIALES 8 rue Galilée PARIS Tél /71 - Télécopie

2 SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE RAPPEL DES OBJECTIFS...1 PREMIERE PARTIE : Les nanomatériaux Introduction Définitions : Domaine concerné Intérêt : Impact sur les propriétés Les technologies concernées et les grandes familles d applications Problématique scientifique, technique et manufacturière Problématique sociétale Problématique industrielle Soutien public Conclusions et propositions...17 Tableau 1 : Intérêt des applications par domaines Tableau 2 : Nanomatériaux et nanocomposites : estimation des niveaux de développement Tableau 3.1 : Thèmes revêtements sélectionnés Tableau 3.2 : Applications matériaux sélectionnés Annexe 1 : Exemple de processus et de roadmap "revêtements tribologiques" Annexe 2 : Rapport DGE (Le Marois-dec 2005) L industrie des nanomateriaux en France : diagnostic et actions envisagées...26 DEUXIEME PARTIE : Nanoélectronique et Microsystèmes INTRODUCTION A- NANOELECTRONIQUE Types de technologies Catégories d applications actuelles et potentielles Problématiques relatives à ces technologies Points majeurs d anticipation Attentes vis-à-vis des pouvoirs publics Bibliographie Fiche descriptive de technologie de rupture potentielle...49 B- LES MEMS (MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS) Maîtrise des MEMS dans les systèmes La recherche sur les MEMS La conception des MEMS Technologies MEMS Fabrication des MEMS pour l aéronautique, l espace et la défense Stratégies de fabrication des MEMS Fiabilité long terme Les messages...57

3 INTRODUCTION GÉNÉRALE RAPPEL DES OBJECTIFS Les micro et nano technologies sont de plus en plus présentes dans la conception de nos produits industriels et leur poids ira croissant dans les années à venir. C est vrai par exemple dans les domaines (généraux) de l électronique, de l optronique, de la mécatronique, et probablement dans bien d autres domaines concernant nos activités. Certains industriels du GIFAS conçoivent directement plusieurs de ces technologies, pour des applications aéronautiques et spatiales, civiles ou militaires. D autres les acquièrent pour les mêmes familles d applications et font ainsi appel à des fournisseurs français, européens, américains ou asiatiques. Dans tous les cas ils doivent être capables de maîtriser l évolution de ces technologies, ne serait ce que pour être capable de spécifier. Le poids sans cesse grandissant de ces micro et nano technologies dans la conception de nos systèmes complexes et des divers sous ensembles qui les constituent, la nécessité absolue de les utiliser au risque sinon de ne plus être compétitifs en termes de performances opérationnelles, de sécurité, de coût, leur évolution particulièrement rapide, conduira nos industries à affronter plusieurs problématiques comme: la dépendance par rapport à d autres industriels et nations, les pertes de compétence - compte tenu de l évolution rapide combinée au trop faible niveau de recherche consacré - l obsolescence, les ruptures, etc. Il est absolument nécessaire d anticiper ces problématiques et de trouver les solutions qui permettront de les résoudre. Le Comité Technique du GIFAS a engagé une réflexion au sein d un groupe de travail «Impact des micro-nanotechnologies sur nos produits à moyen et long terme» afin d anticiper ces problématiques et de proposer des recommandations. La mission du groupe de travail comprend les axes suivants : Préciser les types de technologies qui peuvent être englobées sous les appellations génériques de «micro» et «nano» technologies. Indiquer pour le secteur aéronautique et spatial, les types d applications actuelles, puis potentielles à moyen terme (3 à 5ans environ) et long terme (10 ans ou plus), de ces technologies pour nos produits. Analyser les problématiques relatives à ces technologies, telles celles évoquées cidessus ou d autres, auxquelles nos industries sont confrontées actuellement, ou plus tard à moyen et long terme, aux plans techniques et industriels. Indiquer les points majeurs, voire critiques, pour lesquels il sera nécessaire d anticiper, soit au niveau de nos industries ou bien à l échelon national et peut-être européen. Préciser les attentes de l industrie vis à vis des pouvoirs publics et formuler, à leur attention mais aussi à celle des agences nationales et si nécessaire des structures européennes, des recommandations et des propositions concrètes (chiffrées si nécessaire) pour permettre les anticipations évoquées précédemment et la mise en œuvre de solutions curatives ou préventives. Le rapport ci-après rend compte des réflexions menées, dans le cadre de trois sous-groupe qui ont traité respectivement de: nanomatériaux, nanoélectronique et MEMS, dont les enjeux et les échéances en termes de produits sont très différents. 1 GIFAS/5064/2006

4 Première partie Les Nanomatériaux Rédacteurs : Benoit BERTON Didier LANG Valérie LUCAS Gilles LE PAGE Jean Christophe ANTONI Georges DESARMOT Alain LASALMONIE (Rapporteur) Christian PERUT DASSAULT Aviation EADS CCR EADS CCR MBDA MBDA ONERA SNECMA SNPE 2 GIFAS/5064/2006

5 1 INTRODUCTION L objectif de ce document de synthèse est d identifier les enjeux et les difficultés liés à l introduction de matériaux nanostructurés dans les équipements à destination de l aéronautique et de proposer quelques axes d étude. 2 DEFINITIONS : DOMAINE CONCERNE L étude recouvre tous les matériaux pour lesquels l échelle pertinente qui détermine les propriétés recherchées est inférieure à 100nm. Cette échelle peut correspondre : à un paramètre micro structural (taille de grains- taille d une des phases ) à un paramètre morphologique (épaisseur d un revêtement- taille de poudre ) La nanostructuration peut prendre différentes formes : Taille de grain nanométrique en volume Précipitation ou dispersion d une seconde phase de taille nanométrique Empilement de couches nanométriques Motifs de surface de taille nanométrique Les matériaux amorphes (parfois appelés verres métalliques) constituent le stade ultime de la nanostructuration. Ils peuvent constituer des précurseurs de matériaux nanocristallins (par cristallisation contrôlée du verre amorphe). Ils correspondent toutefois à des compositions très particulières d eutectiques profonds (température de fusion fortement abaissée par rapport aux éléments constituants). Les principaux avantages associés à une nanostructuration ont été détaillés dans le rapport préliminaire de juin 2005 qui décrit également quelles technologies sont concernées. 3 INTERET : IMPACT SUR LES PROPRIETES Les propriétés modifiables par nanostructuration sont les suivantes: 3.1 LES PROPRIETES MECANIQUES : Possibilité de réaliser des matériaux ultra durs par affinement de la taille de grains. En revanche, les très hautes limites élastiques obtenues pour les faibles tailles de grains ont tendance à diminuer la ductilité. Il semble même qu en dessous d une taille de grains de 10nm, la plupart des matériaux usuels deviennent fragiles. Il est également rapporté des baisses de module élastique en raison de la très forte perturbation du réseau cristallin dans les métaux de taille de grain nanométrique (les joints de grains occupent alors un volume total non négligeable). Cet effet n est toutefois détectable qu en dessous de 40nm environ Possibilité d améliorer la ténacité de céramiques ou de les rendre plus facilement déformables à haute température 3 GIFAS/5064/2006

6 3.1.3 Superplasticité On s attend à ce que les propriétés superplastiques soient favorisées pour les faibles tailles de grains. Cela peut se traduire : par un abaissement de la température minimum de superplasticité par une augmentation de la vitesse de déformation compatible avec le comportement superplastique La capacité à mettre en forme certains matériaux (i.e ; céramiques) est donc améliorée. 3.2 LES PROPRIETES DE TRANSPORT (THERMIQUE-ELECTRIQUE, OPTIQUE ) : Elles sont affectées par la taille de grains ou par la dispersion de particules nanométriques (nanotubes de carbone, ) 3.3 LES PROPRIETES DE SURFACE : Cela peut concerner : L interaction avec l environnement chimique (la tenue en corrosion et oxydation, propriétés catalytiques, surfaces antibactériennes) Les propriétés physico chimiques de la surface (surfaces autonettoyantes ) Les propriétés optiques, électromagnétiques Les propriétés fonctionnelles : tenue au feu de polymères, matériaux adaptatifs. Possibilité d améliorer les propriétés fonctionnelles des matériaux énergétiques par l utilisation de nanoparticules d aluminium Il faut toutefois remarquer que les résultats expérimentaux sont contradictoires, en particulier au niveau des propriétés mécaniques. Cela résulte apparemment de la mauvaise prise en compte des défauts d élaboration (porosités pollutions, fissures) et met en évidence l importance de l élaboration dans la maîtrise des propriétés, importance encore plus grande que dans les matériaux classiques. 4 LES TECHNOLOGIES CONCERNEES ET LES GRANDES FAMILLES D APPLICATIONS 4.1 APPLICATIONS DES NANOTUBES DE CARBONE (CNT) ET DES NANOPARTICULES : Les CNT méritent une mention à part, car ils apparaissent dans de nombreuses études sur les nanotechnologies. Dans le domaine des matériaux leurs applications sont pour l heure limitées mais potentiellement nombreuses. Elles portent essentiellement sur : La fabrication de fibres longues à haut module ou fort allongement à rupture constituées de CNT L augmentation de la conductivité électrique ou thermique de matériaux normalement isolants (Polymères, céramiques) par dispersion d une faible quantité de CNT Des modifications de la surface de matériaux ou de fibres par croissance in situ de CNT. 4 GIFAS/5064/2006

7 Des modifications des propriétés d usage de matériaux conventionnels ou de matériaux composites à fibres longues par incorporation de CNT. La réalisation de matériaux (ou de biomatériaux) comportant des nanotubes fonctionnalisés (capteurs de gaz, support catalytiques, détoxication d effluents etc...) Fig. 1 : «moquette» de nanotubes obtenue par croissance sur une surface Ces applications ne nécessitent pas toujours des CNT mono parois de très haute qualité, par contre les quantités mises en jeu sont importantes dès les stades de l expérimentation. Le carbone mais également des composés minéraux tels que WS2, MoS2, TiS2 peuvent former des structures de type fullerènes ayant une forme presque sphérique. Leur forme leur confère de bonnes propriétés lubrifiantes. Ces fullerènes peuvent être utilisés comme lubrifiants solides, par exemple dans des applications spatiales. Un laboratoire Israélien (Isracast) rapporte que l inclusion de ces particules à structure fullerène dans un matériau élastique, lui confère une résistance à l impact exceptionnelle adaptée aux applications défense. C 58 Si 2 Fig. 2 : fullerène de C 58 Si 2 illustrant la forme caractéristique de ce type de molécule 4.2 LES REVETEMENTS : Les revêtements nanostructurés antiusure Ils constituent un débouché à court terme pour des applications mécaniques telles que : Les pignons et engrenages les outillages les outils de coupe La protection des surfaces frottantes. 5 GIFAS/5064/2006

8 On trouve d assez nombreux résultats sur les revêtements qui montrent bien l augmentation de leur dureté conformément à la loi de Hall-Petch. Il reste beaucoup de travail à faire pour évaluer le potentiel des revêtements projetés à base de poudres nanométriques ou nanostructurées tant au niveau de leurs propriétés que de leur adhérence sur les substrats Les revêtements à propriétés optiques On peut trouver, par exemple, de nombreuses publications sur des revêtements pour pare brises : Revêtements antibrouillard évitant la condensation des fines gouttelettes grâce à des propriétés très hydrophiles : par exemple de telles propriétés sont rapportées pour des revêtements composites constitués de couches alternées de nanopoudres de silice et de couches polymères Revêtements très hydrophobes autonettoyants Fig. 3 : Revêtement tribologique constitué d un empilement de couches nanométriques (CEA/LITEN) Les peintures anticorrosion et/ou à forte résistance à l érosion et aux rayures. Des applications automobiles émergent Les peintures ou revêtements chargés de nanoparticules magnétiques Application à la discrétion radar ou infrarouge Les revêtements barrières thermique Quelques résultats expérimentaux indiquent qu il est possible d augmenter leur capacité isolante en réduisant la taille de grains ou en nanostructurant en couches Les matériaux pour étanchéité Cela concerne, en particulier, les revêtements abradables haute température (T 1000 C) Les revêtements normalement isolants, rendus conducteurs électriquement ou thermiquement par une dispersion dont la fraction volumique dépasse le seuil de percolation. (protection contre la foudre-élimination de l électricité statique) La nanostructuration permet de concevoir des revêtements adaptatifs à gradients de propriétés. On peut citer dans cet esprit, les revêtements «caméléon», dont la structure et composition de surface changent en fonction des sollicitations extérieures (revêtements céramiques chargés de particules autolubrifiantes solides, ayant des comportements tribologiques différents sous atmosphère sèche ou humide ). 6 GIFAS/5064/2006

9 4.2.8 La fonctionnalisation des surfaces rentre dans le cadre de notre étude, si elle est réalisée par nanostructuration physique ou chimique de la surface. Dans tous les cas de revêtements trois voies de fabrication seront possibles en général : empilement de couches nanométriques nanostructuration en volume Fonctionnalisation de surface par autoassemblage de molécules 500 nm Fig. 4 : Surface à nanoreliefs inspirée de la feuille de nénuphar. A droite on voit que l eau ne mouille pas ce type de surface, ce qui explique ses propriétés autonettoyantes 4.3 LES COMPOSITES ET LEURS COMPOSANTS Les composites à matrice organique (CMO) et les matrices polymères Les grands axes de progrès sont : l amélioration des propriétés mécaniques par insertion de nanoparticules ou nanotubes de Carbone dans la matrice. Les résultats sont parfois inférieurs à ceux obtenus sur la matrice seule, cela apparaît être lié à la qualité de la dispersion des nanoparticules. Ce qui traduit bien la difficulté de la maîtrise du procédé. La réalisation de fibres longues à partir de nanotubes. Là aussi, la difficulté est au niveau du procédé ; d autre part, même s il n est pas établi qu une fibre constitué de nanotubes sera significativement meilleure qu une fibre classique haut module, les premiers résultats permettent d espérer obtenir un module comparable à celui des fibres actuelles et un allongement à rupture élevé (quelques %), ce qui n était pas envisageable antérieurement: 7 GIFAS/5064/2006

10 Fabrication 50 µm Fig. 5 : Préparation de fibres longues à partir de nanotubes (Procédé CRPP) La modification des interfaces fibre-matrice ou des propriétés transverses des composites par croissance de nanotubes sur les fibres, ce qui fournit une capacité supplémentaire pour maîtriser les propriétés de cette interface (transfert de charge, déviation de fissures ) Fig. 6 : Dépôt de nanotubes de carbone à la surface d une fibre (photo ECP/EADS) L amélioration de la tenue au feu par dispersion de nanoplaquettes d argile du type montmorillonite : des résultats expérimentaux très spectaculaires ont été obtenus dans ce domaine. 8 GIFAS/5064/2006

11 L augmentation des conductivités électrique ou thermique Montmorillonite (bentonite) Les propriétés ablatives de certaines résines peuvent être améliorées grâce à l incorporation de CNT Fig. 7 : à gauche : structure en feuillets de la montmorillonite à droite : dispersion des feuillets dans un polymère (EADS) Les composites à matrice céramique (CMC): Les axes de progrès sont : La modification des propriétés mécaniques, électriques ou thermiques de la matrice. Par exemple une dispersion de nanoparticules conductrices (CNT par exemple) peut être efficace pour accroître la conductivité thermique de matériaux isolants. Le renforcement mécanique par des nanoparticules risque d être faible comparé au renforcement par les fibres La modification des propriétés de surface par inclusion de particules, CNTs ou empilement de nanocouches L optimisation des interphases fibres-matrice par nanostructuration de celles-ci Il est clair que les études concernant la matrice sont directement applicables aux céramiques monolithiques Les matériaux bio mimétiques A partir de l étude des structures biologiques, de très nombreuses équipes s intéressent à des systèmes qui s en inspirent. Par exemple, la nacre des coquillages, qui est constituée d empilements de plaquettes de CaCO 3 liées par de fines couches de bio polymères, est très tenace et flexible, (taux volumique de matrice : 5%), alors que CaCO 3 ne l est pas. La réalisation d une telle structure, en remplaçant le carbonate de calcium par un matériau plus résistant pourrait conduire à des matériaux très résistants, tenaces et légers. Les structures du type ailes de papillon sont aussi analysées en raison de leurs propriétés optiques : la couleur vient uniquement d une diffraction sélective des différentes longueurs d ondes et non de l existence de pigments. Le bio mimétisme est extrêmement riche pour le développement de nouveaux matériaux. Cela exige une analyse détaillée des structures biologiques. 9 GIFAS/5064/2006

12 nacre Structure en feuillets de la nacre Structure de l aile de papillon Fig Les composites auto cicatrisants (CMO et CMC) : Plusieurs voies sont actuellement connues pour développer des matériaux ayant une capacité à auto cicatriser un endommagement : Dans le cas de CMO, les premiers stades de l endommagement mécanique se manifestent souvent par la formation de microfissures dans la matrice. L inclusion de micro ou nanocapsules contenant par exemple le polymère et son durcisseur permettrait de les colmater et de conserver une certaine intégrité au matériau. L utilisation des nanocapsules permettrait de les répartir d une manière plus uniforme et plus dense dans la matrice et d une manière moins perturbatrice pour l architecture du composite. Dans le cas de CMC, l endommagement à haute température est souvent dû à un phénomène d oxydation rapide des interphases par diffusion de l oxygène à travers le réseau de fissures. L auto cicatrisation résulte alors de la formation de verres par réaction entre l oxygène et certains éléments de la matrice. Cela est d autant plus efficace que la structure chimique de la matrice peut être organisée de manière fine, par exemple par un empilement de nanocouches. 4.4 LES MATERIAUX ADAPTATIFS («INTELLIGENTS») Les matériaux adaptatifs sont susceptibles de coupler plusieurs fonctions de manière interactive. Par exemple par modification de leurs propriétés physiques telles que forme, conductivité, couleur, élasticité, en réponse à des sollicitations telles que la température, la contrainte, le champ électrique, l environnement chimique (cf. les revêtements «caméléon» cités ci dessus). Il s agit là de trouver des méthodes permettant d assembler des nano-objets dotés de propriétés différentes et d assurer qu ils développent des interactions bénéfiques. 4.5 LES MATERIAUX ENERGETIQUES L aluminium nanométrique conduit à une amélioration des propriétés fonctionnelles des propergols solides pour la propulsion des missiles ou des lanceurs. L utilisation de charges énergétiques nanométriques devrait permettre de réduire la sensibilité aux chocs forts des compositions hautement énergétiques. 10 GIFAS/5064/2006

13 Cela passe par la fabrication de nanopoudres métalliques (Al) et de leur insertion de manière homogène dans la matrice polymère. 4.6 LES ALLIAGES METALLIQUES On constate un regain d intérêt pour les alliages durcis par des particules nanométriques, en particulier pour des alliages d aluminium. Si l effet de particules nanométrique sur la résistance mécanique est bien connu (alliages à durcissement structural type AU4G) et utilisé dans des alliages commerciaux où la précipitation est maîtrisée par durcissement structural, il n en est pas de même pour des alliages où l on disperserait des nanoparticules céramiques. Or cela ouvre de nouvelles perspectives : Alliages dont la phase durcissante est stable thermiquement Amélioration de la résistance mécanique sans altérer la tenue à la corrosion Potentialité accrue dans le domaine des composites à matrice métallique. Les verres métalliques, qui constituent la limite des alliages nanocristallins, peuvent être inclus dans la thématique. De par leur homogénéité structurale ils peuvent présenter une tenue à l environnement intéressante, ils sont en général très durs et fragiles ; Ils ne peuvent être obtenus que pour des compositions particulières (eutectiques) et sont instables thermiquement. Lorsqu ils recristallisent, ils deviennent en général fragiles. Toutefois une bonne maîtrise de la répartition de nanoclusters cristallins dans une matrice amorphe permet d obtenir des ductilités importantes, avec un niveau de résistance élevé. On peut également envisager d en fabriquer avec des nanoparticules ajoutées dans le liquide originel. Fig. 9 Exemple de métal (palladium) à très fine taille de grains (les stries représentent des plans atomiques) Le tableau 1 en fin de première partie schématise les différents types d applications dans les domaines aéronautique et spatial avec estimation de leur importance. Le tableau 2 recense pour les différents constituants possibles des matériaux nanostructurés, le niveau des efforts consentis dans le monde et en France. Nous avons aussi essayé d identifier où se trouvaient les compétences. 11 GIFAS/5064/2006

14 5 PROBLEMATIQUE SCIENTIFIQUE, TECHNIQUE ET MANUFACTURIERE Les applications citées précédemment présentent les problématiques communes suivantes : 5.1 MODELISATION Dans la mesure où l on peut construire la structure, atome par atome ou couche par couche, il est important de disposer de moyens de modélisation permettant de prévoir les propriétés, en tenant compte de toutes les échelles structurales. Cela est particulièrement important pour les revêtements, les composites, et les structures bio mimétiques. Ce besoin doit être pris en compte très tôt, dans les laboratoires amont, pour éviter une approche empirique, longue et coûteuse. 5.2 FABRICATION DE NANOPARTICULES, NANOTUBES Beaucoup d applications passent par la maîtrise de la production de nanoparticules. La spécificité des nanomatériaux est qu il faut disposer, même à des stades amont de la recherche, de quantités importantes de poudres ou tubes bien caractérisés. Nanotubes de carbone : de nombreux procédés PVD ou CVD sont capables de produire des nanotubes. Actuellement, il n existe pas de procédé capable de produire, à un coût acceptable, des nanotubes mono parois de manière reproductible, mais les procédés CVD semblent maintenant en passe d atteindre ce but. En revanche, les tubes multiparois sont maintenant disponibles à bas coût par exemple, en France chez ARKEMA. Les principaux problèmes sont : De savoir spécifier le type de nanotubes nécessaire pour les applications visées. Il est en effet inutile d exiger des mono parois très coûteux, lorsque cela n apporte pas d avantage décisif De produire ces nanotubes avec le nombre de parois désiré De savoir contrôler la qualité de ces produits Nanopoudres : Là aussi un grand nombre de procédés sont étudiés dans les laboratoires. Selon le procédé la distribution granulométrique est très différente. On peut par exemple obtenir des poudres assez grossières par broyage mécanique, alors que des méthodes physico-chimiques ( pyrolyse de précurseurs) permettent d obtenir des poudres beaucoup plus fines. Chaque procédé va aussi conduire à des morphologies et des puretés différentes. Cela peut générer des problèmes différents lorsqu il s agira d incorporer de manière homogène ces particules dans une structure. En effet : La manutention et la réactivité des particules vont dépendre beaucoup de leur forme et de la chimie de surface. 12 GIFAS/5064/2006

15 La capacité à les disperser dans une matrice va dépendre des mêmes facteurs, ainsi que les propriétés finales. Là aussi la modélisation doit pouvoir être disponible pour sélectionner à priori la configuration de poudre conduisant au meilleur résultat. 50 nm Fig. 10 : Procédé de production de poudres nanométriques par pyrolyse laser (CEA) : une très grande variété de poudres céramiques peut être produite par ce procédé 5.3 PRODUCTION DES MATERIAUX NANOSTRUCTURES On peut distinguer quatre grandes familles de procédés : Compaction de matériaux à partir du mélange de poudres nano ou à structure nano (matériau équiaxe massif) Problèmes posés : La manutention et le mélange des poudres La réactivité des poudres pouvant nécessiter des atmosphères contrôlées Le procédé de compaction qui ne doit pas perturber trop fortement la structure nanométrique. Par rapport à la métallurgie des poudres conventionnelle, il faut éviter le passage à des températures trop élevées. La taille nanométrique des poudres est favorable puisque cela abaisse la température de frittage, il faut certainement privilégier les procédés où la température reste modérée (Spark Plasma Sintering, frittage sous pression élevée ) Matériaux densifiés par projection de poudres (i.e. projection plasma). Cela concerne en particulier les revêtements projetés. Problèmes posés : La maîtrise de l injection des poudres et des conditions de dépôt. Il faut veiller à ce que le dépôt projeté conserve la microstructure souhaitée La maîtrise des défauts (porosités) et de la contamination Les fenêtres de procédé sont à redéfinir par rapport aux dépôts conventionnels. 13 GIFAS/5064/2006

16 5.3.3 Dispersion de nanopoudres dans un fluide ou un milieu visqueux Cela concerne particulièrement les matrices polymères pour composites ou les matériaux énergétiques. Problèmes posés: L homogénéité de la dispersion, difficile à assurer et à caractériser L interaction chimique entre la dispersion et la matrice : certaines propriétés comme la stabilité peuvent être dégradées Matériaux déposés par couches nanométriques. Cela concerne non seulement les revêtements mono ou multicouches mais aussi certains composites dans lesquels la matrice n est pas de composition uniforme. Les procédés peuvent être par voie sèche PVD ou CVD Problèmes spécifiques relatifs à ces structures : La conception de la structure multicouche (composition chimique des couches, épaisseurs, séquences la maîtrise totale des procédés est nécessaire) Les temps de dépôt peuvent, dans certains cas, limiter l épaisseur maximale réalisable 5.4 CARACTERISATIONS On s intéresse aux propriétés macroscopiques des matériaux, dont la caractérisation, qu elle soit mécanique ou physique, est classique dans la mesure où l on dispose de suffisamment de matière. Par contre pour le développement du matériau nanostructuré, il est indispensable de disposer de moyens spécifiques, par exemple pour étudier la structure et les propriétés de nanocouches élémentaires constituant un empilement (microscopes à force atomique, nanoindenteurs ). La caractérisation structurale nécessite notamment des observations en microscopie électronique en transmission haute résolution. Ces caractérisations qui serviront à alimenter les modélisations et à caractériser les produits ne sont disponibles que dans les laboratoires amont. 5.5 REMARQUES : DIFFICULTES D ORDRE GENERAL On attend des difficultés liées au fait que les surfaces spécifiques des matériaux finement divisés sont très grandes : elles engendrent en particulier une grande réactivité vis à vis de l environnement. Quelle que soit la famille considérée, il est certain que le choix des procédés d utilisation auront une forte influence sur le résultat final. Quelle que soit l application visée, il est probable qu il faudra comparer plusieurs procédés, pour éviter le risque d une sous estimation des avantages procurés par le matériau. Pour la seule mise au point des procédés, il faudra disposer de quantités importantes de poudres ou tubes. La coopération étroite entre industriels et laboratoires amont sera absolument nécessaire, compte tenu de la nécessité de descendre à une échelle d observation et de caractérisation 14 GIFAS/5064/2006

17 n existant que dans les laboratoires, pour tirer parti des potentialités nouvelles offertes par les nanotechnologies. 6 PROBLEMATIQUE SOCIETALE Dans la mesure où les produits finis seront des matériaux massifs, le problème du danger des nano-objets se pose non seulement dans les sites de fabrication mais aussi lorsque les matériaux seront détruits, recyclés ou tout simplement lorsqu ils se dégraderont en service (relâchement de nanoparticules dans l environnement). Ce problème est abordé dans le programme européen NANOSAFE. Il doit toutefois obligatoirement être pris en compte dans chaque nouvelle étude, avec des responsabilités clairement identifiées. 7 PROBLEMATIQUE INDUSTRIELLE Concernant l industrie aéronautique, on doit considérer les points suivants : Les travaux de recherche qui sont menés aujourd hui conduisent à détecter des réponses possibles des nanomatériaux à des applications potentielles. La filière industrielle devra être constituée, par exemple les fabricants de nano tubes de carbone ou de certains polymères sont de grands industriels de la chimie, ils devront fournir ces produits de base à des élaborateurs de demi-produits ou de fabricants de pièces qui seront eux même les fournisseurs de notre industrie. Cette couche intermédiaire reste à créer, soit en sensibilisant nos fournisseurs actuels qui devront agrandir leur périmètre d activité, soit en créant de nouvelles sociétés. Si on considère le montant des investissements nécessaires pour qualifier un produit aéronautique, ce souci devra être pris en compte dés les premiers travaux de faisabilité. Dans le domaine aéronautique, où le marché des nanomatériaux va rester faible (en quantité) pour quelques années encore, il est indispensable que les industriels utilisateurs s impliquent rapidement dans le développement des procédés et des systèmes nécessaires, en s appuyant sur les partenaires européens offrant les meilleures compétences ; d où l importance des PCRD européens. Les aspects propriété intellectuelle seront à suivre avec beaucoup d attention, compte tenu du nombre d intervenants dans les filières industrielles et de la position aujourd hui dominante des états unis au niveau prise de brevet. Approche SSE (santé, sécurité, environnement): Cela doit être traité suffisamment en amont pour ne pas buter sur des problèmes insurmontables lors de la mise en production. Support Scientifique : Compte tenu de l échelle physique concernée, la coopération industrie-recherche est particulièrement indispensable jusqu à un stade avancé du développement industriel des produits : par exemple le seul contrôle des microstructures dans les nanomatériaux nécessite des moyens qui ne sont pas disponibles dans les laboratoires industriels. 15 GIFAS/5064/2006

18 Si l on regarde la situation actuelle en France, le panorama est le suivant : Producteurs de nanopoudres et nanotubes En ce qui concerne les nanotubes, la France semble bien placée dans les méthodes CVD grâce à ATOFINA. La production de nanotubes monoparois reste encore du ressort de PME, dont la pérennité n est pas assurée. Pour les nanopoudres, seul le CEA dispose actuellement d installations pilotes pouvant produire des quantités appréciables de poudres de compositions variées. Fournisseurs de demi produits et de produits: La France dispose de grands groupes leaders, bien placés sur ces marchés/produits, parmi lesquels on peut citer pour le court terme : - Les composites et les polymères adaptatifs avec Arkéma,... - Les revêtements avec Arcelor, Saint-Gobain, HEF, Essilor,... - Les particules avec Rhodia, Michelin, l Oréal,... - La catalyse avec les acteurs du pôle chimie-environnement. Les TIC et la santé sont pour le moment les secteurs moteurs de l innovation «nano» ; toutefois il apparaît de plus en plus que l énergie, l environnement et les transports doivent bénéficier à court terme de ces technologies. 8 SOUTIEN PUBLIC Les sources de financement pour le développement des nanotechnologies et nanomatériaux sont maintenant assez importantes. Le 6eme PCRD a fortement contribué à l essor de ces technologies en Europe. Le 7 ème PCRD doit prolonger cet effort. Au niveau national on peut citer le rapport récent de la DGE sur les nanomatériaux (texte complet en annexe 2) qui fait clairement apparaître un déficit de financement sur la thématique nanomatériaux: «Si on dispose aujourd hui d évaluations assez précises sur les budgets consacrés aux nanotechnologies, les estimations sur le financement public de la R&D nanomatériaux sont plus floues car susceptibles d apparaître sous différentes rubriques : comme composante d un programme nanotechnologies (ANR-R3N) ou d un programme pour un secteur utilisateur (PREDIT,...). De ce fait ces évaluations sont souvent sous-estimées. Ainsi pour les nanotechnologies, on identifie quatre grands blocs (Etats-Unis, Japon, Europe, Asie hors Japon), pour lesquels l effort public est équivalent, à hauteur de 1,4 milliards /an chacun. Si on compare maintenant la part de ces budgets dédiée à des programmes de R&D clairement identifiés nanomatériaux, elle est de l ordre 20-30% aux Etats-Unis, au Japon ou en Allemagne, contre seulement 5% en France. Cette comparaison, si elle doit être tempérée compte tenu de l observation préalable, a cependant le mérite de souligner le manque de visibilité du volet nanomatériaux en France dont les enjeux et les opportunités sont mal connus, et l insuffisance du soutien à une recherche pré compétitive, ce qui se traduit par un déficit de transfert de technologie et un manque de mobilisation des investisseurs en capital. Ce soutien tend cependant à s organiser autour : des grandes agences de recherche et d innovation. L Agence Nationale pour la Recherche (ANR) a identifié le domaine nanomatériaux comme thème prioritaire et finance dans le cadre des réseaux R3N et RNMP des projets à hauteur de 13M /an. 16 GIFAS/5064/2006

19 L Agence de l Innovation Industrielle (AII) a identifié ce thème comme éligible à des propositions de programme de grande ampleur. des pôles de compétitivité. Cinq pôles sont plus spécifiquement identifiés comme susceptibles de développer des produits intégrant des nanomatériaux. Il s agit de MIPI en Lorraine (matériaux intelligents), MINALOGIC (matériaux pour l électronique et applications IC) et Chimie-Environnement en Rhône-Alpes (polymères et surfaces nanostructurés), Aéronautique, Espace et Systèmes Embarqués dans le Sud Ouest (matériaux haute performance) et PHOTONICS en PACA (matériaux pour la photonique).» Diverses actions et réflexions sont également engagées par les établissements publics (CEA, CNRS, INSERM, ONERA, ) et par la DGA, pour soutenir la recherche et promouvoir ces disciplines. 9 CONCLUSIONS ET PROPOSITIONS Comme nous l avions mis en évidence dans le premier rapport du groupe de travail, les nanomatériaux constituent une des voies de progrès importante pour les années à venir. Le groupe de travail a identifié : Les grands domaines d applications (Tableau 1) L état des développements pour les nanomatériaux en essayant de préciser où se trouvent les compétences (Tableau 2) Les thèmes prioritaires (Tableaux 3-1 et 3-2). Les thèmes prioritaires que nous avons particulièrement sélectionnés pour nos activités sont les suivants : 9.1 SUR LES REVETEMENTS La protection des surfaces contre l érosion, l usure ou le fretting qui concerne aussi bien les composites polymériques et céramiques, que les alliages métalliques Al, Acier, Ti ou Ni La protection contre la corrosion où les revêtements nanométriques peuvent apporter des solutions innovantes dans le domaine de l environnement (remplacement Cadmium ou du Chrome VI) La réalisation de peintures ou surfaces discrètes dont les finalités sont militaires Le développement de nouvelles générations de barrières thermiques pour turbines aéronautiques et spatiales. 9.2 SUR LES MATERIAUX Compte tenu du surcoût inévitable de l incorporation de nanoparticules ou de la nanostructuration de ceux-ci, cela ne pourra concerner que des applications à forte valeur ajoutée. Ce sont les composites qui sont les plus concernés par : L amélioration de la résistance au feu de certains composites à matrice organique (plutôt à matrice thermoplastique), 17 GIFAS/5064/2006

20 L amélioration des propriétés mécaniques grâce à l utilisation de nanotubes de carbone soit dans les fibres, soit aux interfaces, peut être aussi dans la matrice, L amélioration des propriétés environnementales et mécaniques de CMC (SiC/Sic, C/C, C/SiC). Les alliages métalliques semblent moins attractifs, sauf peut être les alliages d aluminium avec deux types d applications : Des protections anticorrosion évitant le recours à des traitements de surface utilisant le CrVI, Des alliages combinant résistance mécanique et tenue à la corrosion (alliages à nanodispersions de céramiques, alliages partiellement amorphes). Les applications énergétiques (poudres nanométriques dans carburants solides) sont très prometteuses mais concernent peu de sociétés. 9.3 SUR LA RECHERCHE DE BASE Outre les études nécessaires au développement des nouveaux procédés, il est apparu qu il fallait inciter nos laboratoires partenaires à se lancer sur des actions de fond, en particulier en modélisation nano-micro-macro et dans le domaine des caractérisations. 18 GIFAS/5064/2006

21 NOS PROPOSITIONS SONT LES SUIVANTES : Soutenir les études suivantes, concernant les composites à matrice organique, auprès des laboratoires compétents : Pour les fibres : évaluation des fibres constituées de nanotubes, Pour la matrice : la maîtrise des dispersions de nanofeuillets et de nanotubes pour l amélioration de la tenue au feu et de la conductivité électrique. Favoriser le lancement des études sur les composites à matrice céramique car le développement de nombreux procédés génériques est nécessaire pour faire progresser ces matériaux, ce qui engendrera des retombées sur toute les familles de matériaux «chauds». Soutenir des études sur les revêtements. Même si les applications diffèrent d une société à l autre, il existe des points de convergence au niveau des procédés à mettre en œuvre. Une étude sur les revêtements projetés permettrait de couvrir des applications antiérosion sur divers substrats métalliques, certaines barrières thermiques, ainsi que des revêtements tribologiques. les autres thèmes identifiés ne sont pas nécessairement d un intérêt moindre, mais ils présentent un caractère générique moins accentué. Il convient de ne pas les négliger pour autant. 19 GIFAS/5064/2006

22 Tableau 1 : intérêt des applications par domaines Matériaux structuraux Revêtements Matériaux multifonctionnels Matériaux énergétiques Composites à Composites à Matrice.Matrice Organique. céramique Céramiques Métalliques Tribologiques Anti Barrières érosion thermiques Peintures Optique Textiles Cellules aéronefs *** * ** *** *** *** *** Moteurs aéronefs et hélicoptères ** *** * * *** *** *** *** Nacelles *** * *** Missiles/propulsion spatiale Discrétion Fabrication (outillages) Défense ** *** ** * * ** ** *** ** *** ** ** *** *** très forte importance ** forte importance * assez forte importance 20 GIFAS/5064/2006

23 Tableau 2 : Nanomatériaux et nanocomposites : estimation des niveaux de développement x domaine assez important xx domaine important xxx domaine très important TECHNOLOGIE Importance Effort de R&D consenti Monde (X) France (*) Débouchés à court/moyen/long terme Pays leader / Principaux acteurs français Synthèse de nanopoudres, contrôle des granulométries et des nanostructures obtenues Synthèse de nanotubes divers, xxx Xx séparation, purification des produits sans pollution (ne pas se contenter d éliminer les nanoparticules formées pendant la synthèse, Fonctionnalisation de nanotubes et de VGCF par des procédés électrochimiques d ores et déjà très sélectifs xxx xxx xxx Xxx ** * xx ** xx ** Du court terme au long terme suivant cas d espèce, secteur multiforme et très évolutif Du moyen terme au long terme Court/Moyen terme Nombreux pays / FR : CEA : /DRECAM USA, Japon, chine, inde, Europe occidentale / FR:-Atofina Labos et industriels USA, Japon, Chine, Inde, Europe Occidentale FR: CNRS, Université USA, Japon, Chine, Inde, Europe Occidentale FR: CNRS, Université Synthèse de nanoparticules de produits énergétiques pour la propulsion solide xxx Xx Moyen long terme USA FR : SNPE Elastomères chargés de nanoparticules fonctionnalisées L exemple maintenant classique est le «pneu vert» dont certaines gommes sont chargées de silice xxx x (en dehors des industriels) * Moyen terme e industriels des pneumatiques et labo universitaires coopérant avec eux. FR : ESPCI Matériaux nanostructurés xxx Xx - Polymères nanostructurés (copolymères blocs), nanomatériaux auto assemblés, nanomatériaux hybrides organiques/inorganiques Du court terme au long terme suivant cas d espèce USA, Europe, Japon xx x Moyen terme USA, Europe / Fr : Arkema 21 GIFAS/5064/2006

24 Fibres nanocomposites : polymériques ou minérales, par adjonction de nanoparticules ou de nanotubes orientés. xxx X * Moyen terme USA, France / Fr : CNRS/CRPP Nanocomposites lamellaires comportant également des nanotubes pour propriétés électriques, thermiques Nanocomposites à nanotubes : CMO (nanotubes orientés), CMM (nanotubes mono feuillets dispersés, pour la dureté, l usure et le fluage, orientés pour augmenter le module de rigidité) CMC (pour la ténacité, la conductivité électrique et la conductibilité thermique) xxx xx xx xx X * X/* X/* x Moyen terme? Moyen terme à long terme Composites à fibres et nanotubes dans la matrice xxx x Moyen terme à long terme Métallurgie de poudres contenant des nanotubes ou xx x Moyen terme à nanoparticules dispersés long terme Fr : ONERA USA, japon, chine, France France USA, France / Fr : LCTS, ONERA France FR : ONERA? Mécano synthèse de mélange métal/nanotubes (matériaux nanostructurés ayant de meilleures propriétés anti-usure et tribologiques) Nanomatériaux pour les générateurs électriques, la micro filtration Ecrans plats, cellules solaires, compounds de fullerènes (propriétés optiques) Matériaux pour l électronique moléculaire, nanomanipulations, tri, auto assemblages Spintronique et nanomagnétisme, traitement et stockage de l information compounds de fullerènes (propriétés optiques) xx x * xx x Moyen terme? Fr : ENSMSE xxx xx Court terme à USA, Japon, Europe moyen terme xxx xxx Court terme partenariats entre des start-ups et des industriels (USA, Japon) FR : Astrowatt xxx xxx Moyen terme Labos Universitaires et industriels de par le monde (USA : Rice Univ ) Fr : CEA, X-CNRS, IEMN, Universités xxx xxx Moyen terme Labos Universitaires et industriels aux USA (Bell, IBM), Japon FR : CEA, IEMN, LAAS moyen terme? France : LPN Aspects environnementaux, cytotoxicité xxx x Court terme à moyen terme Nanomatériaux pour sources et fenêtres optiques xx xx Court terme à moyen terme Nanomatériaux et nanocomposites bio mimétiques Labos Universitaires et industriels, USA, Europe Labos Universitaires et industriels Fr : CIRIMAT xx xx Moyen terme Labos Universitaires 22 GIFAS/5064/2006

25 Tableau 3.1 : Thèmes revêtements sélectionnés THEME Revêtements antiérosion Revêtements tribologiques Revêtements discrets BESOIN TECHNIQUE Anti érosion sur Al, Composites, Ti? Tribologie sur Aciers, Al, Ti et Ni, composites froids et chauds Discrétion radar et IR APPLICATIONS Bords d attaques Entrée air Roulements pièces mécaniques outillages, Surfaces avions, moteurs, missiles DEMANDEURS Dassault Av Snecma Turbomeca Aircelle Dassault MBDA Turbomeca Snecma Messier-Dowty Hispano-Suiza SPS Dassault MBDA EADS Snecma Protections environnementales pour alliages métalliques Protections thermiques pour alliages métalliques Protections thermiques et environnementales pour CMC Anticorrosion sans Cr6 Barrières thermiques fines et épaisses Barrières thermiques pour très haute température en ambiance corrosive Al, aciers (Cellules Moteurs, équipements) Aubes de turbine Divergents, déviateurs de jet Chambres de combustion EADS, MBDA, SNECMA Messier-Dowty Messier-Bugatti, Techspace, Hispano-Suiza SNECMA, MBDA SNECMA, SPS 23 GIFAS/5064/2006

26 Tableau 3-2 : applications matériaux sélectionnées THEME Composites Matrice Organique : Propriétés mécaniques Composites Matrice Organique : Propriétés physiques Composites matrice Céramique Alliages métalliques Divers : Matériaux énergétiques avec nanodispersions métalliques BESOIN TECHNIQUE Amélioration propriétés mécaniques : Fibres haut module Matrice tenace et résistante Tenue au feu Conduction électrique Propriétés mécaniques Protection environnementale Renforcement mécanique alliages Al APPLICATIONS Pièces de structure Cellules Nacelles Moteurs Equipements Cellules, nacelles Composants chauds pour turbines et tuyères Allégement des structures (cellules) Propulsion solide CMO avec nanotubes Propriétés ablatives Tuyères fusées SPS DEMANDEURS Dassault, EADS, MBDA, SNECMA, Aircelle, Messier-Dowty, Dassault, MBDA, Aircelle, EADS SPS, Messier-Bugatti, SNECMA EADS, Dassault, MBDA SME/SNPE 24 GIFAS/5064/2006

27 ANNEXE 1 : EXEMPLE DE PROCESSUS ET DE ROADMAP «REVETEMENTS TRIBOLOGIQUES» Sélection Applications Modélisation microstructures et propriétés Préparation poudres nanostructurées Optimisation Evaluation procédés de dépôt Plasma HVOF Selection procédé et optimisation CVD, PVD optimisation Caractérisation dépôt (structure, adhérence et propriétés) Développement de nouvelles techniques de caractérisation Application 1 : substrat Acier Application 2 : Substrat Ni Application 3 : substrat Demonstrations Procédé à sélectionner en fonction de l application partielles sur composants Année 1 Année 2 Année 3 Année 4 Année 5 Phase exploratoire Phase évaluation et optimisation procédé Phase évaluation application 25 GIFAS/5064-1/2006

28 ANNEXE 2 : Rapport DGE (Le Marois-dec 2005) L INDUSTRIE DES NANOMATERIAUX EN FRANCE : DIAGNOSTIC ET ACTIONS ENVISAGEES 1. Un concept diffusant, porteur d innovation Les nanomatériaux ne constituent pas une nouvelle classe de matériaux mais introduisent plutôt une nouvelle façon de les concevoir, de les fabriquer et de les intégrer dans des produits, qui repose sur le contrôle de leur structure à l échelle nanométrique (entre 0.1 et 100 nm). Corollaire à cela, toutes les classes de matériaux sont concernées et tous les secteurs manufacturiers vont bénéficier des innovations qu ils portent. L agence américaine Lux Research a ainsi identifié des applications qui touchent aujourd hui 42 segments de marchés. Mais ce concept offre surtout de nombreux avantages de part : - ses caractéristiques spécifiques en terme de taille, de poids relatif des effets physiques ou de comportement quantique, qui permettront d améliorer de façon significative les propriétés des matériaux et les performances des produits qu ils composent, - la possibilité de construire un matériau à partir des briques élémentaires que sont les atomes et les molécules, en le dotant de fonctions prédéterminées, - les innovations qu ils peuvent apporter en terme de nouveauté ou rupture sur des technologies existantes (comme les batteries à recharge ultra rapide grâce à l utilisation de nanotubes de carbone), mais également en terme de différenciation de produits comme par ex. les tissus anti-salissure. Cette différenciation dans les industries traditionnelles peut être une clé du maintien de leur compétitivité et de leur emploi, - le potentiel considérable de ces matériaux pour lever des verrous technologiques dans des domaines fondamentaux pour l humanité comme l accès à des ressources énergétiques durables, l approvisionnement en eau potable, le traitement des maladies graves, des solutions pour les transports du futur. 2. Des marchés potentiels considérables Toutes les estimations prédisent une forte croissance et une large diffusion des applications de ces matériaux dans les années à venir, qui devraient s accélérer au fur et à mesure que leur impact va toucher des marchés de masse. Celles-ci pourraient cependant être remises en cause compte tenu des freins qui pèsent sur leur développement ( 5). Etroitement liés au développement des nanotechnologies, ils devraient pleinement bénéficier de leur avènement. Ainsi on estime qu à l horizon 2020 au niveau mondial, 15% de l activité manufacturière (soit 2600 milliards et d emplois) seront concernées par les nanotechnologies, 20 à 35% de cette activité étant reliée à une innovation nanomatériaux. 3. Des retombées prometteuses pour la France La France dispose de grands groupes leaders, bien placés sur ces marchés/produits, parmi lesquels on peut citer pour le court terme : - Les composites et les polymères adaptatifs avec Arkéma,... - Les revêtements avec Arcelor, Saint-Gobain, HEF, Essilor,... - Les particules avec Rhodia, Michelin, l Oréal,... - La catalyse avec les acteurs du pôle chimie-environnement. 26 GIFAS/5064/2006

29 Si les TIC et la Santé restent des secteurs moteurs de l innovation «nano», on a pu identifié quatre secteurs prioritaires qui devraient pleinement bénéficier des avancées grâce aux nanomatériaux et pour lesquels on dispose de moyens et de compétences compétitifs. Il s agit de l énergie, l environnement, les transports et la chimie-plastiques. Des opportunités d innovation existent également pour les autres secteurs parmi lesquels, la cosmétique, le textile et habillement, la métallurgie, les verres et céramiques, l optique, le BTP, l emballage, le papier, à terme la grande consommation,... Elles devraient, par une différenciation de leurs produits, contribuer à maintenir leur compétitivité et leurs emplois. Enfin, les nanomatériaux sont susceptibles de favoriser l émergence d un tissu industriel à forte valeur ajouté, créateur d emplois très qualifiés. 4. Un soutien public à affirmer Si on dispose aujourd hui d évaluations assez précises sur les budgets consacrés aux nanotechnologies, les estimations sur le financement public de la R&D nanomatériaux sont plus floues car susceptibles d apparaître sous différentes rubriques : comme composante d un programme nanotechnologies (ANR-R3N) ou d un programme pour un secteur utilisateur (PREDIT,...). De ce fait ces évaluations sont souvent sous-estimées. Ainsi pour les nanotechnologies, on identifie quatre grands blocs (Etats-Unis, Japon, Europe, Asie hors Japon), pour lesquels l effort public est équivalent, à hauteur de 1,4 milliards /an chacun. Si on compare maintenant la part de ces budgets dédiée à des programmes de R&D clairement identifiés nanomatériaux, elle est de l ordre 20-30% aux Etats-Unis, au Japon ou en Allemagne, contre seulement 5% en France. Cette comparaison, si elle doit être tempérée compte tenu de l observation préalable, a cependant le mérite de souligner le manque de visibilité du volet nanomatériaux en France dont les enjeux et les opportunités sont mal connus, et l insuffisance du soutien à une recherche précompétitive, ce qui se traduit par un déficit de transfert de technologie et un manque de mobilisation des investisseurs en capital. Ce soutien tend cependant à s organiser autour : - des grandes agences de recherche et d innovation. L Agence Nationale pour la Recherche (ANR) a identifié le domaine nanomatériaux comme thème prioritaire et finance dans le cadre des réseaux R3N et RNMP des projets à hauteur de 13M /an. L agence de l innovation industrielle (A2I) a identifié ce thème comme éligible à des propositions de programme de grande ampleur. - des pôles de compétitivité. Cinq pôles sont plus spécifiquement identifiés comme susceptibles de développer des produits intégrant des nanomatériaux. Il s agit de MIPI en Lorraine (matériaux intelligents), MINALOGIC (matériaux pour l électronique et applications IC) et Chimie-Environnement en Rhône-Alpes (polymères et surfaces nanostructurés), Aéronautique, Espace et Systèmes Embarqués dans le Sud Ouest (matériaux haute performance) et PHOTONICS en PACA (matériaux pour la photonique). Diverses actions et réflexions sont également engagées par les établissements publics (CEA, CNRS, INSERM, ONERA, ) et par la DGA, pour soutenir la recherche et promouvoir ces disciplines. Le tableau 1 en annexe présente l état actuel du benchmark réalisé par la DGE à partir de sources variées sur les budgets publics, les estimations de marché, les capacités industrielles et de recherche, pour les principaux compétiteurs de la France. 27 GIFAS/5064/2006

30 5. Des craintes et une nécessité d adaptations La crainte d une éventuelle toxicité des nanomatériaux, le rapprochement que certains font avec la problématique amiante, pèsent aujourd hui sur leur développement industriel. L évaluation de l impact sanitaire et environnementale, fait l objet de nombreuses recherches et publications : a priori, les risques concernent principalement les nanoparticules qu on peut inhaler ou ingérer. L évaluation est compliquée du fait de difficultés d observations, de mesures et de tests de ces particules, de la présence de nombreuses particules «naturelles» qu il faut différencier et de l influence majeure de nombreux paramètres comme la taille, la forme, la chimie de surface et la stabilité vis-à-vis de l agrégation. Il faut également signaler l absence de terminologie précise et de normes spécifiques pour les dispositifs de taille inférieure à 100 nm. Ces préoccupations sont partagées au niveau international. Ainsi a été mis en place dans le cadre de l ISO un comité technique (CT) de normalisation des nanotechnologies présidé par les britanniques qui, au travers de trois groupes de travail sur la terminologie (Canada), la métrologie/caractérisation (Japon + LNE) et les impacts Hygiène Sécurité Environnement (Etats-Unis + INERIS), permettra de définir des règles communes et prendre à l échelle internationale les précautions appropriées. D autres problèmes d adaptation, de nature technique, financière ou sociétale peuvent également freiner leur développement. On peut ainsi souligner le besoin de compétences pluri-disciplinaires qui peut nécessiter de faire évoluer notre système éducatif, et le manque de visibilité des investisseurs, ce qui freine l émergence de jeunes entreprises innovantes. 6. Un plan d actions concrètes et responsables pour renforcer notre position En réponse à ce diagnostic, la DGE propose d engager un plan équilibré, pour une efficacité optimale de l action publique en soutien responsable au développement industriel des nanomatériaux. Il s articule autour des quatre axes suivants : - Soutenir un grand programme exemplaire et mobilisateur - Mettre en place une action en faveur des PMI/PME - Promouvoir un développement responsable - Développer nos coopérations européennes. 6.1 Soutenir un grand programme exemplaire et mobilisateur Le potentiel des nanomatériaux apporte une réponse au besoin d injecter de l innovation dans le tissu industriel pour renforcer sa compétitivité. Pour cela, il est proposé de soutenir un grand programme nanomatériaux sur des solutions innovantes et durables en énergie et environnement, ces deux secteurs ayant été identifiés comme prioritaires, tant en terme d enjeu stratégique, de compétences nationales que d apport des nanomatériaux. Ce programme est dans une phase relativement bien avancée du côté des industriels (dont Arkéma). Baptisé E-NANO il pourrait être soutenu par l AII, ou un autre véhicule public approprié. Les retombées attendues concernent bien sûr les secteurs de l énergie (approvisionnement et économie) de l environnement mais également les transports, le BTP et la qualité de vie. Ce projet structurant trouvera des prolongements avec le programme NACOMAT (pôle AESE) et des compléments avec le projet européen NANOSAFE piloté par la France, sur le management du risque. Pour renforcer les synergies, les projets amont soutenus par l ANR et les projets coopératifs présentés par les pôles de compétitivité sur ces thématiques, devraient également être associés. 28 GIFAS/5064/2006

31 6.2 Mettre en place une action en faveur des PMI/PME Cette action concerne plus particulièrement les secteurs dits traditionnels pour lesquels le caractère diffusant de ces matériaux offre des capacités d innovation par différenciation de leurs produits. Il s agit de faire connaître les opportunités offertes par les nanomatériaux, faciliter le transfert de technologies et l accès aux moyens de fabrication et caractérisation. Au niveau des régions, quelques structures d interface industrie-recherche sont très actives dans ce domaine. Pour renforcer leur couplage, une action collective de mise en réseau transrégional de ces structures sera mise en place sur 3 ans. Elle mobilisera les DRIRE/D2RT et s appuiera sur les réseaux C NANO mis en place au niveau de quelques régions par le MESR et sur les pôles de compétitivité plus spécialement dédiés aux nanomatériaux. Un AAP sera lancé pour désigner un animateur de ce réseau qui aura pour mission d assurer une veille scientifique et technologique, incluant ce qui se fait au niveau international, de faciliter le montage et l accompagnement de projets de recherche coopérative, au bénéfice des PMI/PME, de recenser les moyens d élaboration et de caractérisation de ces matériaux et de faciliter leur accès et/ou leur mutualisation. Les retombées de l action collective feront l objet d une évaluation annuelle par la DGE. 6.3 Promouvoir un développement responsable Pour un développement responsable des nanomatériaux, il importe d avoir une bonne visibilité sur les risques encourus et d anticiper ces risques dans l attente de normes/réglementation. Plusieurs ministères s en préoccupent ; le CPP et l AFSSET ont été saisis ; l ANR a lancé un appel à projets sur le sujet. Il importe de mieux coordonner ces initiatives et de faire remonter rapidement les informations auprès des administrations et acteurs concernés Pour la DGE nous proposons : - Pour anticiper les risques, de mettre en place un groupe de travail piloté par les industriels, qui sera chargé de publier un guide des meilleures pratiques industrielles en matière de fabrication, manipulation et conditionnement des nanomatériaux, incluant l aspect sécurité. Dans un deuxième temps, ce guide devra intégrer les pratiques de retraitement et recyclage en fin de vie et de promouvoir des coopérations destinées à échanger sur ces pratiques. Il apparaît important d associer à cette démarche les organismes ad hoc impliquées dans les différentes initiatives en cours (AFSSET, CPP, ANR). - De confier à ECRIN (association CNRS-CEA impliquée sur ces sujets), une mission de veille et d information sur les avancées en matière de recherche et d évaluation de l impact éventuel des nanomatériaux, cela au bénéfice des administrations concernées. L association est déjà fortement impliquée dans ce domaine au travers de séminaires qu elle organise régulièrement sur le sujet et de son site intitulé «nanomateriauxetsecurite», - Enfin de soutenir l action menée par l AFNOR et le LNE au sein du CT de l ISO et de promouvoir la participation de l industrie française à ses travaux dans le cadre du comité de normalisation des nanotechnologies mis en place par l Afnor. 6.4 Développer nos coopérations européennes Le benchmark réalisé sur les compétences internationales en nanomatériaux montre que des actions doivent également être menées au niveau de l Union Européenne. La coopération avec nos partenaires européens doit également nous permettre d optimiser nos dépenses de R&D, 29 GIFAS/5064/2006

32 de partager nos infrastructures et d ouvrir notre offre au marché européen. Il est donc proposé de renforcer notre coopération avec nos partenaires allemands en priorité, éventuellement avec le Royaume-Uni, la Finlande, la Suisse et l Autriche. Le cadre de coopération doit être précisé en fonction des nouveaux outils qui seront mis en place par la Commission (ERA-NET+, InnoNET). On pourra s inspirer au besoin de ce qui a été fait par la sous-direction IVCM (ERA-NET sur les biotechnologies) et par le STSI avec la DG Infosoc. Ce réseau associera les partenaires de grands programmes nationaux français à d autres programmes nationaux équivalents sur des domaines pour lesquels on ne risque pas de se retrouver en concurrence. La thématique énergie-environnement avec le programme E- NANO répond à ce critère. Il pourrait être associé au programme WING allemand. Ce réseau viendra en complément des ERA-Net NanoSci-ERA sur les nanosciences et MNT sur la micro-nano-électronique. 30 GIFAS/5064/2006

33 Pays Eléments de benchmark Données globales a * Marché actuel nanomat. * Marché * Croissance marché * Marché par produits Engagement et Positionnement des principaux pays leaders en matériaux/nanotechnologies Prévisions marchés Etats-Unis Japon Union Européenne Allemagne France Asie hors Japon TOTAL Mondial ; 0,5 4 ; 0,1% de la production industrielle ; ; 30 aux US 4 ; ; 2600 soit 15% de la production industrielle (nanotechnologies) 11,12 X3/an 6 ; X20/10 ans 5 ; X2/an 13 ; 85%/an 7 A court terme 5,6,13 : composites et particules ; membranes et filtres ; catalyse ; capteurs chimiques et biochimiques ; batteries et piles. A moyen terme 5 : mémoires ; photovoltaïque ; thérapies ciblées ; PAC ; piégeage CO2 ; conversion H2 A long terme 5 : électronique moléculaire ; prothèse pour aveugle et paralysé ; énergie durable > >38 NNI CSTP PCRD 8 gds réseaux Agences-Pôles 2 pges / 7 NIMS-NEDO Priorité NMP Pge WING Priorité ANR Budget public 2004 b Dont matériaux Politique nationale Visibilité Matériaux Budget privé 2004 b 1700 (400 VC) Recherche : nb (dont mat.) * Chercheurs >3500 * Centres de compétences 9 gds pôles 241 (88) 17 * Réseaux 144 (40) 4 * Laboratoires 200 univ. (222) * Brevets >6000 >12000 > ? >24000 * Publications 25% 24% 20% Industrie * Entreprises (dont mat.) * Start-ups (dont mat.) * Produits 875 (324) (220) (60) (93) a en milliards de dollars : les chiffres en style normal donne le marché lié à la vente directe de nanomatériaux, les chiffres en gras indiquent l impact économique des nanomatériaux sous forme de produits finaux b en millions d euro 1 DG-Bank & BASF estimation 2 Int Conf NanoRoadmap, Rome, 4 nov GIFAS/5064-1/2006

34 Deuxième partie Nanoélectronique et Microsystèmes Rédacteurs : Bruno FOUCHER Marie-France RAVAT Georges DESARMOT Michel SIRIEIX EADS CCR MBDA ONERA SAGEM DEFENSE SECURITE (Groupe SAFRAN) 32 GIFAS/5064/2006

35 INTRODUCTION Dans le domaine des nanotechnologies, le terme nanoélectronique désigne les composants électroniques dont les éléments de base ont des dimensions de l ordre de la dizaine de nanomètres. Cela recouvre bien sûr les évolutions des technologies microniques actuelles selon la loi dite de Moore, mais également de nouvelles technologies qu il est nécessaire de passer en revue ici. Les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sont des systèmes associant sur le silicium des fonctions électroniques (conversion de données, alimentation par exemple) à des fonctions mécaniques (accéléromètre, par exemple). Ces systèmes ont aujourd hui des dimensions plutôt microniques, mais pourront évoluer à l avenir vers des dimensions également nanométriques (NEMS Nano Electro Mechanical Systems). Les unes et les autres sont considérées comme des technologies génératrices d applications («key enabler»). Ainsi la figure 1 situe l impact financier potentiel de la nanoélectronique en tant qu évolution naturelle de la microélectronique : en 2004, l industrie microélectronique représentait 141 milliards d euros, mais était à l origine directement ou indirectement d activités industrielles qui pèsent milliards d euros. De plus, nanoélectronique et MEMS peuvent générer d autres activités industrielles. Figure 1: poids financier du secteur potentiellement impacté par la nanoélectronique Pour aborder ces technologies et répondre aux objectifs du groupe de travail, la démarche adoptée a été différente entre nanoélectronique et MEMS. Pour la nanoélectronique, l approche a d abord été de décrire les technologies et les applications. Ensuite, les problématiques et les proposition d actions associées ont été étudiées afin d identifier les enjeux, les difficultés et les incertitudes liés à l utilisation des technologies nanoélectroniques dans les équipements à destination de l aéronautique, de la défense et de l espace. 33 GIFAS/5064/2006

36 Pour les MEMS, il est apparu nécessaire de se concentrer principalement sur l environnement industriel de ces systèmes : maîtrise de l intégration des MEMS dans les systèmes, fabrication, recherche, conception. En effet, les technologies MEMS, décrites brièvement dans ce document, sont plus matures que la nanoélectronique. Le document examine ensuite les MEMS comme une réponse aux contraintes aéronautiques, d autant que quelques «success stories» de MEMS du domaine grand public, de l automobile ou du médical semblent ouvrir la voie. Les éléments clés pour les programmes de l industrie aéronautique, spatiale et de défense sont à trois niveaux : une excellente performance associée à fiabilité/maintenabilité et à une certaine flexibilité (réutilisation de concepts pour économiser les développements), un bon rapport qualité/ prix avec une notion de coût global sur le cycle de vie : développement + production + maintenance + coût de retrait de service, un management des risques tout au long du cycle de vie. Pour répondre aux objectifs du groupe de travail, le document étudie ensuite les stratégies d utilisation des MEMS dans l aéronautique, la défense et le spatial et énumère finalement les propositions d actions et les attentes vis à vis des pouvoirs publics. 34 GIFAS/5064/2006

37 A - NANOELECTRONIQUE 1 TYPES DE TECHNOLOGIES Pour ce chapitre, nous utilisons un extrait du rapport d EADS CCR référencé DCR/EP du 12/05/2005 et intitulé «Synthesis of the possible applications of nanotechnologies for electronic equipment in aeronautics». EXTRAIT DU RAPPORT DCR/EP EN ANGLAIS 1.1 GLOSSARY The following is a glossary of acronyms and terms used in this report. II-VI III-V AFM bottom-up CMOS CNT DRAM F FeRAM MRAM MTJ nanocrystal nanotube nanowire NEMS NVRAM OUM PCM quantum computing spin electronics spintronics SRAM top-down Semiconductors made out of the association of elements of the IIB- VIA columns of the Mendeleiev s table, such as CdSe Semiconductors made out of the association of elements of the IIIA- VA columns of the Mendeleiev s table, such as AsGa Atomic Force Microscope New technologies where basic components and elementary functions are built from (self) assembly of elements and connected to form the macrosystems Complementary Metal Oxide Semiconductor principal technology used currently for chip manufacture Carbon Nano Tubes Dynamic Random Access Memory minimum design rule dimension (e.g., 0.18 µm) Ferro electric Random Access Memory Magnetic Random Access Memory Magnetic Tunnel Junction Spheres made of semiconducting material embedded in an isolating layer High-strength cylindrical fullerene graphite structure with attractive physical and chemical properties Electrical wire of nanometric dimensions Nano Electro Mechanical Systems Non Volatile Random Access Memory Ovonic Unified Memory Phase Change Memory Storing and processing data in Qubits rather than binary digits (bits) to obtain exponential improvement in computing power Devices making use of spin states in semiconductor materials See spin electronics Static Random Access Memory Classical microelectronics technologies where structures are made onto silicon through lithography, implant and diffusion 35 GIFAS/5064/2006

38 1.2 INTRODUCTION Nanoelectronics can be defined as electronics at the deep submicron level that is, with circuit dimensions of less than 0.1 µm [HLG04]. Nanoelectronics make research in technologies, such as carbon nanotubes, to define components, which may be specific, such as single electron transistor. This excerpt discusses only technologies. Nano-characterisation tools are another subject for R&D projects. It is not, however, in the scope of this study. Just for a reminder, the following tools may be quoted as necessary for bottom-up techniques to improve and flourish: AFM, Atomic Force Microscope, which helps manipulating and characterising single atoms on surfaces, Other Near-Field Microscopy tools. Similarly, new simulation tools are needed by bottom-up techniques. In the manufacturing area as well as for functional purposes, simulation tools are needed and not yet available [LAN97]. Quantum computing simulation tools are just one example of what is needed. 1.3 THE TECHNOLOGIES According to the bibliography, we have chosen to group the technologies into three families: 1- technologies using top-down techniques: CMOS, III-V, II-VI technologies such as AsGa, SiGe, Nanocrystals, Nanomagnetism and spintronics, Semiconductor nanowires, 2- carbon nanotubes, 3- molecular and polymer electronics. Figure 2 illustrates these three families and the timescale of their appearance on the commercial field versus the minimum achievable dimension. This figure has been drawn according to our analysis of the bibliography. Figure 3 is another way to illustrate the same evolution, where dimensions is used as the x- axis, and technologies are represented by a few examples. 36 GIFAS/5064/2006

39 Minimum dimension 1 µm 100 nm 10 nm Top-down nanomagnetism nanocrystals CNT 1 nm Molecular electronics Years Figure 2: Years of appearance of nanotechnologies Figure 3: Expected order of commercialization of emerging electronic nanotechnologies 37 GIFAS/5064/2006

40 1.3.1 Expected characteristics and improvements a) CMOS Figure 4 illustrates the increase in memory size up to 64 Gb for 65 nm-generation. Similarly the chip frequency will increase from 5 GHz (2005) to 15 GHz (2010) and 50 Ghz (2018) - see [ITRS03]. This could be compared to the final expectations as described in paragraph 3. Figure 4: CMOS characteristics improvements b) Nanomagnetism and spintronics Based on spin injection, these technologies are less sensitive to radiation than charges. Another advantage has been identified for high frequency applications. The relaxation time of the spin is about 400 ps, compared to, at least 200 ns for the electrons: a factor 500. This, however, has only been studied at very low temperature today [NANO03]. Table 1 is a comparison of NVRAMs, where MRAM characteristics and improvements are detailed. 38 GIFAS/5064/2006

41 Memory type References DRAM SRAM Flash FeRAM OUM PCM [LAN04] [LAN04] [LAN04] [EIH585] [EIH585] [RED04] [VDI03-1] [LAN04] [VDI03-1] [RED04] [PED04] [JCG04] [LAN04] [VDI03-1] [RED04] [PED04] MRAM [LAN04] [EIH585] [VDI03-1] [NANO04] [RED04] [PED04] Fast Write speed moderate fast Slow Moderate Moderate µs / ms 100 ns 100 ns 10 ns 250 ns Read speed moderate fast fast Moderate Fast Fast (ns) < Density high low High medium High (Mbits/mm²) in 2007 Cell structure 1T1C 6T 1T 1T1C 1T1MTJ-1T4MTJ area in F 6 F² 150 F² 2 F² - 6 F² 20 F² - 60 F² 3 F² - 10 F² 50 F² - 6 F² Endureability (cycles) good Power (Write-mW) high low low (5) low (0.3) low (3) low (20) Refresh yes no no no no no Retention (years) no no Yes > 10 Partially Yes Yes > 10 at 85 C > at 130 C > 10 Scalability bad good good medium good good Radiation sensitive sensitive sensitive sensitive hard hard Write/erase capacitance CMOS logic tunnelling ferroelectric phase transition magnetization Table 1 : Comparison of non volatile memory types Another field of research is the life requirement. It is generally accepted that a 10-year lifetime is required. This could also be translated as writing operations (10 years and 1 ns per operation). The probability to achieve such a result has been expressed as a function of the energy, which is needed to switch the information. The higher the energy, the higher the probability to achieve the life requirement. Hence, in order to improve the life requirement, energy should increase, whereas, as a consequence of an increase in density, energy will decrease. Then, a trade-off between life requirement and density should be found. This explains where research is necessary. 39 GIFAS/5064/2006

42 c) Carbon nanotubes The maximum electrical conductivity of CNT are, at the best, 10 6 times better than copper [AVO04], [MEY02]. The current drive ability of CNT leads to better transconductance and output current [AVO04] than silicon transistors. For example, demonstration of 15 µa / 0.4 V or 2 ma / 2.5 V has been achieved, as well as current densities as high as A/cm² [EIH550], [EIH580]. Furthermore, the CNT transistor cut-off frequency has been measured as 10 times greater than the one of silicon transistors [NEC03]. CNT might also take advantage of the low resistance for power consuming applications. The thermal axial conductivity of 3,000 W/m.K compared to 150 W/m.K for silicon is also a premium in that field [MEY02], [KRE02]. The mechanical properties are also interesting for connection or NEMS applications: CNT exhibit a Young s modulus equal to 1 TPa (versus 70 GPa for aluminium) and a maximum strain 10 to 30 % greater than any other material [MEY02] Known or foreseen failure mechanisms a) CMOS The decrease of the minimum dimension will imply a change in failure mechanisms and modes as well as in reliability level. This is a concern for the years to come as illustrated by figure 5 (leakage current) and 6 (power dissipation for processing functions). Figure 5 : CMOS leakage current evolution Figure 6 : CMOS power dissipation evolution for processing functions 40 GIFAS/5064/2006

43 b) Nanomagnetism and spintronics There are questions about the stability of the magnetic properties: - magnetic material properties preserved from bulk to thin films [ITRS03], - loss of magnetic properties in case of dislocations in the oxide layer when dimensions may be as small as tens of nanometres [HES04]. More common failure mechanisms, such as the stability of the oxide barrier, are also under study [RED04]. Figure 7 shows that the resistance of the MTJ decreases by 4 % after 10 s when biased at 88 % of maximum voltage. Figure 7: Ageing of the MTJ oxide barrier [RED04] c) Carbon nanotubes The process control, up to now, has not solved the problems of [AVO04]: - the percentage of metallic and semiconductor CNT in one production batch, - the positioning of the CNT on the wafer, - the variation of diameter and twist from batch to batch, and the reproduceability of metallic and semiconductor CNT. As an example, a paper announced recently, for transistors, 45 % of semiconductor CNT, 23 % of metallic CNT and 33 % of open-circuits (probably the CNT is not well located on the transistor) [NANO05]. Another reliability issue at the CNT transistor level is due to tunnelling between source and drain and the control of lithographical steps, where both source and drain are made at both ends of the CNT [AVO04]. 2 CATEGORIES D APPLICATIONS ACTUELLES ET POTENTIELLES Pour ce chapitre également, nous utilisons un extrait du rapport d EADS CCR référencé DCR/EP du 12/05/2005 et intitulé «Synthesis of the possible applications of nanotechnologies for electronic equipment in aeronautics». 41 GIFAS/5064/2006

44 EXTRAIT DU RAPPORT DCR/EP EN ANGLAIS This chapter reviews the possible applications in aeronautics according to internal, as well as external, roadmaps. It also lists the expected improvements in the field of aeronautics related to the introduction of nanoelectronics. The following references have been used in this paragraph: [NASA05], [HLG04], [BEN04], [GEI04], [NNI00]. The applications may be summed up according to the following list: 1. cleaner, safer and more comfortable transport: - availability of more powerful virtual reality stations impact for the design and use of our products, - increase in the flight computer capability (speed, efficiency, storage), - availability of foldable, flexible or smaller panel displays (entertainment), - energy storage (CNT), - thermal isolation (CNT), 2. cost-efficient maintenance: - availability of on-board, real-time HUMS (Health and Usage Management Systems), - self-repairing systems, - fault-tolerant architectures, - radiation-hard solutions, - nanometre-range strain gauges (CNT), 3. anti-terrorism and security applications: - availability of on-board, real-time HUMS (Health and Usage Management Systems), - tags for arm control, customs, civil security, and so on, - ballistic protection (CNT), 4. unmanned combat. The expected improvements in these applications have been ultimately assessed as: computation capability, speed and/or efficiency of microprocessors multiplied by 10 6, memories available with Terabits per unit surface (1000-fold what exists today), bandwidth multiplied by , foldable panel displays available and 10-fold brighter, weight loss estimated at 30 %, noise decreased about 20 %. On the negative side, the increase in bandwidth capacity would mean a decrease in professional journeys, hence a smaller need for planes, due to better and more powerful telecommunication tools. 3 PROBLEMATIQUES RELATIVES A CES TECHNOLOGIES La première des démarches est d identifier où investir (sur quelles technologies) et quand. Il est également nécessaire d identifier les meilleurs partenaires universitaires et le meilleur 42 GIFAS/5064/2006

45 démonstrateur. Cette veille technologique peut-être le fait des industriels séparément ou en commun au sein du GIFAS 3. Au delà se posent des problématiques techniques et industrielles que nous allons illustrer par l exemple. Considérons qu à la suite des analyses précédentes, il soit possible de sélectionner trois nanotechnologies sur lesquelles les industries aéronautiques peuvent investir : à courtterme le CMOS, et plus spécialement les évolutions de la fiabilité associée ; à moyen-terme, le nanomagnétisme, et plus spécialement les MRAM, et à long-terme, les CNT pour la multiplicité de leurs applications. 3.1 PROBLEMATIQUES TECHNIQUES Puisque l électronique Grand Public donne les grandes orientations des composants disponibles, les axes de travaux dédiés seraient alors les suivants 1 : Caractérisation du domaine d application en environnement sévère (température, humidité, pression, vibration, chocs, ) et de la fiabilité associée, Adaptation aux besoins du démonstrateur choisi (environnement), Mécanismes de défaillances de ces nouvelles technologies et des composants associés, Politique de mise en oeuvre de ces technologies/composants dans des environnements pour lesquels ils pourraient n être ni spécifiés, ni garantis, Développement de modèles de défaillance, tels que des modèles de la Physique de la Défaillance, et intégration de ces modèles dans des outils de qualification virtuelle pour évaluer la fiabilité, le déverminage, la maturité des équipements qui intègrent ces nouvelles technologies, Etude de méthodes pour aborder les questions de la pérennité des technologies et comment aborder l obsolescence inter-opérabilité des différentes technologies, interfaces normalisées, portabilité des fonctions d une technologie à l autre, Application aux nano-capteurs et aux nano-actuateurs (meilleure sensibilité, sélectivité, contrôle environnemental, ). 3.2 PROBLEMATIQUES INDUSTRIELLES Au-delà des questions techniques, l impact de ces nouvelles technologies sur au moins deux problématiques industrielles doit être abordé à plus ou moins long terme. Evoqués au paragraphe précédent, l impact sur la maintenance et la diminution des déplacements professionnels sont très spécifiques au domaine aéronautique et spatial. Si la seconde préoccupation relève plus d études marketing, la première nécessite des réflexions avec les clients et les utilisateurs civils ou militaires pour définir les possibilités, les orientations et les besoins (par exemple, en raison de capacités de maintenance interne et/ou de reconfiguration). Une autre problématique industrielle, également évoquée, concerne les questions d exportation, notamment avec la possibilité de doter même des composants microélectronique de tag ou RF-ID. 3 Voir les actions proposées dans la fiche descriptive de technologie de rupture potentielle donnée en exemple en annexe B GIFAS/5064/2006

46 3.3 PROBLEMATIQUES SOCIETALES Comme pour toute nouvelle technologie, les problématiques sociétales ne doivent pas être ignorées. Ces problématiques peuvent être classées en deux catégories : celles qui ne concernent pas seulement les industries aéronautiques et spatiales et celles qui les touchent de plus près. Dans la première catégorie peuvent être évoquées les questions d environnement. Les nanomatériaux peuvent servir à améliorer les traitements anti-pollution (catalyse), mais n y a- t-il pas un risque de pollution par l utilisation massive de CNT? et doit-on préparer le retraitement de tels matériaux? De même, quel est l impact sur la santé : quels sont les risques de dispersion des CNT au cours de leur élaboration ou de leur utilisation? Y-a-t-il risque d inhalation et quel est l impact sur l homme de l inhalation accidentelle de CNT en cas d exposition directe ou indirecte? Y aurait-il des précautions à prendre pour leur manipulation directe ou indirecte? Une autre problématique concerne la protection de la vie privée : la multiplication des nano-systèmes facilitant la surveillance des habitudes, des déplacements,. Dans la seconde catégorie figurent la biométrie et ses applications, ou d autres applications liées à la sécurité. Pour toutes ces problématiques, la question de l acceptabilité sociale des nouvelles technologies est primordiale. En effet, de récents exemples, tels que les OGM, ont montré que des innovations peuvent être au minimum ralenties par un déficit d acceptabilité sociale. Si des études d impact environnemental, sanitaires ou sociales peuvent être soutenues par le GIFAS entre autres, des études sur les limites entre protection de la vie privée et sécurité sont, elles, plus spécifiquement de son ressort. Il est important de souligner que la publication des résultats devra être la plus ouverte et la plus transparente possible. 44 GIFAS/5064/2006

47 4 POINTS MAJEURS D ANTICIPATION Dans le tableau 2, les croix en gras figurent les points majeurs d anticipation. Délai Court terme Moyen terme Long terme Technologie CMOS spintronique CNT PROBLEMATIQUE technique X X X industrielle - X X sociétale - - X Tableau 2 : points majeurs d anticipation 5 ATTENTES VIS-A-VIS DES POUVOIRS PUBLICS Les moyens existants sont listés dans le tableau 3. Délai Court terme Moyen terme Long terme Technologie CMOS spintronique CNT Moyens GIFAS GT Nano d action national 4 OMNT pour la veille technologique existants Groupe Nano du CNRT MINATEC Ideas lab PNANO PNANO RMNT ANRT Européen² ENIAC 7 PCRD Tableau 3 : moyens existants Le tableau 4 liste les moyens d actions proposés au niveau GIFAS, aux services publics nationaux et européens. Il y est fait référence à deux documents de base [COM05] et [LEM05] : Le plan «Nanomatériaux» du Ministère de l Industrie (en cours d élaboration) DGE/SIMAP/ITVM du 23 août 2005, La communication de la Commission Européenne au Conseil, au Parlement Européen et au Comité Economique et Social Nanosciences et nanotechnologies : un plan d action pour l Europe COM (2005) 243 final du 07/06/ Promouvoir au sein de ces programmes les projets dédiés aux problématiques identifiées. 45 GIFAS/5064/2006

48 GIFAS A1 - créer une cellule de veille technologique (permanente?) a. A11 - étudier notamment sur ce que font nos compétiteurs b. A12 - participer à l objectif 2 «faciliter les échanges» du plan «Nanomatériaux» du ministère de l industrie c. A13 répondre à l action de la fiche 2.1 de ce plan «nanomatériaux» prévue en T (choix d un animateur/facilitateur) d. A14 participer à la fiche 2.2 de ce même plan e. A15 participer à la fiche 3.1 de ce même plan (définition d une doctrine française en matière de réglementation/normalisation) f. A16 suivre les résultats des actions du chapitre 6 et 7.1.b du plan d action de la Commission qui couvre en partie nos problématiques sociétales g. A17 suivre les développements de l action 7.1.a du plan d action de la Commission et, notamment, ses implications pour notre industrie A2 diffuser largement les rapports du GT Nano GIFAS et recueillir les réactions A3 adhérer à un MINATEC Ideas Lab dédié à nos problématiques techniques et industrielles - inscription du GIFAS et/ou des industriels A4 faire du lobbying pour que les «invitations de la Commission aux Etats membres» trouvent une application rapide en France, notamment pour nos problématiques identifiées ci-dessus on se reportera notamment aux «invitations» suivantes du plan d action de la Commission : 1.2, 4.2.a, 5.2.c A5 soutenir l action 3.1.c «prix européen» du plan d action de la Commission A6 participer aux actions 4.1.a et 4.1.c du plan d action de la Commission Au plan national B1 développer un plan «nanoélectronique» similaire au plan «nanomatériaux» B2 - ajouter une fiche sur les problématiques techniques et industrielles listées ci-dessus au premier objectif «soutenir le développement de filières thématiques prioritaires» du plan «Nanomatériaux» B3 dans ce premier objectif, compléter la fiche 1.2 «améliorer la santé, la sécurité et le confort» en y intégrant nos problématiques sociétales B4 intégrer nos problématiques techniques, industrielles et sociétales à la fiche 4.1 du plan «nanomatériaux» - faire de ces problématiques un des outils de structuration de la recherche B5 développer des actions spécifiques répondant au paragraphe 4.2.a du plan d action de la Commission, dans le cadre du (des) pôle(s) de compétitivité identifiés en nanoélectronique (Minalogic) pour soutenir des PME intégrant nos problématiques techniques Au plan européen C1 - créer une plate-forme/joint Technology Initiative «fiabilité» au sein d ENIAC chargée de sélectionner de futurs projets européens (en cohérence avec le paragraphe 1.1.d du plan d action de la Commission) C2 - suggérer un thème commun AERO NMP comme il y a un thème commun IST- NMP C3 proposer notre liste de problématiques techniques, industrielles et sociétales comme base des programmes européens pour ce thème AERO-NMP C4 intégrer cette démarche à l aide spécifique décrite au paragraphe 1.1.b du plan d action de la Commission C5 intégrer nos problématiques sociétales (non couvertes par le chapitre 6 du plan d action de la Commission) au soutien décrit aux paragraphes 1.1.c, 2.1.a et 5.1.c de ce même plan Tableau 4 : attente vis-à-vis du GIFAS et des pouvoirs publics La création d une cellule permanente au sein du GIFAS coûterait de l ordre de k par an (pour un minimum de deux personnes). Le coût d adhésion à MINATEC Ideas Labs n est pas clairement affiché. Il s agit plutôt de spécifier des applications et de les caractériser par la suite. Le coût est donc déterminé au cas par cas et, a priori, non récurrent. Le coût d une fiche dédiée à nos problématiques devrait être voisin de celui de la fiche 1.1, dédiée à l énergie, soit un support public de 5 M /an sur 5 ans. 46 GIFAS/5064/2006

49 6 BIBLIOGRAPHIE [AVO04] [BEN04] [COM05] [EIH550] Supertubes P. Avouris IEEE Spectrum, August 2004, pp The nanotechnology industry key stakeholders and players Preliminary report to EADS A. Bensoussan, S. Getten International Center for Decision and Risk Analysis (ICDRiA) The University of Texas at Dallas December 2004 Communication de la Commission Européenne au Conseil, au Parlement Européen et au Comité Economique et Social Nanosciences et nanotechnologies : un plan d action pour l Europe COM(2005) 243 final du 07/06/2005 Infineon démontre l utilité des nanotubes de carbone en puissance Elisabeth Feder Electronique International Hebdo, n 550, 4 mars 2004, p. 19 [EIH580] 18 nm pour le plus petit transistor de l industrie! Françoise Grosvalet [EIH585] [GEI04] [HES04] [HLG04] [ITRS03] [JCG04] [KRE02] Electronique International Hebdo, n 580, 25 novembre 2004, p. 3 Les Japonais font le forcing en MRAM Françoise Grosvalet Electronique International Hebdo, n , 13 janvier 2005, p. 16 Report State of the Art (WP1) & art of the Possible (WP2) M. Geistbeck Emerging Technologies and Radical Systems network (ETRS) DLR ONERA CRC Airbus Technology stream: Nanotechnology received 14/12/2004 Small defects have large impact Max Planck Society Press Release January, 19 th 2004 Vision 2020 nanoelectronics: at the centre of change A far-sighted strategy for Europe Report of the high level group June 2004 European Commission EUR21149 ISBN The International Technology Roadmap for Semiconductors SIA/EECA/EIAJ/KSIA/TSIA 2003 Update Un pas de plus pour la mémoire à changement de phase J.-C. G. Industrie et Technologies, n 860, septembre 2004 Carbon nanotubes in interconnect applications F. Kreupl, A.P. Graham, G.S. Duesberg, W. Steinhögl, M. Liebau, E. Unger, W. Hönlein Microelectronic Engineering 64 (2002) [LAN04] Les RAM non volatiles en voie de banalisation? J.-P. Landragin Electronique, n 151, octobre 2004, pp [LAN97] Les matériaux semiconducteurs M. Lannoo Cahier de Synthèse, Assises Nationales Matériaux du CNRS, décembre GIFAS/5064/2006

50 [LEM05] Plan «Nanomatériaux» 10 propositions d actions concrètes Gilles LE MAROIS Ministère de l Industrie (en cours d élaboration) DGE/SIMAP/ITVM, 23 août 2005, [MEY02] Nanotechnology and Mechanical Engineering M. Meyyappan A workshop on «Redefining Mechanical Engineering» Clearwater, FL, January 25-27, 2002 [NANO03] Actes de la journée Nanotechnologie du 16 janvier 2003 à Paris Club Nanotechnologie & ENS Cachan sous l égide du Ministère délégué à la Recherche et aux Nouvelles Technologies Publiés par le Club Nanotechnologie [NANO04] Les micro et nanotechnologies en 2003 : quelles avancées, quelles perspectives? Séminaire de synthèse de l Observatoire des Micro et Nano Technologies (OMNT) 29 janvier 2004 Paris [NANO05] Les micro et nanotechnologies en 2004 Séminaire de synthèse de l Observatoire des Micro et Nano Technologies (OMNT) 27 janvier 2005 Paris [NASA05] [NEC03] [NNI00] [PED04] Nanotechnology for NASA missions Nanotechnologies: opportunities and challenges NASA internet website as of 12/01/ as of 26/09/2003 National Nanotechnology Initiative The initiative and its implementation plan National Science and Technology Council Committee on Technology Subcommittee on Nanoscale Science, Engineering and Technology, Washington DC, July 2000 Mémoires Flash et mémoires NV embarquées : présent et avenir T. Pedron 5 ème journées nationales du Réseau Micro et Nano Technologies 11 au 13 octobre 2004, Cassis, France [RED04] Les Mémoires Magnétiques à Accès Aléatoire (MRAM) : quel futur en dessous de 90nm? O. Redon 5 ème journées nationales du Réseau Micro et Nano Technologies 11 au 13 octobre 2004, Cassis, France [VDI03-1] Technologie-früherkennung Ergebnisse des Fachgesprächs : Nichtflüchtige Datenspeicher A. Zweck, J. Dreβen, A. Hoffknecht Gefördert vom BMBF VDI-Technologiezentrum Zukünftige Technologien Nr. 44 Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrums, ISSN , Januar GIFAS/5064/2006

51 7 FICHE DESCRIPTIVE DE TECHNOLOGIE DE RUPTURE POTENTIELLE Titre : Nano-électronique Auteur : EADS CCR (B. Foucher) Description de la rupture potentielle : Les fonctions électroniques seront réalisées par des éléments de dimensions nanométriques auto-assemblés (point quantique, transistors à un électron, électronique de spin, ). Ces éléments seront également connectés entre eux et avec l extérieur par des connexions construites par auto-assemblage d éléments nanométriques (nanotubes). Hormis l évidente réduction des dimensions, de la consommation et du poids, une augmentation des caractéristiques, notamment le stockage et la vitesse de traitement sont attendus. La rupture technologique est constituée par : La réalisation des éléments nanométriques, Les techniques d auto assemblage, Les techniques d interfaçage, Les nouvelles architectures électroniques (calcul quantique). En complément aux évolutions de la microélectronique par réduction des dimensions lithographiées (démarche «top-down»), cette rupture technologique «bottom-up» passera par une phase hybride où des structures nanométriques seront assemblées par «catalyse» préférentielle sur des structures CMOS d interface. Quelques performances attendues d ici x années : Les performances que devraient atteindre la nano-électronique sont : Améliorer la vitesse des ordinateurs et leur efficacité par un facteur 10 6 au minimum, Multiplier le stockage électronique de masse grâce à des mémoires de plusieurs Terabits (1000 fois plus), Multiplier la bande passante par 100 pour améliorer les communications, Avoir des écrans plats pliables 10 fois plus lumineux. (Ces éléments ont été tirés de la «National Nanotechnology Initiative» publiée par le NTSC en Juillet 2000) Les toutes premières réalisations industrielles sont apparues en 2004 (première réalisation de l électronique de spin : mémoires MRAM). Il s agit toutefois encore d une technologie «topdown «intégrant un point mémoire dont le fonctionnement est celui de l électromagnétisme. Les technologies CMOS devraient poursuivre leur intégration jusqu à 10 nm aux environs de Selon les sources, pour les technologies hybrides, les nano-tubes, les nano-fils et l électronique moléculaire hybride, les premières réalisations sont attendues entre 2010 et L électronique moléculaire devrait suivre. Ensuite seulement des applications d électronique de spin et de calcul quantique. 49 GIFAS/5064/2006

52 Applications potentielles de la technologie et nature de son impact sur nos produits / activités : Dans le domaine d application EADS, des améliorations sur l intelligence, la masse et la maintenance de nos produits sont envisageables : Augmentation de la capacité des calculateurs de vol (vitesse, efficacité et stockage), Pour les mêmes raisons, mise à disposition de stations de réalité virtuelle plus puissantes, avec des répercussions sur la conception et l utilisation de nos produits (cf. les simulateurs de vol), Disponibilité d écrans plats pliables pour avions, Développement de HUMS (Health & Usage Monitoring Systems) intégrés et plus généralement de capteurs nanométriques, Apparition du combat sans soldat («unmanned combat»). En terme d impact négatif pour EADS, l augmentation de la bande passante pourrait se traduire par une diminution des déplacements professionnels (moyens de communications rapides/puissants). Types d actions proposées: Veille active : identifier les technologies, les acteurs, les domaines dans lesquels il est opportun (en temps et en maturité de développement) de faire un investissement direct (projet applicatif, soutien d une équipe de recherche, achat de brevet, soutien de spin-off, ). PEA sur : la caractérisation des nouveaux composants au fur et à mesure de leur apparition sur le marché ; pour les technologies jugées mûres, projet de mise en œuvre sur des applications ciblées. 50 GIFAS/5064/2006

53 B - LES MEMS (MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS) 1 MAITRISE DES MEMS DANS LES SYSTEMES 1.1 COMMENT CONSTRUIRE UNE ARCHITECTURE DE SYSTEME FAISANT APPEL AUX TECHNOLOGIES MEMS? Les éléments transducteurs des MEMS qui peuvent utiliser comme entrées et sorties des grandeurs physiques mécanique, thermique, électrique, chimique, magnétique ou optique font appel à des compétences de physique multidisciplinaires en ce qui concerne leur packaging et leurs interconnexions avec les systèmes. Dans les industries aéronautique et de défense, les MEMS ne peuvent être considérés comme des composants et l intégration sur une puce de fonctions mécaniques, électriques et éventuellement optiques nécessite au niveau de la conception des compétences de systémier. Pour le systémier la maîtrise du savoir faire réside dans l architecture du système et le savoir spécifier : la conception des éléments, le traitement de signal, la fabrication, l intégration, l interconnexion, le test. Les applications du domaine de l industrie aéronautique et de défense sont, en matière de spécifications d environnement, quelquefois assez différentes des applications grand public, médicales ou même automobile et ceci peut conduire à adapter l environnement proche des MEMS à un environnement plus standard. La réponse à cette problématique réside dans l interaction étroite entre système et composant, donc dans l architecture. Elle doit être prise en compte d emblée, ce qui peut changer de manière sensible les habitudes de travail et le partage des responsabilités au sein des équipes de développement. L introduction des MEMS conduira à des modifications profondes des architectures des systèmes et équipements complexes en aéronautique, dans l espace et en défense (actuateurs, capteurs, antennes, architecture des systèmes, traitement de données ). 1.2 PROBLEMATIQUE DE LA FABRICATION DES MEMS Cependant, quand les performances sont rendues compatibles avec les besoins du domaine aéronautique et de défense, soit parce que des composants existants (COTS : «commercial off-the-shelf») répondent à la spécification, soit par l adaptation de composants COTS existants, soit par un design véritablement spécifique aux besoins, il reste une autre question qui est celle de l accessibilité et de la pérennité des sources d approvisionnement : comment fabriquer ou faire fabriquer de tels produits? La donnée de base dans nos industries est la relativement faible quantité de produits à réaliser pour un programme donné. Cette notion est antinomique avec les objectifs qui prévalent dans 51 GIFAS/5064/2006

54 le développement des micro et nano- technologies : La réduction d échelle est utilisée pour permettre des productions de masse à bas prix! Pour nos industries, nous recherchons à travers ces produits à obtenir une performance supérieure. Nous sommes donc dans une approche pilotée par la technologie et non directement par le marché. Néanmoins, nous subissons les contraintes économiques et cette performance technologique a un prix qui doit rester compatible avec notre marché. La stratégie de l entreprise va gouverner les choix essentiels dans ce domaine : Indépendance technologique, peut-on tout faire dans ce domaine? Partenariats stratégiques avec l industrie des composants, quelles sont les limites? Pour cette analyse nous devons examiner la situation de la recherche et de l industrie en France, en Europe et dans le monde pour en déduire des propositions. 2 LA RECHERCHE SUR LES MEMS Comme pour toute nouvelle technologie, nous constatons un intérêt particulier du monde de la recherche pour les micro et nanotechnologies. Ceci est particulièrement illustré en France par l existence depuis plus de 15 ans d un «Club nanotechnologies», puis plus récemment d un Réseau de Recherche «Nanotechnologies», au niveau européen par le financement de grands programmes de recherche comme MEDEA, EURIMUS, NEXUS, le réseau allemand MST. Le CNRS, par le biais de ses laboratoires et de ses pôles technologiques en Ile de France (IEF, ESIEE, ENS Cachan, LPN, IOTA), à Toulouse (LAAS), Lille (IEMN), Besançon (LPMO), Limoges (IRCOM), est très actif dans le domaine. Des transferts technologiques depuis le Japon ont été organisés sous sa houlette. De grands organismes comme le CEA-LETI se sont organisés pour développer un pôle de recherche technologique dédié aux nanotechnologies : MINATEC à Grenoble, notamment. Ces technologies sont abondamment disponibles au niveau mondial dans le domaine universitaire : Ceci présente des avantages mais aussi des inconvénients, notamment lorsque ces technologies sont utilisées à des fins militaires, il existe un risque de prolifération. Cependant, ce risque est limité car comme on l a vu précédemment, le MEMS seul n est rien sans son environnement d utilisation et en particulier l architecture peut contribuer largement à la performance et à la fiabilité du système global. Les recherches sur l aspect «système» sont nettement moins avancées que celles sur les technologies. Là encore, en France, le CEA a engagé un véritable effort dans ce domaine au LIST (Laboratoire d Ingénierie Système et de Technologies à Saclay). Le challenge des MEMS dans les industries aéronautique et de défense est dans leur insertion technologique. Classiquement, toute technologie a besoin de maturité, d applications potentielles et d investissements ; les programmes veulent une technologie efficace et peu chère, très vite et ne pas en être le premier utilisateur. Pour les MEMS, le challenge semble aigu du fait que tout le monde de la recherche s intéresse aux MEMS, mais que peu de sociétés industrielles se sont emparées des innombrables concepts étudiés par les universités et les laboratoires pour en faire de véritables produits. Au plan industriel, le besoin se situe au niveau applicatif, dans les méthodes de simulation de micro-systèmes basées sur des modèles physiques de fonctions prenant en compte les aspects technologiques. Les simulations doivent être utilisées à plus haut niveau et il nécessaire de pouvoir établir des passerelles entre les différents niveaux afin de permettre au systémier de faire un travail efficace au plan de l architecture. 52 GIFAS/5064/2006

55 3 LA CONCEPTION DES MEMS Il existe des possibilités de conception via des «MEMS design houses» qui se sont développées dans le cadre européen grâce à «Europractice». Les concepteurs de micro-systèmes accèdent à un savoir faire MEMS au travers de «design kits» des fonderies protégés par la propriété intellectuelle du fondeur. L accès est en général facilité pour tous clients mais cette offre de design est naissante. Ceci est plus particulièrement dédié aux MEMS de moyennes performances, les procédés sont standards pour un client externe qui veut maîtriser sa conception. Il existe aussi des «design kits» accessibles aux «design houses» plus élaborés qui permettent alors d acheter de la conception du composant MEMS. Les centres de conception : centres de recherche publics : FhG, CSEM, LETI, AEA, privés : spinoff des laboratoires précédents (Colibrys, Tronic s), les autres étant pratiquement inexistants. 4 TECHNOLOGIES MEMS 4.1 TECHNOLOGIES DE TYPE FILIERE SI Elles constituent la grande majorité, notamment pour les produits à large diffusion : Les filières critiques pour réaliser la partie MEMS sont des filières simplifiées (investissement < 10 M ) L intégration de fonctions complexes (traitement du signal, ) peut justifier de filières de haut niveau. Les fonderies: Industrielles ouvertes : rares, surtout dans la Silicon Valley aux USA Issues de start-ups : se développent partout surtout auprès de laboratoires de recherche : Tronics (LETI), JDS/Cronos (MCNC), Kymata MEMS (TMP), Colibrys (CSEM) Privatives qui s ouvrent à d autres : Multiproject Wafer (MPW), SensoNor, Bosch, Analog Devices, Privatives fermées : Siemens, ST, Motorola, Texas, Temic, Thales Avionics, Auxitrol, Memscap fin AUTRES TECHNOLOGIES Certaines fonctions spécifiques peuvent nécessiter l introduction de matériaux non compatibles avec les filières Si (quartz, AsGa, matériaux magnétiques, polymères ) Certains process technologiques sont non compatibles avec les filières Si classiques (microelectroforming,...). 53 GIFAS/5064/2006

56 4.3 MEMS SPECIFIQUES Les MEMS à performances spécifiques non couvertes par les filières civiles de grande diffusion se caractérisent par : des fonctionnalités spécifiques, des technologies spécifiques, des technologies classiques configurées pour obtenir des performances ultimes, une conception et une modélisation fortement liées à l équipementier, un traitement industriel spécifique : filières flexibles adaptées. 4.4 MODELISATION La modélisation des MEMS est spécifique : modèles 3D croisés : composants, électromécaniques, optiques, Les éléments finis permettent d accéder de manière fine à des simulations d un ou deux phénomènes physiques à la fois. Le besoin pour les micro-systèmes se situe à l heure actuelle au niveau des passerelles entre les modèles microscopiques et les modèles physiques macroscopiques qui permettent d alimenter des simulations système. Modèles de fiabilité spécifiques : des travaux importants sont en cours pour développer des modèles de fiabilité qui doivent être utilisés au plus tôt dans la chaîne de simulation de conception. 5 FABRICATION DES MEMS POUR L AERONAUTIQUE, L ESPACE ET LA DEFENSE La problématique de la fabrication des MEMS en aéronautique, espace et défense se pose de la façon suivante : faibles quantités : moins de 25 wafers par an et par produit, peu d intérêt pour ce marché de la part de grands fondeur établis (ex : ST, Analog Device), pérennité des fonderies ouvertes : leur pari est d avoir plusieurs clients sur une même technologie (ex : Colibrys), mais si le business manque, elles peuvent recentrer leurs activités pour des questions de rentabilité (ex : MEMSCAP), voire disparaître (ex : PHS MEMS), d où un risque pour notre industrie, industrie naissante, procédures de développement immatures, manque de recul sur la fiabilité, obsolescence et évolution des procédés, investissements lourds, coûts non récurrents élevés. Les solutions existent pour les équipementiers et les systémiers ; l idéal pour utiliser des COTS sans trop de risques est d avoir une approche duale civile/militaire (ex : Sumitomo, BAE) mais il faut dans tous les cas : faire des stocks stratégiques pour la durée du programme, globaliser les quantités, 54 GIFAS/5064/2006

57 adapter l environnement proche du composant par des moyens système, sinon, développer des MEMS spécifiques (Ex : MEMS haute performance en défense), réserver à très peu de cas où le coût n est pas l élément prédominant! 6 STRATEGIES DE FABRICATION DES MEMS 6.1 PAR NIVEAU DE PERFORMANCES MEMS basses performances : Les composants sur étagères ou «COTS» constituent une solution à la fois économique et pérenne si l on s en tient à la seule fonction. Il faut avoir la possibilité d acheter (c est à dire s assurer que le composant est vraiment disponible commercialement et sans limitations) et de concevoir les systèmes autour de composants du commerce. La prévention contre le risque de prolifération peut en limiter la liberté commerciale MEMS moyennes performances : Les MEMS de moyenne performances nécessitent d avoir la possibilité de concevoir le design du composant spécifique. Pour cela il faut avoir : la possibilité de sous-traiter à des fonderies ouvertes, la maîtrise du sous-système, la maîtrise du client, la maîtrise du socle technologique. Dans ces conditions le risque de prolifération est atténué MEMS hautes performances : Pour les MEMS de hautes performances qui constituent l enjeu principal pour nos industries, le savoir faire systémier est essentiel. Plusieurs stratégies sont possibles : concevoir et fabriquer en captif : c est un choix stratégique d entreprise car l investissement est très lourd, sous-traiter à des fonderies ouvertes : les difficultés peuvent venir de l accès aux matériaux et procédés les plus avancés. Cela relève alors d accords commerciaux ou de partenariats. Dans les deux cas les risques de prolifération sont faibles. 6.2 PAR TYPE D APPLICATIONS MEMS inertiels, pression, magnétométrie : Pour ces applications, les technologies existent en France : soit sous forme technologies captives chez Thales Avionics pour des produits de hautes performances et chez Sagem Défense Sécurité pour des accéléromètres. soit sous forme technologies ouvertes chez Auxitrol pour les capteurs de pression, chez Tronic s pour des accéléromètre de moyennes performances. 55 GIFAS/5064/2006

58 6.2.2 MEMS Hyperfréquence : Il s agit d une activité technologique connexe à celle des semiconducteurs. Quelques start-up proposent des produits ou des services : MEMSCAP, TRONIC s, Colibrys. Les applications principales concernent les radar et les systèmes de contre mesures radio. L importance de la technologie sur les performances nécessite de recourir à une stratégie de partenariat pour : Eviter les obsolescences des procédés Proposer une politique d achat composants Assurer la pérennité des produits. 6.3 FABRICATION CAPTIVE Elle dépend d une décision stratégique d entreprise. En général, il est nécessaire d avoir des fabrications duales pour accéder à des quantités suffisantes pour maintenir les infrastructures nécessaires. Les salles blanches (200 à 500m²) de classe 1000 à nécessitent un investissement total de 5 M à 10 M. Le coût de fonctionnement fixe se situe entre 0,5 et 1 M /an auxquels s ajoutent 1,5 M /an de frais de personnel. Il faut aussi acquérir le savoir faire technologique, le maintenir et le faire progresser. Pour fabriquer des MEMS de hautes performances, ces trois conditions sont difficiles à remplir compte tenu de l éventail des technologies. Il faut également acquérir des moyens de conception adaptés («design kit» des fonderies) et disposer des outils de conception. Ces derniers existent en petit nombre : Coventor (USA), Memscap (France), Intelli Sense (USA). Cette maîtrise de la conception et de la production du micro-composant MEMS dans certaines macro fonctions existe en France chez Thales Avionic et Sagem Défense Sécurité. Il y a incompatibilité entre les forts volumes et les faibles volumes. Dès qu un fondeur capture un marché très important, il échappe aux fondeurs potentiels pour l industrie aéronautique et de défense. La solution est peut-être à trouver dans des anciennes fonderies Si (Europe de l Est : en Pologne, ITE par exemple, en Chine ou en Inde) qui n ont pas pu suivre la course à la miniaturisation et qui sont aujourd hui bien adaptées à la fabrication des MEMS. 6.4 CONSOLIDER LE SOCLE TECHNOLOGIQUE : Pour cela, il convient tout d abord d assurer la recherche technologique de base en France par un financement public suffisant auprès des laboratoires les plus performants : CEA-LETI, IEMN, ESIEE, LAAS, IEF. Ensuite, il faut maîtriser les briques technologiques : ce savoir-faire existe au CEA-LETI. La coopération industrielle devient alors un élément essentiel pour orienter les travaux dans la bonne direction. 56 GIFAS/5064/2006

59 6.5 TROUVER LES BRIQUES MANQUANTES EN EUROPE L Europe permet d élargir le champ des filières technologiques et donc de trouver les briques manquantes. Les laboratoires suivants possèdent une grande compétence technologique: FhG, CSEM, SINTEF, VTT, IMEC, Qinetiq (ex DERA). Les accords dans le domaine RTD pour Défense comme ceux conclus dans le cadre du CEPA2 Eurofinder ont permis de répondre à ce besoin. Il convient maintenant de les étendre ou de les reconduire dans le cadre de l Agence Européenne de Défense. 6.6 INVENTAIRE EUROPEEN DES PARTENAIRES POTENTIELS EN MILITAIRE : En Allemagne : le FhG et les industriels sont très impliqués dans le domaine de l automobile, ce qui crée un déséquilibre entre les projets civils et les projets militaires ; d où la nécessité de décision politique de coopération, jusqu ici assurée dans le cadre Eurofinder, pour le futur dans le cadre des projets de R&T de l AED. Au Royaume Uni, BAE Systems et Sumitomo peuvent jouer un rôle, mais nous constatons le peu de laboratoires ou d industriels qui travaillent sur les MEMS. Dans les autres pays, nous trouvons Alenia MS et ST en Italie, TNO/Thales Naval Systems en Hollande, Ericsson, SAAB en Suède. 7 FIABILITE LONG TERME Nous constatons un manque d expérience dans le domaine ainsi que le peu de recul sur ce sujet important. C est maintenant qu il faut démarrer des plans d essais long terme et des travaux de simulation sur les mécanismes de défaillance. Il ne faudra pas oublier que ces essais sont spécifiques à une application/environnement. 8 LES MESSAGES 8.1 LES MEMS ET LES SYSTEMES MILITAIRES ET AERONAUTIQUES Dans les systèmes militaires, l adaptation des produits et technologies civils doit être la règle de base. En effet un process développé par un laboratoire et éprouvé en parallèle après transfert chez un fondeur industriel permet de démarrer à moindre risque dans ce laboratoire une conception spécifique pour une application de défense ou aéronautique. Ainsi, plutôt que de se concentrer sur la validation du process et la fabricabilité on peut se concentrer sur les problèmes spécifiques aux MEMS aéronautique et de défense : la tenue aux environnements, la fiabilité des composants, la pérennité des sources d approvisionnement (intérêt commercial des fournisseurs ou risques d embargo), l obsolescence des produits sur des durées supérieures à quelques années (cycles de vie aéronautique et défense bien plus longs), le packaging, le manque de standards (procédures de test, interfaces, ), 57 GIFAS/5064/2006

60 la dissémination et les problèmes de sécurité. Les entités IDEA de MINATEC peuvent être des supports à cette démarche. A ce jour les grands groupes fondateurs comme ST et France-Telecom se sont déjà positionnés sur IDEA. Il pourrait aussi exister une filière automobile. Il serait bon qu il existe une filière aéronautique, défense espace et sécurité accessible aux industriels du GIFAS avec la particularité des faibles volumes de production. Néanmoins il existe des besoins spécifiques militaires (performances, technologies exotiques, ) non pris en compte dans les technologies civiles. Les soutiens spécifiques de R&D de défense doivent couvrir ces deux aspects. L identification des MEMs spécifiques militaires se fait lors de la conception des équipements : elle permet de spécifier les performances critiques à atteindre. Les équipementiers doivent avoir une compétence en conception et intervenir comme spécificateurs. Les études technologiques doivent porter en priorité sur l obtention de certaines performances critiques. Il se pose aussi un problème plus difficile qui touchera à l intégration hybride de plusieurs technologies (Silicium, AsGa par exemple). Ce problème se pose dans les antennes actives ; il est aussi imbriqué avec les choix stratégiques et les investissements consentis. 8.2 ACCESSIBILITE DE LA TECHNOLOGIE MEMS Il existe des technologies MEMS grand public utilisables (et utilisées) dans des applications militaires (ex IMU). Ces technologies de premières générations sont réalisables dans des filières de type «fonderies silicium». Pour de faibles quantités, les objets de premières générations sont réalisables par des filières d études de type universitaire Les freins à la prolifération sont de plusieurs types : performances accrues /sophistication => technologies exotiques faiblement diffusées, et conceptions lourdes, environnement électronique sophistiqué nécessaire à l utilisation optimale du MEMS. Certaines technologies (LIGA) et matériaux nécessaires à la réalisation de certains MEMS peuvent être contrôlées. 8.3 STRATEGIE DE R&D Les recommandations suivantes peuvent être exprimées : Soutenir des études d impact dans les systèmes et équipements, Soutenir des études de technologies de base centrées sur les performances techniques nécessaires aux équipements militaires et la levée des verrous technologiques, Conforter les stratégies de réseaux autour d objectifs déterminés par les équipementiers (industriels, universitaires, ), 58 GIFAS/5064/2006

61 Soutenir les actions d adaptation des produits et technologies civils, Assurer une activité de surveillance généralisée (reverse engineering), compte tenu de la créativité foisonnante du domaine, Avoir une ambition «programmes»: un UAV, une antenne de communication point à point commutable, une structure aérodynamique reconfigurable, etc, Soutenir les actions de développement, Financer l aspect système. 8.4 PROBLEMATIQUE INDUSTRIELLE Les filières Si classiques ne prendront en compte que les grands volumes et les objets compatibles avec leurs technologies. Les MEMs spécifiques militaires devront être traités dans des filières adaptables (petites tailles =< voir plus haut). Ces filières auront besoin de soutiens spécifiques pour être pérennes. Elles peuvent être captives ou ouvertes. Dans la phase actuelle de forte créativité les risques d obsolescence des technologies et procédés sont grands : il sera nécessaire d envisager une politique d achats spécifique. Il est vraisemblable que la mise en boîtier sera spécifique de l utilisation et traitée par l utilisateur. En tout état de cause la modélisation des objets restera spécifique et principalement externe aux filières (sauf description des briques technologiques). 8.5 ATTENTE VIS A VIS DES POUVOIRS PUBLICS Pour les industries du GIFAS, nous proposons les recommandations suivantes : Attente vis à vis des pouvoirs publics en France : Soutenir les technologies de base dans les grands laboratoires, nous attendons beaucoup de MINATEC de ce point de vue. Encore faut-il que les applications Aéronautiques soient bien prises en compte et qu il n y ait pas que les applications à fort volumes qui soient soutenues. Favoriser la création de «start up» technologiques pour faire de la fonderie et les accueillir dans un environnement créatif qui assure la pérennité des filières et la survie économique. Là encore le pole MINATEC peut être une solution satisfaisante. Permettre l accès des équipementiers et des équipementiers à la conception des MEMS, un effort de formation dans les écoles d ingénieurs et le développement d outils de conception. Attente vis à vis de l EUROPE : Disposer de financements dans le cadre des grands programmes de R&T pour le développement des technologies MEMS dans l Aéronautique et la Défense. Examiner la possibilité d une plateforme MEMS dans l ENIAC. 59 GIFAS/5064/2006