Comment fonctionne la lithographie de puces – et pourquoi une seule entreprise la maîtrise

L'impression avec la lumière à l'échelle nanométrique

Chaque smartphone, ordinateur portable et centre de données sur Terre fonctionne grâce à des puces fabriquées par un processus appelé lithographie – l'art d'imprimer des motifs de circuits incroyablement petits sur des plaques de silicium en utilisant la lumière. C'est l'étape la plus cruciale de la fabrication de semi-conducteurs, répétée des dizaines de fois par puce, et elle détermine la taille, la vitesse et l'efficacité énergétique des transistors.

Le principe de base n'a pas changé depuis les années 1960. Un faisceau de lumière brille à travers un photomasque – un pochoir du motif de circuit souhaité – et projette une image réduite sur une plaque recouverte d'un matériau photosensible appelé photorésist. Là où la lumière frappe, elle modifie chimiquement le résistant. Les zones non exposées sont éliminées, laissant derrière elles le motif qui deviendra des transistors, des fils et d'autres composants.

Ce qui a changé, de façon spectaculaire, c'est la longueur d'onde de cette lumière. Des longueurs d'onde plus courtes peuvent imprimer des caractéristiques plus petites. En six décennies, l'industrie est passée de la lumière visible (436 nm) à l'ultraviolet profond (193 nm) jusqu'à la pointe actuelle : la lithographie ultraviolette extrême (EUV) à seulement 13,5 nm.

Comment fonctionne la lithographie EUV

Les machines EUV sont parmi les appareils les plus complexes jamais construits. À l'intérieur d'une chambre à vide, un laser de haute puissance tire 100 000 impulsions par seconde sur de minuscules gouttelettes d'étain fondu. Chaque gouttelette est frappée deux fois : la première impulsion l'aplatit, la seconde la surchauffe à environ 220 000 °C – environ 40 fois plus chaud que la surface du Soleil. Cela produit un plasma qui émet une lumière ultraviolette extrême.

Parce que la lumière EUV est absorbée par presque tout, y compris l'air et le verre, tout le trajet optique doit fonctionner sous vide. Les lentilles en verre traditionnelles ne peuvent pas être utilisées. Au lieu de cela, la lumière rebondit sur une série de six miroirs ultra-précis recouverts de couches alternées de molybdène et de silicium, chacun poli à une douceur subatomique par l'entreprise allemande Zeiss. Ces miroirs dirigent et focalisent la lumière à travers le photomasque et sur la plaque en dessous.

Le résultat : des caractéristiques de circuit aussi petites que 3 nanomètres – soit environ la largeur de 15 atomes. L'EUV est entrée en production de masse en 2019 et sous-tend désormais toutes les puces de pointe d'Apple, Nvidia et Qualcomm.

Le monopole extraordinaire d'ASML

Une seule entreprise sur Terre construit des machines de lithographie EUV : ASML, basée à Veldhoven, aux Pays-Bas. Elle détient une part de marché de 100 %. Chaque système EUV coûte environ 150 à 200 millions d'euros, pèse plus de 150 tonnes et nécessite des composants provenant de plus de 800 fournisseurs dans le monde. Le développement a pris plus de 20 ans et des milliards de dollars en recherche collaborative avec Intel, Samsung et TSMC.

Aujourd'hui, ASML vend ses machines les plus avancées à seulement une poignée de fabricants de puces. TSMC, Samsung et Intel représentent la grande majorité des commandes. Cette concentration fait d'ASML l'une des entreprises les plus importantes sur le plan stratégique dans l'économie mondiale – et un point central de tension géopolitique quant à savoir qui a accès à la technologie de pointe en matière de puces.

Ce qui vient après l'EUV

Même l'EUV a des limites. ASML livre déjà des systèmes EUV High-NA (ouverture numérique élevée) qui poussent encore plus loin la résolution, ciblant le nœud de 2 nm et au-delà. L'entreprise a annoncé des plans pour des outils hyper-NA avec une précision encore plus grande, coûtant potentiellement plus de 700 millions de dollars chacun, attendus vers 2030.

Pendant ce temps, des startups explorent des approches radicalement différentes. La société norvégienne Lace Lithography développe la lithographie par faisceau d'atomes d'hélium, qui remplace complètement la lumière par des atomes neutres. Parce que les atomes n'ont pas de limite de diffraction, le faisceau ne mesure que 0,1 nm – 135 fois plus étroit que la lumière EUV. D'autres candidats incluent la lithographie par nano-empreinte, la lithographie par faisceau d'électrons et les approches par rayons X.

Que la prochaine percée vienne du raffinement de la lumière ou de son abandon complet, une chose est claire : la lithographie reste le goulot d'étranglement et le catalyseur de la loi de Moore. Quiconque maîtrisera la prochaine génération façonnera l'avenir de l'informatique.