Qu’est-ce que l’EUV et comment ça marche ?

La technologie de la lumière ultraviolette extrême (EUV) est un moteur clé du changement dans l’industrie des semi-conducteurs. La lithographie, la méthode utilisée pour imprimer des motifs complexes sur des matériaux semi-conducteurs, a progressé grâce à l’utilisation de longueurs d’onde toujours plus courtes depuis le début de l’ère des semi-conducteurs. La lithographie EUV est la plus courte à ce jour. En développement depuis des décennies, la première machine de lithographie EUV achetée par lots et prête à être produite provenait d’ASML, la société néerlandaise de semi-conducteurs.

Points clés à retenir

  • La lumière ultraviolette extrême (EUV) a une longueur d’onde très courte, proche de celle d’un rayon X.
  • La lumière EUV est utilisée dans la lithographie des micropuces pour imprimer des motifs sur des tranches de silicium.
  • ASML, une société néerlandaise, est pionnière dans cette technologie et est la seule source de systèmes de lithographie EUV.
  • La courte longueur d’onde de la lumière EUV permet la fabrication de certaines des micropuces les plus puissantes disponibles.

Qu’est-ce que la lithographie EUV ?

La lumière EUV fait référence à la lumière ultraviolette extrême utilisée pour la lithographie des micropuces, qui consiste à recouvrir la plaquette de la micropuce d’un matériau photosensible et à l’exposer soigneusement à la lumière. Ceci imprime un motif sur la plaquette, qui est utilisé pour les étapes ultérieures du processus de conception de la micropuce.

L’histoire des ordinateurs est l’histoire de l’industrie des semi-conducteurs, qui à son tour est l’histoire de la poursuite incessante de la miniaturisation. Dans la phase initiale du secteur, entre les années 1950 et le milieu des années 1980, la photolithographie était réalisée à l’aide de lumière UV et de photomasques pour projeter des motifs de circuits sur des tranches de silicium.

À cette époque, la loi de Moore – le principe des années 1960 selon lequel le nombre de transistors sur une puce électronique doublerait tous les deux ans – commençait à se heurter aux limites physiques de ce processus. Cela signifiait que l’augmentation vertigineuse de la puissance de calcul et la réduction des coûts technologiques pour les consommateurs risquaient également d’atteindre leurs limites. Des années 1980 aux années 2000, la lithographie ultraviolette profonde (DUV) a conduit à la prochaine génération de miniaturisation, utilisant des longueurs d’onde plus courtes, comprises entre 153 et 248 nanomètres, ce qui a permis de réaliser des empreintes plus petites sur les tranches de silicium des semi-conducteurs.

À l’approche du nouveau millénaire, des chercheurs et des entreprises concurrentes du monde entier recherchaient des percées pour rendre possible la lithographie EUV et ses longueurs d’onde encore plus courtes. ASML a achevé un prototype en 2003, mais il faudra encore dix ans pour développer un système prêt à être produit.

Depuis lors, ASML a livré toutes les quelques années la prochaine itération de ses systèmes de lithographie EUV avec une plus grande capacité de production et des longueurs d’onde allant jusqu’à 13,5 nanomètres. Cela permet des conceptions de micropuces incroyablement précises et le placement le plus dense possible de transistors sur les micropuces. En bref, cela permet des vitesses informatiques plus rapides.

Comment fonctionne la lithographie EUV

Les systèmes de lithographie EUV d’ASML émettent de la lumière avec des longueurs d’onde d’environ 13,5 nanomètres, ce qui est nettement plus court que les longueurs d’onde utilisées dans la génération précédente de lithographie DUV, permettant ainsi d’imprimer des motifs plus fins sur des tranches semi-conductrices. Les micropuces les plus avancées peuvent avoir des nœuds aussi petits que 7, 5 et 3 nanomètres, qui sont fabriqués en faisant passer à plusieurs reprises les tranches semi-conductrices à travers le système de lithographie EUV.

Bien que vous ne puissiez pas suivre ces étapes dans votre atelier de garage pour fabriquer des semi-conducteurs, elles sont importantes pour comprendre comment la technologie impliquée peut être avancée et où les fonds d’investissement potentiels pourraient être mieux placés. Tout d’abord, un laser de haute intensité est dirigé sur un matériau (généralement de l’étain) pour générer un plasma (électrons chargés et protons en mouvement). Le plasma émet ensuite la lumière EUV à une longueur d’onde d’environ 13,5 nanomètres. La lumière générée est collectée et dirigée à travers une série de miroirs et d’optiques à travers un masque ou un réticule lorsqu’un motif de circuit est placé sur le trajet de la lumière EUV, d’une manière vaguement analogue à l’utilisation d’un pochoir pour peindre un motif sur une planche. Un matériau appelé photorésist sur la plaquette est sensible à la lumière EUV, et les zones qui y sont exposées subissent un changement chimique et sont ensuite gravées. De nouveaux matériaux peuvent alors être déposés dans les zones gravées pour former les différents composants de la micropuce. Ce processus peut être répété jusqu’à 100 fois avec différents masques pour créer des circuits complexes multicouches sur une seule plaquette.

Après ces étapes, la tranche subit d’autres processus pour éliminer les impuretés et préparer la puce à être découpée en puces individuelles. Ils sont ensuite conditionnés pour être utilisés dans des appareils électroniques.

Lithographie EUV vs DUV

Alors que les achats importants de systèmes de lithographie EUV ont fait l’actualité dans l’industrie des supraconducteurs, compte tenu des coûts considérables impliqués et des progrès technologiques qu’ils pourraient apporter, la lithographie DUV est encore plus largement utilisée. Il a l’avantage d’être déjà présent dans des installations de fabrication avec du personnel formé à son utilisation.

La lithographie EUV, avec ses longueurs d’onde extrêmement courtes d’environ 13,5 nanomètres, permet une gravure plus fine de détails plus petits sur les puces. De son côté, la lithographie DUV fonctionne à des longueurs d’onde commençant à 153 nanomètres. Alors que les fabricants de puces peuvent l’utiliser pour des conceptions d’une taille aussi petite que 5 nanomètres ou moins, repoussant les limites de la physique, la lumière DUV ne peut être utilisée que pour des tailles inférieures à 10 nanomètres avec une perte de qualité de résolution.

Les systèmes de lithographie EUV entraînent non seulement les coûts de démarrage des technologies plus récentes, mais sont intrinsèquement plus coûteux que l’équipement et la maintenance de la lithographie DUV. Par exemple, les systèmes de lithographie EUV installés par Intel en 2023 coûtent 150 millions de dollars chacun. Ce coût rend les systèmes de lithographie DUV préférés pour les utilisations où la taille plus petite de la lithographie EUV n’est pas nécessaire.

La lithographie DUV est également une quantité connue : il n’y a pas besoin de formation supplémentaire, de nouvelles installations et d’autres investissements majeurs en capital que nécessitent les systèmes d’éclairage EUV. La technologie d’éclairage DUV est encore nécessaire pour de nombreuses puces dans les téléphones, les ordinateurs, les voitures et les robots, et elle s’est révélée robuste et polyvalente. Ses procédés relativement plus simples signifient également que la lithographie DUV peut produire plus de puces par unité de temps que la lithographie EUV, un avantage important en sa faveur au vu de la demande mondiale de semi-conducteurs.

Beaucoup s’attendent à ce que la lithographie DUV reste populaire dans les années à venir. Cela est dû en partie au prix de la lithographie EUV et aux problèmes techniques liés à toute nouvelle technologie. De plus, la technologie de lithographie DUV n’est pas figée et continue d’améliorer la façon dont elle contribue à créer les puces que l’on trouve dans les nombreux appareils électroniques de notre vie quotidienne.

L’industrie est probablement en transition et, même si la lumière EUV jouera un rôle de plus en plus central dans la fabrication de puces, la lithographie DUV reste vitale pour la production de produits électroniques utilisés dans notre vie quotidienne.

Avantages et inconvénients de la lithographie EUV

La lithographie EUV est une technologie relativement nouvelle qui présente de nombreux avantages et quelques inconvénients à prendre en compte.

Avantages de la lithographie EUV

La lithographie EUV apporte de nombreux avantages qui pourraient conduire à de futurs développements dans la production de micropuces. Voici deux des raisons pour lesquelles les sociétés de semi-conducteurs comme Intel investissent autant dans la technologie :

  • La lumière EUV peut produire des motifs plus complexes et plus fins sur des tranches de silicium, permettant ainsi de placer davantage de transistors sur une micropuce.
  • La lithographie EUV réduit le nombre de couches de motifs (nombre de masques) nécessaires pour créer un circuit.

Inconvénients de la lithographie EUV

La lithographie EUV présente de nombreux avantages, mais en tant que nouvelle technologie, il est important de considérer ses inconvénients.

  • Les systèmes de lithographie EUV sont plus chers que les autres systèmes de lithographie par micropuces.
  • ASML est la seule entreprise à fabriquer ces systèmes, ce qui pourrait créer un goulot d’étranglement pour les entreprises souhaitant utiliser la lithographie EUV ou ayant besoin d’assistance pour leurs machines.

ASML est-elle la seule société de lithographie EUV ?

Oui, ASML est la seule entreprise qui fabrique et vend des produits utilisant des systèmes de lithographie EUV pour la lithographie par micropuces.

Qu’est-ce qui remplacera la lithographie EUV ?

La technologie s’améliore régulièrement et la demande de puces électroniques dotées de transistors de plus en plus denses se poursuit. Bien que la lithographie EUV soit aux limites de la technologie, la recherche d’une technologie susceptible de l’améliorer ou de la remplacer se poursuit. La lithographie par faisceaux électroniques multiples, la lithographie aux rayons X, la lithographie par nano-impression et la lithographie quantique pourraient toutes dépasser la lithographie EUV à l’avenir.

Quand la lumière EUV est-elle utilisée ?

La lumière ultraviolette extrême est utilisée dans la production de micropuces. La lithographie EUV imprime un motif sur des tranches de silicium pendant le processus de fabrication.

Qu’est-ce que la loi de Moore ?

La loi de Moore stipule que le nombre de transistors sur une puce électronique double tous les deux ans environ. Cela signifie que les ordinateurs deviennent plus rapides et plus performants tous les deux ans, avec une croissance exponentielle. La loi porte le nom de Gordon E. Moore, co-fondateur d’Intel. Même si cela a duré de nombreuses années, certains prédisent que cela prendra fin dans les années 2020.

L’essentiel

La lumière EUV est utilisée dans la lithographie par micropuce pour produire les motifs nécessaires à la création d’une micropuce, bien que dans des tailles beaucoup plus petites que celles des techniques lithographiques précédentes. Cependant, en raison de sa nouveauté, une seule entreprise, ASML, fabrique des machines qui l’utilisent, et celles-ci sont coûteuses. À mesure que la technologie évolue, elle devrait jouer un rôle central dans les développements futurs de la production de micropuces.