Les ordinateurs indiquent les données en bits – les fameux 0 et 1 – utiliser des semi-conducteurs. Ce sont de petits appareils physiques qui stockent ces valeurs et effectuent des opérations mathématiques dessus. La somme de toutes ces opérations est ce qui permet à l’ordinateur de calculer.
Nous disposons d’ordinateurs puissants presque partout autour de nous grâce à une technologie appelée lithographie à semi-conducteurs – la science qui consiste à imprimer des circuits complexes avec une extrême précision.
Il existe des machines qui automatisent ce processus, pour un coût compris entre Rs 800 crore et Rs 1 600 crore. Une seule entreprise, ASML, dont le siège est aux Pays-Bas, les fabrique, ce qui lui confère un monopole absolu sur un marché d’une valeur de 125 milliards de dollars et en fait l’entreprise technologique ayant la valeur marchande la plus élevée d’Europe.
En février, ASML a dévoilé sa nouvelle machine « High NA EUV ». Il coûte 350 millions de dollars (Rs 2 900 crore) chacun et est aussi gros qu’un bus à impériale. Les analystes du secteur affirment que cette machine renforce la concurrence d’ASML avec Intel sur le marché des semi-conducteurs les plus avancés, pour alimenter la prochaine génération d’ordinateurs et de smartphones.
Cette machine utilise la photolithographie ultraviolette extrême (EUV), une technologie de nouvelle génération, pour fabriquer les semi-conducteurs. Ici, pour parler simplement, le moule des circuits d’un transistor – un type de semi-conducteur – est transféré sur une plaquette de silicium recouverte d’un matériau sensible à la lumière appelé photorésist. Lorsque la lumière est éclairée sur la résine photosensible, le moule se solidifie et ses espaces peuvent être remplis de fils pour former le transistor.
Qu’est-ce que le critère de diffusion de Rayleigh ?
La plus petite taille de motif pouvant être moulée sur la plaquette de silicium est régie par un principe physique appelé critère de diffusion de Rayleigh. Selon ce critère, la taille du motif à projeter sur la plaquette est proportionnelle à la longueur d’onde de la lumière utilisée et inversement proportionnelle à l’ouverture de la lentille qui collecte la lumière avant de la projeter sur la plaquette.
La proportionnalité avec la longueur d’onde de la lumière inclut un facteur appelé ‘k‘. Sa valeur dépend de nombreux facteurs, notamment de la température de fonctionnement et des propriétés chimiques de la résine photosensible, mais a une valeur maximale de 0,25. Dans la proportionnalité inverse, l’ouverture indique la quantité de lumière qui peut être collectée et focalisée sur la plaquette : plus l’ouverture est grande, plus la taille de l’élément est petite.
Dans la plupart des cas, les ingénieurs ont réduit la plus petite taille imprimée sur la plaquette en réduisant la longueur d’onde de la lumière éclairée sur la résine photosensible. Il y a environ quarante ans, par exemple, les entreprises fabriquant des puces utilisaient une lumière de longueur d’onde 436 nanomètres (nm) ; le dernières machines d’aujourd’hui utilisent une lumière de 13,5 nm, qui se situe dans la partie ultraviolette extrême (EUV) du spectre électromagnétique.
Juste avant les machines EUV, les fabricants de puces s’appuyaient sur une lumière UV profonde (longueur d’onde de 193 nm) pour projeter des motifs complexes sur les tranches.
Comment la lumière EUV est-elle produite ?
Lorsque ce processus est répété plusieurs fois sur toute la tranche, le produit final est un circuit intégré, autrement dit une puce. Tout au long de l’histoire, la manière dominante de fabriquer des puces plus puissantes a été d’augmenter le nombre de transistors intégrés à la puce. Cela nécessite à son tour de réduire la taille des transistors, ce qui incite à l’innovation en réduisant la longueur d’onde de la lumière utilisée pour fabriquer les moules. Mais c’est beaucoup plus facile à dire qu’à faire.
Considérez le processus que la machine ASML utilise (probablement) pour produire une lumière de 13,5 nm. Tout d’abord, un pistolet projette une gouttelette sphérique d’étain liquide, d’environ 50 micromètres de large (la moitié de la largeur d’une mèche de cheveux), à près de 300 km/h dans la machine. En vol, un laser frappe la boîte de conserve et la déforme en crêpe. Cette galette d’étain est encore en vol lorsqu’un autre faisceau laser intense la frappe, la transformant en un gaz chaud et ionisé dont la température est 40 fois supérieure à celle de la surface du Soleil. À ce stade, le gaz émet une lumière EUV que la machine collecte pour être utilisée.
L’ensemble de ce processus – du pistolet à l’émission – se produit 50 000 fois par seconde pour produire une lumière EUV d’intensité suffisante. Autrement dit, les canons tirent 50 000 gouttelettes d’étain par seconde et il y a deux fois plus de tirs laser pour le modifier. Ce processus se déroule également dans le vide, car pratiquement tout, même l’air, absorbe le rayonnement EUV, ce qui en laisse moins à la machine.
Quelle est la précision de la machine ?
Les miroirs utilisés pour collecter et réfléchir la lumière générée sont également une merveille. Fabriqués par la société allemande Zeiss, ils possèdent le surfaces les plus lisses jamais créé par les humains. D’une largeur d’environ 30 cm, leurs surfaces sont si parfaites que si elles étaient mises à l’échelle de l’Uttar Pradesh, la bosse la plus haute de chaque surface n’aurait qu’un millimètre de haut. Il s’agit d’un niveau d’imperfection inférieur à la taille d’un seul atome.
De même, les miroirs réfléchissent la lumière EUV avec une telle précision que s’ils étaient dirigés depuis la Terre, ils pourraient frapper une balle de cricket sur la Lune sans la rater de plus de la largeur d’une mèche de cheveux.
Enfin, cette lumière doit être guidée vers la plaquette de silicium avec la même précision, ce qui nécessite que la plaquette soit déplacé par incréments aussi grand que les plus petits détails à imprimer dessus. Pour y parvenir, la platine qui maintient la plaquette flotte sur un champ magnétique, afin d’éviter tout compromis de précision induit par le frottement. Des capteurs ultra-sensibles ajustent ensuite la position de la plaquette 20 000 fois par seconde, avec une précision proche de seulement 50 picomètres. C’est comme ajuster la position de la Terre dans l’espace d’une distance d’un ongle à la fois.
Tous ces 20 000 réglages sont exécutés avec une accélération supérieure à celle de n’importe quelle voiture de F1 ou avion de combat, pour augmenter l’efficacité de production de l’appareil.
Quelle est la valeur de la machine ?
En tant que tel, « High NA EUV » ne représente pas une seule réalisation mais un ensemble de multiples réalisations, réunies pour repousser les limites de l’informatique juste assez pour créer la prochaine génération.
Notre avenir est constamment remodelé par l’intelligence artificielle, les robots, les automobiles intelligentes, la communication numérique de haute qualité, les gadgets puissants et l’exploration spatiale. Ces innovations transforment non seulement notre façon de vivre et de travailler, mais ouvrent également de nouvelles possibilités qui relevaient autrefois du domaine de la science-fiction. Les catalyseurs fondamentaux de ces révolutions sont les puces semi-conductrices, qui effectuent l’énorme nombre de calculs nécessaires à la matérialisation de ces technologies.
En rendant continuellement ces puces plus petites, plus rapides et plus efficaces, nous sommes passés de seulement quatre transistors dans le premier circuit intégré en 1948 à plus de 19 milliards dans la puce que nous utilisons dans nos smartphones. Cette innovation est motivée par la loi de Moore, qui prévoit que le nombre de transistors sur une puce électronique doublera environ tous les deux ans.
Les machines de lithographie ont également conséquences stratégiques. Par exemple, ASML est interdit de vendre ses machines de lithographie à la Chine avec d’autres composants, afin d’empêcher les chercheurs de ce pays asiatique de procéder à une éventuelle ingénierie inverse. Ces machines soulignent donc le fait que des avancées technologiques majeures peuvent créer des emplois hautement qualifiés tout en renforçant la position d’un pays sur la scène géopolitique.
Awanish Pandey est professeur adjoint à l’IIT Delhi au Centre d’optique et de photonique.
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