L'avenir des puces à semi-conducteurs : la lithographie par nano-impression sera-t-elle la prochaine révolution ?

Depuis des décennies, les puces informatiques ne cessent de gagner en puissance et de se miniaturiser, mais ne sont-elles pas en train d'atteindre leurs limites ? La lithographie par nano-impression serait-elle la réponse ?

Chaque jour, notre monde devient de plus en plus gourmand en ressources informatiques. Smartphones, ordinateurs portables, appareils électroniques domestiques, voitures... La plupart des objets de notre quotidien intègrent désormais des puces à semi-conducteurs.

Ces technologies sont omniprésentes dans nos vies et sortent cycliquement dans des versions encore plus avancées. Cependant, du point de vue de la production, maintenir les coûts à un niveau bas tout en réduisant la taille et en augmentant la puissance n'est pas une promenade de santé.

Selon la « loi de Moore », la théorie qui suit et prédit leur évolution, la vitesse et les capacités des composants informatiques sont censées doubler tous les deux ans environ, sans impact majeur sur les prix.

Comme cela devient de plus en plus difficile, comment cet équilibre délicat pourra-t-il être garanti dans les années à venir ?

Nous pensons que la lithographie par nano-impression (NIL) sera la clé pour y parvenir. Voici pourquoi.

Qu'est-ce que la lithographie par nano-impression ?

« La lithographie par nano-impression (Nanoimprint Lithography, NIL) est ce que l'on appelle communément une "technique de lithographie avancée" », explique Chris Howells, directeur des opérations européennes pour la division Équipement pour semi-conducteurs de Canon. « Notre propre version de cette technique s'appuie sur notre expertise des technologies de jet d'encre ».

Canon soutient depuis près de cinquante ans les fabricants de semi-conducteurs du monde entier en leur fournissant des équipements de pointe pour la lithographie des semi-conducteurs. Il s'agit du processus utilisé pour imprimer ces motifs délicats que l'on voit sur les puces d'ordinateur. Il consiste à appliquer de la lumière ou des radiations pour transférer un motif sur une plaquette recouverte d'un liquide visqueux appelé résine photosensible.

Dans ce contexte, la NIL apparaît comme la prochaine étape naturelle : elle permet de combiner les décennies de connaissances extrêmement spécialisées de Canon en matière d'impression avec la photonique (la science de la lumière).

Mais quel est son rôle ? Et en quoi est-elle différente des autres types de lithographie ?

L'avenir toujours plus petit

Le processus de production de la lithographie par nano-impression est très différent de la lithographie traditionnelle pour les semi-conducteurs, en partie à cause de sa conception complexe.

Tout d'abord, au lieu d'imprimer un motif sur une plaquette entièrement recouverte de résine photosensible, la NIL libère des gouttelettes de liquide uniquement là où c'est nécessaire. Grâce à la même technologie que celle utilisée dans les imprimantes jet d'encre Canon, chaque goutte peut être mesurée, contrôlée et distribuée avec précision.

Ensuite, un tampon spécialement conçu, appelé « masque », presse le motif souhaité dans le liquide. Cela peut sembler simple, mais n'oublions pas qu'il s'agit d'une échelle minuscule nécessitant une précision absolue. Une simple bulle d'air coincée entre le masque et la plaquette de silicium ferait échouer tout le processus. Les développeurs et les concepteurs des machines ont donc dû relever l'incroyable défi d'éviter tout élément externe.

Inévitablement, plus d'un masque sera nécessaire au cours de la durée de vie d'un système NIL. Ces masques sont eux aussi créés à l'aide d'une machine fabriquée par Canon. « Pour faire simple, les deux machines créent un processus interne pour la technologie de la nano-impression », explique Chris.

La dernière partie du processus consiste à retirer le masque, ce qui laisse de minuscules structures qui sont ensuite durcies à l'aide d'une lumière UV. Ces motifs géométriques complexes et très beaux sont invisibles à l'œil nu, leur taille n'étant que de quelques « nanomètres », d'où leur nom.

Pour donner un ordre d'idée, un nanomètre correspond à un milliardième de mètre et un cheveu humain mesure environ 100.000 nanomètres de diamètre. « Plus la taille des formes [les minuscules structures physiques] d'une puce de silicium est petite, plus l'appareil dans lequel elles sont utilisées fonctionnera rapidement », explique Chris.

« C'est ainsi que les téléphones deviennent plus rapides, tout comme votre PC. Plus l'équipement de lithographie utilisé pour imprimer des formes de haute précision sur les puces est sophistiqué, meilleures seront les performances des puces en question ».

Une technologie plus précise, plus économique et plus respectueuse de l'environnement

Il ne fait aucun doute qu'un processus aussi complexe nécessite un investissement important de la part des fabricants de puces, mais nous sommes persuadés qu'il s'agit d'une décision judicieuse à long terme. Pour témoigner de notre engagement, nous prévoyons actuellement de construire une nouvelle usine d'équipements pour semi-conducteurs au Japon. Cela doublera notre capacité actuelle et nous permettra de produire encore plus d'équipements de lithographie que jamais.

« Le coût total de possession montre qu'il s'agit d'un investissement rentable », explique Chris. « Aussi bien en termes de coûts d'exploitation, que de rendement et de longévité ».

Le coût, bien sûr, revêt de nombreuses formes. Ainsi, du point de vue des machines, il est entendu que le procédé NIL offrira un excellent rapport qualité/prix aux fabricants, non seulement en termes d'investissement initial, mais aussi en raison du mode de fonctionnement de la technologie.

Par exemple, si on la compare à l'alternative la plus proche (la « lithographie extrême ultraviolet » ou EUV) ou même à la lithographie de semi-conducteurs traditionnelle, la consommation d'énergie et les déchets produits sont nettement inférieurs. La haute précision du processus signifie qu'il y a peu de gaspillage, ce qui réduit aussi considérablement l'utilisation de produits chimiques. Ces deux facteurs peuvent avoir un impact considérable sur l'environnement, sans parler des coûts.

Combinés, ils constituent un progrès qui garantira non seulement l'aboutissement de la loi de Moore, en termes de vitesse et de puissance des processeurs, mais ajoutera également un nouvel aspect durable, crucial à la fabrication des puces de semi-conducteurs.

Découvrez l'équipe responsable du développement du système de lithographie par nano-impression de Canon.