Le silicium est le moteur du boom technologique mondial depuis près de 50 ans. Nous avons désormais exploité chaque goutte de son utilité. La technologie de fabrication de microprocesseurs sur laquelle nous nous appuyons atteint de sérieuses limites. D’ici 2005, les méthodes actuelles ne seront plus efficaces. Les fabricants de puces n’ont d’autre choix que de trouver de nouvelles façons d’ajouter davantage de transistors au silicium.
Tapez Lithographie ultraviolette extrême (EUVL). Cette technologie devrait maintenir l’importance du silicium jusqu’à la fin de ce siècle.
La norme actuelle de l’industrie est la lithographie UV profonde. Cela fonctionne comme une photo. La lumière est focalisée à travers la lentille et un motif de circuit est gravé sur la plaquette de silicium. Les fabricants craignent que cela ne continue. La physique intervient.
L’utilisation de la lumière ultraviolette extrême (EUV) pour graver les transistors change tout. Le microprocesseur résultant pourrait être 100 fois plus rapide que les meilleures puces actuelles. L’enregistrement en mémoire fait le même bond en avant. Cet article décrit la technologie de lithographie actuelle et comment l’EUVL la remplacera à partir de 2007 environ.
Faire des chips
Pour comprendre la révolution, il faut comprendre la situation actuelle. Les microprocesseurs ou puces informatiques sont fabriqués par photolithographie. En particulier, nous pouvons désormais créer des puces à l’intérieur des ordinateurs grâce à la lithographie UV profonde.
La lithographie est essentiellement une photographie physique. Les caméras utilisent la lumière pour enregistrer des images sur film. Dans la fabrication des puces, la lumière est utilisée pour transférer les images sur le substrat. Dans ce cas, le substrat est du silicium.
Le processus commence par un masque. Considérez-le comme un modèle pour la conception de circuits. La lumière brille à travers ce masque. Il passe ensuite à travers une série de lentilles optiques. Ces lentilles réduisent l’image. Une petite image est projetée sur une plaque de silicium ou semi-conductrice.
Le disque est recouvert d’un plastique liquide appelé photorésist. Sensible à la lumière. Le masque est posé sur le disque. Lorsque la lumière frappe le silicium, elle durcit la résine photosensible dans les zones exposées. La résine photosensible non exposée reste visqueuse. Les produits chimiques éliminent la saleté. Tout ce qui reste est la résine photopolymérisée et le silicium exposé.
Le secret du pouvoir réside dans la taille de la longueur d’onde. Plus la longueur d’onde est courte, plus la propriété est petite. Davantage de transistors peuvent être alimentés sur la tranche. Plus de transistors signifie des microprocesseurs plus rapides et plus efficaces.
Comparons Intel Pentium 4 et Pentium 3. Le Pentium 4 contient 42 millions de transistors. La capacité du Pentium 3 n’est que de 28 millions. Plus la densité est élevée, plus la vitesse est élevée.
Depuis 2001, la lithographie UV profonde utilise une longueur d’onde de 240 nanomètres. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre. La technologie actuelle échouera à mesure que les fabricants s’orienteront vers des longueurs d’onde de 100 nm.
Pourquoi? Les lentilles en verre absorbent les longueurs d’onde plus courtes. La lumière n’atteint jamais le silicium. Le modèle de circuit n’est pas créé. Le disque reste vide.
C’est là qu’EUVL entre en jeu. Les lentilles en verre ont été remplacées par des miroirs. Les miroirs réfléchissent la lumière sans l’absorber. Cela garantit que le motif est transféré correctement.
Les puces de nouvelle génération sont au moins cinq fois plus efficaces que les puces fabriquées en 2001. Mais il y a un autre moteur derrière ce changement.
Loi de Moore
Gordon Moore avait une vision. Il y a plus de 35 ans, il prédisait que la densité des transistors d’un microprocesseur doublerait tous les 18 mois. Nous l’appelons Loi de Moore. C’est le cas depuis des décennies. Les ordinateurs sont de plus en plus rapides. moins. Plus fort.
Mais en 2001, l’industrie était en difficulté.
Les experts estiment que la lithographie ultraviolette profonde (DUV) a atteint ses limites physiques vers 2004-2005. Sans nouveaux processus, la loi sera enfreinte. La narration s’arrête. Cette industrie a besoin d’un miracle.
Ce miracle est la lithographie EUV.
Si la technologie UV profond échoue, les fabricants de puces passeront à la technologie UV extrême. Ce changement devrait prolonger la loi de Moore de 10 ans supplémentaires. cible? 2007 Introduction du microprocesseur 10 GHz.
Pensons à l’état de base. En mai 2001, le processeur Intel Pentium 4 le plus rapide fonctionnait à une fréquence de 2,4 GHz. 10 gigahertz, c’est un grand pas en avant. Ce n’est pas seulement une question de vitesse. Il s’agit de survivre dans un monde en déclin.
“La lithographie EUV nous permet de créer des puces dont la taille des fonctionnalités est suffisamment petite pour prendre en charge des vitesses d’horloge de 10 GHz. Cependant, cela n’est pas toujours possible.”
– Don Sweeney, directeur du programme de lithographie EUV, Laboratoire national Lawrence Livermore
Le goulot d’étranglement est l’échelle. La lumière ultraviolette profonde peut façonner des circuits mesurant jusqu’à 100 nanomètres. C’est le plafond. L’EUV peut diminuer encore davantage.
“Nous devons fabriquer des circuits intégrés jusqu’à 30 nanomètres”, a déclaré Sweeney. “Avec la lithographie EUV, c’est clairement possible.”
Moins de fonctionnalités signifie plus de transistors par puce. Plus il y a de transistors, plus la vitesse d’horloge est élevée. Le calcul est simple. Ce n’est pas le cas en technologie.
Bataille pour l’accès à l’EUVL
Ceux qui contrôlent la technologie contrôlent l’avenir.
En avril 2001, un consortium appelé EUV LLC a lancé le premier prototype d’une machine de lithographie EUV à grande échelle. C’est une tâche difficile.
EUV LLC est plus qu’une simple entreprise. C’est une ligue de géants.
-Intel
-AMD
-IBM
– Microns
-Infineon
-Motorola
Les concurrents ont collaboré avec trois centres de recherche du DOE. Ce groupe est collectivement connu sous le nom de Virtual National Laboratories. Cela comprend :
-Laboratoires nationaux Sandia
– Laboratoire national Lawrence Livermore
– Laboratoire national Lawrence Berkeley
Pourquoi coopérer ? Les coûts sont prohibitifs pour les entreprises individuelles. Les enjeux sont trop élevés. Mais la récompense est là.
Le principal avantage de rejoindre une alliance est la priorité. Les membres ont un accès prioritaire aux nouvelles technologies. Si vous ne participez pas, vous êtes coincé avec l’ancien processus DUV. Finalement, vous prendrez du retard.
La course aux processeurs 10 GHz est lancée. Et tout commence par la lumière.
Le cœur de la lithographie ultraviolette extrême (EUVL) commence par cibler un flux de gaz xénon avec un laser. Le laser chauffe le gaz jusqu’à ce qu’il devienne un plasma. Les électrons sont supprimés et le plasma émet 13 nm de lumière. Cette longueur d’onde est trop courte pour être détectée par l’œil humain.
La lumière entre dans le condenseur. Le condenseur collecte la lumière et la dirige vers le masque. Le masque n’est pas en verre. C’est un miroir. Des absorbeurs sont appliqués sur certaines parties du miroir pour bloquer la lumière. L’autre miroir le reflète. Cela crée un motif sur une couche de la puce informatique.
Principes physiques de la miniaturisation
Le motif est réfléchi par 4 à 6 miroirs multicouches. Ces miroirs réduisent la taille de l’image et la concentrent sur la plaquette de silicium. Chaque miroir courbe légèrement la lumière. Il fonctionne comme un objectif d’appareil photo, mais avec un miroir au lieu du verre.
La longueur d’onde est tout. Plus la longueur d’onde est courte, meilleure est l’image. Pensez à prendre des photos. La qualité de l’image dépend de nombreux facteurs. Le premier est la longueur d’onde de la lumière. Plus c’est court, mieux c’est. C’est une loi naturelle.
Avant EUVL, les choses étaient plus simples. En 2001, la lithographie UV profonde utilisait 248 nanomètres de lumière. En mai 2001, certains fabricants ont commencé à passer à la lumière 193 nm. EUVL utilise 13 nm de lumière. Plus la longueur d’onde est courte, plus le motif sur la plaquette est clair. Plus le motif est net, plus le microprocesseur est rapide.
Revêtement miroir sous vide
Ce processus se déroule dans le vide. L’air absorbe ces courtes longueurs d’onde. Il n’y a pas de place pour le gaz ambiant.
Le miroir est recouvert de molybdène et de silicium. Ce revêtement reflète près de 70 % de la lumière EUV de 13,4 nm. Les 30 % restants sont absorbés. Sans ce revêtement, la lumière disparaîtrait avant d’atteindre la plaquette.
“Lorsque vous prenez une photo de quelque chose, la qualité de la photo est déterminée par de nombreux facteurs… et le premier facteur est la longueur d’onde de la lumière que vous avez utilisée pour prendre la photo.” -Sweeney
Le miroir devrait être presque parfait. De petits défauts dans le revêtement peuvent compromettre la géométrie optique. Variations dans les modèles de circuits imprimés. La puce ne fonctionne pas correctement.
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