Récemment, le professeur Tsumoru Shintake de l'Université des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) a proposé une technologie révolutionnaire de lithographie ultraviolette extrême (EUV) qui non seulement dépasse les limites de la fabrication de semi-conducteurs existante, mais annonce également un nouveau chapitre dans l'avenir de l'industrie.
Cette innovation améliore considérablement la stabilité et la maintenabilité car sa conception simplifiée ne nécessite que deux miroirs et une source lumineuse de seulement 20 W, réduisant ainsi la consommation électrique totale du système à moins de 100 kW, ce qui ne représente qu'un dixième de la consommation électrique des technologies traditionnelles (qui nécessitent généralement plus de 1 MW (=1000kW) pour fonctionner). Le nouveau système maintient un contraste très élevé tout en réduisant l'effet 3D du masque, atteignant la précision de niveau nanométrique requise pour un transfert précis des motifs logiques des photomasques aux plaquettes de silicium.
Le cœur de cette innovation est l'utilisation d'une source lumineuse EUV plus compacte et plus efficace, qui réduit considérablement les coûts tout en améliorant considérablement la fiabilité et la durée de vie de l'équipement. Il est particulièrement frappant de constater que sa consommation électrique n'est que d'un dixième de celle des machines de lithographie EUV traditionnelles, ouvrant la voie à un développement écologique et durable dans l'industrie des semi-conducteurs.
La clé de cette avancée technologique réside dans la résolution de deux problèmes qui ont longtemps tourmenté l'industrie : l'un est la conception d'un système de projection optique minimaliste et efficace composé uniquement de deux miroirs soigneusement configurés ; l'autre est le développement d'une nouvelle méthode capable de guider avec précision la lumière EUV vers la zone de motif logique sur le miroir plan (photomasque) sans obstruction, permettant ainsi une optimisation du chemin optique sans précédent.
Les défis de la lithographie EUV
Processeurs qui rendent possible l'intelligence artificielle (IA), puces basse consommation pour appareils mobiles tels que les téléphones portables et puces pour mémoire DRAM haute densité : toutes ces puces semi-conductrices avancées sont fabriquées à l'aide de la lithographie EUV.
Cependant, la production de semi-conducteurs est confrontée à des problèmes de forte consommation d'énergie et de complexité des équipements, ce qui augmente considérablement les coûts d'installation, de maintenance et de consommation d'électricité. L'invention technologique du professeur Tsumoru Shintake est une réponse directe à ce défi, et il la qualifie de réalisation révolutionnaire qui « résout presque complètement ces problèmes cachés ».
Les systèmes optiques traditionnels reposent sur la disposition symétrique des lentilles et des ouvertures pour obtenir des performances optimales, mais les caractéristiques particulières de la lumière EUV - longueur d'onde extrêmement courte et absorption facile par les matériaux - rendent ce modèle inapplicable. La lumière EUV doit être réfléchie par un miroir en croissant et zigzague dans un espace ouvert, sacrifiant certaines performances optiques. La nouvelle technologie de l'OIST, grâce à un système à double miroir axisymétrique disposé en ligne droite, non seulement restaure d'excellentes performances optiques, mais simplifie également considérablement la structure du système.
Réduction significative de la consommation d'énergie
L'énergie EUV étant atténuée de 40 % à chaque réflexion du miroir, selon la norme industrielle, seulement 1 % environ de l'énergie de la source lumineuse EUV atteint la plaquette à travers les 10 miroirs utilisés, ce qui signifie qu'un rendement lumineux EUV très élevé est nécessaire. Pour répondre à cette demande, le laser CO2 qui pilote la source lumineuse EUV nécessite beaucoup d'électricité, ainsi que beaucoup d'eau de refroidissement.
En revanche, en limitant le nombre de miroirs à seulement quatre entre la source de lumière EUV et la plaquette, plus de 10 % de l'énergie peut être transférée, ce qui signifie que même une petite source de lumière EUV de plusieurs dizaines de watts peut fonctionner efficacement. Cela peut réduire considérablement la consommation d'énergie.
Surmonter deux défis majeurs
Par rapport aux normes industrielles existantes, le modèle OIST présente des avantages significatifs grâce à sa conception simplifiée (seulement deux miroirs), ses besoins en source lumineuse extrêmement faibles (20 W) et sa consommation électrique totale (moins de 100 kW) qui est inférieure à un dixième de celle des technologies traditionnelles. Cette innovation garantit non seulement un transfert de motif avec une précision de l'ordre du nanomètre, mais réduit également l'effet 3D du masque, améliorant ainsi les performances globales.
En particulier, en réduisant le nombre de réflexions du miroir à quatre fois, le nouveau système atteint une efficacité de transfert d'énergie de plus de 10 %, ce qui permet même aux petites sources de lumière EUV de fonctionner efficacement, réduisant ainsi considérablement la consommation d'énergie. Cette réalisation réduit non seulement la charge sur les lasers CO2, mais réduit également le besoin d'eau de refroidissement, incarnant ainsi davantage le concept de protection de l'environnement.
Le professeur Tsumoru Shintake a également inventé la méthode optique d'éclairage à « champ à double ligne », qui résout intelligemment le problème des interférences de chemin optique et permet d'obtenir une cartographie précise des motifs du masque photographique à la plaquette de silicium. Il l'a comparée au réglage de l'angle d'une lampe de poche pour éclairer le miroir de la meilleure façon, en évitant les collisions lumineuses et en maximisant l'efficacité de l'éclairage, démontrant ainsi sa créativité et sa sagesse extraordinaires.
