Quelques (bonnes !) nouvelles de l'EUV

Il y a quelques semaines se tenait le symposium « Advanced Lithography » du SPIE , une organisation internationale qui se focalise sur les challenges des technologies optiques et photoniques. Antony Ten de TSMC y a tenu une présentation ou il est revenu sur les avancées de la technologie de lithographie EUV (Extreme Ultraviolet Lithography).

L'EUV représente une évolution majeure, attendue depuis très longtemps dans le monde de la fabrication des semi-conducteurs. Déjà en 2002, Intel passait sa première commande auprès d'ASML pour une machine destinée à être livrée de 2005. 10 ans après cette échéance, l'avènement de l'EUV ne s'est toujours pas fait même si les dernières nouvelles rapportées par TSMC semblent plutôt prometteuses.

ASML est le fabricant d'outil qui a misé depuis le début sur les EUV, les autres acteurs ayant jeté l'éponge
Pour rappel, les processeurs sont fabriqués via ce que l'on appelle la photolithographie , un mécanisme qui permet, via de multiples opérations successives de transférer un masque sur une galette de silicium (communément appelé wafer) en utilisant une source lumineuse. Une version high tech d'une photocopieuse utilisée pour effectuer des réductions en quelque sorte. Actuellement la source lumineuse utilisée pose problème à l'industrie. D'une longueur d'onde de 193nm, elle est générée par des lasers à exciplexe (Argon/Fluor). Elle traverse une série d'éléments optiques pour la focaliser et sert à exposer des solutions photorésistantes qui ont été déposées préalablement pour dessiner sur le wafer. Des étapes qui prennent individuellement un certain temps et qui se multiplient pour chacune des couches qui composent les semi-conducteurs. De bout en bout (et cumulé à toutes les autres étapes de la chaine) il faut entre 2 et 3 mois pour obtenir un produit final.

Les réductions de géométrie successives (on atteint aujourd'hui 14/16nm et bientôt 10nm) complexifient les systèmes de réduction ce qui fait que chaque node apporte ses challenges depuis quelques années tant il devient impossible d'atteindre une netteté parfaite sous les 50nm. Pour compenser cela, des techniques (lithographie à immersion, multiple patterning, etc) sont utilisées ponctuellement pour les couches les plus importantes des puces. A l'approche du 10nm, une généralisation du multi patterning (qu'on pourrait simplifier à passer deux fois une feuille dans une photocopieuse quand on a un toner défaillant pour la rendre lisible) devient obligatoire ce qui augmente les temps, crée de nouveaux problèmes (d'alignement notamment), impose des règles de design strictes dans la manière dont les ingénieurs doivent placer les transistors, et donc augmente les couts.

Avec une longueur d'onde de 13.5 nm, l'EUV promet de simplifier les systèmes optiques (bien qu'elle engendre de nouveaux problèmes, évidemment !) mais c'est la génération de cette lumière qui pose problème. La technique en elle-même est très complexe puisque des goutes microscopiques d'étain sont envoyées dans une chambre sous vide avant d'être vaporisées individuellement par un laser extrêmement puissant pour produire cette lumière UV extrême qui est enfin collectée et focalisée avant de pouvoir être utilisée. Le tout à une cadence de 50000 goutes par seconde. Une complexité qui empêchait d'atteindre en production de manière constante – il y a un an de cela - une puissance dépassant les 10 watts d'après TSMC durant le même symposium SPIE.

Le rachat de la société Cymer (qui fournit des sources lumineuses a l'industrie) par la société ASML (qui développe pour rappel les outils EUV) en 2013 semble cependant enfin porter ses fruits puisque ASML avait annoncé en juillet, puis en septembre  que deux de ses clients avaient réussis à exposer plus de 500 wafers sur une durée de 24 heures via leur machine NXE:3300B, équipée alors d'une source d'une puissance de 40 watts.

Mieux, TSMC a annoncé durant le symposium SPIE avoir pu faire fonctionner pendant 24 heures d'affilée sa machine NXE:3300B équipée d'une source de 80 watts (la seule au monde équipée aujourd'hui de cette source puissante). Durant cette période elle a pu exposer 1022 wafers ce qui donne un rapport wafer/heure de 42.58, un chiffre qui s'approche fortement des « 50 à 100 par heure » qu'évoquait Mark Bohr en 2012 pour commencer à considérer l'EUV.


L'imposante NXE :3300B d'ASML
Des progrès importants qui ont valu à TSMC d'indiquer que l'utilisation de l'EUV pour le 7nm était une possibilité, et qu'introduire l'EUV dans un second temps dans son process 10nm, pour certaines couches critiques n'était pas impossible. La roadmap d'ASML promet d'augmenter la puissance à 125 watts à la fin du second trimestre avec la source de lumière du NXE:3350B et même 250 watts avant la fin de l'année.

Si ces nouvelles sont dans l'absolu très bonnes, et un pas en avant très important pour l'EUV, d'autres problèmes restent à régler. Le site SemiWiki  rappelle que dans cette même présentation, TSMC indiquait que le taux de disponibilité de leur machine NXE:3300B version 40 watts, sur un test prolongé de 8 semaines n'était « que » de 55%. Un chiffre que l'on doit là encore à la source lumineuse, le générateur de goutes d'étain devant être remplacé… tous les 4 jours. La prochaine version de la source lumineuse fournie par Cymer promet de résoudre ce problème même s'il faudra voir dans quelle mesure. Un système de nettoyage automatique de la partie optique devrait également améliorer la disponibilité.

Dans tous les cas cette avancée de l'EUV est importante et si d'autres problèmes périphériques seront à résoudre, une des plus grosses épines dans le pied de l'EUV semble enfin s'envoler, laissant penser que la technologie pourrait enfin s'approcher d'une mise en production possible ! Quelque chose que l'on pourra confirmer au milieu de l'année, TSMC ayant commandé deux machines NXE:3350B dédiées au 10nm. Ses deux machines existantes seront également mises à jour. Le tout dans le but de les aider à préparer une introduction éventuelle sur leur process 7nm, possiblement à l'horizon 2017.