Lithographie EUV dans la fabrication des semi-conducteurs

ASML a été fondée en 1984 sous la forme d'une coentreprise entre ASM International et Philips Electronics. Son siège social à Veldhoven, aux Pays-Bas, et une filiale en Arizona ont été créés en 1985.

L'année 1986 a été exceptionnelle d'un point de vue stratégique, car ASML a lancé le premier système d'imagerie pour semi-conducteurs et a entamé un partenariat de développement à long terme avec la société allemande d'optique Carl Zeiss. Depuis 1995, ASML est cotée à l'AEX et au NASDAQ. Les systèmes de lithographie EUV (Extreme Ultra Violet) d'ASML sont les équipements les plus avancés au monde pour la production en série de puces.

ASML a réussi à introduire cette technologie auprès de ses clients après plus de 20 ans de recherche et développement continus. Les fabricants de puces utilisent l'EUV pour la fabrication des puces les plus avancées depuis 2016. Chaque machine se compose de 100 000 pièces et modules, mesure environ la taille d'un bus et nécessite trois avions de transport pour être livrée.

Entretien avec Sander Hofman

Interview

1. Pouvez-vous décrire brièvement ASML en tant qu'entreprise ?

Sander Hofman : ASML est l'un des principaux fournisseurs de l'industrie des semi-conducteurs. Nous fournissons aux fabricants de puces des machines de lithographie, des logiciels et des services pour la production en série de circuits intégrés (micropuces). Nous avons été fondés en tant que coentreprise en 1984 et avons passé les dix premières années de notre histoire à fabriquer une machine de lithographie compétitive et à nous faire un nom. À ses débuts, ASML dépendait des subventions et des programmes de soutien du gouvernement néerlandais et de l'Union européenne.

Au début des années 1990, nous disposions d'un système que nous avons commencé à vendre aux plus grands fabricants de puces électroniques au monde. Ceux-ci ont été impressionnés par la résolution, le faible encombrement et la modularité du système. Cette modularité est le fruit de notre façon de travailler : nous n'innovons pas de manière isolée. Nous sommes des architectes et des intégrateurs. Nous développons notre technologie en étroite collaboration avec nos clients et nos partenaires technologiques, tout en confiant à notre chaîne d'approvisionnement la fabrication de la plupart des pièces et modules du système. Bon nombre de nos partenaires stratégiques sont basés en Europe. Il s'agit notamment de Carl Zeiss dans le domaine de l'optique et de Trumpf dans celui de la technologie laser.

2. Comment le « savoir-faire » d'ASML est-il protégé ?

Hofman : Nous détenons aujourd'hui plus de 15 000 brevets pour une grande variété de technologies. Ces brevets couvrent non seulement notre activité principale, la lithographie, mais aussi d'autres marchés pertinents. Cela concerne, par exemple, la métrologie, les instruments de mesure pour l'évaluation de la lithographie et la lithographie assistée par ordinateur. Cela inclut les aspects liés à l'apprentissage automatique et à l'IA.

Même si ASML était à l'origine une entreprise de matériel informatique, le secteur des logiciels est devenu un élément essentiel de notre innovation au cours de la dernière décennie. Ces connaissances sont exclusives et cruciales pour le fonctionnement des machines au niveau nanométrique.

3. Quelles sont les fonctions des machines d'ASML dans la fabrication des semi-conducteurs ?

Hofman : Imaginons que nous démontions un téléphone pour en extraire ses différents composants. À l'intérieur se trouvent de nombreuses puces qui remplissent différentes fonctions. Dans le cas de l'iPhone, par exemple, il s'agit de la célèbre A15, ou de la M1 dans le Mac. Ces puces sont le cerveau de l'appareil.

Si vous regardiez cette puce de plus près, vous verriez des centaines de couches de motifs géométriques interconnectés. Ensemble, ils forment un circuit intégré ou une puce. Toutes ces couches de motifs sont ce que nos machines peuvent imprimer sur du silicium. La production doit avoir lieu dans des environnements de salle blanche.

4. Combien de temps faut-il pour fabriquer les machines ?

Hofman : Les fabricants de semi-conducteurs font fonctionner leurs usines 24 heures sur 24, 365 jours par an. Il en va de même pour ASML. Les salles blanches où les systèmes sont fabriqués fonctionnent 24 heures sur 24, nos employés travaillent donc par roulement. Le processus de fabrication est assez long. Pour les machines de génération plus ancienne, la production peut prendre des semaines.

Mais pour un système EUV, cela prendra des mois. La chaîne d'approvisionnement doit également livrer toutes les pièces et tous les modules à temps, ce qui constitue en soi un défi logistique. L'assemblage et les tests des machines prennent également du temps. Compte tenu de la pénurie actuelle de puces, nous augmentons notre capacité de production.

Impression de motifs sur des plaquettes de silicium à l'aide de la lumière EUV

Circuits intégrés

Les circuits intégrés peuvent comprendre des milliards de composants, de sorte que même des circuits très complexes peuvent être logés sur du silicium de quelques millimètres carrés seulement. La fabrication implique un grand nombre de processus physiques et chimiques individuels. Étant donné que les performances des microprocesseurs augmentent généralement à mesure que les structures sur la puce deviennent plus petites, leur degré de miniaturisation est souvent à la limite de ce qui est techniquement et physiquement possible.

Interview

5. Qu'est-ce que la lithographie exactement ?

Sander Hofman : Un circuit intégré ou une puce se compose de centaines de couches de motifs interconnectés. Nos machines impriment ces motifs sur du silicium. En termes simples, les machines d'ASML sont des photocopieurs avancés pour ces motifs. Ce processus s'appelle la lithographie. Dans les machines, nous avons une source lumineuse, avec une lumière d'une certaine longueur d'onde. Dans le cas des systèmes EUV, les systèmes les plus récents et les plus innovants, cela se trouve déjà dans le nom : EUV, Extreme Ultra Violet Light, avec une longueur d'onde de 13,5 nanomètres.

6. Quelle est l'importance de la lumière pour la production ?

Hofman : La lumière d'une longueur d'onde de 13,5 nanomètres est générée par nos soins et dirigée à travers nos machines via des optiques. Ces miroirs sont fabriqués par ZEISS en Allemagne. La lumière est réfléchie par un motif maître que nous appelons « masque ». Celui-ci encode le motif dans le faisceau lumineux. Enfin, le faisceau lumineux contenant le motif codé est réduit à l'aide d'autres optiques avant d'atteindre une plaquette de silicium photosensible, sur laquelle il est imprimé à plusieurs reprises, comme sur une photocopieuse.

7. Quelles sont les dernières étapes de production de la plaquette ?

Hofman : Après la lithographie, la plaquette est traitée dans l'usine de semi-conducteurs de nos clients. Ces étapes supplémentaires sont réalisées à l'aide de machines provenant d'autres fournisseurs d'équipements pour semi-conducteurs. La plaquette est traitée dans des bains chimiques, gravée et ionisée, entre autres processus, pour être finalisée. Au total, le traitement d'une plaquette dans l'usine d'un client peut prendre jusqu'à trois mois.

Plusieurs couches doivent être imprimées, les unes sur les autres, la plaquette est à nouveau gravée et traitée par lithographie. Le résultat est une plaquette de silicium sur laquelle des centaines, parfois des milliers de puces sont imprimées côte à côte. Le produit final peut ensuite être découpé en puces individuelles et emballé avant d'être intégré dans des appareils électroniques. Voilà le contexte de base pour comprendre ce que sont nos machines et comment elles fonctionnent.

Caractéristiques technologiques des systèmes EUV

Caractéristiques technologiques des systèmes EUV

La lithographie nécessite une ingénierie mécatronique de pointe. Le mouvement du masque et de la plaquette doit être parfaitement synchronisé, mais comme le motif de la puce sur le masque est plus grand que le motif obtenu sur la plaquette, le réticule doit se déplacer beaucoup plus loin et plus vite, jusqu'à 150 mètres par seconde carrée. Cela équivaut à une voiture accélérant de 0 à 100 km/h en seulement 0,1 seconde.

La capacité à synchroniser le mouvement de la plaquette et du réticule au nanomètre et à la nanoseconde près alors qu'ils accélèrent à 5 g et 15 g dans des directions opposées, sans provoquer la moindre vibration, est essentielle pour produire des micropuces fonctionnelles.

Interview

8. Quelles sont les caractéristiques uniques des machines EUV d'ASML ?

Sander Hofman : Les systèmes EUV sont uniques par leur complexité, leur mode de développement et la manière dont ASML travaille avec la chaîne d'approvisionnement pour les fabriquer. En fin de compte, ce qui importe, c'est que l'industrie des puces exige une machine abordable, capable d'atteindre les performances les plus élevées pour les couches de puces dans la fabrication de semi-conducteurs qui ont les caractéristiques les plus petites. La technologie EUV permet la fabrication de semi-conducteurs les plus avancés.

9. Comment la lumière est-elle générée dans la machine EUV ?

Hofman : La génération de lumière dans la lithographie EUV est un processus incroyablement complexe. Un générateur éjecte des gouttelettes d'étain de 25 micromètres à une vitesse de 70 mètres par seconde à l'intérieur d'une enceinte sous vide. Trumpf fabrique un laser CO2 industriel très puissant pour le système, qui est tiré sur ces gouttelettes d'étain. Chaque gouttelette doit être touchée deux fois. Le premier impact se produit avec une impulsion laser de faible intensité qui aplatit la gouttelette d'étain, lui donnant une forme similaire à celle d'une crêpe. Le deuxième impact, avec une impulsion laser plus forte, vaporise la gouttelette et génère de la lumière EUV.

Un vide est nécessaire dans la machine EUV car la lumière ultraviolette extrême est absorbée par tous les matériaux. C'est pourquoi des miroirs sont utilisés à la place de lentilles, car les miroirs peuvent réfléchir et transmettre la lumière. C'est la seule façon de diriger la lumière à travers la machine et sur la plaquette, car les lentilles l'absorberaient tout simplement.

10. Quels ont été les principaux défis rencontrés lors du développement des machines EUV ?

Hofman : Le développement de la source lumineuse, de la technologie du vide et de l'optique dans l'EUV a représenté un défi considérable. C'est pourquoi le développement a pris 20 ans. ASML et ses fournisseurs ont dû maîtriser ces phénomènes au niveau fondamental de la physique avant de pouvoir les intégrer dans leur ingénierie. Au cours de ce processus, de nouveaux problèmes et tâches ont continué à se présenter et ont dû être résolus. Cependant, ASML a finalement maîtrisé la physique de cette technologie et a pu l'intégrer dans son ingénierie. Le résultat est une machine EUV fonctionnelle qui accomplit ses tâches de manière fiable et précise dans l'usine d'un client.

Mises à niveau et développement du système pour le marché futur des semi-conducteurs

Interview

11. Quelles mises à niveau ASML propose-t-elle pour les systèmes existants ?

Sander Hofman : ASML propose des mises à niveau matérielles et logicielles. Comme défini dans la feuille de route, les premières livraisons importantes de systèmes sont effectuées et des mises à niveau sont proposées environ tous les deux trimestres. C'est là un immense avantage de la modularité des machines, qui s'est avérée être un facteur de succès pour ASML au fil des ans. ASML offre aux fabricants de puces une plateforme sur laquelle ils peuvent acheter le système avec exactement les configurations nécessaires pour leurs puces spécifiques. ASML développe et propose régulièrement des mises à niveau. Les mises à niveau peuvent, par exemple, augmenter la productivité du système ou offrir une plus grande précision dans la production de masse.

12. Les mises à niveau entraînent-elles des temps d'arrêt dans la production ?

Hofman : Le déploiement des logiciels est généralement très facile et rapide, tandis que les mises à niveau matérielles peuvent prendre plusieurs jours ou semaines, selon le type de mise à niveau. Les systèmes ASML font l'objet de mises à niveau régulières. Cela nécessite un certain temps d'arrêt qui est coordonné avec les fabricants de semi-conducteurs. Cela fait toute la différence. Comme les fabricants exploitent des usines hautement automatisées, il existe de nombreux processus différents impliquant plusieurs machines. Les temps d'arrêt planifiés permettent de réduire au minimum les perturbations de la production.

13. Les anciennes générations de systèmes lithographiques d'ASML bénéficient-elles également de mises à niveau ?

Hofman : Plus de 95 % de tous les systèmes jamais fabriqués par ASML sont encore utilisés aujourd'hui. Les systèmes plus anciens sont utilisés dans la production de puces avec des caractéristiques et des tailles de transistors plus importantes, adaptées aux applications automobiles ou aux capteurs. Le marché des semi-conducteurs est en plein essor dans ces domaines d'application. Notre gamme de produits comprend des systèmes spécialement conçus pour ces applications, avec les services et les mises à niveau qui vont avec. Certains de nos systèmes les plus anciens sont remis à neuf.

Interview

14. Combien de machines EUV ASML fabrique-t-elle chaque année ?

Hofman : En 2021, ASML a livré un total de 286 systèmes de lithographie, dont environ 40 systèmes EUV. Il existe actuellement une pénurie de semi-conducteurs, avec une demande énorme alimentée par des tendances majeures telles que la 5G, l'IA et le Big Data, l'Internet des objets et la conduite autonome. La production de l'ensemble du portefeuille d'ASML devrait augmenter. Pour l'EUV en particulier, cela signifie qu'une capacité de 55 systèmes est prévue pour 2022. Pour l'année suivante, ASML vise à produire 60 systèmes EUV.

15. Quelles évolutions prévoyez-vous pour l'industrie des semi-conducteurs et ASML ?

Hofman : En ce qui concerne l'évolution de l'industrie des semi-conducteurs et la taille des transistors des puces, les réponses se trouvent dans les feuilles de route d'entreprises telles qu'Intel, TSMC et Samsung. Ces entreprises prévoient de réduire la taille des transistors au cours de la prochaine décennie et au-delà. Cette évolution est en partie possible grâce à ASML, qui continue de stimuler l'innovation avec son système EUV.

ASML travaille déjà sur la plateforme EUV de nouvelle génération, qui offrira une résolution encore plus fine. La production en série devrait démarrer en 2025. La chaîne d'approvisionnement travaille activement pour fournir tous les composants et modules qui seront assemblés dans la salle blanche d'ASML à Veldhoven afin de construire la première machine. La réduction de la taille des transistors progresse rapidement et l'industrie y est très favorable. Aujourd'hui, les puces sont présentes partout, plus que jamais auparavant. On constate également une augmentation de toutes sortes de solutions automobiles et de technologies de capteurs. L'industrie des puces est en plein essor et nous sommes en mesure de proposer les outils nécessaires pour faire progresser l'innovation.

16. Comment ASML se prépare-t-elle aux changements dans l'industrie des puces électroniques ?

Hofman : Si l'on examine le marché des semi-conducteurs, on constate qu'il connaît actuellement un essor considérable. Le chiffre d'affaires total de l'industrie s'élève actuellement à environ 550 milliards de dollars, et les prévisions suggèrent qu'il pourrait atteindre 1 000 milliards de dollars d'ici la fin de la décennie. ASML est en train d'augmenter sa capacité de production. Elle utilise davantage d'espace et embauche plus d'employés afin de produire plus de machines plus rapidement. De nouvelles salles blanches sont en cours de construction. Il s'agit d'une tendance continue que l'on observe également chez les partenaires stratégiques et les fournisseurs d'ASML.

Ensemble, nous travaillons sur la prochaine génération de systèmes de lithographie, tout en innovant sur les générations actuelles. À mon avis, nous vivons une période passionnante. Nous entrons dans une ère où l'industrie des semi-conducteurs est au centre d'une vague d'innovations qui fera avancer le monde. Espérons que cela contribuera à résoudre certains des problèmes auxquels l'humanité est confrontée, tels que le changement climatique, l'accès aux soins de santé et l'égalité dans l'éducation. La technologie peut aider à relever ces défis d'une manière qui n'était pas possible auparavant.