Utilisation de la Lumière : La Science de la Photolithographie

Les puces sont des objets extrêmement complexes. La Photolithographie rend leur fabrication possible.

Points essentiels à retenir

  • Les puces sont extrêmement complexes et peuvent contenir des milliards de transistors microscopiques.

  • La photolithographie est utilisée pour découper ces modèles minuscules ; les puces Intel® actuelles se composent d'environ 30 couches distinctes.

  • Au fil de l'évolution des puces, la lithographie en ultraviolet sera une prochaine étape importante pour suivre le rythme des besoins informatiques.

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La micropuce est l'objet le plus complexe jamais développé par l'homme. Et pourtant, au cœur de ce dispositif se trouve un mécanisme relativement simple : le commutateur.

Le commutateur, et la capacité de mettre un circuit sous tension ou hors tension, est le mécanisme fondamental de la création et de l'interprétation du code binaire. Dans les premiers ordinateurs, ce commutateur était un commutateur mécanique physique qui pouvait être contrôlé manuellement par des opérateurs.

Mais à mesure que les systèmes informatiques devenaient plus puissants, les commutateurs sont devenus de plus en plus petits. Très rapidement, ces commutateurs mécaniques ont été remplacés par des transistors électrochimiques. Et ces transistors, eux aussi, deviennent de plus en plus petits.

Les microprocesseurs actuels contiennent des milliards commutateurs à transistor sur des plaques de silicium de la taille d'un ongle. Cependant, la fabrication constitue désormais un véritable défi. Quelle que soit la précision de votre vue, vous ne pouvez tout simplement pas souder ces transistors en leur emplacement. Les commutateurs sont eux-mêmes imperceptibles à l'œil nu.

La Photolithographie est alors apparue comme une solution à ce problème. Cette expression est dérivée des mots grecs photo qui signifie lumière ; lith qui signifie pierre ; et graph qui signifie écrire. Et comme son nom l'indique, la photolithographie consiste à utiliser la lumière pour inscrire des motifs de circuits imprimés incroyablement précis sur des plaques individuelles de silicium.

Comment cela fonctionne ?

La Méthodologie

Avant de passer au processus photolithographique à proprement parlé, vous avez besoin de deux choses. La première est un photomasque. Il s'agit d'un bloc de cristal de quartz transparent d'environ 15 x 15 cm sur lequel des circuits ont été gravés à l'aide de faisceaux d'électron.

Ces motifs sont devenus extrêmement complexes au fil du temps et un seul masque peut contenir les schémas de milliards de transistors. Les photomasques agissent comme une sorte de pochoir lumineux grâce auxquel les modèles de puces sont transférés sur le silicium.

Ce qui nous mène au deuxième élément : la tranche de silicium. Cette tranche est un disque circulaire de matériau semi-conducteur en silicium, découpé à partir d'un lingot de silicium pur et constitue la substance sur laquelle sont imprimés les circuits.

Au cours de la première étape du processus de photolithographie, cette tranche est recouverte d'une couche chimique appelée photorésist. Ensuite, une lumière est projetée à travers le photomasque ; ce qui crée une image lumineuse du circuit. Cette image passe à travers une série de lentilles qui la réduisent à la bonne taille. L'image ainsi réduite est ensuite projetée sur la tranche.

La lumière de ce modèle réagit avec le photorésist qui est ensuite éliminé par lavage, révélant une couche d'oxyde en dessous. Cette couche d'oxyde est ensuite soumise à un autre lavage à l'acide qui ronge l'oxyde, révélant la couche de silicium sous-jacente. Le silicium exposé est par la suite soumis à un processus appelé dopage qui modifie ses propriétés électriques.

Ce processus est répété encore et encore avec plusieurs combinaisons différentes de produits chimiques et de masques jusqu'à ce que le processeur soit constitué, couche par couche.

Les procédés actuels de photolithographie d'Intel® utilisent parfois une trentaine de masques distincts, voire plus, pour superposer des motifs de circuits. Plutôt qu'une carte de circuits imprimés traditionnelle en 2D, il est peut-être plus judicieux de considérer les puces actuelles comme des systèmes d'autoroutes à plusieurs niveaux, avec différents modèles de circuits superposés.

De L'Usine au Téléphone

Le processus entier est si délicat que les usines où sont assemblées les puces fonctionnent dans des conditions où i y a moins de 10 particules de poussière par pied cube, afin d'éviter toute contamination. Pour les mêmes raisons, les étages de ces usines sont éclairés par une étrange lueur jaune, car les longueurs d'onde plus importantes de la lumière jaune sont moins susceptibles d'interférer avec le processus de photolithographie.

Des centaines de puces identiques sont imprimées sur chaque tranche de silicium. Une fois le processus achevé, des outils de coupe à pointe de diamant sont utilisés pour découper la tranche en plusieurs « puces » ou microprocesseurs individuels. Les usines les acheminent ensuite vers des ateliers de préparation des de puces pour les tester, puis les assembler.

L'avenir

La Photolithographie est un processus en constante évolution. Et les améliorations apportées à la technologie et aux méthodes ont été l'une des forces motrices de la loi de Moore. Cependant, les fabricants de puces se heurtent de plus en plus à des limites physiques.

La longueur d'onde de la lumière constitue un défi particulier. La lumière visible a une longueur comprise entre 700 et 400 nanometres. Toutefois, cette longueur d'onde est désormais plus large que les circuits de micropuces actuelles. Tout à fait, la lumière elle-même n'est plus un outil assez précis pour créer les puces électroniques actuelles.

C'est pourquoi la prochaine étape de la lithographie pourrait être l'EUV (lithographie par ultraviolets extrêmes). Cette méthode fait usage de la lumière ultraviolette qui a une longueur d'onde d'environ 13,5 nm, pour créer des motifs encore plus précis. Elle jouera un rôle essentiel dans la conception des puces de 7 nm alors qu'Intel cherche à pérenniser la loi de Moore.

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