L’avancée chinoise la plus récemment annoncée dans la technologie de lithographie des semi-conducteurs a fait l’objet d’un scepticisme généralisé alors que Pékin s’efforce de devenir plus autosuffisante en matière d’équipements de fabrication de puces haut de gamme. Mais il est probablement plus logique de voir le chemin parcouru par la Chine que de laisser ses concurrents se contenter de savoir jusqu’où elle doit encore aller dans le domaine technologique crucial.
L’équipement de lithographie est utilisé pour transférer des modèles de circuits du photomasque (modèle) à la tranche sur les lignes de production de semi-conducteurs. Il s’agit du principal obstacle technologique que la Chine doit surmonter pour créer une industrie indépendante de fabrication de semi-conducteurs, à l’abri des sanctions américaines.
Plus tôt ce mois-ci, le ministère chinois de l’Industrie et des Technologies de l’information (MIIT) a annoncé qu’il avait inclus deux systèmes de lithographie fabriqués dans le pays sur une liste d’équipements qu’il souhaitait que les fabricants chinois de puces adoptent.
L’un est un scanner au fluorure de krypton (KrF) capable de produire des circuits intégrés (CI) avec des règles de conception de 130 nanomètres (nm). L’autre est un scanner au fluorure d’argon (ArF) capable de produire des puces à 65 nm. Les détails sur le débit, la précision de l’alignement et le nom du ou des fabricants n’ont pas été fournis.
Le 65 nm est loin du 28 nm que la Chine a récemment ciblé et encore plus loin du 5 nm qu’elle a apparemment atteint grâce à des équipements de lithographie importés.
KrF et ArF font référence à des sources de lumière laser excimer avec des longueurs d’onde de 248 nm et 193 nm, respectivement. Les scanners KrF et ArF sont les deux systèmes de lithographie à ultraviolet profond (DUV) qui ont précédé les systèmes de pointe à ultraviolet extrême (EUV) monopolisés par ASML des Pays-Bas. La lumière EUV a une longueur d’onde de 13,5 nm.
Les systèmes chinois de lithographie à semi-conducteurs peuvent apparemment désormais rivaliser avec les anciennes machines de Canon, Nikon et ASML. Par ordre croissant de sophistication technologique, Canon, Nikon et ASML fabriquent la plupart des systèmes de lithographie IC au monde, ASML étant largement en tête du marché mondial.
Canon a lancé le premier système de lithographie à semi-conducteurs du Japon en 1970 et s’est imposé sur les marchés des systèmes i-line et KrF dans les années 1980 et 1990. Cependant, il n’a pas réussi à passer à l’ArF au tournant du siècle et n’a jamais tenté l’EUV. Canon travaille actuellement sur une technologie totalement différente appelée lithographie par nano-impression, qui n’a pas encore atteint une production commerciale de masse.
Nikon était la vedette de la VLSI Technology Research Association (VLSI Labs) créée par le ministère japonais du Commerce international de l’industrie (MITI) en 1976 pour développer une technologie capable de concurrencer l’industrie américaine des équipements à semi-conducteurs. VLSI Labs a demandé à Nikon de construire une machine capable de réduire d’un facteur dix la taille des modèles de circuits intégrés.
Nikon, qui, comme son collègue fabricant d’appareils photo Canon, pouvait fabriquer des objectifs de haute qualité mais disposait également d’une technologie précise de positionnement de scène à grande vitesse, a produit un appareil qui, selon les mots de Nikon, « était suffisamment précis pour frapper une balle de tennis avec une flèche dessus ». le sommet du mont Fuji depuis Tokyo.
L’appareil était un système de lithographie IC pas à pas – un « pas à pas » qui traversait la plaquette une puce à la fois, permettant une résolution plus élevée que celle des aligneurs de masque qu’ils remplaçaient.
Les aligneurs, qui utilisent un masque qui couvre toute la surface de la tranche, étaient plus rapides que les premiers steppers mais ne pouvaient pas suivre le rythme de la miniaturisation des circuits intégrés – le rétrécissement rapide de la taille des caractéristiques décrit par la loi de Moore (l’observation de Gordon Moore, co-fondateur de Fairchild Semiconductor et Intel, que le nombre de transistors sur un circuit intégré double tous les deux ans).
Nikon a livré un prototype en 1978 et a expédié son premier moteur pas à pas à usage commercial en 1980, une machine avec une résolution d’un micromètre (un micron ou 1 000 nm) et un alignement très précis. La première expédition vers les États-Unis a eu lieu en 1982. À la fin des années 1980, les aligneurs de masques et les sociétés américaines qui les fabriquaient, Perkin-Elmer et GCA, avaient été largement remplacés par des steppers japonais.
Dans les années 1990, les steppers ont été remplacés par des systèmes step-and-scan – des scanners qui n’exposent qu’une partie du masque lorsqu’ils se déplacent. Cela a permis d’utiliser un objectif plus petit, ce qui a réduit à la fois les aberrations et les coûts tout en permettant une augmentation de la résolution.
L’historique du lancement des produits Nikon montre le rythme des progrès :
1984 : premier moteur pas à pas i-line (résolution 800 nm)
1988 : premier moteur pas à pas KrF (500 nm)
1994 : moteur pas à pas i-line (350 nm)
1998 : Scanner KrF (180 nm)
1999 : premier scanner ArF (180 nm, réduit à 110 nm la même année)
2004 : scanner ArF (65 nm)
Le plus avancé des deux systèmes de lithographie annoncés par le MIIT chinois ce mois-ci semble être similaire aux machines annoncées par Nikon il y a 20 ans.
En 2005, Nikon a développé un scanner à immersion ArF pour la production en série à 55 nm, la première unité étant expédiée en janvier 2006. En lithographie par immersion, l’espace entre la lentille et la plaquette est rempli d’eau, qui a un indice de réfraction plus élevé que l’air ( c’est-à-dire supérieur à 1,0), permettant de créer des éléments plus petits sur la tranche. Ce système a également été utilisé dans le développement de dispositifs 45 nm.
En 2012, la résolution du dernier scanner à immersion Nikon ArF était tombée à 38 nm, ce qui est aussi bas que dans les spécifications publiées. Cette machine était capable de produire des circuits intégrés à 22 nm avec une double configuration.
D’ici 2024, Nikon envisageait de répondre aux exigences du 5 nm avec plusieurs motifs. Le fabricant américain d’équipements de gravure de semi-conducteurs, Lam Research, explique les multiples configurations comme suit :
« Depuis des décennies, l’une des tendances majeures de l’électronique a été la miniaturisation, qui a permis d’intégrer davantage de fonctionnalités, de prolonger la durée de vie des batteries et de réduire les coûts de production par puce. Jusqu’à récemment, l’industrie des semi-conducteurs était en mesure de répondre aux demandes des consommateurs pour des produits plus petits et plus puissants en augmentant les capacités de lithographie pour réduire les dimensions des caractéristiques des circuits intégrés (CI)…
« Bien que cette technique soit utilisée avec succès depuis de nombreuses années, les conceptions de puces avancées d’aujourd’hui présentent des caractéristiques plus petites et plus denses qui nécessitent d’aller au-delà des limites imposées par la longueur d’onde de la lumière utilisée en lithographie conventionnelle. Pour créer ces puces, des techniques de modélisation avancées superposent plusieurs motifs de plus grandes dimensions pour obtenir des fonctionnalités plus petites et/ou plus étroitement regroupées… La forme la plus élémentaire de modélisation multiple est la double modélisation, qui multiplie par deux la densité des fonctionnalités.
La configuration multiple explique comment les fabricants chinois de semi-conducteurs peuvent fabriquer des puces au nœud de processus 7 nm ou même 5 nm – par exemple, des processeurs pour les derniers smartphones Huawei – en utilisant des systèmes d’immersion ArF achetés auprès de Nikon ou, plus probablement, ASML. 5 nm semble être la limite effective pour la production commerciale utilisant la lithographie DUV.
ASML a été fondée en 1984. Pendant 20 ans, elle a rattrapé son retard, mais en 2003, elle a lancé le premier scanner à immersion TWINSCAN ArF, un système à deux étages qui atteignait un débit plus élevé et une plus grande précision en exposant une tranche tandis que la tranche suivante était étant mesurés et alignés.
ASML a dépassé Canon et Nikon, puis a pris une avance insurmontable, sa part de marché de la lithographie IC passant de moins de 30 % en 2001 à plus de 80 % en 2023 en termes de valeur des systèmes vendus.
En 2010, ASML a livré le premier scanner EUV. En 2016, elle expédiait des lots de machines de production à grand volume. À l’heure actuelle, la lithographie EUV permet une production de masse à 3 nm, 2 nm étant bientôt disponible et 1 nm attendu d’ici la fin de la décennie.
La domination d’ASML sur le marché haut de gamme de la lithographie IC est évidente dans ses chiffres de ventes les plus récents : au cours des trois mois précédant juin 2024, ASML a vendu huit systèmes de lithographie EUV, 32 ArF par immersion, 11 ArF sec, 33 KrF et 16 i-line.
Nikon, qui n’a vendu que quatre systèmes i-line au cours des trois mois précédant juin en raison du calendrier des livraisons, prévoit de vendre cinq systèmes ArF à immersion, six ArF secs, deux KrF et 22 systèmes i-line d’ici mars 2025, soit , soit moins de machines ArF et KrF en un an que ASML n’en a expédié au dernier trimestre.
Canon a vendu 10 KrF et 50 systèmes i-line au cours des trois mois précédant juin et prévoit de vendre 54 KrF et 190 systèmes i-line au cours de l’année précédant décembre. Dans les technologies matures, Canon est un concurrent de qualité et de volume important pour les Chinois, une référence exigeante qui n’est pas soumise à des sanctions.
SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment Co) est le premier producteur chinois d’équipements de lithographie IC. Fondée en 2002, SMEE a développé des systèmes de lithographie pour la fabrication de circuits intégrés front-end et le conditionnement de circuits intégrés back-end, les semi-conducteurs de puissance, les LED (diodes électroluminescentes), les MEMS (systèmes micro-électromécaniques) et les FPD (écrans plats).
Nikon et Canon sont les principaux producteurs d’équipements de lithographie FPD, qu’ASML ne fabrique pas et qui n’est pas sanctionné par les États-Unis.
SMEE fabrique des scanners ArF capables de produire des circuits intégrés avec des règles de conception de 280 nm, 110 nm, 90 nm et maintenant, probablement, 65 nm – ce qui signifie que SMEE est probablement le fabricant des systèmes de lithographie actuellement promus par le MIIT chinois.
La SMEE travaille sur la lithographie par immersion depuis au moins 2020. Mais les rapports selon lesquels un système capable de produire des circuits intégrés au niveau du nœud de processus de 28 nm serait en voie d’achèvement ou aurait été développé avec succès étaient jusqu’à présent prématurés.
En avril de cette année, des rapports indiquaient qu’une autre société chinoise, Naura Technology, avait lancé un projet de R&D en lithographie utilisant une technologie appelée quadruple motif auto-alignant, mais cela n’a pas été confirmé. DigiTimes rapporte que Nikon « surveille de près » Naura, qui fabrique des équipements de gravure et de dépôt capables de produire du 28 nm.
Il est probable que le SMEE ait simplement trouvé les systèmes de lithographie compatibles 28 nm très difficiles à réaliser et il est fort possible que Naura développe également cette technologie. Il ne semble y avoir aucune raison pour laquelle ils ne pourraient pas le faire, et des résolutions plus modestes suivront presque certainement. La SMEE travaillerait également sur EUV.
Les Chinois ressentent un degré d’urgence croissant maintenant que les États-Unis ont poussé les Pays-Bas à cesser d’entretenir les systèmes de lithographie par immersion ArF qu’ils ont vendus à des clients en Chine.
Il reste à voir quelle sera l’efficacité de cette nouvelle sanction, mais elle constitue une incitation supplémentaire pour les Chinois à intensifier leurs efforts de remplacement des équipements importés.
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