Cymer a alimenté un laser avec 50 000 gouttelettes d'étain par seconde pour produire la lumière qui imprime les puces 3 nm

Dans les années 2000, l'industrie avait épuisé les longueurs d'onde disponibles : pour maintenir la loi de Moore dans les délais, les fabricants de puces avaient besoin d'une lithographie à 13,5 nm, une lumière qu'aucun laser existant ne produit et qu'aucune lentille ne peut transmettre. La lumière devait provenir d'un plasma suffisamment chaud pour dépouiller les atomes d'étain jusqu'aux états de charge Sn IX à Sn XIV, dont les raies d'émission se regroupent à 13,5 nm — créée 50 000 fois par seconde, pendant des années, à l'intérieur d'une enceinte sous vide, sans endommager l'optique qui recueille la lueur.

Les tentatives évidentes ont échoué. Brûler des cibles d'étain solide couvrait le miroir collecteur de débris, et les conceptions à décharge plaçaient des électrodes sujettes à l'érosion dans la zone d'impact à faible puissance. Cymer, l'entreprise de San Diego qui fabriquait déjà les sources de lumière ultraviolette profonde pour la plupart des scanners de puces, a consacré des années et des capitaux à la solution alimentée par gouttelettes : un générateur projetant des gouttes d'étain fondu d'environ 25 microns à 70 m/s, une pré-impulsion qui dilate chaque goutte en une galette de faible densité, et une impulsion principale CO2 à 10,6 microns qui l'ionise en un plasma émettant à 13,5 nm avec une efficacité de conversion de 5 à 6 % — soit environ 250 watts de lumière utilisable.

ASML, le seul fabricant de systèmes de lithographie encore debout dans l'EUV, a jugé que la source de lumière était trop critique pour être laissée entre d'autres mains. Le 17 octobre 2012, elle a accepté d'acheter Cymer pour 1,95 milliard d'euros en numéraire et en actions — 20,00 $ plus 1,1502 action ASML par action, soit une prime de 61 % — explicitement « pour accélérer le développement de l'EUV ». À cette date, les scanners de préproduction NXE:3100 d'ASML avaient déjà exposé plus de 23 000 wafers chez des clients.

L'opération a été finalisée le 30 mai 2013 pour environ 3,7 milliards de dollars, plus élevé qu'annoncé car le cours de l'action ASML avait presque doublé. Cymer a continué à fonctionner comme division de sources basée aux États-Unis d'ASML, servant toujours les fabricants de scanners concurrents de manière indépendante.

Alimenter le plasma en gouttelettes ; laisser la cible se renouveler d'elle-même

L'étain est le seul émetteur pratique à 13,5 nm, de sorte que le véritable problème de conception n'était pas le plasma, mais d'y survivre — les gouttelettes résolvent cela en rendant la cible jetable.

Le schéma à deux impulsions façonne la cible avant de la brûler : la galette issue de la pré-impulsion permet à l'impulsion CO2 de se coupler efficacement, portant l'efficacité de conversion au niveau de 5 à 6 % requis pour la fabrication.

L'hydrogène gazeux convertit l'étain déposé en stannane gazeux qui est évacué par pompage, de sorte que le miroir collecteur se nettoie sur place au lieu d'arrêter l'outil.

ASML a acheté le fabricant de la source plutôt que de parier son programme EUV sur des négociations avec un fournisseur — l'intégration verticale a retiré de la chaîne d'approvisionnement le composant unique le plus risqué.

Lorsqu'un composant ne cesse d'être détruit par son propre travail, cessez de le durcir — rendez-le jetable et alimentez-le en continu. Un consommable qui se renouvelle lui-même vaut mieux qu'une armure.

Chaque usine de puces de pointe fonctionne désormais sur cette architecture : ASML est la seule entreprise à vendre des systèmes de lithographie EUV, et ses sources de génération actuelle fournissent environ 250 W de puissance dans la bande au foyer intermédiaire, les systèmes high-NA visant 500 W. Les miroirs collecteurs s'érodent encore — environ 0,1 à 0,3 % de perte de réflectivité par milliard d'impulsions — ils sont donc remplacés à peu près chaque année, et le générateur de gouttelettes d'étain reste le cœur de la machine. Les puces structurées par une lumière de 13,5 nm équipent essentiellement tous les smartphones et processeurs de centre de données modernes.