Chez TSMC, Burn Lin a remplacé un nouveau laser par une flaque d'eau pour continuer à réduire les puces

Les puces sont imprimées avec de la lumière, et en 2002 le laser à fluorure d'argon à 193 nm avait atteint la limite de ce que l'optique sèche pouvait résoudre. La réponse de la feuille de route était la longueur d'onde suivante : des lasers au fluor à 157 nm avec une optique entièrement nouvelle. Comme l'a exposé la revue de Burn-Jeng Lin en 2004, cette voie échouait au contact de la réalité — les pellicules à couche mince ne survivaient pas au-delà d'une dizaine d'expositions, aucun résist pour 157 nm digne de fabrication n'existait, et le matériau de lentille en fluorure de calcium restait insuffisant en qualité comme en quantité.

Lin avait proposé l'immersion chez IBM des décennies plus tôt et avait rejoint TSMC en 2000. Sa lettre de 2002 — l'analyse du « coefficient k3 » — montrait que l'espace entre la lentille finale du scanner et la plaquette était une variable inutilisée dans l'équation de résolution : remplissez-le d'eau, d'indice 1,44 et presque transparente à 193 nm, et le 193 nm devient effectivement du 135 nm avec une meilleure profondeur de champ, en utilisant les mêmes lentilles, lasers et résists.

Sa revue de 2004 a ensuite simulé les nœuds 65, 45 et 32 nm sur des systèmes secs et immergés, démontrant la démonstration de bout en bout. Switkes et Rothschild du MIT avaient déjà montré le gain de résolution d'environ 40 pour cent de l'immersion à 157 nm à l'aide de perfluoropolyéthers ; l'eau à 193 nm a réalisé le même tour avec un fluide que chaque usine avait déjà dans ses murs.

L'industrie a pivoté rapidement. En janvier 2004, le directeur de la technologie silicium d'IBM a annoncé qu'il commercialiserait la lithographie réalisée à travers l'eau, et ASML et Nikon ont transformé l'immersion en ligne de produits ; les programmes à 157 nm se sont éteints sans jamais livrer d'outil de production. Les scanners à immersion sont devenus la bête de somme de la pointe de l'industrie — les plateformes TWINSCAN NXT d'ASML atteignaient 275 plaquettes par heure en 2015 — et lorsqu'un outil à ouverture numérique de 1,35 a plafonné à 36 nm, la multiplication des motifs a étiré la même technologie jusqu'aux puces de classe 10 nm, comme le SoC à triple motif de Samsung en 2016.

Placez de l'eau entre la lentille et la plaquette : le 193 nm agit comme du 135 nm

L'eau transmet bien la lumière à 193 nm et augmente la conversion de longueur d'onde effective, de sorte que la résolution et la profondeur de champ s'améliorent avec les mêmes lentilles et lasers.

La voie du 157 nm nécessitait des pellicules, des résists et une optique en fluorure de calcium qui n'existaient pas à une qualité de fabrication ; l'immersion nécessitait un liquide que chaque usine possédait déjà.

Le gain se cumule avec tout ce qui est déjà installé : les fonderies ont multiplié la valeur de leurs flottes ArF au lieu d'attendre une chaîne d'approvisionnement entièrement nouvelle.

Ce fut d'abord l'analyse, ensuite le matériel — les équations de mise à l'échelle de Lin ont permis aux fabricants d'outils et aux chimistes de savoir exactement quoi construire avant d'engager des capitaux.

Quand la feuille de route dit de tout reconstruire, cherchez la variable inutilisée dans la physique que vous possédez déjà. Lin en a trouvé une dans l'équation de résolution et a épargné à l'industrie de nouveaux lasers, lentilles et résists.

La DUV à immersion a porté chaque nœud de pointe du 65 nm jusqu'au 45, au 32 et à la classe 10 nm via la multiplication des motifs, et elle imprime encore aujourd'hui la majorité des couches des puces avancées. Lin a reçu la médaille IEEE Jun-ichi Nishizawa en 2013 et le prix SPIE Mozi en 2023, et a été largement surnommé le père de la lithographie par immersion. L'épisode est devenu l'exemple standard de la victoire sur une course aux longueurs d'onde avec un verre d'eau : quand la feuille de route ressemblait à une falaise, la variable la moins chère de l'équation s'est révélée suffisante.