Leçon 13.2Micro et nanoChapitre 13 · Micro- et nanofabrication

Photolithographie

Projette un motif avec de la lumière sur un revêtement photosensible, puis le grave

La photolithographie imprime des motifs sur une plaquette de silicium avec de la lumière, un peu comme on développe une photo à travers un pochoir. Elle dessine les milliards de transistors et de fils d'une puce d'ordinateur, une couche à la fois. Chaque puce de votre téléphone y est passée des dizaines de fois.

Photo : Le hollandais volant, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

Un cycle de photolithographie en six coupesChaque vignette est une coupe à travers un minuscule morceau de la plaquette après cette étape ; les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Étaler la résine à la tournette. La plaquette porte déjà une fine couche à structurer, comme de l'oxyde de silicium ou du métal. Quelques gouttes de résine photosensible (un plastique liquide sensible à la lumière) tombent dessus, et la plaquette tourne à des milliers de tr/min, laissant un film régulier d'environ un micromètre d'épaisseur ou moins. Une courte cuisson le sèche.
Aligner et exposer. Un masque (une plaque de verre portant le motif d'une couche en chrome, aussi appelé réticule) est aligné avec les motifs déjà présents sur la plaquette, à quelques nanomètres près sur les puces avancées. La lumière UV traverse ses parties transparentes, et une lentille réduit l'image, typiquement quatre fois, sur la résine. La machine, appelée stepper ou scanner, répète cela champ par champ sur la plaquette.
Développer. Un liquide révélateur balaie la plaquette. Avec la résine positive la plus courante, les zones frappées par la lumière se dissolvent, laissant des ouvertures qui ont la forme des zones transparentes du masque.
Graver. Dans un graveur plasma (une chambre de gaz chargé électriquement), le plasma ronge la couche seulement là où la résine est ouverte ; ailleurs la résine la protège. Au lieu d'être gravées, les ouvertures peuvent aussi recevoir de la nouvelle matière ou des atomes implantés.
Décaper la résine. La résine restante est retirée avec des solvants ou un plasma d'oxygène. Le motif existe maintenant dans la couche elle-même.
Répéter. Une nouvelle couche est ajoutée et le cycle recommence avec le masque suivant, chaque motif étant aligné sur ceux du dessous. Une puce avancée traverse des dizaines de ces cycles.

Chiffres clés

Matériaux: Plaquettes de silicium enduites de résine photosensible ; aussi le verre, les semi-conducteurs composés et les cartes électroniques
Pièces typiques: Des motifs plats empilés couche par couche : transistors, câblage, capteurs, fonds de panier d'écrans
Taille de pièce: Plaquettes jusqu'à 300 mm de diamètre ; une exposition couvre un champ d'environ 26 × 33 mm
Précision: Environ un micromètre avec de simples aligneurs de laboratoire ; des dizaines de nanomètres avec une lumière laser à 193 nm ; près de 10 nm avec une lumière EUV (13,5 nm)
État de surface: Ne laisse aucune texture propre ; les plaquettes structurées chatoient de couleurs d'arc-en-ciel
Taille de série adaptée: Production de masse : un jeu de masques sert des milliers de plaquettes, chacune portant de centaines à milliers de puces
Coût d'outillage et de machine: Aligneurs de masques de laboratoire : de dizaines à centaines de milliers de dollars ; scanners EUV : des centaines de millions ; un jeu de masques avancé : des millions
Vitesse: Un scanner de production expose environ 100–300 plaquettes par heure, une couche chacune

Atouts et limites

Atouts

Structure toute une plaquette en parallèle : des milliards de détails à la fois
Atteint des détails à l'échelle du nanomètre avec les scanners modernes
Très répétable : l'épine dorsale de toute la production de puces
Coût par transistor très faible à fort volume

Limites

Machines, masques et salles blanches extrêmement coûteux
La longueur d'onde de la lumière limite le détail le plus fin
Uniquement des couches planes ; les structures 3D viennent de l'empilement de dizaines d'entre elles
Demande des salles sans poussière ni vibrations, sous lumière jaune

Où on l'utilise

ÉlectroniqueProcesseurs, puces mémoire, capteurs d'image d'appareils photo
ÉcransLa grille de transistors derrière les écrans LCD et OLED
Capteurs et MEMSAccéléromètres, microphones, capteurs de pression
PhotoniquePuces LED, diodes laser, guides de lumière sur puces
Cartes électroniquesPistes de cuivre, structurées avec une résine en film sec
RechercheDispositifs microfluidiques « laboratoire sur puce »

Comment le reconnaître

Les motifs sont invisibles à l'œil. Les lignes les plus fines sont des milliers de fois plus minces qu'un cheveu et demandent un microscope électronique pour être vues. Elles se cachent dans chaque puce de votre téléphone, de votre ordinateur et de votre voiture, et derrière chaque pixel de votre écran.
Chatoiement d'arc-en-ciel. Inclinez une plaquette nue ou une puce sous la lumière et elle jette des éclats d'arc-en-ciel : ses motifs réguliers séparent la lumière comme le fait un CD.
Salles éclairées en jaune. Sur les photos d'usine, la zone de lithographie brille en jaune, car la résine ignore la lumière jaune.
Cartes électroniques. Les fines pistes de cuivre d'une carte électronique verte ont aussi été définies par de la lumière à travers un masque, à une échelle bien plus grossière.

À comparer avec

Usinage chimique et gravure photochimique6.8la même astuce de lumière et de résine à l'échelle du millimètre, utilisée pour graver des pièces dans de fines tôles métalliques.LIGA13.7utilise des rayons X et une résine très épaisse pour faire de hautes micropièces plutôt que de fines couches.Faisceau d'ions focalisé13.5écrit ou découpe des motifs point par point sans masque : flexible, mais bien trop lent pour la production de masse.

À regarder

TED-Ed · Un court aperçu animé de la fabrication des puces et de la place de la lithographie

Branch Education · Une animation 3D détaillée de chaque étape en usine, scanner compris

Conformable Decoders · De la vraie photolithographie de laboratoire, étape par étape

ASML · Comment les scanners les plus avancés produisent leur lumière EUV

Voir de vraies photos

Wikipédia : Photolithographie — schémas des étapes et photos d'équipements de lithographie
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

La photolithographie imprime toute une couche de puce d'un coup, comme on développe une photo à travers un pochoir.
Enduire, exposer, révéler, graver, retirer, puis recommencer : des dizaines de cycles par puce.
Une lumière de longueur d'onde plus courte imprime des détails plus fins, c'est pourquoi les machines EUV existent.