Un nouveau procédé pour des puces informatiques encore plus compactes

Dans de vastes portions des technologies de l’information, une tendance reste inchangée à ce jour: celle de puces électroniques toujours plus compactes. Cette tendance s’explique avant tout par le fait que les méthodes de production permettent de fabriquer des structures toujours plus petites, si bien que le même nombre de pièces qui traitent les informations prend toujours moins de place. Le fait d’avoir plus de composants dans moins d’espace améliore la performance et baisse le prix des puces dans les smartphones, les montres intelligentes, les consoles de jeu, les téléviseurs, les serveurs internet ou encore les applications industrielles.

En collaboration avec des scientifiques de l’University College London (UCL, Grande-Bretagne), un groupe de travail, emmené par Dimitrios Kazazis et Yasin Ekinci au Laboratoire de nanosciences et technologies des rayons X à l’Institut Paul Scherrer PSI, vient de réaliser une avancée importante pour poursuivre la miniaturisation dans l’industrie informatique. Les scientifiques ont démontré que la photolithographie – la technique de fabrication courante utilisée dans la production de masse de puces – fonctionne également lorsque le silicium n'a pas été enduit d’une couche photosensible.

Graver des motifs dans le silicium

La photolithographie, qui signifie littéralement «écrire sur la pierre avec la lumière», est le principal procédé utilisé pour la fabrication industrielle de composants électroniques. Sur le principe, elle fonctionne comme l’exposition d’un film photographique, à la différence que le support n’est pas du celluloïde, mais du silicium. Un disque de silicium appelé «wafer» est enduit d’une couche photosensible, appelée résine photosensible ou «photoresist» en anglais. L’exposition correspond au schéma de construction de la puce et modifie les propriétés chimiques de la résine photosensible. Celle-ci devient ainsi plus ou moins solide. Les processus suivants éliminent soit les parties exposées (procédé positif), soit les parties non exposées (procédé négatif). Il en résulte le motif de câblage souhaité avec les conducteurs. Actuellement, ce procédé est principalement réalisé avec une lumière laser d’une longueur d’onde d’environ 240 à 193nanomètres.

Les scientifiques du PSI ont tenté une approche alternative. Ils ont renoncé à utiliser une résine photosensible, car cette dernière détériore l’image et fait donc obstacle à la miniaturisation. «La résine photosensible est composée de polymères, rappelle Yasin Ekinci. Au niveau macro, ils ont l’air plus lisses qu’un miroir, mais au niveau atomique, ils ressemblent à une salade de câbles.» Pour l’exposition, ils ont utilisé du rayonnement ultraviolet extrême (UVE), issu de la Source de Lumière Suisse SLS du PSI. De cette manière, les scientifiques ont réussi à créer des structures, autrement dit des conducteurs d’une largeur de 75 nanomètres seulement. En comparaison, c’est environ 930 fois plus fin qu’un cheveu humain. «Il s’agit des plus petites structures jamais gravées avec des photons, sans recours à une couche photosensible», précise Dimitrios Kazazis. Les scientifiques parlent de «proof of principle», c’est-à-dire de la preuve que, sur le principe, le procédé fonctionne.

Toujours plus petit, toujours plus petit

Dans ce procédé, le rayonnement UVE revêt une importance cruciale. A elle seule, l’exposition aux rayons X plus mous réussit déjà à augmenter la sensibilité du silicium par rapport à une solution de gravure ou de développement. Mais il faut que le wafer ait été soumis au préalable à un processus chimique. Pour ce faire, les scientifiques ont traité le silicium avec de l’acide fluorhydrique.

Le procédé ouvre la porte à d’autres étapes de miniaturisation extrême. Mais avant qu’il ne soit prêt pour la production en série, «il faudra sans doute encore des décennies», estime Dimitrios Kazazis, qui tempère les attentes. Et cela nécessitera aussi beaucoup de travail de bricolage. «Bien qu’il reste encore beaucoup à faire avant que cette technique ne soit prête pour l’intégration industrielle, nous sommes enthousiasmés par son potentiel pour la structuration à haute résolution, souligne le chercheur du PSI. Et elle ouvre de nombreuses voies prometteuses pour la recherche future. Pas seulement pour la structuration de dispositifs classiques, mais aussi pour celle d’appareils quantiques.»