Sept nanomètres pour l’électronique du futur

La technologie des semi-conducteurs a été le fondement de la révolution numérique. Elle a contribué ainsi de manière essentielle à la transformation profonde de notre mode de vie au cours des dernières décennies, et cette transformation devait se poursuivre dans un avenir prévisible. L’industrie des semi-conducteurs a rendu cette révolution possible, dans la mesure où elle a développé – comme l’avait prédit la loi de Moor il y a 50 ans – de l’électronique plus compacte, plus efficace et plus rapide, que l’on peut produire à des coûts toujours plus bas. Les progrès des techniques de fabrication ont été essentiels, de même que le développement de concepts novateurs pour l’assemblage des composants électroniques. Lors de cet assemblage, les différents composants des puces informatiques modernes – comme les lignes électriques ou les transistors – ne sont pas soudés sous forme de composants disjoints, mais produits sous forme de fines structures à l’intérieur d’une plaque de silicium, qui constitue la base de la puce. La planification à long terme de l’industrie des semi-conducteurs prévoit la production de puces dont les structures mesureront moins de 20 nanomètres, et dans lesquelles les composants seront agencés en trois dimensions. Ces plans ambitieux représentent un immense défi pour les processus de fabrication.

L’électronique de 2028 en vue

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer ont à présent réussi à produire dans un matériau semi-conducteur un schéma régulier de lignes parallèles, d’une largeur de 7 nanomètres seulement. Des structures de cette taille devraient être la norme industrielle pour les puces informatiques en 2028. Un nanomètre correspond à un millionième de millimètre. Sept nanomètres, c’est la taille d’une molécule assez grande dans nos cellules ; les plus petits virus font 15 nanomètres, alors que les bactéries sont nettement plus grandes. Pour produire ces fines lignes, les chercheurs ont recouru au procédé de photolithographie à la Source de lumière suisse (SLS), qui permet de produire rapidement des structures très fines. Pour ce faire, le matériau qu’on se prépare à usiner est recouvert d’une fine couche photosensible. Ensuite, la structure est projetée avec de la lumière sur cette couche, ce qui modifie les propriétés de cette dernière aux endroits où elle a été exposée. Comme un film en photographie traditionnelle, la couche est ensuite développée et les parties exposées retirées. Un procédé spécial permet alors de graver le schéma projeté dans le matériau semi-conducteur. Lors de la fabrication de composants électroniques, comme la puce mémoire ou le processeur (CPU), ce processus est répété plusieurs fois, de manière à obtenir à la fin des structures complexes avec des milliards de transistors.

Longueur d’onde courte au PSI pour les semi-conducteurs du futur

Plus la structure que l’on veut produire par photolithographie est fine, plus la longueur d’onde de la lumière utilisée doit être courte. Au fil des décennies, cette longueur d’onde a ainsi été successivement raccourcie. Alors qu’au départ, l’industrie recourait à de la lumière visible (longueur d’onde de l’ordre de 400 à 700 nanomètres), elle utilise aujourd’hui de l’ultraviolet profond d’une longueur d’onde de 193 nanomètres. Pour la lithographie de prochaine génération, elle envisage d’utiliser l’extrême ultraviolet (EUV), d’une longueur d’onde de 13,5 nanomètres. Pour la fabrication de leur structure fine, les chercheurs du PSI ont utilisé une lumière de ce type à la Source de lumière suisse (SLS). Les résultats de l’étude montrent que les plans d’avenir de l’industrie des semi-conducteurs sont bel et bien réalisables, et que le PSI offre une infrastructure unique pour mener de la recherche sur ce projet. Ces possibilités de recherche sont d’ailleurs largement exploitées par l’industrie des semi-conducteurs et ses fournisseurs. Le PARK innovAARE, qui est en train de se mettre en place à proximité immédiate du PSI en tant que site régional du parc suisse d’innovation, offrira de nouvelles possibilités pour des coopérations étroites entre le PSI et l’industrie. L’établissement de sociétés industrielles dans le PARK innovAARE permettra d’intensifier les échanges entre le PSI et ces entreprises, ce qui sera profitable aux deux parties.

Text: Paul Scherrer Institut/Yasin Ekinci et Paul Piwnicki

À propos du PSI

L’Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l’institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l’énergie et l’environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 1900 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d’environ CHF 380 millions.