Une équipe de l'Université de Pékin a utilisé la cryo-microscopie électronique pour visualiser pour la première fois le comportement des photorésines utilisées dans la production des wafers portant les futures puces électroniques.
Cette technique, en révélant les causes des défauts, a permis de mettre au point un procédé industriel réduisant les imperfections de 99 % sur les wafers, ce qui pourrait constitue une avancée majeure pour les nœuds de gravure avancés et la filière chinoise.
La fabrication de semi-conducteurs est une course de précision à l'échelle nanométrique. Au cœur de ce processus se trouve la lithogravure, une étape cruciale où des circuits sont "imprimés" sur des galettes de silicium. Cependant, depuis des décennies, un maillon faible persistait : le comportement imprévisible de la photorésine, cette "encre" photosensible, restait une véritable boîte noire pour les ingénieurs.
Qu'est-ce qui se cachait dans la "boîte noire" ?
Jusqu'à présent, optimiser le développement de la photorésine relevait plus de l'art que de la science, se basant sur d'innombrables essais et erreurs. Le problème principal réside dans la formation d'amas microscopiques.
Les polymères de la résine, au lieu de se dissoudre proprement, s'enchevêtrent comme des spaghettis et reforment des particules indésirables. Ces "grumeaux" de 30 à 40 nanomètres, en se redéposant sur le wafer, peuvent ruiner un circuit entier.
C'était un obstacle majeur pour améliorer les rendements des gravures à 7 nanomètres et au-delà, forçant l'industrie à un jeu de devinettes coûteux.
Une technique empruntée à la biologie
Pour enfin observer ce chaos moléculaire, l'équipe du professeur Peng Hailin de l'Université de Pékin a eu une idée audacieuse : adapter une technique issue de la biologie, la cryo-microscopie électronique par tomographie (cryo-ET).
credit : Nature
En gelant la solution de développement à -175°C en pleine réaction, les chercheurs ont pu capturer une image tridimensionnelle et panoramique de la scène. Ils ont décrit leur méthode dans un article publié dans la revue Nature.
Le comportement de la photorésine a pu être visualisé de manière très détaillée, avec une résolution inférieure à 5 nanomètres. Cette approche a permis de surmonter les limites des méthodes traditionnelles, incapables de fournir une observation à la fois in-situ, en 3D et à si haute résolution.
Des ajustements simples pour des résultats spectaculaires
Forts de ces observations inédites, les scientifiques ont pu identifier les failles du processus. Ils ont découvert qu'environ 70 % des molécules ne se dissolvaient pas correctement, flottant à l'interface air-liquide avant de se redéposer.
Deux ajustements relativement simples, compatibles avec les lignes de production existantes, ont alors été mis en place. Une légère augmentation de la température de cuisson post-exposition et une modification de l'étape de rinçage ont suffi pour guider les amas indésirables loin du circuit.
Credit : Nature
Les tests sur des wafers de 12 pouces ont été concluants : le nombre de défauts a chuté de plus de 99 %, atteignant une qualité de lithogravure presque parfaite.
Cette percée ne s'arrête pas à la lithogravure. La compréhension fine des réactions en milieu liquide pourrait permettre d'optimiser d'autres étapes critiques comme la gravure ou le nettoyage humide.
Alors que la Chine cherche à maîtriser l'ensemble de la chaîne de valeur des semi-conducteurs, cette avancée représente une avancée significative vers une production plus fiable et autonome de puces avancées. De quoi inquiéter les Etats-Unis ?
