La révolution ultraviolette : à l’intérieur des machines invisibles à 150 millions de dollars qui façonnent l’avenir des microprocesseurs

Les machines de lithographie ultraviolette coûtent plus de 150 millions de dollars chacune et sont de la taille d’un bus.
Les observateurs de l’industrie surnomment la dernière génération de ces outils « les machines qui ont sauvé la loi de Moore » car elles permettent la fabrication des processeurs les plus avancés.
ASML est le seul fournisseur de systèmes de lithographie EUV, avec des outils EUV coûtant environ 150 à 180 millions de dollars chacun.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) a déployé pour la première fois l’EUV en production de masse sur son procédé 7nm+ (N7+) en 2019.
La lithographie extrême ultraviolet utilise une lumière de 13,5 nm produite en tirant un laser de haute puissance sur des gouttelettes d’étain pour créer un plasma qui émet un rayonnement EUV, avec une consommation électrique dépassant 1 mégawatt.
ASML a livré le premier outil EUV High-NA, EXE:5200, en 2025, qui porte l’ouverture numérique à 0,55 et vise environ 175 tranches par heure.
Les premières puces commerciales EUV sont sorties en 2019, avec le procédé 7nm+ (N7+) de TSMC et le 7LPP de Samsung utilisant l’EUV.
Les contrôles à l’exportation empêchent ASML de vendre l’EUV à la Chine, tandis que les ventes d’ASML à la Chine en 2024 étaient d’environ 7 milliards de dollars, principalement issues des outils DUV.
Nikon et Canon se sont retirés du développement de l’EUV ; Nikon continue de fournir des scanners à immersion 193 nm, tandis que Canon se concentre sur la lithographie par nano-impression NIL avec des expéditions d’essai en 2024.
La DRAM 14 nm de Samsung utilise l’EUV sur plusieurs couches et Micron prévoit l’EUV pour son prochain nœud DRAM.

Chaque microprocesseur moderne – de la puce de votre smartphone aux CPU qui alimentent l’IA dans le cloud – naît sous la lumière ultraviolette. En fait, certaines des machines de fabrication les plus avancées au monde projettent des lasers ultraviolets invisibles sur des tranches de silicium pour graver les circuits nanométriques qui font fonctionner les microprocesseurs. Ces machines coûtent plus de 150 millions de dollars chacune, sont de la taille d’un bus, et fonctionnent avec une complexité digne de la science-fiction – pourtant, elles sont les travailleuses de l’ombre derrière la loi de Moore et la progression continue vers des processeurs plus rapides, plus petits et plus efficaces ^[1], ^[2]. Les observateurs de l’industrie ont même surnommé la dernière génération de ces outils « les machines qui ont sauvé la loi de Moore », car sans elles, fabriquer des puces de pointe serait pratiquement impossible ^[3]. Ce rapport plonge dans le monde de la lithographie ultraviolette – à la fois dans sa forme traditionnelle ultraviolet profond (DUV) et dans sa version de pointe ultraviolet extrême (EUV) – en expliquant comment elle fonctionne, pourquoi elle est si cruciale pour le développement des microprocesseurs, et quelles sont ses prochaines évolutions.

La lithographie ultraviolette peut sembler être une technique d’ingénierie ésotérique, mais son impact est très réel et visible dans notre vie quotidienne. En imprimant des motifs de transistors toujours plus fins sur le silicium, la lithographie UV permet directement au secteur technologique de maintenir son rythme remarquable d’amélioration. Comme l’a dit sans détour un analyste du secteur, « La loi de Moore s’effondre en gros, et sans cette machine, c’est fini. On ne peut vraiment pas fabriquer de processeurs de pointe sans EUV. »^[4] En d’autres termes, l’avenir des microprocesseurs – et de tous les gadgets et innovations qu’ils rendent possibles – dépend désormais de la maîtrise de la lumière à des longueurs d’onde minuscules. Ci-dessous, nous allons expliquer comment fonctionne cette impression basée sur la lumière, comment elle a évolué vers la technologie EUV la plus récente, qui sont les principaux acteurs (du fabricant d’outils néerlandais ASML aux géants des puces comme TSMC, Samsung et Intel), les percées récentes (comme les machines EUV de nouvelle génération et les techniques alternatives), et ce que disent les experts du secteur sur la suite du parcours.

Qu’est-ce que la lithographie ultraviolette ?

Fondamentalement, la lithographie dans la fabrication des puces s’apparente à de la photographie sur silicium. Une plaquette de silicium est recouverte d’un matériau photosensible (résist), et une machine utilise une lumière focalisée pour projeter des motifs de circuits complexes sur cette plaquette à travers un masque semblable à un pochoir. Les motifs correspondent aux minuscules transistors et connexions qui composent un microprocesseur. Là où la lumière frappe, elle modifie chimiquement le résiste afin que ces régions puissent être gravées ou traitées, tandis que les zones couvertes restent protégées. En répétant ce processus couche par couche avec une extrême précision, les fabricants de puces construisent l’architecture complexe d’un circuit intégré moderne.

La clé de la résolution dans ce processus de « photogravure » est la longueur d’onde de la lumière. Tout comme un pinceau plus fin permet à un artiste de peindre des détails plus petits, une longueur d’onde lumineuse plus courte permet aux fabricants de puces d’imprimer des motifs plus fins. Pendant des décennies, l’industrie des semi-conducteurs a constamment progressé vers des longueurs d’onde plus courtes sur le spectre électromagnétique pour imprimer des transistors toujours plus petits ^[5]. Les premières puces des années 1960 utilisaient la lumière visible et l’ultraviolet long (g-line à 436 nm, i-line à 365 nm), mais dans les années 1990, la technologie de pointe est passée à la gamme ultraviolet profond avec de puissants lasers excimères à 248 nm (KrF) puis 193 nm (ArF)^[6]. La lumière à 193 nm – environ 1/5 de la longueur d’onde de la lumière visible – est devenue l’outil principal pour la fabrication des puces tout au long des années 2000 et 2010. Cette lithographie UV profonde (DUV) a permis d’atteindre des motifs minimaux de l’ordre de ~50 nm et moins, notamment après l’introduction d’astuces comme les lentilles à immersion et les expositions multiples ^[7]. En fait, la « lithographie laser excimère » à 248 nm et 193 nm a eu tant de succès qu’elle a soutenu la loi de Moore pendant environ deux décennies, permettant aux tailles des transistors de continuer à diminuer et à la densité des puces de continuer à doubler selon le calendrier ^[8].

Cependant, à la fin des années 1990 et au début des années 2000, les ingénieurs savaient qu’ils approchaient d’un mur de longueur d’onde avec la lumière de 193 nm ^[9]. Pour dessiner des motifs bien plus petits que ~40–50 nm, la lithographie à 193 nm a dû recourir à des méthodes de plus en plus complexes : astuces optiques exotiques, étapes de multi-patterning (exposer la même couche plusieurs fois avec des masques décalés pour obtenir un pas effectif plus fin), et d’autres solutions ingénieuses ^[10], ^[11]. Ces techniques ont prolongé la durée de vie des équipements DUV (en effet, les fabricants de puces ont poussé le 193 nm jusqu’à des nœuds commercialisés comme 10 nm voire 7 nm en utilisant le double, triple ou quadruple patterning), mais au prix d’une complexité énorme, d’un rendement plus faible et d’un coût de production qui explose. Vers le milieu des années 2010, il était clair que la DUV traditionnelle peinait à aller plus loin – l’industrie avait besoin d’un saut vers une longueur d’onde plus courte pour maintenir la loi de Moore ^[12].

Lithographie Deep Ultraviolet (DUV) : Le Pilier de l’Industrie

La lithographie Deep UV (utilisant des lasers de ~248 nm et 193 nm) a été la technologie pilier de la fabrication de puces pendant de nombreuses générations. Les équipements DUV sont essentiellement des systèmes d’imagerie projetée extrêmement précis : ils projettent un laser UV à travers un photomasque gravé et une série de lentilles de réduction pour former une image miniaturisée sur la tranche de silicium. Les systèmes modernes à 193 nm remplissent même l’espace entre la lentille et la tranche avec de l’eau ultra-pure (lithographie par immersion) pour augmenter effectivement l’ouverture numérique de la lentille et résoudre des motifs plus petits ^[13]. Grâce à ces méthodes, la lithographie par immersion à 193 nm est devenue capable d’imprimer des motifs bien en dessous de sa longueur d’onde nominale – mais seulement en utilisant des techniques d’amélioration de la résolution et des expositions répétées. Par exemple, avant l’arrivée de l’EUV, les puces de pointe au nœud 7 nm étaient réalisées en DUV en utilisant quatre étapes de masquage distinctes pour une seule couche (quadruple patterning) – un exercice d’alignement de précision d’une complexité stupéfiante.

La lithographie DUV est hautement mature et fiable. Les équipements DUV de sociétés comme ASML, Nikon et Canon traitent encore la majorité des couches dans la fabrication de puces aujourd’hui (même dans les usines les plus avancées, seules les couches les plus critiques utilisent l’EUV, tandis que les couches moins critiques continuent d’utiliser plusieurs expositions DUV). Ces machines sont également considérablement moins chères que les derniers équipements EUV – un scanner DUV à immersion haut de gamme peut coûter de l’ordre de 50 à 100 millions de dollars, alors qu’un équipement EUV coûte plus de 150 millions de dollars ^[14]. En conséquence, les équipements DUV restent indispensables non seulement pour les puces de générations précédentes (où les tailles de motifs sont plus grandes et plus faciles à imprimer), mais aussi en complément de l’EUV dans les procédés avancés. En fait, les ventes de DUV représentent encore la majorité des unités d’équipements de lithographie expédiées chaque année ^[15]. Les fabricants de puces disposent d’une base installée massive de scanners DUV et d’un savoir-faire étendu dans leur utilisation.

Cependant, malgré des perfectionnements continus, le DUV 193 nm a atteint une limite fondamentale dans la réduction de taille possible sans efforts démesurés. La résolution pratique en lithographie optique suit approximativement le critère de Rayleigh : taille minimale de motif ≈ k₁ · (λ/NA), où λ est la longueur d’onde et NA l’ouverture de la lentille. Avec λ fixé à 193 nm et NA plafonné à environ 1,35 (immersion), les fabricants de puces ont poussé k₁ à ses limites théoriques grâce à des astuces de calcul – mais pour continuer à réduire la taille des motifs, il fallait réduire λ lui-même. Vers 2019, des fondeurs de pointe comme TSMC et Samsung ont commercialement introduit une nouvelle source lumineuse de lithographie à 13,5 nm de longueur d’onde – près de 15 fois plus courte que les 193 nm du DUV ^[16]. Cela a marqué le début de l’ère de la lithographie ultraviolet extrême.

Le passage à la lithographie à ultraviolet extrême (EUV)

La lithographie extrême ultraviolet (EUV) utilise une lumière de longueur d’onde beaucoup plus courte – 13,5 nm, à la frontière entre les UV et les rayons X – pour exposer les puces. En passant à ce « pinceau » beaucoup plus fin, l’EUV peut imprimer des transistors et des motifs beaucoup plus petits en une seule exposition, évitant ainsi de nombreuses étapes complexes de multi-patterning nécessaires avec la DUV aux nœuds avancés ^[17]. Concrètement, la lithographie EUV a permis la fabrication à grande échelle de puces aux générations technologiques 7 nm, 5 nm et 3 nm, avec beaucoup moins d’étapes de procédé et de meilleurs rendements qu’une approche entièrement DUV. Par exemple, TSMC à Taïwan a utilisé l’EUV sur quelques couches critiques à partir de son procédé 7 nm+ (N7+) en 2019 – le premier procédé commercial à utiliser l’EUV ^[18] – puis de façon intensive pour ses nœuds 5 nm qui alimentent des processeurs comme les puces Apple A15 et A16 Bionic pour smartphones ^[19]. Samsung a également commencé la production de masse avec l’EUV début 2019 sur son procédé 7LPP et a depuis déployé l’EUV pour le 5 nm et même dans la fabrication de puces mémoire^[20], ^[21]. Ces avancées ont tout changé : en utilisant une lumière de 13,5 nm, les fabricants de puces pouvaient imprimer des motifs avec des expositions single-pattern qui nécessitaient auparavant plusieurs passages DUV, simplifiant la fabrication et permettant une densité de transistors plus élevée que jamais^[22].

Cependant, la lithographie EUV n’a pas été une révolution facile. Il a fallu plus de deux décennies de recherche et environ 9 à 10 milliards de dollars de dépenses en R&D pour rendre l’EUV viable pour la production à grande échelle ^[23]^[24]. Les défis étaient immenses car la lumière de 13,5 nm se comporte très différemment de celle de 193 nm. D’abord, aucun matériau n’est transparent à 13,5 nm – il est impossible d’utiliser des lentilles réfractives ou des masques en verre conventionnels. À la place, les systèmes EUV utilisent un système optique entièrement composé de miroirs : une série de miroirs multicouches finement façonnés avec des revêtements spéciaux qui réfléchissent la lumière de 13,5 nm (chaque miroir ne réfléchit qu’une partie de la lumière, donc avec plusieurs miroirs l’intensité chute fortement) ^[25]. Le photomasque est également un substrat miroir réfléchissant plutôt qu’une plaque de verre transparente. Tout cela doit fonctionner sous vide (l’air absorberait l’EUV). En résumé, les scanners EUV sont une refonte complète du système optique par rapport aux outils DUV, impliquant des optiques exotiques et une précision extrême.

Ensuite, il y a la source lumineuse : comment génère-t-on même une lumière ultraviolette de haute intensité à 13,5 nm ? La réponse semble sortie de la science-fiction : les outils EUV créent de la lumière en tirant un laser à haute puissance pulsé sur de minuscules gouttelettes d’étain en fusion, 50 000 fois par seconde ^[26], ^[27]. Chaque impulsion laser vaporise une gouttelette d’étain en un plasma extrêmement chaud qui émet un rayonnement EUV – c’est essentiellement une mini-explosion semblable à une étoile qui se produit à l’intérieur de la machine. Ces flashs de plasma produisent la lumière de 13,5 nm souhaitée ainsi que beaucoup d’autres rayonnements et débris indésirables, donc le système doit filtrer et collecter la bonne longueur d’onde et protéger tout le reste. La lumière EUV est ensuite focalisée par les optiques à miroirs et dirigée sur la tranche de silicium selon des motifs. C’est un processus extrêmement inefficace en termes de génération de lumière (une grande partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur), c’est pourquoi le laser alimentant la source doit être incroyablement puissant. La source lumineuse d’un scanner EUV peut consommer de l’ordre de >1 mégawatt de puissance pour fournir suffisamment de flux de photons EUV pour la production à grande échelle ^[28]. À titre de comparaison, un laser excimère de 193 nm utilise une infime fraction de cette puissance. Cela explique pourquoi les outils EUV ont d’énormes besoins en énergie et en refroidissement, et pourquoi des techniques alternatives comme la lithographie par nano-impression (qui n’utilise aucun laser) mettent en avant des économies d’énergie d’environ 90 % ^[29].

La complexité ne s’arrête pas là. Parce que les photons EUV sont si énergétiques, ils peuvent induire des effets stochastiques subtils dans la résine photosensible (des variations aléatoires pouvant provoquer des défauts si elles ne sont pas atténuées), et les masques EUV ne peuvent pas être facilement protégés par les pellicules habituelles (le développement de pellicules spéciales pour l’EUV a été un autre effort de plusieurs années). Chaque élément du système – des étages sous vide, aux positionneurs de tranches à 6 degrés de liberté se déplaçant à des mètres par seconde, jusqu’à l’inspection des défauts de ces miroirs multicouches – a repoussé les limites de l’ingénierie. « C’est une technologie très difficile – en termes de complexité, elle est probablement dans la catégorie du projet Manhattan, » a commenté le directeur de la lithographie d’Intel, illustrant à quel point le développement de l’EUV a été difficile ^[30].

Pendant de nombreuses années, de nombreux experts doutaient que l’EUV fonctionnerait un jour à temps. Les grands acteurs Nikon et Canon ont abandonné la recherche sur l’EUV après avoir rencontré trop d’obstacles, laissant ASML (Pays-Bas) comme la seule entreprise à faire avancer la technologie^[31]^[32]. Le pari d’ASML a finalement payé – mais pas sans aide. En 2012, reconnaissant l’importance stratégique de l’EUV, les grands fabricants de puces Intel, TSMC et Samsung ont investi conjointement environ 4 milliards de dollars dans ASML pour accélérer le développement de l’EUV ^[33]. En 2017, ASML a enfin dévoilé un scanner EUV prêt pour la production (modèle NXE:3400B), et en 2019 les premières puces commerciales fabriquées avec l’EUV arrivaient sur le marché ^[34]^[35]. Les observateurs de l’industrie ont salué cela comme un moment charnière – la révolution EUV tant attendue était arrivée juste à temps pour prolonger la feuille de route des semi-conducteurs. Comme l’a noté le MIT Technology Review, l’outil EUV d’ASML est « un appareil convoité… utilisé pour fabriquer des caractéristiques de microprocesseurs aussi petites que 13 nanomètres… rempli de 100 000 minuscules mécanismes… il faut quatre 747 pour en expédier un à un client » ^[36]. En bref, les scanners EUV sont des merveilles de l’ingénierie moderne qui exploitent la lumière ultraviolette à une échelle et une complexité jamais vues auparavant.

Pourquoi la lithographie UV est-elle importante pour les microprocesseurs

Le bénéfice de toute cette complexité est simple : des transistors plus petits et de meilleures performances des puces. En imprimant des motifs plus fins, les fabricants de puces peuvent entasser plus de transistors dans la même surface (ce qui signifie généralement plus de puissance de calcul ou un coût par puce plus faible) et réduire les capacités électriques et les distances que les signaux doivent parcourir (ce qui se traduit par des vitesses de commutation plus rapides et une consommation d’énergie réduite). C’est l’essence même de la loi de Moore – réduire les dimensions des transistors pour en intégrer davantage à chaque génération de puces – et la lithographie est le moteur fondamental de ce progrès ^[37], ^[38]. Lorsque vous entendez parler d’une nouvelle puce de smartphone fabriquée selon un « processus 3 nm » ou d’un processeur serveur en « technologie EUV 5 nm », ces chiffres reflètent en grande partie les capacités de la lithographie avancée à définir des motifs extrêmement petits (même si les noms de nœuds sont en partie marketing, ils correspondent aux améliorations de densité rendues possibles par l’EUV).

L’importance de la lithographie ultraviolette est peut-être mieux illustrée en considérant ce qui se passerait sans ces avancées. Si l’industrie était restée uniquement avec le DUV 193 nm, les fabricants de puces auraient peut-être trouvé des moyens de fabriquer des puces très puissantes – mais ils auraient eu besoin de tellement d’étapes de traitement répétitives (et d’une complexité fatale pour le rendement) que les coûts auraient explosé et le progrès aurait fortement ralenti. En effet, vers le milieu des années 2010, certains prédisaient la fin imminente de la loi de Moore car la lithographie optique atteignait ses limites. L’EUV est arrivée juste à temps pour offrir une nouvelle bouée de sauvetage. En rétablissant un motif simple en une seule exposition à la pointe de la technologie, l’EUV a prolongé la feuille de route du scaling pour au moins quelques générations supplémentaires. Une multitude des puces les plus avancées d’aujourd’hui doivent leur existence à l’EUV. Par exemple, les derniers processeurs pour smartphone de la série A d’Apple et les puces Mac de la série M sont fabriqués par TSMC en utilisant des processus EUV 5 nm, permettant des nombres de transistors de plusieurs dizaines de milliards et des bonds majeurs en vitesse et en efficacité par rapport aux générations précédentes ^[39]. Les processeurs et GPU Ryzen d’AMD, dont beaucoup sont fabriqués sur les nœuds EUV 7 nm ou 5 nm de TSMC, bénéficient également de ce gain de densité et d’économie d’énergie. Même les accélérateurs d’IA et processeurs de centres de données de pointe – ceux qui alimentent les modèles d’IA à grande échelle – reposent sur des processus EUV 5 nm/4 nm pour intégrer densément les moteurs de calcul matriciel et gérer la dissipation thermique.

Ce ne sont pas seulement les puces logiques. Les puces mémoire profitent également des avancées de la lithographie UV. Les fabricants de DRAM haute performance ont commencé à utiliser l’EUV pour certaines couches critiques dans leurs dernières générations (par exemple, la DRAM 14 nm de Samsung utilise l’EUV sur plusieurs couches) afin d’augmenter la densité de bits et d’améliorer les rendements ^[40]. Micron introduit également l’EUV dans son prochain nœud DRAM. Plus il y a de couches EUV dans la mémoire, plus il y a de gigabits de stockage par puce et plus le coût par bit diminue, ce qui signifie finalement plus de mémoire dans vos appareils pour le même prix. En fait, le PDG d’ASML, Peter Wennink, a souligné que la demande croissante pour l’IA et les données pousse les fabricants de mémoire à adopter rapidement l’EUV – « Les fabricants de DRAM utilisent plus de couches EUV sur les nœuds actuels et futurs », a-t-il noté, ce qui stimule la demande pour ces équipements dans toute l’industrie ^[41].

En résumé, la lithographie UV a un impact direct sur les capacités des microprocesseurs. La possibilité de fabriquer des transistors plus petits permet non seulement d’intégrer plus de cœurs ou plus de cache sur une puce, mais aussi de réduire la puissance nécessaire à chaque commutation de transistor. C’est pourquoi chaque nouvelle génération de procédé apporte souvent un gain de performance de 15 à 30 % et une réduction de la consommation de 20 à 50 % à conception égale, ou permet alternativement de doubler ou plus la densité de transistors. Par exemple, le passage de TSMC d’un procédé 7 nm (principalement DUV) à 5 nm (EUV) a offert environ 1,8× d’augmentation de densité logique et ~15 % de gain de vitesse à puissance égale ^[42]. Ces améliorations se traduisent par des smartphones plus rapides, des centres de données plus efficaces et des avancées dans les tâches de calcul haute performance. La lithographie ultraviolette est la main invisible qui grave ces progrès dans le silicium. Comme l’a résumé un directeur de recherche du secteur : « Sans EUV, il est impossible de fabriquer des processeurs de pointe »^[43] – c’est dire à quel point cette technologie est essentielle pour rester à la pointe du progrès.

État de l’art actuel et principaux acteurs

En 2025, la lithographie ultraviolette est au cœur de toutes les usines de puces avancées, et elle est dominée par quelques acteurs et technologies clés. Voici un aperçu du paysage actuel et des grandes forces qui le façonnent :

ASML (Pays-Bas) – Le pivot de la lithographie. ASML est le seul fournisseur de systèmes de lithographie EUV au monde ^[44]. À la fin des années 2010, elle est devenue la première (et la seule) entreprise à commercialiser des scanners EUV, après le retrait de ses concurrents ^[45]. Ses équipements EUV (chacun coûtant environ 150 à 180 millions de dollars ^[46], ^[47]) sont utilisés par tous les fabricants de puces de pointe. ASML produit également des scanners DUV (où elle concurrence Nikon/Canon pour les parts de marché). Grâce à l’EUV, ASML est devenue l’une des entreprises d’équipements pour semi-conducteurs les plus valorisées au monde – détenant essentiellement un monopole sur la technologie de lithographie la plus avancée. Une seule usine de pointe peut nécessiter une flotte de 10 à 20 machines EUV d’ASML, représentant un investissement de plusieurs milliards de dollars. En 2021, plus de 100 équipements EUV étaient déjà en service ^[48], et ce nombre continue d’augmenter à mesure que TSMC, Samsung et Intel élargissent l’utilisation de l’EUV. (À noter que les contrôles à l’exportation empêchent actuellement ASML de vendre des machines EUV à la Chine, en raison de leur importance stratégique ^[49].)
TSMC (Taïwan) – Pionnier de la fonderie en EUV. TSMC est le plus grand fabricant mondial de puces sous contrat et a été le premier à déployer l’EUV en production de masse (son nœud 7nm+ « N7+ » en 2019 a été le premier procédé EUV de l’industrie) ^[50]. Depuis, TSMC a largement exploité l’EUV pour sa génération 5 nm (2019–2020) et ses nœuds 4 nm/3 nm, produisant des puces pour Apple, AMD, Nvidia et bien d’autres avec des rendements de classe mondiale. En utilisant l’EUV sur un certain nombre de couches critiques, TSMC a atteint les augmentations de densité qui définissent ces nœuds. Le leadership de TSMC dans la maîtrise précoce de l’EUV est une des principales raisons pour lesquelles il a dépassé Intel en technologie de procédé ces dernières années. Pour l’avenir, TSMC prévoit de continuer à utiliser l’EUV actuel (0,33 NA) pour ses nœuds 3 nm et même 2 nm, et évalue la prochaine génération d’EUV pour aller au-delà ^[51]. (Fait intéressant, TSMC a indiqué qu’il pourrait ne pas se précipiter pour adopter les premiers EUV High-NA pour ses procédés de l’ère 2 nm autour de 2027–2028, préférant attendre que l’économie soit favorable ^[52].)
Samsung (Corée du Sud) – Adopteur mémoire et logique. Samsung a rapidement adopté l’EUV pour la logique, annonçant la production EUV 7 nm dès 2019 (ses processeurs mobiles Exynos et certains Snapdragon de Qualcomm les utilisaient). Samsung a également été pionnier dans l’utilisation de l’EUV en mémoire, devenant le premier à utiliser l’EUV dans la fabrication de DRAM (pour son nœud DRAM 1z-nm) et dans l’empilement V-NAND ^[53]. La ligne de production compatible EUV de Samsung à Hwaseong a été une vitrine, et l’entreprise continue d’investir dans l’EUV pour ses activités de fonderie et de mémoire. Comme TSMC, Samsung est client des futurs EUV High-NA d’ASML, bien que des rapports suggèrent que Samsung n’a pas encore finalisé la date d’introduction de ces outils en production ^[54]. En attendant, les procédés phares actuels de Samsung (5 nm, 4 nm, transistors Gate-All-Around 3 nm) utilisent tous l’EUV pour réduire les étapes de masquage. Samsung produit également encore de nombreuses puces avec des outils DUV et plus anciens, mais pour l’avant-garde, il mise entièrement sur l’EUV.
Intel (États-Unis) – Course pour retrouver le devant de la scène. Intel, longtemps leader en lithographie, a rencontré des retards sur son nœud 10 nm (qui utilisait un multi-patterning DUV avancé) et a donc pris du retard dans l’adoption de l’EUV. Mais l’entreprise a depuis investi massivement pour rattraper son retard. Les générations de procédés les plus récentes d’Intel (marquées « Intel 4 », « Intel 3 », équivalentes à peu près aux classes ~7 nm et ~5 nm) utilisent la lithographie EUV pour plusieurs couches – Intel 4, par exemple, emploie l’EUV dans la fabrication des futurs processeurs Meteor Lake de la société ^[55]. Intel a également été un investisseur précoce dans ASML et a obtenu un accès prioritaire aux machines EUV High-NA d’ASML : elle a reçu le premier outil EUV High-NA au monde (série EXE:5000) en 2023 pour la R&D et devrait recevoir le premier outil High-NA de production (EXE:5200) d’ici 2024–2025 ^[56], ^[57]. Intel prévoit d’utiliser ces scanners EUV High-NA pour ses nœuds 1,8 nm et génération 14Å (horizon ~2027) dans le cadre de sa feuille de route ambitieuse pour retrouver le leadership en matière de procédés ^[58], ^[59]. Avec une nouvelle direction à sa tête, Intel affiche ouvertement son adoption de l’EUV et même des services de fonderie utilisant l’EUV pour fabriquer des puces pour d’autres entreprises dans un avenir proche.
Nikon et Canon (Japon) – Vétérans du DUV, explorant des alternatives. Nikon et Canon étaient autrefois des fournisseurs dominants d’équipements de lithographie (dans les années 1990, Nikon en particulier était en tête pour les steppers de pointe). Ils continuent de fabriquer des outils de lithographie DUV – en fait, pendant de nombreuses années, Nikon a fourni des machines à Intel et aux fabricants de mémoire. Mais aucune des deux entreprises n’a livré de solution EUV : toutes deux se sont retirées du développement de l’EUV après des recherches au début des années 2000, laissant ce marché à ASML ^[60]. Aujourd’hui, Nikon vend encore des scanners à immersion 193 nm pour la fabrication à grand volume (surtout utilisés dans des fabs non à la pointe ou comme outils complémentaires), tandis que Canon s’est concentré sur des niches spécialisées comme la lithographie par nano-impression (NIL). Les nouvelles machines NIL de Canon tentent de “tamponner” mécaniquement les motifs des puces et prétendent coûter dix fois moins cher et consommer 90 % d’énergie en moins que les outils EUV^[61]^[62]. Canon a commencé à livrer ses premiers outils NIL pour essais en 2024 ^[63]. Certains voient la NIL comme une technologie potentiellement disruptive pour certaines applications (elle pourrait être utilisée en complément de la lithographie conventionnelle pour des couches plus simples ou des dispositifs mémoire), mais elle n’a pas encore fait ses preuves pour la production de logique à très haut volume et à la plus haute densité ^[64]. Pour l’instant, Nikon et Canon restent importants dans le domaine du DUV (et pour les anciens nœuds), mais ASML détient un monopole effectif sur la lithographie avancée nécessaire aux microprocesseurs de pointe.
Les ambitions de la Chine – Combler l’écart sous restrictions. La Chine, qui abrite d’importantes usines de puces comme SMIC, n’a actuellement pas accès à la technologie EUV – ASML n’a jamais été autorisé à vendre des scanners EUV à la Chine en raison des restrictions à l’exportation menées par les États-Unis cnfocus.com. Même la vente des derniers outils d’immersion DUV d’ASML à la Chine est désormais soumise à une licence du gouvernement néerlandais depuis 2023 ^[65]. Cela a stimulé les efforts chinois pour développer une lithographie indigène. La principale entreprise chinoise d’équipements de lithographie, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), aurait construit des machines capables de lithographie DUV de classe 90 nm et 28 nm, mais rien d’approchant l’EUV pour l’instant (l’EUV implique un vaste écosystème de brevets et des problèmes physiques complexes). En conséquence, des usines chinoises comme SMIC ont réussi à produire une puce de type 7 nm en utilisant l’ancienne technique de DUV à motifs multiples, mais elles restent à quelques générations derrière la pointe qui nécessite l’EUV. Les tendances du marché mondial sont donc profondément liées à la géopolitique : les outils de lithographie sont devenus un atout stratégique. En 2024, les ventes d’ASML à la Chine (principalement des outils DUV) s’élevaient à environ 7 milliards de dollars ^[66], mais la croissance future est incertaine en raison du renforcement des contrôles à l’exportation. Pendant ce temps, la demande explose ailleurs, si bien qu’ASML prévoit que son activité EUV bondira d’environ 30 % en 2025 malgré les vents contraires potentiels en Chine ^[67], ^[68].

Défis et avancées récentes

Si la lithographie ultraviolette a permis des progrès remarquables, elle fait aussi face à d’importants défis qui stimulent l’innovation continue. Voici quelques points sensibles clés et les avancées récentes qui y répondent :

Coût et complexité des outils : Le prix des scanners EUV (~150 millions de dollars ou plus chacun) et leur extrême complexité augmentent la barrière à l’entrée pour les fabricants de puces ^[69]. Seules quelques entreprises peuvent se permettre de posséder de vastes flottes de ces outils. Pour justifier ce coût, les fabs doivent avoir une forte utilisation et un rendement élevé. Progrès : Les outils High-NA EUV de nouvelle génération sont encore plus chers (>300 millions de dollars chacun) ^[70], mais promettent un débit et une résolution supérieurs, ce qui pourrait réduire le coût par transistor. De plus, les efforts en apprentissage automatique et en lithographie computationnelle contribuent à maximiser la performance de chaque outil (en améliorant la fidélité des motifs et les fenêtres de procédé).
Débit (vitesse du scanner) : Les premiers outils EUV traitaient moins de tranches par heure que leurs homologues DUV, en partie à cause d’une puissance de source limitée et d’optiques plus délicates. Un faible débit signifie une productivité de fab plus faible. Progrès : La puissance des sources EUV s’est régulièrement améliorée (les sources actuelles dépassent 250 W, contre ~125 W pour les premiers outils de production), et les derniers scanners EUV d’ASML peuvent exposer ~160 tranches/heure dans des conditions optimales. Les futurs systèmes High-NA EUV auront des optiques repensées avec une ouverture numérique plus élevée 0,55 contre 0,33, ce qui améliore la résolution mais réduit initialement la taille du champ. Pour compenser, ASML conçoit ces outils pour atteindre à terme un débit d’environ 185 tranches/heure. En fait, ASML vient d’expédier son premier modèle High-NA EUV (EXE:5200) en 2025 et affirme qu’il offrira un gain de productivité de 60 % par rapport aux outils EUV actuels – soit environ 175 tranches/heure, ce qui est comparable aux scanners DUV ^[71].
Défauts et rendement : Parce que l’EUV utilise des masques réfléchissants et fonctionne à l’échelle nanométrique, le contrôle des défauts est une préoccupation majeure. De minuscules défauts ou particules sur le masque peuvent s’imprimer sur la tranche, et les photo-résines EUV ainsi que le procédé peuvent présenter des défauts aléatoires (problèmes stochastiques) s’ils ne sont pas optimisés. Progrès : L’industrie a développé des pellicules de protection pour masques pour l’EUV (pour éviter que des particules n’atteignent le masque) après de nombreuses itérations. La chimie des photo-résines évolue également – de nouveaux matériaux de résine et des techniques de sous-couche ont amélioré la sensibilité et la rugosité des bords de ligne. Les fabricants de puces rapportent que les problèmes de rendement initiaux avec l’EUV ont été en grande partie surmontés, et que les taux de défauts sont comparables aux générations précédentes ^[72]. Néanmoins, les chercheurs continuent d’affiner les technologies de résine et de masque (y compris l’exploration des résines à base d’oxyde métallique et d’autres approches innovantes pour l’EUV).
Consommation d’énergie : Comme mentionné, les scanners EUV sont très gourmands en énergie – chacun peut consommer de l’ordre du mégawatt d’électricité entre la source laser, les pompes à vide et les systèmes de refroidissement ^[73]. Cela contribue au coût d’exploitation considérable et augmente l’empreinte environnementale des fabs. Progrès : Des méthodes alternatives de lithographie comme Nanoimprint visent à réduire drastiquement la consommation d’énergie (Canon affirme une réduction de 90 % de la consommation) ^[74]. Au sein même de l’EUV, les ingénieurs s’efforcent de développer des sources plus efficaces (par exemple, une meilleure efficacité de conversion de l’énergie laser en lumière EUV) afin que les outils futurs produisent plus de lumière avec moins d’énergie d’entrée. Même de petits gains en efficacité de la source ou en réflectivité des miroirs peuvent générer des économies d’énergie significatives sur des milliers de wafers.
Limites de la résolution optique : Même l’EUV à 13,5 nm atteindra finalement des limites de miniaturisation. Les outils EUV actuels (0,33 NA) peuvent réaliser confortablement des motifs de pas d’environ 30 nm ; au-delà, un multi-patterning ou High-NA EUV sera nécessaire pour le nœud ~2 nm et en dessous. Progrès : High-NA EUV représente essentiellement la prochaine grande étape – en augmentant l’ouverture numérique de la lentille à 0,55 avec une nouvelle conception optique (ce qui, il faut le noter, nécessite une nouvelle taille de masque de 6 pouces et une toute nouvelle plateforme d’outils), ces systèmes pourront résoudre des motifs ~30–40 % plus petits ^[75]. ASML affirme que le High-NA EUV pourrait presque tripler la densité de transistors sur les puces en permettant des motifs plus fins et des pas plus serrés ^[76]. Les premiers outils High-NA EUV devraient être utilisés en pilote par Intel vers 2025–2026, avec un objectif d’utilisation à grande échelle vers ~2028 ^[77]. Cette extension devrait permettre à l’industrie d’atteindre les nœuds 2 nm, 1,5 nm et 1 nm (malgré la dénomination, cela impliquera des pas de motifs de quelques dizaines de nanomètres). Au-delà, d’autres approches pourraient être nécessaires (comme les concepts “Beyond EUV” à des longueurs d’onde encore plus courtes, ou des méthodes de patterning révolutionnaires).
Techniques alternatives de lithographie : La concentration de la capacité critique de lithographie dans une seule entreprise (ASML) et une seule technologie (EUV) a suscité un intérêt pour des techniques alternatives ou auxiliaires. Avancée : En dehors du NIL de Canon, des travaux sont menés sur la Directed Self-Assembly (DSA) – utilisant des matériaux spéciaux qui forment spontanément des motifs très fins, pouvant compléter la lithographie pour certaines structures. Une autre approche est la lithographie multiphotonique ou quantique, encore largement académique. La lithographie par faisceau d’électrons (écriture directe avec des faisceaux d’électrons) est utilisée pour la fabrication de masques et le prototypage, mais elle est trop lente pour la production de masse. Néanmoins, des entreprises explorent des outils e-beam multi-faisceaux pour des applications de gravure de niche. Si ces alternatives arrivent à maturité, elles pourraient un jour réduire la charge sur la lithographie optique ou diminuer les coûts pour certaines couches. Pour l’instant, il s’agit de recherches « intéressantes à avoir », tandis que la lithographie optique UV reste l’élément indispensable.

Avis d’experts et perspectives d’avenir

Le consensus parmi les experts du secteur est que la lithographie ultraviolette continuera d’être la pierre angulaire de la fabrication des puces pour un avenir prévisible, bien qu’elle continue d’évoluer. « Nous continuons à innover et à développer… il y a une courbe d’apprentissage abrupte pour nous et nos clients, » a déclaré un porte-parole d’ASML à propos du déploiement de la High-NA EUV, soulignant que chaque nouveau saut (comme la High-NA) nécessite un réglage fin approfondi ^[78]. Les analystes préviennent également que la rentabilité guidera l’adoption : « Bien que certains fabricants de puces puissent introduire [la High-NA EUV] plus tôt pour prendre l’avantage technologique, la majorité ne l’adoptera que lorsque cela aura un sens économique, » a noté Jeff Koch de SemiAnalysis, prédisant que la plupart attendront jusqu’à environ 2030, lorsque son avantage justifiera la dépense^[79]. En réponse, le PDG d’ASML, Peter Wennink, affirme que la High-NA prouvera sa valeur plus tôt : « Tout ce que nous voyons avec nos clients, c’est que la High-NA est moins chère [pour eux] » pour atteindre le prochain niveau de miniaturisation ^[80]. Cette vision optimiste suggère qu’avec la complexité croissante, une lithographie plus avancée pourrait en réalité réduire les coûts globaux en supprimant des étapes de procédé supplémentaires.

On ne saurait trop insister sur le rôle central d’ASML – un fait que les gouvernements n’ignorent pas. Dans un monde où les puces de pointe confèrent des avantages économiques et militaires, les équipements de lithographie sont devenus un atout stratégique. Le gouvernement néerlandais (avec le soutien des États-Unis) a strictement limité les exportations d’outils avancés d’ASML vers la Chine ^[81], une mesure visant à « freiner les ambitions de Pékin dans les semi-conducteurs »^[82]. Cela a conduit à une bifurcation de la chaîne d’approvisionnement mondiale des puces : les puces logiques les plus avancées ne sont actuellement produites que dans une poignée d’endroits (Taïwan, Corée du Sud, et bientôt les États-Unis via les usines TSMC/Intel), toutes utilisant les machines EUV d’ASML. La Chine investit massivement pour rattraper son retard sur les anciens nœuds et développer une lithographie nationale, mais les experts estiment qu’il pourrait falloir de nombreuses années pour atteindre la parité, si tant est que cela soit possible, compte tenu des importants obstacles en matière de connaissances et de propriété intellectuelle.

Pendant ce temps, la demande pour les outils de lithographie UV explose parallèlement à l’essor des semi-conducteurs. La croissance de l’IA et du calcul haute performance pousse les principales usines à augmenter leur capacité. Les carnets de commandes d’ASML pour les outils EUV ont atteint des niveaux record – lors d’un trimestre récent, les commandes ont grimpé à 10 milliards de dollars, principalement pour des systèmes EUV et High-NA à venir ^[83]. L’entreprise prévoit que les revenus liés à l’EUV bondiront d’environ 40 à 50 % en 2025 ^[84], contribuant à augmenter ses ventes totales malgré une demande plus faible pour la mémoire ou en provenance de Chine ^[85]. En d’autres termes, le marché de la lithographie de pointe est solide et en croissance, ASML prévoyant d’expédier plusieurs dizaines d’unités EUV supplémentaires chaque année. D’ici 2030, l’EUV High-NA devrait se généraliser, et la question se posera de savoir ce qui viendra après l’ère de l’EUV.

Que pourrait-il se passer ensuite ? Certains chercheurs évoquent le « Beyond EUV » – peut-être en utilisant des longueurs d’onde encore plus courtes dans la gamme des rayons X mous (~6–8 nm) ou la lithographie par projection d’électrons/ions – mais chacune de ces voies fait face à d’énormes défis physiques. Pour l’instant, la stratégie de l’industrie est de tirer le meilleur parti de l’EUV : d’abord en déployant l’EUV à haute ouverture numérique (High-NA EUV) pour encore 1 à 2 générations de miniaturisation, puis en combinant l’EUV avec une intégration de procédé ingénieuse (comme les architectures chiplet et l’empilement 3D, qui atténuent le besoin de miniaturisation monolithique en 2D). La lithographie restera un mélange de techniques : la DUV ne disparaîtra pas (elle sera utilisée en tandem avec l’EUV), et des méthodes innovantes comme le nanoimprint pourraient trouver une niche pour compléter les procédés principaux si elles font leurs preuves. Mais tout changement radical s’éloignant de la lithographie optique nécessiterait probablement aussi un changement de paradigme dans la conception des puces – ce qui n’est pas encore à l’horizon pour la production de masse.

Pour reprendre les mots du président de TSMC, Mark Liu, l’industrie des semi-conducteurs a « travaillé dans un tunnel » avec un objectif clair pendant des décennies : réduire, réduire, réduire ^[86]. La lithographie ultraviolette a été la lumière qui a guidé ce tunnel. Elle a commencé avec les lampes à mercure et l’UV primitif, a évolué vers les lasers excimères deep-UV qui nous ont portés pendant plus de 20 ans ^[87], et a maintenant atteint l’ère de l’extrême-UV, prolongeant encore le tunnel. Le parcours a été tout sauf facile – marqué par des moments de triomphe et de fréquents doutes – et pourtant le résultat est tout simplement stupéfiant : des milliards de structures larges de quelques dizaines d’atomes, gravées à la perfection sur de grandes plaques, permettant des prouesses de calcul qui semblaient impossibles il y a une génération.

En regardant vers l’avenir, le développement des microprocesseurs est plus que jamais lié à la lithographie. Les performances et les capacités des prochains CPU, GPU et accélérateurs d’IA dépendront en grande partie de la finesse et de la fiabilité avec lesquelles nous pourrons imprimer leurs motifs. La lithographie ultraviolette est l’outil maître qui rend cela possible. Les experts du secteur sont optimistes : avec des innovations continues – des optiques High-NA à des logiciels plus intelligents, et peut-être quelques idées hors des sentiers battus comme le NIL ou le DSA – la lithographie continuera de progresser. Le PDG d’ASML suggère même que la feuille de route pour l’EUV et ses extensions est solide pour la prochaine décennie, offrant aux fabricants de puces une trajectoire claire pour poursuivre les améliorations. Les tendances du marché mondial indiquent une croissance saine et une concurrence intense, mais aussi une concentration autour de quelques technologies et fournisseurs clés.

En résumé, le monde de la lithographie ultraviolette est une fusion de physique et d’ingénierie de pointe avec des enjeux économiques et stratégiques majeurs. Elle opère peut-être dans le domaine invisible de la lumière UV, mais son impact est on ne peut plus visible à travers des microprocesseurs toujours plus puissants, année après année. La prochaine fois que vous entendrez parler d’une nouvelle avancée de puce « nanomètre », souvenez-vous de la révolution ultraviolette à l’œuvre en coulisses. Du deep UV à l’extrême UV et au-delà, ces technologies sont véritablement en train de façonner l’avenir des microprocesseurs – gravant les prochaines lignes de l’histoire du progrès technologique humain, un flash de photon à la fois.

Sources

C. Thompson, « À l’intérieur de la machine qui a sauvé la loi de Moore, » MIT Technology Review, 27 oct. 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, « Photolithographie – Les outils actuels de pointe utilisent des lasers excimères UV profond de 193 nm » ^[90]
M. Chaban, « Éclairer la voie : comment ASML a relancé la loi de Moore, » Google Cloud Blog, 28 mars 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Blog Semiconductor FAB Solutions), « Explorer l’avenir de la lithographie EUV et au-delà, » 4 nov. 2024 ^[93]
T. Sterling, « Intel commande un système ASML pour bien plus de 340 millions de dollars dans sa quête d’un avantage en fabrication de puces, » Reuters, 19 janv. 2022 ^[94]
T. Sterling, « Le prochain défi d’ASML : le déploiement de sa nouvelle machine ‘High NA EUV’ à 350 millions de dollars, » Reuters, 9 févr. 2024 ^[95]
TrendForce News, « ASML confirme la première expédition de la High-NA EUV EXE:5200… », 17 juil. 2025 ^[96]
T. Sterling, « Le gouvernement néerlandais exclut la plupart des ventes d’ASML à la Chine des données d’exportation, » Reuters, 17 janv. 2025 ^[97]
A. Shilov, « Une nouvelle technique de fabrication de puces par ‘estampage’ utilise 90 % moins d’énergie que l’EUV », Tom’s Hardware, 31 janv. 2024 ^[98]
Samsung Newsroom, « Samsung Electronics commence la production de masse sur une nouvelle ligne EUV », fév. 2020 ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), « Technologie 7nm FinFET Plus (N7+) – Première à utiliser l’EUV (2019) » ^[100]
S&P Global Market Intelligence, « ASML prêt pour un rebond alimenté par l’IA alors que la demande pour l’EUV et le High-NA explose », sept. 2023 ^[101]

How Samsung’s Extreme Ultraviolet unlocks the next generation of chips | Engadget Today

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References