ASML continue de déployer la première génération High-NA EUV, mais l’industrie des semi-conducteurs commence déjà à se tourner vers la prochaine étape : Hyper-NA. Cette technologie apparaît comme une évolution possible de la lithographie EUV 13,5 nm, avec une ouverture numérique supérieure à celle des systèmes actuels, offrant un objectif clair aux fabricants de puces : continuer à imprimer des structures plus petites sans multiplier indéfiniment les expositions, masques et étapes de processus.

L’idée est simple à expliquer, mais très difficile à réaliser. Les scanners EUV actuels de la famille NXE fonctionnent avec un NA de 0,33. Les nouveaux systèmes EXE de High-NA portent cette valeur à 0,55 NA, réduisent la résolution jusqu’à 8 nm, et permettent d’imprimer des caractéristiques 1,7 fois plus petites tout en atteignant des densités de transistors jusqu’à 2,9 fois supérieures par rapport au NXE, selon ASML. Hyper-NA pousserait cette logique encore plus loin, avec des études de faisabilité autour de 0,75-0,85 NA.

Il ne s’agit pas d’une machine prête à être installée demain dans une usine. Hyper-NA est encore en phase d’étude, et son déploiement dépendra de la demande réelle, du coût, des optiques, de la profondeur de champ, des masques, des résistances, de la métrologie et de la productivité. Mais sa présence dans la feuille de route indique quelque chose d’important : la montée en échelle ne s’arrête pas à High-NA ni aux premiers nœuds de 2 nm. La fabrication de CPU, GPU et accélérateurs d’intelligence artificielle continuera à exiger davantage de résolution et moins de complexité par couche.

Pourquoi l’ouverture numérique influence la lithographie

En lithographie, la résolution dépend principalement de deux variables : la longueur d’onde de la lumière et l’ouverture numérique du système optique. L’EUV a réalisé un saut important en utilisant une lumière de 13,5 nm par rapport aux 193 nm de la lithographie DUV à résolution plus élevée. High-NA modifie l’autre grand paramètre : il augmente la capacité du système à collecter et à focaliser la lumière, permettant de définir des motifs plus petits.

Hyper-NA pousserait cette ouverture au-delà de 0,55 NA de High-NA. En théorie, cela améliorerait la résolution et le contraste d’image, deux facteurs essentiels pour imprimer des couches critiques dans les puces avancées. La difficulté réside dans le fait qu’augmenter la NA réduit la profondeur de champ, complique la conception des optiques, tend le design des masques et oblige à redessiner une partie de l’écosystème de fabrication.

Ce point explique pourquoi ASML ne peut pas se limiter à High-NA. Les fabricants de puces doivent imprimer des lignes, contacts et structures de plus en plus petits. Si une seule exposition ne suffit pas, ils recourent à le multipatterning : diviser une même couche en plusieurs expositions ou étapes complémentaires. Cela fonctionne, mais augmente le coût de la plaquette, allonge le cycle de fabrication et accroît le risque de défauts.

Le problème du multipatterning excessif

La lithographie avancée ne consiste plus seulement à faire des motifs plus petits, mais aussi à le faire de manière économiquement viable. Lorsqu’une couche critique nécessite plusieurs expositions, masques et étapes de gravure, chaque plaquette devient plus coûteuse et plus lente à fabriquer. De plus, chaque étape supplémentaire introduit une nouvelle opportunité d’erreur.

High-NA vise à réduire cette complexité en permettant d’imprimer en une seule exposition des structures que, avec 0,33 NA, nécessiteraient des techniques plus lourdes. ASML estime qu’EXE peut diminuer cette complexité et augmenter la production de plaquettes en raccourcissant les cycles. Hyper-NA cherche à prolonger cette avance lorsque High-NA commencera à montrer ses limites.

Pour l’utilisateur final, cela ne signifie pas qu’un scanner Hyper-NA rendra une CPU ou une GPU plus rapide magiquement. Mais il pourrait permettre à Intel, TSMC, Samsung ou d’autres fabricants de dessiner des couches plus denses avec moins d’étapes. Si cela se traduit par davantage de transistors, de meilleures architectures et des coûts maîtrisés, cela peut effectivement influencer le rendement, la consommation et le prix des puces.

High-NA est encore en phase de montée en puissance

Avant de parler de Hyper-NA comme d’une solution commerciale, il faut rappeler que High-NA est encore en pleine intégration industrielle. ASML a livré ses premiers modules du TWINSCAN EXE:5000 à Intel en décembre 2023. La plateforme EXE utilise des optiques anamorphiques, augmente la NA de 0,33 à 0,55 et est conçue pour les nœuds logiques avancés et des mémoires de densité similaire.

L’adoption se fait progressivement car ces machines sont extrêmement coûteuses, volumineuses et complexes. De plus, elles obligent à adapter les processus, masques, design, métrologie et flux de fabrication. Intel a été le principal client lors de cette première phase, tandis que TSMC, Samsung et les fabricants de mémoire évaluent prudemment le bon moment pour intégrer cette technologie en production.

ASML affirme qu’EXE peut imprimer plus de 185 plaquettes par heure et que sa feuille de route augmentera cette productivité. Elle souligne également que High-NA réduit le nombre de défauts grâce à un contraste d’image accru, et permet de diminuer la dose de lumière par exposition, raccourcissant ainsi le temps d’impression par couche. Ce sont des améliorations notables, mais l’industrie ne décide pas uniquement en fonction de la physique, mais aussi du coût total.

Hyper-NA : une réponse pour la seconde moitié de la décennie à venir

Les études sur Hyper-NA envisagent cette technologie au-delà de High-NA, probablement dans la seconde moitié des années 2030, si l’industrie décide que le saut en vaut la peine. L’objectif serait d’étendre l’EUV 13,5 nm avant d’envisager des alternatives encore plus radicales, comme la lithographie à longueurs d’onde plus courtes.

L’avantage de maintenir la longueur d’onde à 13,5 nm est de continuer à exploiter une partie de l’écosystème EUV déjà en place : sources lumineuses, connaissances accumulées, matériaux, métrologie, conception de processus et fournisseurs. Passer à une longueur d’onde plus courte pourrait naturellement améliorer la résolution, mais cela nécessiterait de reconstruire une grande partie de l’écosystème. Hyper-NA cherche à prolonger la puissance du EUV actuel sans passer encore à une plateforme totalement différente.

La question fondamentale est économique. Hyper-NA sera d’intérêt si elle réduit le coût total par couche comparativement à l’utilisation continue de High-NA avec multipatterning. Si les machines sont trop coûteuses, trop lentes ou trop difficiles à intégrer, l’industrie pourrait explorer d’autres options : design plus intelligent, chiplets, empaquetage avancé, mémoires empilées ou lithographie complémentaire.

Pourquoi les CPU, GPU et IA ont besoin de plus de résolution

Les processeurs modernes ne compètent pas uniquement par la fréquence. Les CPU, GPU et accélérateurs IA nécessitent davantage de transistors, de cache, d’unités spécialisées, de bande passante interne et d’efficacité énergétique. Pour cela, les fabricants doivent réduire la taille des couches critiques et associer miniaturisation à de nouvelles architectures.

L’IA augmente la pression, car les puces d’entraînement et d’inférence sont énormes, coûteuses et très sensibles au rendement par watt. Toute amélioration de la densité peut aider à intégrer plus d’unités de calcul, plus de mémoire proche ou une interconnexion plus efficace. Mais si la fabrication de ces couches demande trop d’étapes, le coût devient prohibitif.

La lithographie ne résout pas tous les limites du silicium. La chaleur, l’énergie, le design, l’emballage et la mémoire comptent autant que le nœud. Mais sans avancées dans l’impression des couches critiques, l’industrie perd une de ses principales armes pour continuer à augmenter la densité.

L’Europe maintient une pièce maîtresse du pouvoir technologique

ASML est une entreprise européenne, mais son influence est mondiale. Ses scanners EUV sont essentiels pour fabriquer les puces les plus avancées. Aucun autre fournisseur n’offre aujourd’hui d’alternative commerciale équivalente en lithographie EUV de production. Cela positionne la société néerlandaise comme un acteur stratégique dans toute la chaîne des semi-conducteurs.

Hyper-NA renforce cette position à long terme. Si l’industrie maintient la voie EUV pour la prochaine décennie, ASML continuera à jouer un rôle central. Mais cette avance comporte aussi de la pression : chaque génération de scanner doit être livrée à temps, avec une productivité suffisante et à un coût que les fabricants peuvent justifier.

La maîtrise de cette technologie revêt également une dimension géopolitique. Les États-Unis, l’Europe, le Japon, la Corée du Sud, Taïwan et la Chine savent que la lithographie avancée détermine quels puces peuvent être fabriquées et où. Les restrictions à l’exportation de l’EUV illustrent à quel point ces machines sont déjà une infrastructure stratégique.

Ce qui reste encore à résoudre

Hyper-NA possède des promesses, mais aussi de nombreuses inconnues. La plus grande ouverture numérique diminue la profondeur de focus, rendant plus difficile le maintien d’une image fiable face à de très faibles variations sur la plaquette, le masque ou le processus. Elle pourrait également nécessiter de nouvelles approches pour les résistances, masques, inspection, correction computée et contrôle des défauts.

Par ailleurs, la productivité sera essentielle. Si une machine grave des motifs plus fins mais avec un temps de cycle trop long, le coût par plaquette peut devenir prohibitif. La réussite d’Hyper-NA dépendra du fait que l’amélioration de la résolution s’accompagne de débit, de stabilité, de disponibilité et d’une intégration raisonnable en usine.

C’est pourquoi il faut modérer l’enthousiasme. Hyper-NA ne garantit pas à lui seul des puces moins chères ou plus rapides. C’est une capacité supplémentaire pour continuer à faire évoluer la fabrication avancée. Sa valeur dépendra du moment d’arrivée, de son coût et de sa capacité à réduire la complexité par rapport aux alternatives.

L’économie, pas seulement la physique, détermine l’avenir du EUV

L’industrie des semi-conducteurs repousse depuis des décennies ses limites physiques. Mais chaque nouvelle génération n’est adoptée que si elle a une valeur économique. High-NA est déjà soumis à cette évaluation. Hyper-NA le sera encore davantage.

ASML peut démontrer qu’il est possible d’imprimer des motifs plus petits avec une ouverture numérique plus grande. La prochaine étape sera de montrer que les fabricants peuvent exploiter cette capacité en production, avec de bons rendements et sans faire grimper de manière excessive le coût par plaquette. Intel, TSMC, Samsung et les grands fabricants de mémoire n’adopteront Hyper-NA pas pour ses qualités techniques, mais parce qu’elle leur permettra de fabriquer mieux que le High-NA combiné au multipatterning.

Le message principal est que l’EUV a encore du potentiel. La transition du NXE vers le EXE constitue déjà l’une des plus grandes évolutions de la lithographie moderne. Hyper-NA vise la suivante : maintenir l’EUV comme technologie centrale lorsque les nœuds postérieurs à 2 nm exigeront plus de résolution et moins d’étapes.

La décennie à venir ne se décidera pas uniquement dans la conception des CPU et GPU. Elle se jouera aussi dans les salles blanches, sur les miroirs, dans les sources lumineuses, les résistances, les masques et les scanners qui coûtent plusieurs centaines de millions. Hyper-NA est, pour l’instant, une promesse technique. Mais c’est aussi un signe que ASML prépare déjà la réponse à la question que tous les fabricants se poseront après High-NA : comment continuer à faire monter en gamme sans transformer chaque couche critique en une mission impossible de multipatterning.

Questions fréquentes

Qu’est-ce qu’Hyper-NA EUV ?

Hyper-NA EUV est une évolution possible de la lithographie EUV, visant à augmenter l’ouverture numérique au-delà de High-NA, avec des études autour de 0,75-0,85 NA, pour imprimer des motifs plus petits.

En quoi se différencie-t-elle du High-NA ?

High-NA utilise 0,55 NA et offre une résolution de 8 nm sur la plateforme EXE d’ASML. Hyper-NA viserait une résolution encore plus fine, tout en réduisant la dépendance au multipatterning dans les générations futures.

Arrivera-t-elle bientôt en production ?

Non. Hyper-NA est encore en phase d’études de faisabilité. Son adoption industrielle pourrait intervenir plus tard, probablement lorsque High-NA commencera à montrer ses limites pour les générations postérieures.

Pourquoi est-ce important pour les CPUs, GPUs et l’IA ?

Car elle permettrait de fabriquer des couches plus denses avec moins d’étapes de lithographie, un enjeu clé pour augmenter le nombre de transistors, améliorer l’efficacité énergétique et booster la performance des processeurs, GPUs et accélérateurs IA.