Une nouvelle avancée pourrait révolutionner la fabrication de semi-conducteurs en apportant une solution à l’un de ses plus grands défis : l’alignement précis des couches dans les puces tridimensionnelles.

Une équipe de chercheurs de l’Université du Massachusetts à Amherst a développé une technique innovante utilisant des lasers et des métallentes, permettant un alignement des couches de puces 3D avec une précision sans précédent, atteignant des échelles comparables à la taille d’un atome.

Alors que les dispositifs électroniques deviennent de plus en plus compacts et puissants, l’industrie des semi-conducteurs commence à adopter des conceptions tridimensionnelles, dans lesquelles plusieurs couches de puces bidimensionnelles sont empilées. Cependant, cette architecture pose d’importantes difficultés techniques, notamment la nécessité d’une alignement extrêmement précis entre les couches. Un léger désalignement peut nuire au rendement de la puce.

Limitations des méthodes actuelles

Traditionnellement, l’alignement est effectué à l’aide de microscopes qui permettent de superposer des marques visuelles, comme des croisements ou des coins, situés sur chaque couche. Cependant, cette méthode est limitée par la distance entre les couches (de l’ordre de centaines de microns) et la nécessité de réajuster constamment la mise au point, ce qui peut aggraver le désalignement.

« Le microscope ne peut pas focaliser les deux couches en même temps, et en essayant de le faire, les pièces peuvent se déplacer et aggraver le désalignement », a expliqué Maryam Ghahremani, auteur principal de l’étude.

De plus, la limite de diffraction des microscopes optiques restreint la résolution minimale à environ 200 nanomètres, ce qui empêche la détection de désajustements plus petits.

Une nouvelle technique avec une précision sub-nanométrique

La méthode développée par l’équipe de UMass Amherst utilise des métallentes concentriques comme marques d’alignement. Ces métallentes, structures optiques planes dotées de capacités avancées de manipulation de la lumière, sont intégrées dans chaque couche de la puce. En faisant passer un laser à travers ces marques, des hologrammes d’interférence sont générés dont la forme indique si les couches sont correctement alignées.

« Cette image d’interférence indique non seulement si les puces sont alignées, mais aussi dans quelle direction et à quelle mesure elles sont désalignées », a ajouté Ghahremani.

Les résultats ont dépassé les attentes initiales. Bien que l’objectif était d’atteindre une précision de 100 nanomètres, la technique a pu détecter des désalignements aussi petits que 0,017 nanomètres sur l’axe horizontal et 0,134 nanomètres sur l’axe vertical.

« Nous pouvons détecter si un objet a été déplacé par rapport à un autre d’une distance de la taille d’un atome », a souligné Amir Arbabi, professeur d’ingénierie électrique et informatique et auteur senior de l’étude.

Implications pour l’industrie des semi-conducteurs

La précision obtenue pourrait représenter un changement radical dans la fabrication de puces, où un alignement incorrect représente un problème technique et économique persistant. Réduire cet obstacle permettrait à des entreprises plus petites et à des startups d’accéder à des processus de fabrication avancés sans dépendre d’outils extrêmement coûteux.

De plus, les chercheurs estiment que cette technologie pourrait être appliquée à des capteurs compacts et à faible coût. « De nombreuses grandeurs physiques peuvent être traduites en déplacements. Avec un simple laser et une caméra, nous pourrions développer des capteurs de pression, des détecteurs de vibrations ou des dispositifs pour surveiller les changements environnementaux », a déclaré Arbabi.

Cette avancée, au-delà de sa pertinence pour l’industrie des semi-conducteurs, pourrait ouvrir la voie à de nouvelles générations de capteurs de haute précision pour des applications industrielles, médicales et scientifiques.

Source : Université du Massachusetts à Amherst et Techspot