Les États-Unis préparent une offensive technologique au cœur de l’écosystème des semi-conducteurs : la lithographie. La jeune entreprise Substrate a présenté une proposition innovante combinant accélérateurs de particules et source de rayons X, permettant d’imprimer des motifs de transistors avec une résolution que la société assure égalera ou dépassera celle des systèmes EUV de dernière génération, mais avec moins de complexité et des coûts nettement inférieurs. L’objectif est clair : réduire la dépendance de l’Europe — où ASML domine la lithographie EUV — ainsi que de l’Asie, et relocaliser aux États-Unis la pièce maîtresse de la fabrication avancée.

Ce pari n’est pas incrémental, mais de rupture : il vise à remplacer la lumière ultraviolette extrême (EUV) par des rayons X produits à partir d’électrons accélérés presque à la vitesse de la lumière, puis « secoués » par des champs magnétiques pour émettre des impulsions d’une brillance exceptionnelle. À l’aide de cette source et d’un système optique et mécanique propre, Substrate affirme avoir imprimé des réseaux de contacts avec des dimensions critiques de 12 nm et des espaces pointe à pointe de 13 nm, ainsi que des vias aléatoires avec un pas centre à centre de 30 nm avec haute fidélité. En termes qualitatifs, la société indique que ses résultats sont équivalents au nœud de 2 nm en termes de résolution, avec la possibilité d’aller encore plus loin.

Fonctionnement : de l’accélérateur à la plaque

Le cœur du système repose sur des cavités de radiofréquence qui accélèrent des paquets d’électrons. Ces électrons, déjà très énergétiques, traversent une séquence d’aimants alternants (undulateurs et dispositifs connexes) qui provoquent l’émission de rayons X sous forme de pulsatons intenses. La lumière est transmise et modélisée à travers une chaîne optique perfectionnée jusqu’à atteindre la plaque de 300 mm, où un module mécanique à très haute accélération (forces G élevées) fournit la performance de balayage nécessaire à une usine de pointe. Substrate affirme avoir achevé son premier outil de lithographie « en production » pour 300 mm, assemblé en interne.

Cette promesse est double : d’une part, la résolution — en utilisant des longueurs d’onde plus courtes que l’EUV — permet d’imprimer des structures plus fines, réduisant la complexité des optiques extrêmes. D’autre part, l’économie et les délais : en éliminant ou simplifiant des blocs optiques extrêmement coûteux et complexes de la lithographie EUV actuelle, et en verticalisant sa chaîne (source + optique + mécanique), Substrate vise à réduire le temps de déploiement et les coûts totaux.

Une stratégie d’indépendance et de réduction des coûts par plaquette

Au-delà de la physique, le message est stratégique : Substrate lie son projet à la récupération de l’autonomie industrielle des États-Unis. L’objectif n’est pas seulement la conception (où les grandes entreprises technologiques dominent déjà), mais aussi la fabrication et l’autosuffisance en fonderies. La société prévient que le secteur atteint des coûts insoutenables: à l’horizon 2030, des installations de plus de 50 milliards de dollars et des plaquettes de 100 000 dollars deviendraient la norme, limitant le accès au silicium de pointe à une poignée de sociétés. En réponse, Substrate promeut une voie pour produire des plaquettes à seulement 10 000 dollars « d’ici la fin de la décennie », soit un ordre de grandeur inférieur à la trajectoire actuelle.

Une telle baisse, si elle se concrétise, serait une révolution. Elle transformerait le modèle économique de tout l’écosystème : du design des chips — qui pourrait être de plus en plus assisté et automatisé par IA — jusqu’à l’économie des données, en multipliant les acteurs capables de financer des siliciums sur mesure. Le goulot d’étranglement ne serait plus leur conception (rationalisée par IA), mais la fabrication elle-même, le point où la société veut concentrer son avantage.

Une attaque stratégique contre ASML en Europe et un bras de fer avec la Chine

C’est aussi un enjeu géopolitique. ASML, basé aux Pays-Bas, détient le monopole mondial sur l’EUV et est de fait le garant de la fabrication avancée en silicium. La Chine, de son côté, investit à marche forcée dans des outils domestiques — y compris la lithographie — dans l’objectif de s’auto-suffiser. Substrate affirme que, si les États-Unis n’accélèrent pas, la Chine pourrait atteindre l’autonomie en la plupart des outils de fabrication — y compris la lithographie avancée — d’ici 2030.

Dans ce contexte, une lithographie par rayons X basée sur les accélérateurs vise à sauter une étape : non pas rivaliser directement avec l’EUV à forte ouverture numérique et optique extrême, mais rédefinir l’architecture de l’équipement et réduire ses coûts. La moindre dépendance à une optique critique et à des composants externes représenterait un avantage considérable dans une chaîne d’approvisionnement aujourd’hui très concentrée.

Quels défis restent à relever ?

Le scepticisme technique est légitime. La lithographie par rayons X n’est pas une idée nouvelle : il y a encore quelques décennies, des programmes majeurs ont échoué à cause de masks complexes et fragiles, d’alignement précis et surtout par leur faible productivité et leur coût élevé. Bien que Substrate assure avoir retaillé la conception — source, optique, mécanique — avec un souci de fabrication en volume, le véritable défi réside dans la validation concrète :

• Le débit réel (pièces par heure) pour des motifs complexes avec un overlay précis entre couches.
• Les résists capables de supporter doses et doses partielles sans flou ni dégradation en chaîne.
• Les masques et leur chaîne de métrologie, avec des tolérances compatibles avec les nœuds inférieurs à 2 nm.
• La fiabilité 24/7 en environnement industriel, avec maintenance prédictive et des MTBF/MTTR compétitifs.
• Un écosystème de processus (dépôt, gravure, CMP) calibré pour tirer parti du nouveau mode d’exposition par rayons X.

Chacun de ces défis est significatif. Les systèmes EUV actuels sont de véritables miracles d’ingénierie, fruit de décennies d’itérations avec des fournisseurs de matériaux, optiques, sources, masques et métrologie. Les les défier requiert données publiques, échéances claires et clients pilotes capables d’attester performances et coûts.

Ce qui est déjà en place

Au-delà de la vision, Substrate signale plusieurs étapes franchies : une outil interne pour plaquettes de 300 mm opérationnel, des motifs de 12 nm CD / 13 nm tip-to-tip avec une qualité uniforme, des vias à pas de 30 nm avec une haute fidélité, et un système mécanique capable de fonctionner avec de fortes G pour égaler le rendement d’un scanner de référence. La société se dit également verticale dans toute sa chaîne — optique, chimie, mécanique — et affirme avoir accéléré sa R&D grâce à l’utilisation de GPUs/TPUs et de jumeaux numériques permettant de réduire en jours des itérations qui prenaient des années.

Sa feuille de route prévoit d’intégrer sa technologie dans de nouvelles usines aux États-Unis, avec des modules compacts et des délais de déploiement plus courts que la concurrence. Selon sa vision, le futur repose sur des milliards de plaquettes par an et un stack américain complet pour des futures usines d’IA.

Implications stratégiques pour l’industrie si la vision se réalise

• Coût : si le coût par plaquette se rapproche de 10 000 dollars, l’accès au silicium de pointe deviendrait plus démocratisé, permettant de développer de niches de design spécifique aujourd’hui inaccessibles.
• Capacité : des équipements plus compacts et abordables pourraient augmenter la capacité installée sans concentrer la production dans quelques grosses usines.
• Concurrence : ASML continuerait à détenir l’EUV, mais apparaîtrait un rival avec une approche radicalement différente ; la Chine pourrait voir ses plans contrariés si les États-Unis parviennent à industrialiser cette technologie en premier.
• Risques : la transition du prototype à la fabrication à haut volume (HVM) est souvent le point où de nombreuses promesses technologiques échouent. La qualité stable et la rentabilité matérielle seront des facteurs clés.
• Chaîne de valeur : matériaux, résists, métrologie et EDA (Electronic Design Automation) pourraient nécessiter des ajustements pour s’adapter aux nouvelles caractéristiques d’exposition par rayons X.

Et l’Europe ?

Pour l’Europe, ASML est l’un de ses « actifs stratégiques » les plus précieux, un leadership mondial unique en hardware. Un nouveau concurrent américain viable ferait non seulement changer la répartition du marché, mais relancerait également les débats sur la souveraineté technologique et le soutien public à la R&D dans la fabrication. Les fonderies européennes — tout comme américaines — analyseront de près le TCO» réel de la solution Substrate : prix d’achat, coûts opérationnels, rendement et temp d’overlay.

Les signaux à surveiller dans les 12–24 prochains mois

1. Publications techniques avec des métriques vérifiables (overlay, LER/LWR, CDU, MEEF) et conditions de procédé.
2. Clients pilotes (microélectronique, mémoire ou photonique) et sites d’installation avec fenêtres de montée en puissance.
3. Chaîne de masques / résists adaptée à rayons X avec supply stable.
4. Feuille de route pour le débit (plaquettes/heure) et le coût par étape, alignée sur la High-NA EUV.
5. Engagements d’investissement (CapEx) et partenariats avec fabricants d’équipements et de produits chimiques.

La lithographie reste un secteur où de brillantes idées ont souvent échoué face à la réalité industrielle. Pourtant, le secteur récompense surtout les innovations qui simplifient et réduisent les coûts sans sacrifier la performance. Si Substrate parvient à confirmer ses promesses par des données concrètes, les États-Unis pourraient écrire une nouvelle page dans l’histoire de la fabrication de chips… et l’Europe ainsi que la Chine devront réajuster leurs stratégies.

Questions fréquentes

En quoi la lithographie par rayons X de Substrate diffère-t-elle de l’EUV d’ASML ?
L’EUV utilise des lasers au CO₂ pour vaporiser de l’étain, produisant une lumière ultraviolette extrême refléchie par des optiques très complexes. Substrate propose des rayons X générés via des accélérateurs de particules, avec une architecture optique et mécanique différente. En théorie, une longueur d’onde plus courte offre plus de résolution avec moins d’optique extrême.

Est-ce que cette technologie peut devenir viable en production à grande échelle (HVM) ?
C’est la grande inconnue. Elle doit encore prouver ses capacités en termes de débit, overlay, résistances, masques robustes et fiabilité 24/7. La transition du laboratoire à la fabrication de masse reste un défi majeur dans l’histoire de toutes ces innovations.

Quel impact sur le coût des chips ?
Substrate affirme qu’elle pourrait ramener le coût par plaquette à environ 10 000 dollars « d’ici la fin de la décennie », contre des trajectoires aboutissant à 100 000 dollars. Si cela se confirme, cela démocratiserait l’accès aux semi-conducteurs de pointe et ouvrirait la voie à davantage de designs personnalisés.

Comment cette approche influence-t-elle la rivalité États-Unis–Chine et le rôle de l’Europe ?
Si les États-Unis industrialisent une lithographie alternative performante, ils diversifieraient leur approvisionnement, réduiraient leur dépendance aux équipements cruciaux, et reconfigureraient la dynamique stratégique face à la Chine, qui vise aussi une autonomie totale, ainsi qu’à l’Europe, dont le leadership en lithographie (via ASML) serait mis à mal pour la première fois depuis des décennies.

Source : Substrate