Des chercheurs ont mis au point une nouvelle technique d’alignement pour les puces semi-conductrices 3D utilisant des lasers pour créer des hologrammes interférents. Cette approche pourrait réduire le coût de fabrication des prochaines générations de processeurs, mais aussi permettre la création de capteurs ultra-sensibles.
L’intégration tridimensionnelle de circuits représente une voie prometteuse pour dépasser les limitations actuelles des architectures bidimensionnelles dans l’industrie des semi-conducteurs. Mais la fabrication de puces 3D empilées, tels que certains processeurs Ryzen d’AMD équipés de mémoire 3D V-Cache, nécessite un alignement latéral et vertical extrêmement précis et complexe, augmentant indirectement leur coût de fabrication.
Les méthodes conventionnelles, basées sur l’utilisation de marques de référence lithographiées et leur observation par microscopie optique, montrent leurs limites en terme de précision et pourraient s’avérer insuffisantes pour les prochaines générations de puces gravées toujours plus finement. Une approche novatrice récemment développée par une équipe de chercheurs de l’université du Massachusetts à Amherst pourrait toutefois offrir une solution prometteuse à ce défi technologique.
Laser, hologrammes et méta-surfaces
La technique mise au point par les chercheurs repose sur l’utilisation de “méta-surfaces” spécialement conçues pour servir de marques d’alignement, combinée à un système simple comprenant une source laser et une caméra. Contrairement aux méthodes traditionnelles qui nécessitent une imagerie microscopique directe des marques, cette nouvelle approche exploite l’interférence de motifs holographiques générés par ces méta-surfaces.
Plus précisément, lorsqu’un faisceau laser illumine une paire de marques d’alignement, la lumière transmise interagit avec les structures des méta-surfaces pour créer des hologrammes. Ceux-ci interfèrent ensuite entre eux, produisant un motif d’intensité qui est alors capturé par la caméra. L’analyse de ce motif d’interférence révèle avec une précision sub-nanométrique le désalignement tridimensionnel entre les marques, et par conséquent entre les objets – par exemple différentes couches d’un microprocesseur – sur lesquels elles sont apposées.
La conception minutieuse des marques d’alignement est au cœur de cette technique : leur forme concentrique à ouverture annulaire agit comme de véritables éléments optiques modifiant la phase de la lumière incidente pour générer les hologrammes désirés. Lorsqu’elles sont parfaitement alignées, ces marques transmettent un faisceau incident sans déviation angulaire. En revanche, un désalignement latéral, même de quelques fractions de nanomètre, entraine une déviation selon des angles différents, ce qui se traduit par un décalage des motifs holographiques. De même, un décalage axial entre les marques provoque une divergence ou une convergence des faisceaux, entraînant un flou caractéristique dans le motif d’interférence observé.
Mesurer un alignement 3D de quelques picomètres
La précision atteinte par cette méthode est remarquable : des simulations ont démontré des précisions limites de l’ordre de la longueur d’onde du laser divisée par 50000 pour le désalignement latéral, et divisée par 6300 pour le désalignement axial. En pratique, pour un laser opérant à une longueur d’onde de 850 nanomètres, cela correspond à des précisions de quelques picomètres pour le déplacement latéral et de quelques centaines de picomètres pour le déplacement axial. Ces niveaux de précision dépassent largement les capacités des méthodes conventionnelles basées sur la microscopie optique, dont la résolution est limitée par la diffraction de la lumière.
Simple, robuste et fiable, cette nouvelle approche permet en outre de mesurer le désalignement tridimensionnel à partir d’une seule image, ce qui autorise un processus d’alignement rapide et en temps réel, ouvrant la voie à la création de dispositifs électroniques plus denses, plus performants et potentiellement moins coûteux. Et cette technique de métrologie basée sur l’interférence holographique pourrait même trouver des applications dans d’autres domaines nécessitant des mesures de déplacement de haute précision : le principe de convertir un déplacement physique en une variation d’un motif optique pourrait ainsi être exploité pour développer des capteurs de déplacement – autrement dit des MEMS, ou Micro Electro Mechanical Systems – d’une sensibilité jamais vue.
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Source :
Nature