Des scientifiques ont révolutionné la technologie des puces semi-conductrices 3D avec une méthode d’alignement utilisant des lasers pour créer des hologrammes interférents. Cette innovation promet de réduire les coûts de fabrication des processeurs de nouvelle génération tout en ouvrant la voie à des capteurs ultra-sensibles.
L’intégration tridimensionnelle de circuits est une voie prometteuse pour dépasser les limitations des architectures bidimensionnelles de l’industrie des semi-conducteurs. Cependant, la fabrication de puces 3D empilées, telles que certains processeurs Ryzen d’AMD avec mémoire 3D V-Cache, nécessite un alignement latéral et vertical extrêmement précis et complexe, ce qui augmente indirectement leur coût de production.
Les méthodes conventionnelles, qui reposent sur des marques de référence lithographiées observées par microscopie optique, montrent leurs limites en termes de précision et pourraient s’avérer insuffisantes pour les prochaines générations de puces gravées plus finement. Une approche innovante récemment développée par une équipe de scientifiques de l’université du Massachusetts à Amherst pourrait offrir une solution prometteuse à ce défi technologique.
Laser, Hologrammes et Méta-surfaces
La technique développée 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.
Lorsqu’un faisceau laser éclaire une paire de marques d’alignement, la lumière transmise interagit avec les structures des méta-surfaces pour créer des hologrammes. Ces derniers interfèrent entre eux, produisant un motif d’intensité qui est 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 – comme différentes couches d’un microprocesseur – sur lesquels elles sont apposées.
La conception minutieuse des marques d’alignement est cruciale : 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, engendre 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 50 000 pour le désalignement latéral, et divisée par 6 300 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 surpassent 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 de mesurer le désalignement tridimensionnel à partir d’une seule image, ce qui autorise un processus d’alignement rapide et en temps réel. Cela ouvre 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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