Des chercheurs chinois cartographient les molécules de résine photosensible et annoncent une réduction de 99 % des défauts sur les puces avancées

Pourquoi cette nouvelle découverte sur la résine photosensible est importante

Des chercheurs chinois affirment avoir observé directement le comportement des molécules de résine photosensible dans les films liquides utilisés lors de la lithographie des puces, puis avoir transformé cette découverte en une solution applicable en usine qui réduit considérablement les défauts. Ces travaux, menés par une équipe de l’université de Pékin avec des partenaires industriels, ont été publiés dans Nature Communications le 30 septembre 2025. L’équipe indique que son protocole a réduit jusqu’à 99 % les résidus de polymère sur des plaquettes de 12 pouces dans des conditions réelles de fabrication, une avancée qui pourrait améliorer les rendements pour les nœuds de procédé de 7 nm et moins.

La résine photosensible est le revêtement sensible à la lumière qui définit les motifs des transistors et des interconnexions sur une plaquette de silicium. Pendant la photolithographie, un scanner projette une image du circuit dans la résine. Les zones exposées changent de solubilité, puis la révélation et le nettoyage font apparaître le motif. Les minuscules résidus ou voiles qui subsistent peuvent provoquer des courts-circuits entre les lignes, rompre des contacts et entraîner des défaillances lors des étapes ultérieures. Aux nœuds avancés, où les lignes sont étroites et les espacements réduits, même un petit groupe de molécules mal placé peut rendre une puce inutilisable.

La Chine dépend fortement des résines importées, en particulier dans le haut de gamme. Cette dépendance explique en partie les difficultés des fabricants locaux à améliorer les rendements aux nœuds les plus avancés. Les scanners ultraviolets extrêmes de pointe d’ASML étant exclus du marché chinois depuis 2019, les fabricants de puces du pays ont recouru à plusieurs cycles de lithographie ultraviolette profonde pour atteindre des dimensions caractéristiques de la classe 7 nm. Cette méthode accentue le rôle de la résine, car la plaquette subit davantage d’expositions, de révélations et de nettoyages humides au fil de dizaines d’étapes. Toute réduction des défauts aléatoires se traduit par davantage de puces fonctionnelles par plaquette.

Qu’ont fait exactement les chercheurs ?

L’équipe de l’université de Pékin a appliqué la tomographie électronique cryogénique à des films de résine photosensible, alors que les polymères se trouvaient encore dans leur environnement liquide d’origine. Cette méthode d’imagerie congèle un échantillon mince extrêmement rapidement, immobilise les molécules, puis utilise un microscope électronique en transmission pour capturer une série de vues sous différents angles. Un logiciel reconstitue une carte tridimensionnelle avec une résolution nanométrique. Grâce à cette approche, les chercheurs ont visualisé l’organisation et l’enchevêtrement des polymères de résine dans l’épaisseur du film et à l’interface gaz-liquide pendant la révélation et le rinçage.

Ces images, associées à des expériences de procédé, ont révélé une source cachée de résidus. De longues chaînes peuvent s’enchevêtrer au sommet du film, près de l’interface, puis rester piégées dans les creux du motif pendant le rinçage et le séchage. À partir de ces cartes, l’équipe a conçu un protocole visant à empêcher l’enchevêtrement des polymères à l’interface. Elle indique que cette modification a éliminé presque tous les défauts liés aux résidus dans un environnement industriel, sur des plaquettes de 12 pouces.

De la biologie à la fabrication des puces : qu’est-ce que la tomographie électronique cryogénique ?

La tomographie électronique cryogénique, souvent abrégée en cryo-ET, est issue de la biologie structurale, où elle sert à imager les protéines et les cellules dans leur forme native. L’échantillon est vitrifié : l’eau et les solvants se figent dans un état semblable au verre, sans former de cristaux susceptibles de perturber la structure. Une série d’images électroniques prises sous différents angles est ensuite reconstituée en un volume tridimensionnel. Son principal avantage est de préserver les molécules en place, au lieu de les sécher ou de les colorer, ce qui pourrait déplacer ou endommager ces structures fragiles. Appliquer la cryo-ET aux matériaux semi-conducteurs permet aux chercheurs d’observer des polymères qui, normalement, s’agitent et se réorganisent en solution, et de les saisir enfin en train de former les réseaux à l’origine des défauts.

Pourquoi l’enchevêtrement des polymères crée des défauts

Pendant la révélation, les zones exposées de la résine se dissolvent, tandis que les zones non exposées restent en place pour protéger le film sous-jacent. Les chaînes enchevêtrées qui s’étendent sur les deux zones peuvent laisser de minces voiles après la révélation, un défaut souvent appelé résidu de révélation. Dans les tranchées et les trous de contact, des nœuds peuvent se loger et résister au rinçage, laissant des résidus qui entravent ensuite la gravure ou le dépôt de métal. Ces défauts sont des causes classiques de baisse du rendement. Ils augmentent la rugosité des bords de ligne, créent des micro-ponts entre les lignes et imposent des reprises. Si trop de motifs sont touchés, la plaquette est mise au rebut. Plus les dimensions sont réduites, plus le problème est grave : quelques nanomètres de matière en trop peuvent fermer un espace ou modifier une dimension critique.

Comment cela pourrait améliorer les rendements aux nœuds avancés

Le rendement correspond à la part de puces fonctionnelles qui arrivent au terme de la fabrication, par rapport au nombre total de puces découpées sur une plaquette. À 7 nm et en dessous, un système sur puce moderne peut compter des dizaines de milliards de transistors et nécessiter des centaines d’étapes de fabrication. Les défauts aléatoires s’accumulent rapidement. Si un ajustement de la résine élimine une source fréquente de résidus sur plusieurs couches, ses effets se multiplient tout au long du procédé. Le rendement final peut alors gagner plusieurs points de pourcentage, ce qui représente une forte baisse du coût par puce fonctionnelle dans l’économie de la fonderie.

Le comportement de la résine ne concerne pas seulement l’exposition et la révélation. La sélectivité de gravure, les dommages dus au plasma et les nettoyages humides dépendent tous de la formation du réseau de polymères et de sa dégradation. L’équipe de recherche indique que le même contrôle de l’interface qui réduit les résidus en lithographie limite aussi la propagation des défauts lors de la gravure et du nettoyage. Cela contribuerait à stabiliser les dimensions critiques et la rugosité des lignes, améliorant ainsi la variabilité et les performances des dispositifs.

Moins de cycles de reprise, davantage de puces fonctionnelles par plaquette

Les fonderies font souvent repasser les plaquettes par des étapes de nettoyage ou de réparation pour sauver le rendement. Chaque cycle supplémentaire augmente le temps, le coût et les risques. Si les résidus diminuent de 99 %, le besoin d’étapes supplémentaires se réduit. La capacité des équipements est ainsi libérée, les délais de fabrication raccourcis et la consommation de produits chimiques réduite. Pour les clients, moins de défauts latents signifie une meilleure fiabilité lors du vieillissement accéléré et en conditions réelles. Pour les concepteurs de puces, une distribution plus étroite des largeurs de ligne et des contacts permet de prévoir plus précisément les performances temporelles et la consommation électrique.

La place de cette avancée dans la stratégie chinoise pour les puces

Les matériaux et la lithographie sont au cœur des efforts de la Chine pour réduire sa dépendance aux fournisseurs étrangers. La résine photosensible constitue un point faible évident. Les fournisseurs locaux ont progressé dans les produits de milieu de gamme destinés aux équipements KrF et ArF, mais les qualités haut de gamme restent dominées par des entreprises japonaises, américaines et sud-coréennes. Selon les estimations du secteur, le marché chinois de la résine photosensible a atteint environ 11,4 milliards de yuans en 2024, et sa croissance devrait se poursuivre en 2025. La demande mondiale de résines photosensibles était évaluée à près de 2,7 milliards de dollars l’an dernier et pourrait atteindre 4,5 milliards d’ici 2031, en raison de l’augmentation du nombre de couches et du resserrement des règles de conception.

Les décideurs politiques ont ciblé les matériaux dans la nouvelle tranche de financement du Fonds national d’investissement dans l’industrie des circuits intégrés. Selon des analystes, la troisième phase prévoit plus de 50 milliards de yuans pour les produits chimiques, les résines et les procédés connexes, en plus des investissements dans les outils et les équipements. La mise en place de règles communes fait partie de cette stratégie. L’Administration chinoise de la normalisation a publié une spécification nationale d’essai pour les résines photosensibles à ultraviolet extrême. Des méthodes d’essai communes aident les universités et les entreprises à comparer les résultats, à qualifier les fournisseurs et à préparer la production pilote.

Universités et entreprises développent de nouveaux matériaux

Des universités et des jeunes entreprises chinoises explorent également de nouvelles chimies pour l’ère de l’ultraviolet extrême. En juillet, une équipe de l’université Tsinghua a présenté une résine à base de polytelluroxane, qui incorpore des atomes de tellure dans la chaîne principale du polymère afin d’accroître l’absorption à 13,5 nm. La liaison Te-O se rompt plus facilement sous exposition, ce qui peut accroître la sensibilité tout en maintenant une faible masse moléculaire pour améliorer la résolution. Si ce matériau peut être produit à grande échelle, il pourrait offrir une voie nationale vers la lithographie à ultraviolet extrême, avec un meilleur compromis entre sensibilité, rugosité des lignes et dégazage.

Du côté des entreprises, une branche matériaux de SiCarrier a présenté une résine à amas métalliques que des brevets décrivent comme étant à base d’amas d’oxyde d’étain, avec une résolution annoncée pour des motifs de 3 à 50 nm. Ces affirmations doivent être validées indépendamment sur une ligne de fonderie, mais elles témoignent d’une tendance plus générale. Les entreprises chinoises se lancent dans la course aux résines tandis que les fabricants d’équipements élargissent les options nationales en matière de lithographie. Une nouvelle filiale issue de Shanghai Micro Electronics Equipment a présenté des aligneurs pour semi-conducteurs composés, des systèmes de recuit laser et des équipements d’inspection. Le pays n’a toujours pas accès aux scanners à ultraviolet extrême de pointe d’ASML, mais l’écosystème s’emploie à combler les lacunes dans les matériaux, la métrologie et les logiciels de conception.

Ce que cette avancée est, et ce qu’elle n’est pas

Le résultat de l’université de Pékin porte sur un problème bien précis : le comportement des polymères de résine dans les films liquides et à l’interface avec l’air pendant la révélation et le rinçage. En imageant directement ces structures et en modifiant leur formation, l’équipe propose un moyen de réduire une source fréquente de contamination. C’est précieux, car cela raccourcit la mise au point des procédés et réduit les essais et erreurs, deux causes récurrentes de retard lors du lancement d’un nouveau nœud dans une usine.

Il ne s’agit pas d’un remplacement des scanners, des masques et des résines de pointe nécessaires pour atteindre les dimensions les plus petites. La lithographie à ultraviolet extrême pose des problèmes qui vont au-delà des résidus. La source lumineuse a une luminosité limitée, le bruit de grenaille entraîne des variations aléatoires des bords de ligne et la résine doit concilier sensibilité, rugosité des lignes et effondrement des motifs. Les masques ont besoin de membranes de protection capables de résister à une lumière très énergétique, et la maîtrise de la contamination est exigeante. Le contrôle de l’interface sera utile, mais les fonderies chinoises resteront limitées par les équipements qu’elles peuvent acheter et fabriquer.

Les résultats doivent aussi être vérifiés à plus grande échelle. Une réduction de 99 % mesurée dans un environnement donné ne s’applique pas nécessairement à toutes les résines ni à toutes les couches. Les différentes densités de motifs, solutions de révélation, étapes de rinçage et chimies de gravure interagissent de manière complexe. La prochaine étape consiste à reproduire les résultats dans plusieurs fonderies et avec différents procédés, et à recueillir des données au niveau des dispositifs reliant la réduction des résidus à une hausse du rendement final et de la fiabilité.

Prochaines étapes pour la recherche et l’industrie

Plusieurs jalons permettront de déterminer si cette avancée transforme concrètement la production. Premièrement, des fonderies et des fournisseurs de matériaux indépendants peuvent tester le protocole sur des procédés courants d’immersion ArF et des empilements à ultraviolet extrême à sec, puis publier les fenêtres de procédé. Deuxièmement, les fonderies peuvent indiquer dans quelle mesure les reprises diminuent et comment évoluent la rugosité des bords de ligne et la variabilité des dimensions critiques lorsque la méthode est appliquée aux couches déterminantes. Troisièmement, les fournisseurs d’équipements et de produits chimiques peuvent proposer des réglages et des formulations intégrant le contrôle de l’interface dans des recettes clés en main, que les clients pourront adopter sans changements majeurs.

En Chine, les orientations politiques laissent présager la poursuite des investissements dans les matériaux de résine photosensible. La norme nationale d’essai des résines pour l’ultraviolet extrême devrait faciliter la comparaison des performances et la qualification des lots. Les programmes universitaires, notamment les recherches menées à Tsinghua sur les polymères à base de tellure, alimentent le vivier de talents. Des entreprises commencent à présenter publiquement des scanners, des systèmes d’inspection et de nouvelles résines, ce qui laisse entrevoir de nouveaux projets pilotes. À l’extérieur de la Chine, des programmes soutenus par les pouvoirs publics aux États-Unis, en Europe, au Japon et en Corée du Sud investissent des milliards dans la recherche sur les puces. La concurrence dans le domaine des résines photosensibles devrait s’intensifier à mesure que chaque région cherche à maîtriser une plus grande part de la chaîne des matériaux.

Points clés

• L’université de Pékin et ses partenaires ont utilisé la tomographie électronique cryogénique pour imager les molécules de résine photosensible dans des films liquides et aux interfaces, puis conçu un procédé qui, selon l’équipe, réduit jusqu’à 99 % les résidus de polymère sur des plaquettes de 12 pouces.
• Les travaux ont été publiés dans Nature Communications le 30 septembre 2025 et ciblent les pertes de rendement aux nœuds de 7 nm et moins, où de minuscules résidus peuvent rendre des puces inutilisables.
• La Chine reste dépendante des résines photosensibles haut de gamme importées et n’a pas accès aux scanners à ultraviolet extrême de pointe d’ASML en raison des restrictions à l’exportation.
• La Chine soutient désormais les matériaux par des financements et des normes, notamment avec une nouvelle spécification nationale d’essai pour les résines photosensibles à ultraviolet extrême.
• L’université Tsinghua a présenté une résine pour l’ultraviolet extrême à base de tellure, tandis que des entreprises chinoises ont présenté des résines à amas métalliques et des outils de lithographie nationaux, même si de nombreuses affirmations restent à vérifier indépendamment.
• Cette avancée améliore la compréhension et la maîtrise du comportement des résines aux interfaces, mais ne supprime pas le besoin de scanners avancés, de masques et de résines de nouvelle génération.