Au printemps 2026, Elon Musk a officiellement dévoilé le grand plan de fabrication de puces TeraFab. Sa raison est très simple : SpaceX et Tesla auront besoin d'au moins 1 térawatt de puissance de calcul à l'avenir, un volume qui dépasse de 10 fois les capacités actuelles d'approvisionnement mondial en puces.
Puis, ce mois-ci, il semble avoir placé un pari encore plus grand : entrer dans le secteur des machines de lithographie.
01 TeraFab, vise les machines de lithographie
Un blogueur a annoncé que, d'après les informations publiées par TeraFab, Elon Musk semblait opter pour la voie du FEL (Free Electron Laser : laser à électrons libres), pour briser le monopole traditionnel de l'EUV.
Musk lui-même a ensuite publié sur les réseaux sociaux « FEL FTW » (FEL For The Win, FEL va gagner), ce qui a été interprété par le public comme une confirmation indirecte de cette spéculation. En combinant la conception allongée des bâtiments de TeraFab et les déclarations de Musk, la voie technologique FEL est devenue la conjecture la plus populaire. Selon le plan précédent, TeraFab construira une base de fabrication de puces intégrée, produisant à la fois des puces logiques et des puces mémoire, et intégrant toutes les étapes de lithographie, d'encapsulation et de test dans la même usine.
Par une coïncidence, en juillet dernier, la start-up semi-conducteurs xLight a annoncé avoir finalisé un financement de série B sursouscrit de 40 millions de dollars. Ce financement sera principalement investi dans la R&D du FEL, avec pour objectif de repousser les limites physiques de la technologie de lithographie EUV existante et de fournir un support de source lumineuse clé pour la production en masse de puces aux nœuds de 2 nanomètres et au-delà. Il est à noter qu'en mars dernier, l'ancien PDG d'Intel, Pat Gelsinger, a publié un article sur LinkedIn annonçant qu'il avait rejoint xLight en tant que président exécutif.
Dans le même temps, les caractéristiques propres à la technologie FEL ont suscité des discussions passionnées dans l'industrie.
02 FEL, une autre solution pour l'EUV
Dans toute la chaîne d'approvisionnement des puces IA, la société néerlandaise ASML est actuellement la seule entreprise au monde capable de fabriquer des équipements EUV, détenant plus de 90 % des parts de marché des équipements de lithographie.
La machine de lithographie EUV de cette société utilise une source lumineuse EUV à plasma laser (LPP). Son principe est de bombarder des gouttelettes d'étain liquide s'échappant d'une buse à une vitesse de 50 000 gouttes par seconde avec un laser au dioxyde de carbone d'une puissance de 30 kW, avec deux impacts par goutte (soit 100 000 impulsions laser par seconde), pour les évaporer en plasma. La lumière EUV d'une longueur d'onde de 13,5 nm est obtenue via les transitions entre les niveaux d'énergie des ions d'étain hautement chargés.
Bien que la technologie LPP ait permis la commercialisation de la lithographie EUV, ses limites physiques inhérentes s'amplifient à mesure que les procédés de fabrication progressent.
Premièrement, le goulot d'étranglement de l'efficacité de conversion énergétique. Dans l'explication ci-dessus, il y a un mot-clé : longueur d'onde de 13,5 nm. Cela signifie que par rapport à la source lumineuse de 193 nm utilisée dans les machines de lithographie DUV grand public actuelles, la source lumineuse EUV n'en fait qu'un quinzième, permettant de graver des canaux plus petits sur les plaquettes de silicium. Actuellement, ASML utilise principalement des lasers au dioxyde de carbone de la société américaine Cymer pour exciter un plasma d'étain produisant une lumière ultraviolette extrême de 13,5 nm. La technologie de cette société permet une efficacité de conversion du laser au plasma d'étain d'environ 5,5 %. En ajoutant l'efficacité électro-optique propre du laser au CO₂ d'environ 10 %, ainsi que les pertes de transmission du miroir collecteur, l'utilisation réelle de la lumière EUV du réseau électrique à la plaquette est généralement inférieure à 0,5 %.
Deuxièmement, la contamination par les débris d'étain. Lors du processus de génération de plasma, les ions d'étain et les débris neutres projetés à haute vitesse se déposent continuellement sur la surface extrêmement coûteuse du miroir collecteur multicouche, entraînant une baisse de la réflectivité et une réduction de la durée de vie.
Troisièmement, le plafond de puissance. La source EUV LPP actuelle a atteint une puissance EUV maximale d'environ 600W. Cependant, pour répondre aux besoins de fabrication des nœuds de 2 nanomètres et en deçà, la puissance EUV requise doit dépasser 1,5 kilowatt. Les spécifications EUV actuelles de 500-600 watts dépendent principalement de l'exposition multiple pour accumuler la dose de photons, compensant ainsi le déficit de puissance de la source.
En février de cette année, ASML a annoncé son intention, avant 2030, d'augmenter la productivité de la prochaine génération de machines de lithographie EUV à haute ouverture numérique de 50 %, en introduisant un tout nouveau système de source lumineuse d'une puissance allant jusqu'à 1000 watts. D'ici 2030, la capacité de traitement des plaquettes par machine EUV passera de 220 plaquettes par heure à 330 plaquettes par heure.
Comparée à la technologie LPP, le FEL ne dépend pas de la conversion par plasma. FEL signifie laser à électrons libres. L'ensemble du système de source lumineuse émet un faisceau d'électrons initial à partir d'un canon à électrons, qui est ensuite accéléré à une vitesse proche de celle de la lumière par un accélérateur linéaire (les solutions avancées utilisent souvent des accélérateurs linéaires supraconducteurs). Le faisceau d'électrons à haute densité, dans un état relativiste, entre dans un onduleur constitué d'un champ magnétique alternatif périodique. Sous l'action du champ magnétique, les électrons oscillent transversalement de manière périodique et produisent un rayonnement spontané ; le champ lumineux rayonnant module continuellement le faisceau d'électrons, favorisant la formation de micro-agrégats d'électrons à la période du rayonnement ; les électrons micro-agrégés produisent un rayonnement cohérent et forment une rétroaction positive, l'intensité du rayonnement augmentant de manière exponentielle ; avec des moyens techniques comme l'injection de graine, le système peut finalement émettre un faisceau EUV à longueur d'onde stable.
Par conséquent, la longueur d'onde de la lumière ultraviolette extrême produite par le FEL est considérée comme une bande candidate pour la prochaine génération de lithographie. Cette bande est plus courte que la longueur d'onde EUV actuelle de 13,5 nm, se rapprochant de la gamme des rayons X mous. Selon des informations publiques, l'objectif technologique de xLight est d'ajuster avec précision dans la bande Blue-X de 2 à 7 nm (également appelée bande « au-delà de l'EUV »).
De plus, tout le chemin optique interne ne comporte pas de processus de bombardement de gouttelettes d'étain métallique ni d'éclaboussure de plasma, la cavité sous vide du chemin optique ne générant pas de dépôt de débris métalliques. La source EUV-FEL peut également produire une puissance EUV élevée dépassant 10 kW. Elle peut simultanément fournir une puissance EUV supérieure à 1000 W à 10 machines de lithographie EUV, sans causer de contamination à l'étain sur les surfaces des miroirs en Mo/Si.
03 Les règles du jeu des machines de lithographie, ont-elles été réécrites ?
En décortiquant l'industrie de la lithographie, on distingue trois trajectoires technologiques claires : l'itération progressive de l'EUV, l'innovation des sources lumineuses EUV, et les solutions alternatives non-EUV. Les trois coexistent, mais l'itération de l'EUV reste le protagoniste absolu, les deux dernières ressemblant davantage à des « coups imprévus » dans la partie d'échecs.
Premier camp : L'itération progressive d'ASML, toujours le protagoniste absolu.
ASML contrôle toujours fermement la piste principale. Au premier trimestre de cette année, son chiffre d'affaires net était de 8,8 milliards d'euros, avec un bénéfice net de 2,8 milliards d'euros ; au deuxième trimestre, le chiffre d'affaires net total était de 9,326 milliards d'euros, avec un bénéfice net de 2,918 milliards d'euros. Parallèlement, ASML a encore une fois considérablement revu à la hausse ses prévisions de performance annuelle pour l'année, portant ses prévisions de ventes pour 2026 à 43-45 milliards d'euros.
En tant que fabricant d'équipements de lithographie le plus central en amont de la fabrication de plaquettes, la flambée des performances d'ASML reflète la course aux armements en cours dans toute l'industrie technologique. Parmi elles, les géants comme Amazon, Google, Microsoft investissent des centaines de milliards de dollars dans les infrastructures, déclenchant une énorme demande en aval pour des puces IA haut de gamme. Les fonderies, y compris celles de logique et de mémoire, accélèrent leur expansion, poussant la demande en machines de lithographie vers une phase de vive concurrence.
L'expansion des capacités est tout aussi agressive. La société prévoit, sur la base d'un plan de capacité d'environ 65 EUV à faible ouverture numérique (Low NA) en 2026, d'augmenter sa capacité de 30 % en 2027, et étudie une nouvelle augmentation de 30 % en 2028. Parallèlement, elle prévoit, sur la base d'un plan de capacité d'environ 130 DUV par immersion en 2026, d'augmenter sa capacité de 30 % en 2027, et étudie une nouvelle augmentation de 30 % en 2028.
Le High-NA EUV (lithographie ultraviolette extrême à haute ouverture numérique) est le prochain « atout maître » d'ASML. Il utilise un système optique à ouverture numérique de 0,55, permettant une résolution de 8 nm, supportant les procédés de fabrication de 3 nm et en deçà, et offrant une réserve technologique pour le nœud de 1 nm. Cet équipement améliore la finesse de gravure des circuits par un facteur de 1,7 grâce à une seule exposition, augmente le contraste de l'image de 40 %, et atteint une densité de transistors 2,9 fois supérieure à celle du système précédent, réduisant efficacement la consommation d'énergie des puces et améliorant la vitesse de calcul.
Cependant, comme le coût d'une seule machine High-NA EUV est d'environ 400 millions de dollars, presque le double d'une machine de lithographie EUV traditionnelle, et que l'intégration et l'adaptation des lignes de production présentent des difficultés techniques extrêmement élevées, l'adoption du High-NA EUV n'est pas très idéale. Zhang Xiaoqiang, vice-président principal responsable du développement commercial et des affaires mondiales et COO adjoint conjoint de TSMC, a révélé aux médias lors d'une conférence de presse avant le forum technologique annuel que la société n'avait actuellement pas prévu de déployer l'équipement High-NA EUV d'ASML conçu pour la prochaine génération de processeurs.
Deuxième camp : L'innovation des sources lumineuses – une attaque ciblée sur le « cœur » d'ASML.
C'est la voie FEL choisie par TeraFab de Musk et xLight. Il ne s'agit pas de défier frontalement la domination d'ASML sur les machines optiques complètes, mais de trouver une percée au niveau de la source lumineuse. Cela signifie que les fabricants de puces n'ont pas besoin de remplacer en grande partie leurs équipements auxiliaires existants de lithographie, de gravure, de dépôt, d'inspection, etc. ; il leur suffit de remplacer le système de source lumineuse pour obtenir des améliorations significatives en termes de capacité et de coût – ce chemin de mise à niveau « plug-and-play » est extrêmement attractif pour les fonderies.
xLight affirme que son système FEL a une puissance plus de 4 fois supérieure à celle des systèmes existants. Le déploiement du FEL xLight dans les fonderies existantes aux États-Unis pourrait augmenter la productivité de 50 % et éliminer le besoin de matières consommables comme l'étain ou l'hydrogène ; tandis que le déploiement dans de nouvelles fonderies pourrait augmenter la productivité de 100 %. Cela permettrait aux producteurs de fabriquer des puces avec des dimensions de caractéristiques plus petites et une efficacité plus élevée, étendant ainsi la prochaine génération de technologie de lithographie.
Si la source lumineuse peut être remplacée indépendamment, le pouvoir de négociation d'ASML serait structurellement affaibli. Mais il est important de noter que ASML avait envisagé la voie de la source lumineuse EUV FEL il y a dix ans, mais avait finalement jugé les risques trop élevés et opté pour la source lumineuse EUV LPP. Par conséquent, la question de savoir si et quand les problèmes de production de masse du FEL pourront être surmontés nécessite peut-être encore du temps pour être explorée.
De plus, il existe d'autres voies de sources lumineuses. Par exemple, la start-up de San Francisco Substrate, fondée en 2022, a choisi la voie de la lithographie par rayons X basée sur des accélérateurs de particules. La Chine progresse également dans la technologie de source EUV autonome. Selon des informations publiques, plusieurs équipes chinoises explorent différentes voies technologiques, y compris la rétro-ingénierie de la technologie LPP existante, avec pour objectif de réaliser une percée entre 2028 et 2030.
Parmi elles, l'Université de technologie de Harbin et d'autres institutions tentent de développer un programme de lithographie basé sur un plasma induit par décharge laser (LDP). Le principe est d'évaporer l'étain entre des électrodes puis d'exciter le plasma par une décharge à haute tension. Cette structure est plus simple et occupe moins d'espace que le LPP, mais la densité de puissance lumineuse est limitée, et la question de savoir si elle peut soutenir la production de masse reste incertaine.
Troisième camp : Les solutions non traditionnelles contournant complètement l'EUV poussent dans l'ombre.
La lithographie par nano-impression (NIL) est celle qui a le plus progressé commercialement. En imprimant directement des motifs via un gabarit physique, la NIL ne nécessite pas de système optique complexe ni de source lumineuse, les coûts des équipements et la consommation d'énergie étant bien inférieurs à ceux de l'EUV. Le fabricant japonais Canon a déjà promu l'application en production de masse de la NIL dans le domaine des puces mémoire. Bien que sa résolution ne puisse encore rivaliser avec celle du High-NA EUV, sur le marché des puces mémoire où les exigences de largeur de ligne sont relativement flexibles, la NIL a déjà démontré sa compétitivité en termes de coûts.
La gravure directe par faisceau d'électrons (EBL) emprunte un chemin totalement différent. La lithographie par faisceau d'électrons est essentiellement une technique d'écriture directe, utilisant un faisceau d'électrons focalisé pour exposer point par point un photorésist, dessinant avec précision les motifs par contrôle électromagnétique. Cette méthode ne dépend pas de masques et est très avantageuse lors des phases de R&D où les conceptions itèrent fréquemment, convenant particulièrement aux scénarios comme les dispositifs quantiques, les structures de nouveaux matériaux, les puces prototypes et la fabrication de masques.
Mais jusqu'à présent, la lithographie par faisceau d'électrons est longtemps restée confinée aux domaines de la recherche et des applications à petite échelle. La raison n'est pas la résolution, mais l'efficacité. La gravure directe par faisceau d'électrons est une exposition en série ; même si la précision par point est élevée, le débit global reste limité, ce qui est difficilement acceptable pour la production de masse au niveau de la plaquette. Cependant, lors de la phase de R&D, cette caractéristique de « lenteur » est échangée contre une flexibilité extrêmement élevée. Pour les équipes de recherche qui doivent modifier fréquemment les layouts, valider des modèles physiques ou explorer de nouvelles structures de dispositifs, économiser le processus de fabrication des masques est souvent plus important qu'augmenter la vitesse d'exposition.
Aujourd'hui, l'EUV ressemble de plus en plus à un vétéran qui court depuis longtemps. Les goulots d'étranglement technologiques sont réels, mais le réseau écologique qu'ASML a tissé autour de lui pendant vingt ans l'est tout autant. Pour qu'un nouveau compétiteur entre en jeu, il ne suffit pas de courir vite lui-même – il doit aussi faire changer les règles de toute la piste.
Le plan TeraFab de Musk est essentiellement un pari audacieux : parier que le FEL peut passer du laboratoire à la fonderie, parier que le remplacement de source lumineuse « plug-and-play » peut contourner la barrière des brevets d'ASML, parier que la demande de 1 térawatt de puissance de calcul est suffisante pour soutenir une toute nouvelle chaîne d'approvisionnement.
La direction que prendra la prochaine génération de technologie de lithographie trouvera peut-être une réponse pas trop lointaine. Mais une chose est sûre – lorsque Musk a tapé « FEL FTW » sur les réseaux sociaux, le business des machines de lithographie n'était déjà plus le jeu d'ASML seul.
Cet article provient du compte WeChat public « Semiconductor Industry Vertical and Horizontal » (ID : ICViews), auteur : Feng Ning
