Erik Loopstra et Vadim Banine (Pays-Bas)

Lauréats du Prix de l’inventeur européen 2018 dans la catégorie Prix du public

Lauréats Erik Loopstra and Vadim Banine

Catégorie : Industrie

Secteur : Semi-conducteurs

Société : ASML Netherlands BV (Pays-Bas)

Brevets : EP2465012, EP2480936, EP2170021, EP2283388, EP2159638

Invention : La lithographie dans l’extrême ultraviolet pour des micropuces plus petites et plus puissantes

Les microprocesseurs prochaine génération sont le produit de la haute technologie européenne mais aussi des inventions clés fabriquées par l’ingénieur néerlandais Erik Loopstra et le physicien russo-néerlandais Vadim Banine dans le domaine de la lithographie extrême ultraviolet (EUV). Brevetée et mise sur le marché par le fabricant de puces ASML, cette technologie utilise des lasers haute énergie pour obtenir des détails à l’échelle nanométrique et produire des semi-conducteurs plus petits, plus rapides et plus puissants.

loopstra-side-visualLa capacité de calcul des micropuces, qui se mesure au nombre de transistors conditionnés dans une seule puce, a doublé tous les deux ans depuis les années 1960. Alors que les transistors intégrés dans les puces se comptaient auparavant en milliers, ils se comptent aujourd'hui en milliards. Cette évolution répond à la loi de Moore, formulée par le co-fondateur d'Intel Corporation, Gordon Moore.

L'industrie des micropuces s'est stabilisée au cours des dernières années. La longueur des ondes de lumière laser utilisées pour graver les motifs des transistors sur les puces de silicium ayant atteint ses limites physiques, la fin de la loi de Moore semblait approcher.

Vadim Banine et Erik Loopstra ont alors intégré ASML, une entreprise dédiée aux systèmes lithographiques. Pendant une vingtaine d'années, ils ont utilisé tous deux leurs compétences respectives de physicien et d'architecte système pour casser la barrière de la longueur des ondes. Leurs inventions brevetées, dans le domaine de la lithographie EUV, ont permis de réduire la longueur des ondes de rayonnement et passer de 14 à seulement 13,5 nanomètres, c'est-à-dire bien en-dessous de l'ancien "mur" de 193 nanomètres. Les fabricants mondiaux de micropuces adoptent désormais la technologie de lithographie EUV d'ASML pour la production à grande échelle.

Bénéfices pour la société

Ces micropuces plus petites et plus puissantes sont la clé de nouvelles applications dans des domaines tels que la communication, la santé et le transport. La lithographie EUV sera la technologie habilitante à l'origine des puces dernière génération, qui permet d'obtenir des détails de l'ordre de sept et cinq nanomètres. Il faut savoir que cinq nanomètres représentent deux fois l'épaisseur d'un brin d'ADN et qu'un cheveu est 20 000 fois plus épais que cinq nanomètres.

Au-delà de la prochaine génération de smartphones et de tablettes, cette puissance de calcul va venir en aide aux implants médicaux, plus puissants et plus petits, aux appareils électroniques portables et aux "laboratoires sur puce".

La plateforme avancée de lithographie EUV d'ASML favorise l'ancrage technologique européen.  La région entourant la ville néerlandaise d'Eindhoven, où est basée ASML, s'appelle Brainport. En 2011, l'Intelligent Community Forum l'a nommée "région la plus intelligente du monde" pour la création de synergies entre entreprises et think tanks, notamment avec l'Eindhoven University of Technology (TU/e).

Avantages économiques

ASML, titulaire de brevets, propose désormais les inventions de son équipe sous forme de produit complet. Quatre des plus grandes entreprises de semi-conducteurs au monde,  Samsung, TSMC, Intel et GLOBALFOUNDRIES, adopteront la plateforme de lithographie EUV d'ASML au cours des deux prochaines années.

ASML est d'ores et déjà la plus grande entreprise de systèmes lithographiques au monde, avec une part de marché estimée à plus de 85% en 2018. Fondée en 1984, la société cotée en bourse emploie 19 200 personnes dans le monde et a enregistré 9 milliards d'euros de ventes et plus de 2 milliards d'euros de profits en 2017.

Alimentée par une demande continue en micropuces, le secteur mondial des semi-conducteurs est en plein essor. En 2017, les ventes mondiales ont dépassé les 334 milliards d'euros, avec un taux de croissance dépassant les 20% d'une année sur l'autre, selon les données de la Semiconductor Industry Association. D'après les analystes de MarketsandMarkets, le marché des équipements de photolithographie devrait atteindre les 6,5 milliards d'euros en 2020, le taux de croissance le plus élevé concernant les équipements de lithographie EUV.

  • Erik Loopstra and Vadim Banine

    Vadim Banine (à gauche) et Erik Loopstra

  • Erik Loopstra and Vadim Banine

    Vadim Banine

  • Erik Loopstra and Vadim Banine

    Erik Loopstra

  • Erik Loopstra and Vadim Banine
  • Erik Loopstra and Vadim Banine

    Erik Loopstra (à gauche) et Vadim Banine

  • Erik Loopstra and Vadim Banine

    Vadim Banine (à gauche) et Erik Loopstra


Comment ça marche

Les micropuces sont créées par photolithographie, une méthode de production qui permet de graver des motifs minuscules de transistors et de conducteurs sur des plaquettes de silicium, à l'aide de laser. Mais le degré de détails et la simplicité de fabrication sont limités par la lithographie ultraviolette actuelle, qui requiert des étapes de fabrication supplémentaires - des masques et des lentilles spéciales - pour produire des puces à des échelles inférieures à 45 nanomètres. 

Vadim Banine, Erik Loopstra et leur équipe ont développé un processus de lithographie EUV visant à fournir un rayonnement d'une longueur d'onde plus courte, qui entre quasiment dans le spectre radiographique. Plutôt que d'utiliser la lumière laser directe pour graver le silicium, la lithographie EUV vise l'utilisation d'un plasma haute puissance sur des petites gouttes d'étain. Exposées à la chaleur du laser, les gouttes de métal fondent dans le plasma brillant et émettent des rayonnements dans le spectre ultraviolet extrême avec une longueur d'ondes égale à 13,5 nanomètres seulement. Cette longueur est parfaite pour graver des structures ultra-délicates sur du silicium.

Pour cela, les inventeurs dirigent les rayons à l'aide de réflecteurs - des miroirs ultra-lisses sans aucun défaut - pour lesquels leur partenaire allemand, le fabricant optique ZEISS, a inventé un matériau entièrement nouveau. Et comme le rayonnement ultraviolet extrême peut être absorbé même par l'air, l'équipe doit créer un environnement de vide. Elle doit également réduire la contamination - issue de blocs de matériaux mille fois plus fins qu'un cheveu - quasiment au niveau zéro. Une seule particule de poussière peut détériorer une micropuce.

Sur les lignes de production, cette technologie brevetée ne servira pas à créer des puces entières, mais seulement les couches les plus détaillées et les plus précises. Ces couches seront alors assemblées en semi-conducteurs finis, avec des couches appelées "couches d'exposition", environ 100 par puce, créées à l'aide d'autres types de lithographie.

Inventeurs

Depuis qu'il a rejoint ASML en 1991, Erik Loopstra a joué un rôle essentiel dans la mise sur le marché de solutions de lithographie EUV, dans le cadre d'un processus qui implique plus de 1 000 experts internes. "L'innovation est faite d'un pour cent d'inspiration et de quatre-vingt-dix-neuf pour cent de transpiration," a-t-il déclaré, citant Thomas Edison. "Personne n'investirait autant de temps et d'argent sans être sûr que cela pourrait valoir le coup, à la fin."

À mesure que ses ambitions en matière d'innovation augmentaient, il en allait de même de celles de son département. Lorsque ce natif de Lillestrøm, en Norvège, a commencé à travailler à ASML, il y a vingt-cinq ans, l'équipe de développement comprenait seulement une centaine de personnes. Aujourd'hui, la branche s'est élargie et comprend 2 000 employés ; Erik Loopstra travaille également sur les systèmes optiques EUV prochaine génération avec le fournisseur allemand d'ASML, ZEISS.

Les travaux d'Erik Loopstra ont été à l'origine de la délivrance de 65 brevets européens, et lui ont valu en 2012 la récompense Martin van den Brink remis par la Dutch Society for Precision Engineering. Pendant son temps libre, l'inventeur s'éloigne de ses lasers haute puissance pour se replier dans son atelier, où il fabrique des meubles en bois.

Vadim Banine est né à Moscou, en Russie, où il a obtenu, en 1988, un diplôme de physique à l'Institute of Physics and Technology. Il a rejoint ASML en 1996, après avoir été chercheur post-doc pendant deux ans au Laboratory of Heat and Mass Transfer de l'University of Technology d'Eindhoven, où il a également obtenu son doctorat. Depuis, il a participé aux découvertes scientifiques qui sont à l'origine des percées dans le domaine de la lithographie EUV.

Aujourd'hui, il est autant à l'aise dans le monde de la recherche que dans celui de l'entreprise. Il est devenu directeur de recherche chez ASML en 2010 et a été nommé professeur de physique et de technologie en lithographie EUV au sein du Département de physique appliquée de l'University of Technology d'Eindhoven en 2013. Son nom est présent sur 45 brevets européens et il est l'auteur de plus de 50 publications scientifiques.

"Les brevets m'ont libéré. Ils me garantissent de pouvoir me concentrer à 100% sur mon travail, sans m'inquiéter de quoi que ce soit d'autre. C'est vraiment extraordinaire", a déclaré Vadim Banine. Il prend désormais part au travail de coopération organisé par ASML - avec un grand nombre d'acteurs de la recherche et de l'industrie -,  et visant à tester les éléments optiques et les systèmes plasma au sein du système de lithographie EUV.

Le saviez-vous ?

Depuis le début, les innovations brevetées dans le domaine des microprocesseurs ont été récompensées par le Prix de l'inventeur européen. Erik Loopstra et Vadim Banine sont les derniers arrivés d'une série de de finalistes et de gagnants apparue au tout début du Prix de l'inventeur européen, en 2006, lorsque la légendaire micropuce 4004 a permis à son créateur, Federico Faggin de remporter le prix dans la catégorie "Ensemble de la carrière". La même année, les plus hautes distinctions ont récompensé les micropuces d'analyse de l'ADN de Stephen P.A. Fodor et son équipe, qui a reçu le prix dans la catégorie "Petites et moyennes entreprises".

En 2015, le spécialiste suisse de la chimie analytique et nanoscientifique Andreas Manz a reçu le prix catégorie "Ensemble de la carrière" pour avoir réduit la taille d'un laboratoire de chimie jusqu'à le faire entrer sur une plaquette de la taille d'une micropuce. Un an plus tôt, le scientifique britannique Christofer Toumazou a remporté le prix de la catégorie "Recherche" avec sa clé USB équipée d'un microprocesseur capable de décoder l'ADN d'un patient en quelques minutes.

D'autres finalistes, comme l'ingénieur britannique Sophie Wilson, ont su repousser les limites de la conception des microprocesseurs avec les processeurs ARM ultra-efficaces pour les appareils mobiles (2013, catégorie "Ensemble de la carrière"). Enfin en 2016, les inventeurs portugais Elvira Fortunato et Rodrigo Martins ont été finalistes de la catégorie "Recherche" pour le développement de microprocesseurs sur support papier.

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