Au printemps 2026, Musk a officiellement dévoilé son grand projet 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, une échelle qui dépasse de plus de 10 fois la capacité mondiale actuelle de fourniture de puces.
Puis, ce mois-ci, il semble avoir fait un pari encore plus gros : se lancer dans la lithographie.
01 TeraFab, vise la lithographie
Un blogueur a publié un message indiquant que, d'après les informations publiées par TeraFab, Elon Musk semblerait vouloir suivre la voie FEL (Free Electron Laser : laser à électrons libres), pour bouleverser le monopole de l'EUV traditionnel.
Musk lui-même a ensuite publié sur les réseaux sociaux "FEL FTW" (FEL pour la victoire), considéré par les observateurs comme une confirmation indirecte de cette spéculation. Combiné à la conception allongée de l'usine TeraFab et aux déclarations de Musk, la voie technologique FEL est devenue l'hypothèse la plus populaire. Selon les plans précédents, TeraFab construira une base intégrée de fabrication de puces, produisant à la fois des puces logiques et des puces mémoire, et intégrant toutes les étapes de lithographie, packaging et test dans une même usine.
Par coïncidence, en juillet dernier, la startup de semi-conducteurs xLight a annoncé avoir bouclé un tour de financement de série B de 40 millions de dollars sursouscrit. Ce financement sera principalement investi dans la recherche et le développement du FEL, avec pour objectif de dépasser les limites physiques de la technologie EUV existante et de fournir un support de source lumineuse clé pour la production en masse de puces à 2 nanomètres et plus avancées. 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.
Soudain, les caractéristiques de la technologie FEL ont suscité des discussions animées dans l'industrie.
02 FEL, une autre solution pour l'EUV
Dans toute la chaîne d'approvisionnement des puces IA, le néerlandais ASML est actuellement la seule entreprise au monde capable de fabriquer des équipements EUV, détenant plus de 90 % de la part de marché des équipements de lithographie.
La machine de lithographie EUV de cette entreprise utilise une source de lumière EUV à plasma laser (LPP), dont le principe est d'utiliser un laser CO2 de 30 kW pour bombarder des gouttelettes d'étain métallique éjectées d'une buse à raison de 50 000 gouttes par seconde, chaque goutte étant bombardée deux fois (soit 100 000 impulsions laser par seconde), les vaporisant en plasma, et obtenant une lumière EUV de 13,5 nm de longueur d'onde grâce aux 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 nœuds de gravure progressent.
Tout d'abord, le goulot d'étranglement de l'efficacité de conversion d'énergie. 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 de 193 nm utilisée par les machines DUV actuelles, la source EUV n'en représente qu'un quinzième, permettant de graver des canaux plus petits sur la tranche de silicium. Actuellement, ASML utilise principalement le laser CO2 de la société américaine Cymer pour exciter le plasma d'étain et produire une lumière ultraviolette extrême de 13,5 nm. L'efficacité de conversion du laser à plasma d'étain atteint 5,5 %, et en ajoutant l'efficacité électro-optique du laser CO2 lui-même d'environ 10 %, ainsi que les pertes de transmission des miroirs collecteurs, l'utilisation réelle de la lumière EUV du réseau à la tranche est généralement inférieure à 0,5 %.
Ensuite, la contamination par les débris d'étain. Pendant la génération du plasma, les ions d'étain projetés à grande vitesse et les débris neutres se déposent en continu sur la surface des miroirs collecteurs multicouches extrêmement coûteux, entraînant une diminution de la réflectivité et une réduction de la durée de vie.
Troisièmement, le plafond de puissance. Actuellement, la source LPP-EUV a atteint une puissance EUV maximale d'environ 600 W. Cependant, pour répondre aux besoins de fabrication des nœuds 2 nm et inférieurs, la puissance EUV requise doit dépasser 1,5 kW. À ce stade, les EUV de spécification 500-600 W dépendent principalement de l'exposition multiple pour accumuler la dose de photons afin de compenser le manque de puissance de la source.
En février de cette année, ASML a annoncé son intention d'augmenter de 50 % l'efficacité de production de sa prochaine génération de machines de lithographie EUV à haute ouverture numérique d'ici 2030, en introduisant un tout nouveau système de source lumineuse d'une puissance allant jusqu'à 1000 W. D'ici 2030, la capacité de traitement des tranches d'un seul équipement EUV passera de 220 tranches par heure à 330.
Par rapport à la technologie LPP, le FEL ne dépend pas de la conversion plasma. Le FEL, abréviation de laser à électrons libres, l'ensemble du système de source lumineuse est composé d'un canon à électrons qui émet un faisceau d'électrons initial, accéléré par un accélérateur linéaire (les solutions avancées utilisent souvent un accélérateur linéaire supraconducteur) jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière. Le faisceau d'électrons de haute densité, dans un état relativiste, entre dans un ondulateur composé de champs magnétiques alternés périodiques. Les électrons oscillent périodiquement transversalement sous l'effet du champ magnétique et produisent un rayonnement spontané ; le champ de rayonnement module en continu le faisceau d'électrons, favorisant la formation de micro-paquets d'électrons avec une période égale à la longueur d'onde du rayonnement. Les électrons des micro-paquets produisent un rayonnement cohérent et forment une rétroaction positive, l'intensité du rayonnement étant amplifiée de manière exponentielle ; avec des techniques telles que l'injection de semence, le système peut finalement produire un faisceau EUV de 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 lithographie de prochaine génération. Cette bande est plus courte que la longueur d'onde EUV actuelle de 13,5 nm, proche de la région des rayons X mous. Selon les informations publiques, l'objectif technologique de xLight est d'ajuster avec précision la bande Blue-X de 2 à 7 nm (également appelée bande "au-delà de l'EUV").
De plus, à l'intérieur de tout le chemin optique, il n'y a pas de processus de bombardement de gouttelettes d'étain métallique ni de pulvérisation de plasma, et la cavité sous vide du chemin optique ne produit pas de dépôt de débris métalliques. La source EUV-FEL peut également produire une puissance EUV élevée de plus de 10 kW, et peut fournir plus de 1000 W de puissance EUV à 10 machines de lithographie EUV simultanément, sans provoquer de contamination par l'étain sur les miroirs Mo/Si.
03 Les règles du jeu de la lithographie, ont-elles changé ?
En décortiquant la coquille de l'industrie de la lithographie, on peut voir trois trajectoires technologiques claires : l'itération progressive de l'EUV, l'innovation de la source lumineuse EUV, et les alternatives non-EUV. Les trois coexistent, mais l'itération EUV reste le protagoniste absolu, les deux autres ressemblant davantage à des "coups surprises" dans la partie d'échecs.
Premier camp : l'itération progressive d'ASML, toujours le protagoniste absolu.
ASML contrôle toujours fermement la voie principale. Au premier trimestre de cette année, les ventes nettes se sont élevées à 8,8 milliards d'euros, avec un bénéfice net de 2,8 milliards d'euros ; au deuxième trimestre, les ventes nettes totales ont atteint 9,326 milliards d'euros, avec un bénéfice net de 2,918 milliards d'euros. Parallèlement, ASML a également relevé ses prévisions annuelles pour la deuxième fois dans l'année, augmentant considérablement ses prévisions de ventes pour 2026 à 43 à 45 milliards d'euros.
En tant que fabricant d'équipements de lithographie le plus en amont de la fabrication de tranches, la flambée des performances d'ASML reflète la course aux armements qui se déroule dans l'ensemble de l'industrie technologique. Parmi eux, Amazon, Google, Microsoft et d'autres géants investissent des centaines de milliards de dollars dans les infrastructures, déclenchant une demande massive de puces IA haut de gamme en aval, et les usines de tranches, y compris la logique et la mémoire, accélèrent leur expansion, poussant la demande de machines de lithographie à un niveau intense.
L'expansion de la capacité est également agressive. La société prévoit, sur la base d'une capacité de production d'environ 65 EUV à faible ouverture numérique (Low NA) en 2026, d'augmenter la capacité de 30 % en 2027, et étudie une nouvelle augmentation de 30 % en 2028. Parallèlement, sur la base d'une capacité de production d'environ 130 DUV à immersion en 2026, elle prévoit d'augmenter la capacité de 30 % en 2027, et étudie une nouvelle augmentation de 30 % en 2028.
Le High-NA EUV (machine de lithographie ultraviolette extrême à haute ouverture numérique) est la prochaine "carte maîtresse" d'ASML. Il utilise un système optique à ouverture numérique de 0,55, permettant une résolution de 8 nm, supportant les processus de 3 nm et moins, et fournissant une réserve technologique pour le nœud 1 nm. Cet équipement améliore la finesse de gravure des circuits de 1,7 fois par exposition unique, 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'un seul équipement High-NA EUV est d'environ 400 millions de dollars, soit presque le double d'une machine EUV traditionnelle, et que l'intégration et l'adaptation de la ligne de production présentent des difficultés techniques extrêmement élevées, l'application du High-NA EUV n'est pas très satisfaisante. Zhang Xiaoqiang, vice-président senior et co-COO adjoint de TSMC chargé du développement commercial et des opérations mondiales, a révélé aux médias lors d'une conférence de presse avant le forum technologique annuel que la société n'a actuellement pas l'intention de déployer l'équipement High-NA EUV qu'ASML a conçu pour les processeurs de prochaine génération.
Deuxième camp : l'innovation de la source lumineuse – une frappe précise sur le "cœur" d'ASML.
C'est la voie FEL choisie par TeraFab et xLight de Musk. Il ne s'agit pas de défier directement la domination d'ASML dans 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 grand les équipements existants de lithographie, gravure, dépôt, inspection, etc., mais seulement de remplacer le système de source lumineuse pour obtenir des améliorations significatives de capacité et de coût — ce chemin de mise à niveau "plug-and-play" est très attractif pour les usines de wafers.
xLight affirme que la puissance de son système FEL est plus de 4 fois supérieure à celle des systèmes existants. Le déploiement de xLight FEL dans les usines de wafers existantes aux États-Unis peut augmenter l'efficacité de production de 50 % et éliminer le besoin de consommables tels que l'étain ou l'hydrogène ; tandis que le déploiement de xLight FEL dans les nouvelles usines de wafers peut augmenter l'efficacité de production de 100 %. Cela permettra aux fabricants de produire des puces avec des dimensions de caractéristiques plus petites et une efficacité plus élevée, étendant ainsi la technologie de lithographie de prochaine génération.
Si la source lumineuse peut être remplacée indépendamment, le pouvoir de négociation d'ASML sera structurellement affaibli. Mais il est à noter que ASML a envisagé la voie de la source EUV FEL il y a dix ans, mais a finalement jugé le risque trop élevé et s'est orienté vers la source EUV LPP. Par conséquent, la question de savoir si les problèmes de production en série du FEL peuvent être résolus et quand ils le seront, nécessitera peut-être encore du temps pour être explorée.
De plus, il existe d'autres voies de source lumineuse. Par exemple, la startup de San Francisco Substrate, fondée en 2022, a choisi la voie de la lithographie par rayons X basée sur un accélérateur de particules. La Chine progresse également dans la technologie de source EUV autonome. Selon des informations publiques, plusieurs équipes nationales explorent différentes voies technologiques, y compris la recherche inverse de la technologie LPP existante, avec pour objectif de réaliser une percée entre 2028 et 2030.
Parmi elles, des institutions comme l'Université de technologie de Harbin tentent de développer un schéma de lithographie basé sur le plasma induit par décharge laser (LDP). Le principe consiste à évaporer l'étain entre les électrodes puis à exciter le plasma par décharge haute tension. La structure est plus simple que le LPP et occupe moins d'espace, mais la densité de puissance lumineuse est limitée, et on doute encore de sa capacité à soutenir la production en série.
Troisième camp : les solutions non conventionnelles qui contournent complètement l'EUV, se développent dans l'ombre.
La lithographie par nano-impression (NIL) est celle dont la commercialisation progresse le plus rapidement. En imprimant directement les motifs à l'aide d'un gabarit physique, la NIL ne nécessite pas de systèmes optiques complexes ni de source lumineuse, et son coût d'équipement et sa consommation d'énergie sont 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 pas encore rivaliser avec l'EUV High-NA, la NIL a déjà montré sa compétitivité en termes de coûts sur le marché des puces mémoire où les exigences de largeur de ligne sont relativement souples.
L'écriture directe par faisceau d'électrons (EBL) suit une voie complètement différente. La lithographie par faisceau d'électrons est essentiellement une technique d'écriture directe qui utilise un faisceau d'électrons focalisé pour exposer point par point une résine, en dessinant précisément les motifs par contrôle électromagnétique. Cette méthode ne dépend pas de masques, ce qui est très avantageux dans les phases de recherche et développement où les conceptions sont itérées fréquemment, en particulier pour 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 a longtemps été confinée à la recherche scientifique et aux applications à petite échelle, non pas à cause de sa résolution, mais à cause de son efficacité. L'écriture directe par faisceau d'électrons est une exposition en série ; même si la précision ponctuelle est élevée, le débit global reste limité, ce qui est difficilement acceptable pour la production en série à l'échelle des wafers. Cependant, dans la phase de recherche et développement, cette lenteur se traduit en une flexibilité extrême. Pour les équipes de recherche qui doivent modifier à plusieurs reprises les plans, valider des modèles physiques ou explorer de nouvelles structures de dispositifs, économiser le processus de fabrication de masques est souvent plus important que d'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 est également réel. Pour qu'un nouveau joueur entre en piste, il ne suffit pas de courir vite soi-même — il faut que toute la piste change ses règles avec lui.
Le plan TeraFab de Musk est essentiellement un pari : parier que le FEL puisse passer du laboratoire à l'usine de wafers, que le remplacement de la source lumineuse "plug-and-play" puisse contourner les barrières de brevets d'ASML, et que la demande de calcul d'un térawatt soit suffisante pour soutenir une toute nouvelle chaîne d'approvisionnement.
Quant à la direction que prendra la technologie de lithographie de prochaine génération, la réponse ne devrait pas tarder. Mais une chose est sûre : lorsque Musk a posté "FEL FTW" sur les réseaux sociaux, le commerce des machines de lithographie n'était plus un jeu réservé à ASML.
Cet article provient du compte WeChat public "Semiconductor Industry Zongheng" (ID : ICViews), auteur : Feng Ning
