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Du silicium aux puces : savez-vous comment sont fabriqués les semi-conducteurs étape par étape ?
La fabrication de dispositifs à semi-conducteurs est un processus complexe responsable de la production de diverses puces, notamment des microprocesseurs, des microcontrôleurs et des modules de mémoire. Au cours de ce processus, des circuits électroniques sont progressivement formés sur des tranches, généralement constituées de silicium monocristallin pur. Bien que le silicium soit le matériau le plus couramment utilisé, de nombreuses applications spéciales sont réalisées à l'aide de divers semi-conducteurs composés.
La clé de la fabrication des semi-conducteurs réside dans une série d'étapes de photolithographie et de traitement physique et chimique, telles que l'oxydation thermique, le dépôt de couches minces, l'implantation ionique et la gravure.
Ces processus ont lieu dans des usines de fabrication de semi-conducteurs hautement spécialisées, souvent appelées « fabriques ». Au centre de l'usine se trouve la salle blanche, l'un des environnements les plus importants pour garantir la qualité des produits. Dans la production de dispositifs semi-conducteurs modernes, tels que la technologie 14/10/7 nanomètres, le processus de production prend souvent jusqu'à 15 semaines, 11 à 13 semaines étant le cycle de production moyen de l'industrie.
Le processus de production est presque entièrement automatisé, avec des systèmes de manutention automatisés dédiés transportant les plaquettes d'une machine à l'autre. Il y a généralement plusieurs puces sur une plaquette. Ces puces sont appelées « matrices » et sont séparées par un processus de découpe sur la plaquette terminée pour un assemblage et un emballage ultérieurs. Avant le produit final, les plaquettes sont expédiées dans des boîtes en plastique spécialement scellées appelées FOUP (wafer boxes). Ces FOUP maintiennent une atmosphère d'azote à l'intérieur pour empêcher le cuivre de s'oxyder sur la tranche, car le cuivre est l'un des matériaux utilisés pour les interconnexions au sein des semi-conducteurs modernes.
L'environnement à l'intérieur des équipements de traitement des plaquettes et des FOUP est appelé microenvironnement, ce qui contribue à augmenter le rendement, qui correspond au nombre de dispositifs fonctionnels sur une plaquette.
Ce microenvironnement est implémenté via l'EFEM (Equipment Front End Module), qui reçoit les wafers des FOUP et les introduit dans la machine. De nombreuses machines traitent également les tranches dans des environnements propres à l'azote ou sous vide pour réduire la contamination et améliorer le contrôle du processus. Les usines de fabrication nécessitent de grandes quantités d’azote liquide pour maintenir l’atmosphère à l’intérieur des équipements de production et des FOUP, qui sont constamment remplis d’azote. Un rideau d'air ou une structure maillée peut être installé entre le FOUP et l'EFEM pour réduire la quantité d'humidité pénétrant dans le FOUP et améliorer le rendement.
De nombreuses entreprises de fabrication d'équipements utilisées dans les processus de fabrication de semi-conducteurs industriels incluent ASML, Applied Materials, Tokyo Electronics et Ripper Research, entre autres. Dans le processus de fabrication d'un dispositif semi-conducteur, la taille des caractéristiques à chaque étape est déterminée par photolithographie, ce qui signifie que la conception ou le motif sur le dispositif semi-conducteur peut être défini.
La taille des caractéristiques fait référence à la plus petite largeur de ligne pouvant être réalisée au cours du processus de fabrication des semi-conducteurs.
La mesure de la taille des caractéristiques est basée sur la taille minimale des caractéristiques du nœud technologique du processus semi-conducteur, généralement en nanomètres. Même si les noms de ces nœuds technologiques n’étaient initialement pas clairement liés à la taille des fonctionnalités fonctionnelles, ce concept s’est progressivement estompé au fil du temps.
Revue historique
Le développement de la technologie de fabrication de semi-conducteurs a une longue histoire. En 1955, une découverte accidentelle de Carl Frosh et Lincoln Derek aux Bell Labs leur fit prendre conscience de l'effet de l'oxydation de la surface des tranches de silicium, ce qui revêtit une grande importance pour les futures discussions sur la technologie des semi-conducteurs. En 1957, ils étaient capables de produire des transistors à effet de champ à l'oxyde de silicium, ce qui serait la première production de transistors à effet de champ planaires.
Au fil du temps, la taille des plaquettes semi-conductrices a continué d'augmenter, passant de 25 mm en 1960 à 200 mm, pour finalement devenir la norme de 300 mm. Ce processus a conduit à l’introduction de technologies d’automatisation et à l’utilisation d’équipements plus efficaces pour terminer la production. À mesure que la demande sur le marché des semi-conducteurs augmente, les fabricants ont également commencé à concevoir des dispositifs plus durables pour garantir leur adaptabilité aux différents marchés.
De nombreuses nouvelles technologies émergent dans les dispositifs semi-conducteurs modernes, notamment la technologie FinFET, qui offre une efficacité énergétique supérieure et des performances plus rapides au niveau du nœud 22 nm. En 2018, diverses nouvelles architectures de transistors ont vu le jour, telles que GAAFET, qui représente une autre nouvelle direction de développement de la technologie des semi-conducteurs.
Liste des étapes
L'ensemble du processus de fabrication des dispositifs semi-conducteurs comprend plusieurs étapes, notamment le traitement des plaquettes, la photolithographie, l'implantation ionique, la gravure et le conditionnement. Ensemble, ces étapes constituent le cœur de la fabrication des semi-conducteurs et reposent sur le support d’équipements de fabrication spécialisés et d’environnements propres.
L'ensemble du processus de production est généralement réalisé dans une usine de fabrication de plaquettes, qui fonctionne efficacement 24 heures sur 24 et nécessite une grande quantité d'eau pure pour garantir la pureté du produit. Chaque plaquette est soumise à des tests rigoureux pour garantir que ses performances répondent aux exigences attendues.
Dans une industrie en développement aussi rapide, les nouvelles technologies et les nouveaux matériaux changent constamment l'avenir des semi-conducteurs. Quelles surprises l'industrie future des semi-conducteurs apportera-t-elle ?
