Comment l'automatisation aide les fabricants américains à augmenter la production de semi-conducteurs

Les semi-conducteurs sont au cœur de l'électronique moderne, de la distribution d'énergie et de la production d'énergie renouvelable. Les produits semi-conducteurs s'étendent des simples composants discrets tels que les transistors et les diodes aux circuits intégrés complexes. Les dispositifs semi-conducteurs sont souvent au cœur des portes logiques qui se combinent pour créer des circuits numériques. Ils sont également présents dans les oscillateurs, les capteurs, les amplificateurs analogiques, les cellules photovoltaïques, les LED, les lasers et les convertisseurs de puissance. Les catégories de produits destinés à l'industrie incluent la mémoire, la logique, les circuits intégrés analogiques, les microprocesseurs, les dispositifs de puissance discrets et les capteurs.

Figure 1 : La production de circuits intégrés et d'autres produits semi-conducteurs nécessite des équipements spécialisés. (Source de l'image : Getty Images)

Malgré la nature critique des semi-conducteurs, une grande partie du monde dépend de chaînes d'approvisionnement mondiales non diversifiées et donc vulnérables. Cela est dû à des économies d'échelle très importantes qui rendent la production hautement consolidée plus compétitive sur le plan économique. Après tout, la construction de sites de fabrication de semi-conducteurs coûte des milliards et nécessite un personnel hautement qualifié.

Figure 2 : Les moteurs linéaires, les entraînements par courroie et les guides linéaires miniatures sur rail profilé ne sont que quelques-uns des équipements de précision utilisés dans les machines de traitement des semi-conducteurs. (Source de l'image : Getty Images)

La plupart des fonderies se trouvent à Taïwan, au Japon, en Chine, aux États-Unis et en Allemagne, et sont en activité depuis des décennies. Cependant, plus de la moitié de tous les semi-conducteurs et plus de 90 % des semi-conducteurs avancés sont fabriqués à Taïwan, tous les principaux fabricants d'électronique utilisant une seule usine de fabrication de semi-conducteurs taïwanaise pour au moins une partie de leur fabrication de semi-conducteurs. Les tensions géopolitiques récentes ont mis en évidence les dangers d'une telle dépendance. La loi 2022 Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors (CHIPS) and Science Act vise à résoudre ce problème en incitant les opérateurs et les fournisseurs d'automatisation à établir et à développer la production de semi-conducteurs aux États-Unis.

État de la fabrication des semi-conducteurs

La plupart des matériaux sont soit de bons conducteurs d'électricité, comme les métaux, soit des isolants, comme le verre. Les semi-conducteurs ont une conductivité électrique entre celle des conducteurs et celle des isolants ; cette conductivité est ajustée en introduisant des impuretés dans la structure cristalline via un processus appelé dopage. Le dopage avec un élément donneur d'électrons donne une charge négative pour un semi-conducteur de type n. A l'inverse, le dopage avec un élément accepteur d'électrons crée des trous ayant une charge positive pour un semi-conducteur de type p. Deux régions adjacentes mais dopées différemment dans un seul cristal forment une jonction p-n semi-conductrice. Les transistors peuvent être configurés avec des jonctions NPN ou PNP.

Le silicium est de loin le matériau semi-conducteur le plus utilisé. Les dopants de type n fréquents sont le phosphore et l'arsenic, tandis que les dopants de type p courants sont le bore et le gallium.

Figure 3 : Le robot à six axes dans cette machine Jabil Precision Automation Solutions exécute les tâches liées au tri automatisé des réticules sans interférer avec l'environnement confiné de la salle blanche. (Source de l'image : Omron Automation Americas)

La fabrication la plus avancée de semi-conducteurs produit des composants présentant des caractéristiques à l'échelle nanométrique, entre 1 nm et 100 nm. Étant donné qu'un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre et que la distance entre les atomes individuels dans un solide est comprise entre 0,1 nm et 0,4 nm, les nanostructures de semi-conducteurs modernes ont approché la limite de taille des structures matérielles. L'extrême précision impliquée dans la fabrication de tels produits exige des processus exécutés dans des environnements de salle blanche ainsi qu'une protection contre les vibrations causées par l'activité sismique, les avions, les trains, la circulation et les machines environnantes.

Les processus les plus importants dans la fabrication de circuits intégrés sont la production de plaquettes, la lithographie et le dopage sélectif — le plus souvent par implantation ionique. De nombreuses usines se spécialisent soit dans la fabrication de plaquettes, soit dans la fabrication ultérieure de puces impliquant la photolithographie et le dopage. Taiwan Semiconductor (TSMC) produit à la fois des plaquettes et des puces ; c'est la seule usine produisant des puces avancées de 5 nm et 3 nm. Certains fabricants de semi-conducteurs tels que Texas Instruments et Intel ont leurs propres usines et ne se tournent vers TSMC que pour l'approvisionnement de leurs puces les plus avancées. Cependant, de nombreux fabricants sans usine (dont Apple, ARM et Nvidia) s'appuient entièrement sur TSMC pour la fabrication de leurs semi-conducteurs.

Figure 4 : GlobalFoundries a récemment lancé un investissement de 1 milliard de dollars pour permettre à son usine existante de l'État de New York de produire 150 000 plaquettes supplémentaires par an. Cette nouvelle capacité vise à satisfaire la demande en matière de puces riches en fonctionnalités pour les applications automobiles, 5G et IoT. L'usine répondra également aux exigences de sécurité nationale pour une chaîne d'approvisionnement sécurisée. (Source de l'image : GlobalFoundries)

Bien qu'AMD soit techniquement sans usine, l'entreprise ne dépend pas de TSMC et fabriquait auparavant ses propres puces. AMD a séparé son activité de fabrication et l'a nommée GlobalFoundries ; cette entreprise dérivée exploite des usines aux États-Unis, en Europe et à Singapour. L'usine de New York produisait historiquement des puces jusqu'à 14 nm ; dans un avenir proche, des puces de 4 nm, puis de 3 nm sont prévues.

Prise en compte de processus de fabrication de puces spécifiques

Une grande partie de la fabrication de semi-conducteurs utilise des processus évolutifs à haut rendement qui permettent la création de millions de caractéristiques individuelles (même à l'échelle nanométrique) en une seule étape. Examinons certaines spécificités.

Fabrication de plaquettes de silicium : Les galets de silicium polycristallin sont fondus dans une atmosphère d'argon partiellement évacuée, puis tirés à l'aide d'un germe cristallin pour produire un lingot de silicium monocristallin — un cylindre présentant des cônes aux extrémités, qui se forment lorsque le processus est démarré et stoppé. Un dopage uniforme peut être ajouté au silicium à ce stade.

Figure 5 : Illustration de lingots de silicium cristallin et des disques qui peuvent être découpés. Des cônes sont toujours présents sur les lingots après le tirage et avant le polissage. (Source de l'image : Getty Images)

Ensuite, le lingot est meulé en un bloc de diamètre précis et une encoche est ajoutée pour indiquer l'orientation du cristal. Le bloc est ensuite découpé en plaquettes à l'aide d'une scie à fil. Les plaquettes sont biseautées et rodées à l'aide d'outils de meulage au diamant ; puis les finitions de surface sont affinées par gravure chimique, traitement thermique, polissage et nettoyage avec de l'eau ultrapure et des produits chimiques. Les plaquettes sont inspectées pour leur planéité et leur propreté sans particules avant d'être conditionnées.

Figure 6 : Même les produits de nettoyage apparemment familiers prennent de nouvelles formes lorsqu'ils sont destinés à une utilisation en environnements de salle blanche. (Source de l'image : ACL Staticide Inc.)

Lithographie : Les circuits électroniques sont produits en déposant d'abord un film mince de conducteur métallique sur un substrat semi-conducteur, puis en utilisant la lithographie pour imprimer un masque pour les motifs du circuit, avant de graver la couche conductrice restante. Ces méthodes ont été développées à l'origine pour des circuits imprimés plus grands, mais sont maintenant utilisées pour la fabrication de circuits intégrés à l'échelle nanométrique. Les ailettes métalliques sont imprimées selon un motif de grille, avec des puces à processus de 5 nm ayant des ailettes espacées à un pas d'environ 20 nm. Les systèmes automatisés pour ce processus particulier utilisent souvent des technologies d'entraînement direct ainsi que des logiciels et des bases de stabilisation et même des coussins d'air.

Figure 7 : Les structures à l'échelle nanométrique peuvent être étudiées au microscope électronique ainsi qu'avec des microscopes à effet tunnel. Un équipement de réparation de photomasques comme celui illustré ici automatise la détection des défauts et la vérification des réparations pour accélérer le rendement. La microscopie à force atomique permet la détection et la réparation des défauts et des particules étrangères avec une exactitude nanométrique et une précision au niveau de l'angström. (Source de l'image : Park Systems)

Dépôt de matériau en couche mince : Dans ce procédé, un matériau métallique est déposé sur la plaquette de silicium par évaporation sous vide, dépôt par pulvérisation cathodique ou dépôt chimique en phase vapeur.

Formation des motifs : Il s'agit du processus de lithographie proprement dit au cours duquel le masque est appliqué pour empêcher que la couche métallique ne soit retirée de zones sélectionnées lors de l'étape de gravure ultérieure. Les procédés de formation de motifs courants incluent la photolithographie, la lithographie par faisceau électronique et la lithographie par nano-impression. Le métal entre les espaces dans le masque est vaporisé par un faisceau laser ou électronique.

Gravure : L'élimination chimique des couches de matériau. La gravure humide chimique utilise des liquides réactifs tels que des acides, des bases et des solvants, tandis que la gravure sèche utilise des gaz réactifs. La gravure sèche inclut la gravure ionique réactive et la gravure au plasma à couplage conducteur. Ici, un équipement automatisé contrôle la durée et la vitesse du processus, ce qui est essentiel pour maintenir les caractéristiques des puces dans les limites de tolérance.

Implantation ionique : Une fois la grille de connexions électriques effectuée sur une plaquette de silicium, des transistors individuels doivent être créés aux jonctions en dopant le silicium pour créer des jonctions NPN ou PNP. Cela est réalisé en dirigeant des faisceaux d'ions composés des éléments dopants au niveau des jonctions. Grâce à la vitesse très élevée des faisceaux d'ions accélérés, ils pénètrent dans le matériau et s'incrustent dans le réseau cristallin de la plaquette de silicium. Les motifs créés au cours du processus de lithographie sont utilisés pour guider avec précision le processus d'implantation ionique.

L'automatisation au service de la qualité des semi-conducteurs

Une grande partie de l'industrie américaine des semi-conducteurs produit actuellement des équipements de fabrication plutôt que de fabriquer elle-même des semi-conducteurs. Ces équipements font appel à des technologies d'automatisation de la fabrication mécaniques et électroniques plus conventionnelles. Par exemple :

• L'équipement de lithographie est fabriqué par Applied Materials et ASML.
• L'équipement de dépôt chimique en phase vapeur est fabriqué par Lam Research et Applied Materials.
• L'équipement de gravure au plasma est fabriqué par Lam Research, Applied Materials et Plasma-Therm.
• L'équipement d'implantation ionique est fabriqué par Axcelis Technologies et Varian Semiconductor Equipment Associates.

Bien que les États-Unis importent actuellement la plupart de leurs volumes de semi-conducteurs, toutes les étapes de fabrication sont exécutées dans une certaine mesure aux États-Unis. Cela inclut la fabrication de plaquettes et de puces par Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments et autres.

Les processus de dépôt de matériau en couches minces, de formation de motifs lithographiques, de gravure chimique et d'implantation ionique pour la fabrication de puces sont intrinsèquement évolutifs. Ils permettent de créer simultanément des millions de jonctions individuelles. Les fabricants augmentent donc les niveaux d'automatisation en partie pour améliorer la productivité — mais plus souvent de nos jours pour améliorer la qualité.

L'automatisation est également associée aux opérations de manipulation de produits chimiques, de puces et de plaquettes ainsi qu'à l'utilisation de robots de salle blanche produits par des fabricants tels que KUKA Robotics. Ces derniers jouent un rôle important dans la réduction des pertes causées par les erreurs humaines.

Figure 8 : Des robots collaboratifs se déplacent sur des systèmes à septième axe pour manipuler des plaquettes de silicium (40 µm d'épaisseur et jusqu'à 300 mm de diamètre) à mesure qu'elles traversent jusqu'à 1200 étapes pour être transformées en puces. (Source de l'image : KUKA Robotics)

Mais dans la fabrication de semi-conducteurs, l'automatisation concerne souvent davantage le traitement des données et l'automatisation des décisions qui en résultent. Les usines utilisent des algorithmes automatisés pour le contrôle de processus avancé ou APC et le contrôle de processus statistique ou SPC. Ces algorithmes permettent de suivre les variations des processus et les défauts de fabrication résultants, afin de les réduire grâce à un contrôle en temps réel des processus de fabrication. De tels systèmes peuvent utiliser l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique pour identifier des modèles dans de très grands jeux de données suivant de nombreux paramètres de processus et mesures de qualité.

Le leadership éclairé de Siemens définit l'APC comme englobant diverses méthodes pour réduire la variation des variables de contrôle — y compris le contrôle flou, le contrôle prédictif du modèle, le contrôle basé sur le modèle, le modèle statistique et les réseaux neuronaux. Ces technologies Industrie 4.0 sont souvent mises en œuvre via des écosystèmes intégrés tels que ceux proposés par Siemens ou l'EcoStruxure de Schneider Electric (pour citer deux exemples) pour l'industrie des semi-conducteurs. Les variables de processus peuvent être combinées avec la surveillance d'état des machines pour une maintenance prédictive qui réduit la maintenance de routine des machines de production tout en évitant les temps d'arrêt.

Conclusion

Si les États-Unis veulent garantir la compétitivité de leur production nationale de semi-conducteurs stratégiques, une automatisation de pointe est indispensable. Les robots de salle blanche pour la manipulation des matériaux sont la mise en œuvre la plus évidente et la plus visible de l'automatisation, mais c'est le contrôle automatisé des processus de fabrication proprement dits qui apporte de réels avantages concurrentiels. Du contrôle de l'environnement pour la croissance des cristaux de silicium à la garantie d'un dopage précis aux jonctions lors de l'implantation ionique, la production efficace et sans défaut de circuits intégrés à l'échelle nanométrique dépend du contrôle en temps réel de milliers de paramètres de processus.

En fin de compte, c'est le contrôle de processus avancé impliquant l'intégration de capteurs IIoT, d'algorithmes IA et d'autres méthodes de contrôle avancées basées sur des modèles qui garantira la compétitivité de l'industrie des semi-conducteurs aux États-Unis.