Q&R : le passé, le présent et l’avenir de la fabrication des semi-conducteurs

Le passé, le présent et l’avenir de la fabrication des semi-conducteurs : questions et réponses avec Carl White, consultant industrie

23 juin 2020

La loi de Moore, énoncée dans sa première version en 1965 par Gordon E. Moore, cofondateur d'Intel, prévoyait que le nombre de transistors sur un circuit intégré (ou puce) allait doubler tous les deux ans, tandis que le coût du calcul informatique allait être quasiment divisé par deux, entraînant une croissance exponentielle de la puissance de calcul. Le secteur des semi-conducteurs a travaillé dur pour être à la hauteur de ce paradigme, mais il n'est pas facile de constamment offrir plus de puissance de traitement dans un espace toujours plus petit, surtout lorsque la concurrence poursuit le même objectif et que la demande des consommateurs pour les technologies de pointe est constante.

Grâce en grande partie à la loi de Moore, « Je ressens un besoin … le besoin de vitesse ! » évoque davantage le quotidien dans le secteur des semi-conducteurs qu'une citation du film Top Gun. C’est l’une des conclusions d’un entretien récent avec Carl White, consultant principal en ingénierie chez C.L. White Engineering Services, LLC. Après avoir passé près de 40 ans à travailler dans des entreprises de la chaîne d'approvisionnement du secteur des semi-conducteurs, Carl nous a fait part de son point de vue éclairé sur ce besoin constant de vitesse – tant en ce qui concerne le développement que la puissance de calcul. Lisez la suite pour découvrir les innovations qu'il a fallu mettre en œuvre pour se conformer à la loi de Moore dans le passé, les défis auxquels le secteur des semi-conducteurs est actuellement confronté, et ce que nous pouvons espérer voir dans un avenir proche.

Point de repère Swagelok (PRS) : Carl, merci d’être avec nous aujourd’hui ! Pouvez-vous commencer en nous en disant un peu plus sur votre parcours ?

Carl White : Je suis originaire d'Arizona, et j'ai étudié la gestion de la technologie industrielle et le génie mécanique à l’université d’État avant de débuter ma carrière chez ASM, un fabricant d’outils de traitement des semi-conducteurs, en 1982. J'ai ensuite travaillé chez Spectrum CVD, qui appartenait alors à Motorola, chez Materials Research Corporation, qui appartient maintenant à Sony, puis chez Tokyo Electron, également connu sous le nom de TEL, et enfin chez Applied Materials. J'ai passé 28 de mes 38 années de carrière dans le secteur des semi-conducteurs chez des équipementiers et les 10 autres années chez un fabricant de puces – Motorola Semiconductor Products Group. J'ai pris ma retraite l'année dernière après avoir passé les 15 dernières années à travailler sur la technologie du dépôt par couche atomique. Je suis maintenant consultant pour les entreprises du secteur.

PRS : Ayant travaillé à la fois pour des équipementiers et un fabricant de puces, vous devez avoir une vision intéressante du secteur. Qu'est-ce qui vous a amené à suivre cette voie ?

CW : C’est un secteur d’activité très dynamique. La technologie évolue constamment, ce qui nous obligeait à innover et à apprendre constamment. Il n'y avait aucune chance de s'ennuyer ! Il était également intéressant de voir les changements qu’entrainaient des concepts sur lesquels j’avais travaillé, étant donné que les progrès de la technologie des semi-conducteurs ont des répercussions dans presque tous les autres secteurs.

PRS : Quelles métatendances avez-vous vu guider l'évolution du secteur des semi-conducteurs ?

CW : Au début, le programme spatial. Plus tard, la technologie grand public. Nous sommes passés des règles à calcul aux calculatrices, puis aux ordinateurs et aux smartphones. Tout cela a été rendu possible grâce aux évolutions de la technologie des semi-conducteurs. Nous assistons maintenant à l'émergence de l’intelligence artificielle et des véhicules autonomes, qui sont les moteurs du changement. La seule constante a été le besoin de fabriquer des produits et de transmettre l'information plus rapidement. De nouvelles technologies sont constamment nécessaires pour répondre à la demande d’une puissance de calcul toujours plus grande.

L’autre élément stimulant est la concurrence pour être à la pointe de l'innovation. Ce n'est pas juste une concurrence entre quelques entreprises, c'est quelque chose qui se joue à l'échelle mondiale. Au fil du temps, différents pays ont été en première ligne dans l’évolution technologique et ces changements dynamiques conduisent parfois à une plus grande collaboration au niveau du secteur. Par exemple, 14 fabricants américains de semi-conducteurs se sont associés au gouvernement en 1987 pour créer SEMATECH, le consortium de fabricants de puces, dans le but d'améliorer la qualité des puces produites pour mieux faire face à la concurrence sur le marché mondial. Cela a eu pour effet d’accélérer les progrès dans le secteur aux États-Unis. À l'époque, beaucoup d'entreprises essayaient de tout faire… concevoir, fabriquer, vendre. Elles ont appris à se spécialiser, ce qui a mené à la création de fonderies qui fabriquent des puces pour d'autres entreprises, contribuant ainsi à optimiser les progrès du secteur.

PRS : Pouvez-vous expliquer la relation entre la densité de transistors sur les puces, l'évolution de la technologie des semi-conducteurs et celle de l'électronique que celle-ci alimente ? En quoi cela a-t-il eu une incidence sur les équipements et les composants nécessaires pour produire les puces ?

CW : La loi de Moore oblige a sans cesse miniaturiser. Si vous voulez intégrer toujours plus de transistors sur une puce, il faut qu'ils soient toujours plus petits. Vous devez également modifier le matériel pour l'adapter aux progrès du procédé de fabrication. Un point d'inflexion majeur a eu lieu à la fin des années 1990 et au début des années 2000, lorsque le secteur est passé de tranches (wafers) de silicium de 200 mm à des tranches de 300 mm comme base pour la fabrication des puces, ce qui a nécessité d'importants changements dans le procédé et dans l'outillage. Le développement de grilles à forte permittivité pour des transistors de 45 nm (nanomètres), qui a permis de réduire les fuites d'électrons, a été une autre étape importante dans la miniaturisation. Comme j'ai eu la chance de travailler sur le développement de l’équipement utilisé par Intel pour les produire, l’évolution était passionnante à observer. Aujourd'hui, pour vous donner un ordre d’idée, les entreprises travaillent à la production de puces de 5 nm.

Ce que nous avons observé de manière générale, ce sont des entreprises s’efforçant de passer à des nœuds de traitement plus petits – c’est à dire à des technologies de plus petite taille dans le but de créer des transistors plus petits, plus rapides et plus économes en énergie – tous les 18 mois. Cela dépasse les prévisions de la loi de Moore (passage à des nœuds de traitement plus petits tous les deux ans) mais c’est ce que font les concurrents.

Les fabricants de semi-conducteurs informent alors les équipementiers des résultats qu'ils souhaitent atteindre pour ce qui est de la performance des puces et leur expliquent les procédés de fabrication que cela va probablement nécessiter. Les équipementiers travaillent à la fabrication d'équipements capables de produire de telles puces. C’est à ce stade qu’ils collaborent avec des entreprises comme Swagelok pour trouver des composants existants ou travailler à mise au point de nouveaux composants qui permettront à leurs outils de fonctionner. Cette collaboration est essentielle si l’on veut que les fabricants de semi-conducteurs puissent suivre le rythme de l'innovation, car elle permet aux équipementiers d’obtenir les composants dont ils ont besoin aujourd'hui et aux fabricants de composants d’anticiper les futurs besoins du secteur.

PRS : Est-ce que, de manière générale, c’est la demande pour des applications électroniques particulières qui entraîne des innovations dans le secteur des semi-conducteurs ou est-ce que c’est plutôt la technologie des puces qui est en avance sur la demande du marché ?

CW : Cela dépend. Il arrive que la pression générale pour faire évoluer sans cesse la technologie des semi-conducteurs amène à faire des découvertes avant même que le marché ne sache quoi en faire. Par exemple, dans les années 1990, la puissance de calcul progressait rapidement, mais le secteur des logiciels manquait des connaissances et des compétences nécessaires pour exploiter pleinement cette puissance. Du coup, les applications étaient en retard par rapport aux capacités de traitement. Dans d'autres situations, en revanche, il peut y avoir des pressions pour faire en sorte que des applications existantes deviennent encore plus performantes. On le voit de plus en plus aujourd’hui avec les applications d’intelligence artificielle et le besoin de traiter toujours plus de données.

Pour ce qui est de la demande, nous avons essentiellement connu trois périodes. Entre les années 1960 et 1980, il s'agissait principalement de créer des ordinateurs et des outils de calcul. À cette époque, les puces contenaient quelques milliers de transistors. À partir des années 1980, on a commencé à mettre l’accent sur la technologie mobile avec le début des ordinateurs portables et des téléphones cellulaires. À ce stade, nous avions des puces qui contenaient quelques millions de transistors. Ces dix dernières années, le transfert et le stockage de données stimulent la demande, alors que nous créons une technologie plus connectée (avec l'essor de l'internet des objets et des appareils intelligents qui alimentent les interactions sociales 24 heures sur 24) et centrée sur les données (avec une demande engendrée par des évolutions comme le big data ou l'apprentissage automatique).

PRS : Quelle a été l’incidence d’une demande permanente pour des puces toujours plus petites et plus puissantes sur les exigences de performance des composants de systèmes fluides utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs ?

CW : L’évolution de la configuration des puces au fil du temps a entraîné de nouveaux besoins pour ce qui est des composants utilisés dans le procédé de fabrication des semi-conducteurs. Au fur et à mesure que les transistors se miniaturisaient, il devenait impératif d'éviter toute contamination du procédé, car cela peut avoir des conséquences sur les rendements et sur la fiabilité des puces. Une contamination incontrôlée du procédé de fabrication et des composants doit être absolument évitée. Par conséquent, les fabricants sont passés des vannes à soufflet (d’une durée de vie plus longue) à des vannes à membrane (habituellement plus propres) qui ont moins « d’espace mort », un volume de gaz confiné moindre et aussi moins de pièces mobiles.

Aujourd’hui, avec le lancement récent de la vanne ALD20 Swagelok^®, nous voyons l'avantage d’utiliser une vanne à soufflet haut débit qui satisfait aux critères de très haute pureté exigés dans les procédés modernes de fabrication des semi-conducteurs. Cela a été rendu possible en partie parce que les techniques de fabrication se sont améliorées au fil du temps, et aussi parce que nous avons accès à des matériaux perfectionnés comme l’acier VIM-VAR ou les alliages résistants à la corrosion notamment. Les techniques de finition ont également progressé avec l'électropolissage et la passivation. De la même façon, les produits sont mieux testés qu’ils ne l’étaient auparavant avant d’être mis sur le marché. Par le passé, j'ai vu certaines entreprises se précipiter pour lancer une technologie en premier avec des composants insuffisamment certifiés, ce qui nous a causé des problèmes. Dans l’univers des semi-conducteurs, il est important de savoir que les produits qu’on vous livre vont fonctionner comme promis et il est indispensable de pouvoir compter sur des composants d’une qualité constante aux performances reproductibles.

PRS : Là encore, est-ce que c’est l’évolution technologique des vannes qui a permis d’innover dans les procédés de fabrication des puces ou est-ce l’évolution des procédés qui a entraîné des innovations dans les composants de systèmes fluides ?

CW : Les changements apportés aux procédés de fabrication des semi-conducteurs ont certainement joué un rôle dans la définition de ce que nous attendons des vannes très haute pureté et d’autres composants. Le procédé de fabrication des puces consiste généralement à revêtir successivement une plaquette d’un matériau cristallin – le silicium, par exemple – d’un gaz précurseur en quantité très précise dans une chambre de dépôt, jusqu'à obtenir un revêtement uniforme avant que celui-ci ne se solidifie. Nous utilisons de plus en plus des précurseurs liquides et solides que nous sublimons à haute température au moyen de procédés soigneusement contrôlés et dont nous recouvrons ensuite les plaquettes en utilisant des vannes très haute pureté. Ces produits chimiques agressifs et corrosifs sont souvent instables, ce qui les rend difficiles à utiliser avec efficacité.

Nous privilégions les procédés de dépôt par couche atomique (ALD) et de gravure par couche atomique (ALE), car il est difficile de contrôler le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et les précurseurs utilisés dans ce procédé avec une efficacité suffisante vu la taille des transistors d’aujourd'hui. Ce sont ces évolutions des procédés et de la chimie – par exemple, dans les années 1990, les fabricants ont abandonné l’aluminium pour le cuivre pour les conducteurs d’interconnexion en raison de la conductivité plus élevée du cuivre – qui nécessitent une évolution des composants.

Très tôt, les équipementiers ont réalisé que les rendements décevants des puces étaient plus souvent dus à des problèmes de procédé qu’à des équipements défectueux. L'humidité, l’exposition des produits chimiques réactifs à l’air ambiant, des particules qui forment des résidus dans les vannes et qui les empêchent de se fermer complètement – nous avons connu tous ces problèmes. Petit à petit, nous avons appris à maîtriser les défis liés à ces procédés, souvent grâce à des systèmes fluides et à des composants d’une conception sophistiquée. Cela a eu des répercussions positives sur nos résultats, mais aussi sur les procédés de fabrication des puces et les exigences de performance des composants.

PRS : Si l’on vous demande de dresser un tableau de l'évolution de la fabrication des semi-conducteurs, quels sont les défis auxquels le secteur doit faire face aujourd’hui et quelle incidence cela a-t-il sur les exigences de performance des composants de systèmes fluides ?

CW : Pour passer à l'étape suivante de la fabrication des puces, nous avons besoin d'un contrôle fiable des produits, de répétabilité et d’une qualité constante dans la fabrication des vannes. Les équipements utilisés pour fabriquer des puces semi-conductrices nécessitent de nombreuses vannes très haute pureté et il est difficile d'obtenir des performances parfaitement identiques d'une vanne à l'autre. C’est pourtant ce dont nous avons besoin. Il ne nous faut pas seulement des vannes de qualité, il nous faut des vannes qui sont toutes de la même qualité.

Les variations de température sont un autre point important. Il nous faut des performances constantes à des températures et à des débits élevés. On se concentre davantage aujourd'hui sur la fabrication de puces NAND 3D, ce qui signifie plus de matière superposée dans des stries plus profondes sur les puces à mesure que les transistors sont empilés les uns sur les autres, de sorte qu’il faut amener plus de précurseur sur la plaquette – peut-être 200 fois plus de gaz – pour recouvrir efficacement ces zones. Les tolérances ne cessent de diminuer, ce qui signifie moins de marge de manœuvre pour la variabilité.

« Pour passer à l'étape suivante de la fabrication des puces, nous avons besoin d'un contrôle fiable des produits, de répétabilité et d’une qualité constante dans la fabrication des vannes. »

PRS : En plus d’un dosage précis, de la stabilité de la température et de leur capacité de débit, qu’est-ce que les fabricants de semi-conducteurs attendent des vannes très haute pureté pour continuer à respecter la loi de Moore ?

CW : Nous devons également rester concentrés sur la propreté et la résistance à la corrosion. À cet égard, la physique des matériaux a son importance. Par exemple, le soufflet de la vanne ALD20 est en alliage 22 (alliage C22 Hastelloy^®) parce que c'est un matériau qui peut résister à des produits chimiques hautement corrosifs. Cependant, même cet excellent matériau n’est pas forcément le matériau idéal dans tous les procédés. Un revêtement spécial peut s'avérer nécessaire pour manipuler différentes substances chimiques à mesure que la taille des puces diminue et que les précurseurs utilisés deviennent plus agressifs. Développer ces revêtements peut se révéler difficile et coûteux, mais la corrosion est de moins en moins tolérée dans nos procédés de fabrication.

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C'est pourquoi il est primordial que les fournisseurs de solutions pour systèmes fluides travaillent en étroite collaboration avec les équipementiers et avec les fabricants de semi-conducteurs lorsqu'ils développent de nouveaux produits. Cette collaboration a été d’une grande importance lorsque Swagelok a lancé les premières vannes ALD il y a plusieurs dizaines d’années, et c’est encore plus vrai aujourd’hui. Parfois, cela signifie travailler avec les équipementiers, mais comme les exigences concernant leurs outils sont dictées par les fabricants de puces, vous devez aussi parfois travailler directement avec les fabricants. Le but est de résoudre les problèmes ensemble et de réfléchir à des solutions logiques en fonction des cycles de développement des entreprises concernées. Mais c'est cette collaboration qui rendra possible la technologie de demain.

PRS : Comment s’est déroulée cette collaboration avec les fournisseurs au cours de votre carrière ? Comment l'avez-vous vécue personnellement ?

CW : Au début, lorsque j'étais chez ASM, j'ai collaboré avec Swagelok au développement de la vanne à membrane très haute pureté série DH. Nous avions besoin d'une vanne capable de fonctionner sous vide à 220°C et plus petite que les vannes disponibles sur le marché à l'époque, de manière à pouvoir installer plus de vannes dans un petit espace et maximiser les performances de nos outils de dépôt par couche atomique. Avec Swagelok Southwest et le département d'ingénierie du siège, nous avons testé différentes possibilités et nous sommes finalement arrivés à une excellente solution. Le résultat de cette collaboration : une vanne à membrane équipée d’un double piston, un nouveau lubrifiant pour éviter les contaminations dans une chambre à vide, et une résistance aux températures extrêmes sur plus de 10 millions de cycles.

Ce qui a aussi aidé, c’est l’attitude de l’équipe de Swagelok qui a travaillé en toute transparence et n’a pas hésité à communiquer les protocoles et les données d'essai tout au long du processus, ce qui n'est pas toujours le cas avec d'autres fabricants. Et comme dans toute collaboration, ce sont les gens qui font la différence. Vous espérez toujours collaborer avec des personnes qui vont vous faire aimer votre travail, et je dois dire que, sur ce projet, j'ai travaillé avec une équipe hors pair. Durant ma carrière dans le secteur des semi-conducteurs, j'ai toujours recherché pour mes contacts professionnels des clients désireux d’arriver à une solution avantageuse pour les deux parties et pas seulement pour eux-mêmes. Les deux sortes de clients existent et je les ai donc toujours choisis avec soin.

PRS : Comment voyez-vous l’avenir du secteur des semi-conducteurs ? Quels défis devront être relevés et à quoi pouvons-nous nous attendre dans un avenir proche ?

CW : Le besoin de changer d’échelle est l’un des défis auquel le secteur va être confronté. Que faire maintenant que nous avons des nœuds de traitement de 7 nm ou 5 nm ? Existe-t-il des matériaux et des procédés de fabrication qui permettront de poursuivre sur la voie de la miniaturisation ? L'empilement NAND 3D est une solution. Nous parvenons à empiler de plus de transistors les uns sur les autres, ce qui permet de condenser trois fois plus de transistors dans un même espace par rapport à ce qui se faisait auparavant. De nouvelles technologies sont en train d’être mises au point pour faciliter cela, comme la technologie de dépôt sélectif qui permet de limiter le dépôt à certaines zones plutôt que de recouvrir toute la surface du wafer.

Les matériaux évoluent également On envisage d’utiliser des plaquettes en carbure de silicium plutôt qu’en silicium. Le silicium est facile à trouver et il ne coûte pas cher ; c’est poursoi il a été largement adopté. Mais nous pourrions assister au retour de matériaux comme le germanium, car différents matériaux sont nécessaires pour fournir de l'énergie aux transistors de petite taille. D'autres matériaux prometteurs ont été étudiés au fil du temps, mais ces matériaux spéciaux n’auraient probablement pas été viables sur le plan économique à cause des procédés de fabrication ou des spécifications des puces. Or, il se pourrait qu’on en ait besoin aujourd’hui.

Ce ne sont pas seulement les matériaux des plaquettes qui devront changer, mais aussi nos procédés de fabrication, c’est-à-dire les substances déposées, la manière de graver etc. De nouvelles méthodes comme la lithographie par rayonnement ultraviolet extrême sont utilisées, mais lorsque nous commencerons à travailler sur des transistors de moins de 3 ou 5 nm, ces méthodes pourraient ne plus fonctionner bien longtemps. Plus on miniaturise, plus les coûts s’envolent. Il se peut donc que seuls quelques fournisseurs spécialisés continuent de s'en tenir à la loi de Moore, et non tout un secteur, car poursuivre dans cette voie va devenir trop coûteux.

PRS : Merci pour cet éclairage, Carl. Avez-vous un dernier conseil avisé à donner aux professionnels du secteur qui occupent les fonctions que vous avez exercées par le passé ?

CW : S’il y a une chose certaine, c'est qu’il va encore y avoir des avancées, même si nous ne pouvons pas encore voir quelle forme cela va prendre. Ce qui est sûr, c’est qu’il leur faudra des relations solides et des collaborations efficaces pour atteindre leurs objectifs.

Lorsque vous avez un besoin très particulier, il n’est pas toujours possible d’acheter un produit disponible sur le marché pour y répondre. Vous devez parfois travailler avec des partenaires pour développer une toute nouvelle solution. Dans ces situations, faites appel à des entreprises qui ont les capacités techniques et l’esprit de collaboration qui vous permettront d’arriver au résultat souhaité. Vous devez pouvoir collaborer avec des personnes qui sont à l’écoute de vos besoins, qui ne vous feront aucune promesse impossible à tenir et qui ne sacrifieront pas la qualité juste pour vous faire plaisir. C'est un risque que vous courez avec de nombreuses entreprises si vous vous précipitez, alors apprenez à savoir en qui vous pouvez avoir confiance. Établir des relations est la meilleure chose que vous puissiez faire pour obtenir des résultats.

« …Faites appel à des entreprises qui ont les capacités techniques et l’esprit de collaboration qui vous permettront d’arriver au résultat souhaité. Vous devez pouvoir collaborer avec des personnes qui sont à l’écoute de vos besoins… »

PRS : Merci, Carl ! Nous vous sommes reconnaissants d'avoir pris le temps de partager vos connaissances avec nous.

CW : Je vous en prie. Ravi de pouvoir aider.

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