Le Coin Tech : dessine-moi un semi-conducteur (2/3)

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Cette semaine dans Le Coin Tech, la  deuxième partie du dossier consacré au  semi-conducteurs. Au programme, la fabrication des wafers de Silicium

C’est bien beau tout ça on sait maintenant pourquoi on appelle ça un semi-conducteur, mais déjà on le trouve où ce Silicium et surtout comment peut-on fabriquer un wafer de Silicium c’est à dire un disque de Silicium extrêmement pur sur lequel on va venir graver nos puces?

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Le sable est constitué en grande partie de Silicium

Et oui on le trouve où ce silicium: et la réponse est à peu près partout mais alors vraiment vraiment  partout. En effet il est le deuxième élément chimique le plus répandu dans la croute terrestre juste derrière l’oxygène et représente 25% de la masse de la croûte terrestre. Ce qui est plutôt par mal. Mais cela dit on ne le retrouve pas comme ça, on ne tombe pas sur un lingot de Silicium pur comme on pourrait tomber sur un lingot d’or. Il est présent sous forme de dioxyde de Silicium (SiO2) la fameuse Silice constituant principal du sable mais aussi du quartz,du verre et aussi dans les silicates (un truc qu’aime bien les géologues mais ces gens sont étranges). Il est donc archi abondant mais encore faut-il en trouver qui ne soit pas trop pollué.

Au commencement il y avait le sable,  mais il faut un Silicium d’une grande pureté dite de qualité électronique (EGS=Electronic Grade Silicon) dans le domaine de la micro-électronique il faut donc purifié ce Silicium pour obtenir un cristal parfait ou quasi parfait où moins d’une particule par milliard est une impureté. Pour commencer on réduit la Silice dans un four à très haute température et mélangé à du charbon, la réaction chimique de réduction (« l’inverse d’une oxydation » c’est à dire que l’on va virer le O2 de SiO2 en gros) Après cette première opération le Silicium est pur à plus de 95% de qualité dite métallurgique (MGS). Ensuite par une purification chimique on atteint la qualité exigée.

Electrolyse de SiO2 dans un four à arc ,
l’élctrode étant composée de carbone graphite.

Ensuite nous allons formé de longs cylindres de silicium appelés lingots  pour cela on effectue à partir d’un germe de Silicium la croissance du cristal par une méthode de tirage la méthode dite de Czochralski (oui ce nom est prononçable) pour la fabrication du silicium monocristallin. La charge à fondre est placée dans un creuset en quartz, fondu, puis à partir d’un germe dans des conditions particulière de température et de vitesse de tirage (seulement quelques cm/heures !!!) on obtient des lingots de différents diamètres. Le lingot est encore une fois purifié par fusion de zone les impuretés vont avec la chaleur se redistribuer dans le lingot. Tout cela sous atmosphère gazeuse contrôlée (gaz argon) pour éviter de réintroduire des impuretés. La taille de premiers lingots produits dans les années 60 était de 25mm de diamètre aujourd’hui elle est de 300mm (et bientôt peut être 450mm) cette taille a donc été multipliée par plus de 10 en 30ans et la surface par plus de 100 ce qui permet de diminuer les coûts de production des puces en en gravant plus sur une même plaquette.

Schéma de principe de la méthode de Czochralski

Ensuite le lingot est équeuté puis ses spécifications sont contrôlées car la méthode du tirage entraine une certaine variabilité de la concentration des impuretés. Les axes cristallographiques du lingot sont repérés par diffraction des rayons X (les rayons selon les lois de l’optique, loi de Bragg, ne vont diffracter que dans certaines directions), ensuite on crée un méplat servant de référence (repérage d’un plan cristallographique) puis à l’aide d’une scie diamantée on débite les différentes plaquettes en suivant les plans. Puis ces plaquettes subissent divers traitements et sont polies chimiquement et/ou mécaniquement jusqu’à être aussi lisses qu’un miroir. Ces plaques sont de nouveau testées et sélectionnées, inspectées, et pour finir envoyées en salle blanche et une fois de plus nettoyées car il ne faut aucune poussière pour la fabrication de puces. Les wafers peuvent ensuite entrer en salle blanche.

Lingots de sillicium mono-cristallins de différentes tailles
avant équeutage et découpe

 

Les plaquettes vont subir une dernière étape de traitement, c’est un processus long et couteux de fabriquer des wafers, effectuée directement en salle blanche appelée épitaxie: qui signifie sur (épi) arrangement (taxis) soit faire croitre une couche épitaxée sur la surface de Silicium déjà fabriquée. Ainsi on obtient une très fine couche de Silicium presque parfaite (encore plus pure que celle déjà fabriquée) sur notre Silicium. Pour les microprocesseurs de nos chers ordinateurs, et la plupart des dispositifs à haute valeur ajoutée, la méthode choisie est celle de l’épitaxie par jet moléculaire sous vide poussé afin d’éviter là encore toute contamination ou tout choc sur le parcours du jet moléculaire. On crée donc par évaporation un jet moléculaire en direction du substrat qui nous permet de contrôler extrêmement précisément la croissance du cristal. Cependant cette opération est très lente, d’environ 1nmpar minute (0.000 000 001 m par minute pour ceux qui dorment au fond) et son coût élevé. D’autres méthodes moins onéreuses plus rapides mais aussi moins précises existent comment l’épitaxie en phase liquide ou gazeuse.

Une petite vidéo de l’université de Nancy pour mieux comprendre ce qu’est l’épitaxie et voir la machine en action

http://www.canal-u.tv/video/science_en_cours/l_epitaxie_par_jets_moleculaires.169 .

L’on sait donc maintenant comment sont fabriquées les plaquettes de Silicium avant la gravure de ces wafers. . Vous pourrez ainsi tout à fait briller dans les diners mondains. Les fabricants de ces plaquettes ne sont d’ailleurs pas les fondeurs ceux ci ne sont responsables que de la couche épitaxiée et sous-traitent cette étape. On peut citer par exemple SOITEC qui est le numéro 1 mondial de la production de Silicium sur isolant et qui est une entreprise française (oui quand on a des leaders mondiaux c’est pas mal d’en parler).

 

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