DES USINES TOUJOURS PLUS COUTEUSES

Fabriquer un circuit intégré, c’est réaliser sur quelques centimètres carrés de surface et quelques microns d’épaisseur un assemblage de millions de composants interconnectés ; ceci, simultanément, pour des centaines d’exemplaires identiques.
Plus les circuits intégrés se miniaturisent, plus les usines qui les fabriquent coûtent cher. Une « fab » (unité de production) coûte à peu près le même prix que 300 Airbus A320 ! Ceci pour plusieurs raisons :
- plus on fait petit, plus les environnements de travail doivent être propres pour éviter des contaminations fatales aux circuits : les exigences de propreté des salles blanches ne cessent d’augmenter ;
- plus on fait petit, plus les machines de production sont précises, fiables, difficiles à mettre au point et à entretenir ; de plus, elles ne sont fabriquées qu’en petites séries ;
- plus on fait petit, plus il faut recourir à des matériaux spéciaux, à des solutions techniques complexes et à des étapes supplémentaires de fabrication ; aujourd’hui, on en compte environ 200 par circuit.

Malgré ce déploiement d’efforts, le rendement d’une chaîne de fabrication ne dépasse pas 20 % lors du lancement d’une nouvelle production. Les efforts des équipes de fabrication feront rapidement passer ce chiffre à 80, voire 90 %.

Usine de l’alliance entre STMicroelectronics,
Freescale et Philips, à Crolles (Isère). © DR

LA SALLE BLANCHE, UN MILIEU EXTRA-NATUREL

A l’échelle d’une puce, un minuscule grain de poussière représente un rocher qui bouche les chemins creusés pour la circulation des électrons. C’est pourquoi la fabrication a lieu en « salle blanche ». L’air est filtré et entièrement renouvelé 10 fois par minute. Il contient 100 000 à 1 million de fois moins de poussières que l’air extérieur. Les opérateurs portent en permanence une combinaison qui les couvre presque des pieds à la tête, et retient les particules ­organiques et les poussières qu’ils génèrent ­naturellement.
De plus, de nombreuses opérations de nettoyage des tranches sont menées entre les étapes de fabrication. Au total, elles représentent presque un tiers du temps total de process.

Une salle blanche (Laboratoire d’électronique et de technologie de l’information) au CEA Grenoble. © P.Stroppa/CEA

CAO : DES VILLES A L’ECHELLE DU CENTIMETRE

Impossible de concevoir un circuit de plusieurs millions d’éléments sans l’aide de l’ordinateur : tout concepteur de puces recourt à la CAO pour déterminer les principales fonctions, puiser des modules dans des bibliothèques informatisées, arranger ces modules les uns par rapport aux autres, simuler le fonctionnement, etc. L’exercice est long, difficile et incroyablement minutieux : en imaginant qu’un micro-processeur de 100 millions de transistors ait la taille d’un carré de 6 km de côté (superficie d’une ville de 100 000 habitants), chaque isolant de grille de transistor aurait une épaisseur de seulement un millimètre !

LA FABRICATION COLLECTIVE, UN ATOUT ESSENTIEL

Le matériau de base du circuit intégré est le silicium, élément chimique le plus répandu sur terre. Extrait du sable par réduction, il est cristallisé sous forme de barreaux de 20 ou 30 cm de diamètre, ensuite sciés en tranches de moins d’un millimètre d’épaisseur qui sont polies jusqu’à obtenir des surfaces lisses à 0,5 nanomètre près.
C’est sur cette tranche que des centaines de puces sont fabriquées simultanément, grâce à la répétition ou la combinaison d’opérations élémentaires : traitement thermique, dépôts, photolithographie, gravure et dopage.
Cette fabrication collective, qui fait chuter les coûts unitaires, est l’un des atouts majeurs de l’industrie microélectronique. Elle explique pourquoi les industriels des microsystèmes cherchent à fabriquer leurs produits avec les mêmes technologies. Mais elle durcit aussi les exigences de production : une erreur de manipulation, quelques secondes en plus ou en moins et ce sont plusieurs centaines de circuits qui finissent à la poubelle…