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Reportage

Immersion en salle blanche


​Le CEA a fait de la mise au point de puces électroniques innovantes l’une de ses spécialités. Pour cela, les équipes disposent d’une infrastructure indispensable : la salle blanche, permettant de traiter les plaques de silicium dans un environnement ultra propre et ultra contrôlé. Comment travaille-t-on dans cet endroit si particulier ? Reportage en immersion, dans la salle blanche historique du CEA, à Grenoble. 

Publié le 15 décembre 2021

​Prototyper les puces électroniques pour l'industrie

Lorsque nous traversons le site du CEA à Grenoble, après avoir passé une haie de bâtiments abritant start-ups et laboratoires, nous finissons par tomber sur une drôle de petite navette aérienne desservant un grand édifice beige aux allures futuristes. C’est dans cette immense bâtisse de laquelle émergent de gros tuyaux d’aération qu’est installée la salle blanche historique du CEA, où  sont élaborées les puces électroniques, à partir de plaques de silicium.

La fabrication d'une puce électronique


L’objectif n’est pas la production industrielle, mais la mise au point de prototypes innovants pour différents partenaires industriels, comme nous l’explique Laurent Clavelier, chef du Département des plateformes technologiques :

« Notre métier, c’est de faire de la R&D appliquée. Nous transférons aux industriels des innovations compétitives pour accéder au marché, protégées par des brevets, pour leur donner de l’avance technologique dans différents secteurs tels que les marchés consumer, l’automobile, l’industrie 4.0, les télécoms, la santé,  etc. Nous travaillons entre autres avec l’écosystème grenoblois, qui a la particularité d’être principalement issu de nos anciennes start-ups, comme Soitec, Aledia, Lynred, mais aussi avec des utilisateurs finaux, tels que Renault ou Valéo, qui sont intéressés par nos composants d’électronique de puissance ». Pour répondre à toutes ces demandes, les salles blanches, construites depuis 1985, s’étendent sur 11 000 mètres carrés. Et pour y pénétrer, il faut montrer patte…blanche. 

En salle blanche, on élabore des puces électroniques

En salle blanche, on élabore des puces électroniques. © A. Aubert / CEA

L'entrée en salle blanche : une tenue spécifique

Passage par un premier vestiaire donc, dans lequel nous sommes invités à nous équiper, en protégeant d’abord le « plus sale » : nos chaussures. Surchaussures aux pieds, on pénètre dans une nouvelle antichambre pour enfiler une tenue adaptée : une charlotte, des gants, et enfin une combinaison intégrale (qui recouvre même la charlotte) et des surbottes. Sans oublier, bien sûr, le masque chirurgical. Pour la prise de notes, pas question d’utiliser un cahier : des feuilles de papier bleu spéciales (du papier « salle blanche ») nous sont fournies. Elles ont pour particularité de ne pas émettre de particules, et donc de ne pas être des sources de contamination supplémentaire. 

Le vestiaire précédant l'entrée en salle blanche
Le vestiaire précédant l'entrée en salle blanche © CEA

Cet équipement fait partie du principe de « clean concept », répondant à un impératif absolu dans ces salles de haute technologie : limiter au maximum l’apport de poussières extérieures, qui pourraient endommager les plaques de silicium traitées dans la salle. Objectif : passer sous la barre des 100 particules par mètre cube (10 fois moins que dans une salle d’opération). Pour cela, l’atmosphère est ultra contrôlée : air filtré en permanence et en légère surpression (0,25 millibar au-dessus de la pression atmosphérique « normale » égale à un bar), température constante, comprise entre 19,5 et 20,5 °C, et hygrométrie figée à 50 % afin d’éviter les claquements électrostatiques qui se produisent lorsque l’air est trop sec, qui risqueraient d’abîmer les puces.

Habillés de pied en cap (comptez dix minutes pour enfiler le tout), on suit un long couloir, encadré par des étagères couvertes de boîtes transparentes, renfermant des plaquettes de silicium à divers stades de préparation. 

Les plaques sont enfermées dans des boites transparentes.
Les plaques sont enfermées dans des boîtes transparentes. © A. Aubert / CEA


En salle blanche, il est nécessaire de respecter des protocoles complexes et précis. Nous avons des responsabilités importantes dans l’enchaînement des étapes qui peuvent s’étendre sur quelques mois. Fanny Bertrand, technicienne polyvalente

Une activité en continu

Dès l’entrée dans la salle, la lumière blanche artificielle frappe par sa brillance atypique. Sous nos yeux, un ballet incessant de silhouettes immaculées se déploie dans le vrombissement de la ventilation. « En salle blanche, il est nécessaire de respecter des protocoles complexes et précis. Nous avons des responsabilités importantes dans l’enchaînement des étapes qui peuvent s’étendre sur quelques mois. Lors de la fabrication des composants, nous sommes amenés à utiliser des matériaux nobles (comme le platine, le ruthénium, l'or, etc.). C’est un travail particulièrement intéressant qui nécessite une bonne concentration», raconte Fanny Bertrand, technicienne polyvalente en salle blanche.

En salle blanche, on observe un ballet incessant de silhouettes immaculées
En salle blanche, on observe un ballet incessant de silhouettes immaculées. © A. Aubert / CEA

La salle fonctionne 24h sur 24h en semaine, et de 5 à 17h le week-end. Trois services, correspondant à différentes étapes de traitement des plaques cohabitent : au plus fort de l’activité, plusieurs dizaines de personnes y travaillent en même temps. Parmi les tenues blanches, des silhouettes bleues détonnent : ce sont celles des personnels extérieurs au CEA. L’entreprise Soitec, spécialisée dans les substrats (le nom que l’on donne aux plaquettes sur lesquelles sont gravés et découpés les circuits électroniques), loue notamment une partie de l’espace et y a même installé ses propres machines. 

VidéoImmersion en salle blanche


Autour des personnels affairés, les machines impressionnent par leur nombre : plus de 700 au total. « Notre salle blanche ressemble à celles que l’on pourrait trouver dans une usine. Elle a certes une taille plus réduite [à titre de comparaison, les salles blanches de STMicroelectronics s’étendent sur 26 000 mètres carrés] et une variété de machines moins grande, mais ce sont exactement les mêmes machines que celles qui sont utilisées dans l’industrie. L’objectif est de pouvoir transférer le plus facilement possible les nouveaux procédés développés aux industriels pour qu’ils les intègrent dans leurs produits », précise Laurent Clavelier. « Nous travaillons notamment sur des puces permettant de faire du calcul économe en énergie à base de technologie SOI  (silicium sur isolant), mais aussi sur des composants destinés à l’intelligence artificielle embarquée , des composants d’électronique de puissance (pour l’automobile électrique essentiellement), ou sur des capteurs (ceux-là même qui sont responsables de la rotation de l’écran de votre téléphone lorsque vous le penchez) ». 

Les machines impressionnent par leur nombre.
Les machines impressionnent par leur nombre. © A. Aubert / CEA

Des équipements de nouvelle génération

La salle blanche est en fait répartie en deux plateaux distincts, l’un consacré aux plaques de 200 mm de diamètre, l’autre à celles de 300 mm. Le passage de 200 mm à 300 mm, il y a quinze ans,  a été une véritable rupture technologique. En augmentant le nombre de puces produites par plaque, il a permis de réduire drastiquement les coûts. « Ici, nous sommes passés au 300 mm au début des années 2000, mais nous avons fait un grand bond en avant il y a quatre ans, en acquérant 35 nouvelles machines de dernière génération. Nous pouvons ainsi développer plus vite pour nos partenaires industriels, avec des machines plus performantes, et réduire le temps entre l’idée et le prototype. Un vrai avantage au niveau mondial, car la concurrence est rude dans ce domaine. C’est d’ailleurs ce qui nous permet de n’avoir que deux équivalents dans le monde, dans la R&D appliquée, l’Imec en Belgique, et un institut dépendant d’IBM situé à Albany, aux Etats-Unis ». 

Dans cette zone, qui renferme donc les équipements de nouvelle génération, ce sont cependant les mêmes procédés que ceux développés en 200 mm. Une différence notable : les plaques sont placées dans des boîtes hermétiques pour éviter toute manipulation humaine. Les machines peuvent donc être disposées  en « salle de bal », contrairement à la salle 200 mm, où elles sont protégées derrière des passe-parois et isolées dans des « couloirs gris »   pour limiter tout risque de contamination. 

En salle 300 mm, les machines sont disposées en salle de bal.
En salle 300 mm, les machines sont disposées en salle de bal. © A. Aubert / CEA

Question de températures

Les équipements sont regroupés en fonction de la température des traitements qu’ils délivrent : d’abord les équipements liés aux procédés chauds (fonctionnant à plus de 1 000°C), qui permettent aussi bien de fabriquer certaines couches sur la plaque que de la « recuire » - un procédé qui consiste en une montée graduelle de la température puis un refroidissement contrôlé, dans le but de modifier les caractéristiques de la plaque. Les procédés dits froids (aux environs de 200°C) se déroulent à un autre endroit. En arrivant dans la zone, changement d’ambiance : la lumière passe du blanc au jaune. En effet, parmi ces procédés froids, il y a la photo-lithographie. « Cette technique vise à définir des dimensions nanométriques qui composent les puces électroniques, grâce à la transposition d’une image (le masque). Or, pour réussir cette transposition, la plaque est recouverte d’une résine sensible aux rayons ultraviolets. C’est pourquoi, pour éviter tout risque de transformation de la résine avant même qu’elle ne soit traitée, on supprime les rayons ultraviolets de la lumière blanche, qui devient alors jaune », explique Laurent Clavelier.  

La photo-lithographie se déroule sous lumière jaune.
La photo-lithographie se déroule sous lumière jaune. © A. Aubert / CEA

Un dernier coup d'œil sur cette fourmilière blanche et c’est alors l’heure de partir - sans oublier de se délester, au passage, de nos diverses couches de protection. 

Intégrer une démarche d’éco-innovation en salle blanche

Eau pour refroidir les équipements, matériaux critiques utilisés dans la fabrication des circuits, énergie pour alimenter les machines, … la salle blanche est très gourmande en ressources. Laurent Vandroux, l’un des responsables de l’initiative « éco-innovation » du CEA explique quelles actions sont mises en place pour s’inscrire dans une démarche plus durable.

« J’ai été chargé, en parallèle de mes autres fonctions, de coordonner un projet qui s’appelle VERT (Vers une Électronique Respectueuse de l’environnemenT ). Si cette dimension écologique était déjà prise en compte depuis de nombreuses années au CEA, nous souhaitions la rendre plus centrale, et fédérer toutes les actions menées dans le domaine. L’objectif principal est de contribuer à la préservation de l’environnement. Corolaire appréciable, cela permet également de réaliser des économies financières. 

En salle blanche, nous pouvons agir dans plusieurs domaines. 

Sur les matériaux utilisés, d’abord : nous essayons dans la mesure du possible de choisir des matériaux suffisamment présents sur Terre tout en pensant éthique (c’est-à-dire en évitant, par exemple, les pays qui autorisent le travail des enfants). Nous veillons par ailleurs à viser la juste utilisation de ces matériaux, notamment par le choix des procédés de dépôt sur les plaques de silicium. 

Nous optimisons également le recyclage. Nous recyclons déjà les matériaux nobles et très chers, comme l’or ou le platine et nous travaillons à valoriser les autres matériaux. Le silicium, qu’on envoyait auparavant à la destruction, est ainsi maintenant remis dans le cercle d’utilisation en tant qu’adjuvant dans l’industrie de l’aluminium. Nous enquêtons parallèlement sur d’autres solutions pour des matériaux comme le cuivre ou le titane, utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs, notamment pour optimiser le passage du courant électrique,  qu’il n’est aujourd’hui pas encore rentable de recycler pour des usages en microélectronique, qui requiert des matériaux d’une grande pureté. L’objectif est de trouver des industries intéressées par la valorisation de ces « déchets ».

Le deuxième axe de recherche concerne les équipements. Jusqu’à présent, certains fonctionnent en continu car conçus pour l’industrie, consommant beaucoup d’eau et d’énergie pour assurer leur refroidissement. Des modes « basse consommation » sont en cours de développement et d’implémentation afin d’économiser notamment plusieurs mètres cubes d’eau par heure. 

Pour finir, concernant les composants en eux-mêmes, le CEA s’est spécialisé dans la production de composants économes en énergie. Par exemple, les micro-écrans que nous avons développés avec Aledia  (ceux que l’on retrouve dans les montres connectées, les smartphones, etc.) consomment quatre fois moins qu’un micro écran de la concurrence, pour une performance équivalente. 

Enfin et plus globalement, nous cherchons à intégrer dans nos processus de recherche et développement l’analyse du cycle de vie des composants.  Nous formons nos collaborateurs sur ce sujet pour qu’au montage des projets, ils aient le réflexe, par exemple, de se poser la question des matériaux critiques et de leur substitution. »

Témoignage métier : Une grande diversité dans le poste 

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A droite : Yohanna Bourdilleau se préparant à entrer en salle blanche © CEA

Technicienne en métrologie, Yohanna Bourdilleau a eu un parcours atypique, puisqu’elle a commencé comme employée pour un prestataire de service. Elle explique pourquoi son métier la passionne autant. 

« Je suis venue à Grenoble en 2006 pour travailler comme employée chez un prestataire de service des salles blanches. Une première expérience au CEA qui a changé ma vie.  J’ai vu ce bâtiment vide se remplir d’équipements de plusieurs tonnes. A cette époque, j’étais chargée de tâches d’approvisionnement et d’entretien. J’ai vite su que j’avais trouvé le milieu professionnel où je pourrais m’épanouir.  Malgré tout, j’ai souhaité reprendre mes études. J’ai ainsi préparé un bac professionnel en micro-nanotechnologie au Greta à Grenoble et suis major de ma promotion.

Après des expériences chez Sofradir et Teledyne, je deviens technicienne au CEA-Leti en 2018 en gravure humide, puis en métrologie et caractérisation physique. A titre d’exemples, je fais des mesures sur les plaquettes (Wafer) pour vérifier qu’elles sont conformes aux attentes de la filière industrielle. Je suis ainsi formée sur un certain nombre d’équipements, ce qui me permet d’intervenir sur toute la chaîne de production de la plaque à la puce. C’est un travail très diversifié ! 

J’ai par ailleurs gardé un lien fort avec le Greta. Je siège notamment au jury pour le bac professionnel, j’interviens en classe pour expliquer mon parcours et donner envie à de nouveaux opérants ou techniciens de nous rejoindre. Le CEA recrute maintenant des diplômés issus de ce cursus. On m’a donné ma chance, alors j’essaie de faire en sorte que d’autres puissent avoir la fibre. »

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