Le diamètre d'un cheveu humain est de 70 000 nanomètres et sa circonférence de 220 000 nanomètres. Fabriquer des puces avec un procédé de 5 nanomètres revient à construire 44 000 routes le long d'un cheveu.

Auteur : Liu Zhirong Source : Titre@Iron Tower-Liu Zhirong

Le 15 mai 2020, les États-Unis ont imposé un embargo sur les puces Huawei. Depuis lors, ces dernières suscitent un vif intérêt en Chine. L'embargo est entré en vigueur le 15 septembre. Les fabricants de puces de renommée mondiale tels que TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix et Micron ne sont plus autorisés à approvisionner Huawei. Le 16 septembre, la Commission centrale de contrôle disciplinaire a publié un article sur son site web officiel déclarant que « l'arrêt des livraisons de puces à Huawei pourrait marquer le début d'une ère nouvelle pour l'industrie chinoise des semi-conducteurs ».

On parle tous les jours de chips, mais savez-vous ce qu'est une chips ?

1. Comment l'invention de la puce a-t-elle changé la vie humaine ?

Le 23 décembre 1947, trois scientifiques des laboratoires Bell aux États-Unis, John Baden, William Shockley et Walter Bratton, inventèrent le transistor à cristal de germanium, faisant entrer le monde de l'électronique dans l'ère des semi-conducteurs. Les trois inventeurs du transistor reçurent le prix Nobel de physique en 1956.

Les années 1950 ont été l'âge d'or des semi-conducteurs. Presque tous les matériaux semi-conducteurs et les procédés de base ont été développés durant cette période.

Le 18 octobre 1954, Texas Instruments inventa la radio à transistors. Cette radio, équipée de quatre transistors, était suffisamment petite pour tenir dans une poche.

Le 12 septembre 1958, Jack Kilby (1923-2005), ingénieur en électronique chez Texas Instruments, inventa le circuit intégré et produisit avec succès le premier circuit intégré au monde, une puce, en 1959. Ce circuit intégré consiste à graver des transistors PNP, des résistances et des condensateurs sur une puce de germanium, puis à les connecter par des fils externes pour former un circuit. Ce simple circuit intégré donna naissance à l'industrie des semi-conducteurs, propulsa la science et la technologie vers de nouveaux sommets et transforma radicalement notre mode de vie.

Les progrès constants des technologies de fabrication de puces ont considérablement réduit le prix d'un transistor. En 1959, une puce contenait six transistors, soit 10 dollars par transistor ; en 1971, on en comptait 6 2,000, soit 0.3 dollar par transistor ; en 2004, on en recensait des dizaines de milliards, et le prix d'un transistor est tombé à un milliardième de dollar. Cette amélioration du rapport coût-efficacité a permis aux puces de se démocratiser et d'entrer dans les foyers.

On peut affirmer que la puce électronique est la plus grande invention du XXe siècle, et nombre d'autres inventions reposent sur elle. Aujourd'hui, nous vivons dans un monde où les puces sont omniprésentes, et il serait difficile de s'en passer.

Les puces électroniques font partie intégrante de notre quotidien. Les appareils intelligents tels que les téléphones portables, les ordinateurs et les montres connectées en contiennent. Les équipements réseau comme les modems optiques, les routeurs, les clés USB, les cartes mémoire et les disques durs externes en sont également dotés. On en trouve aussi dans les périphériques informatiques et autres équipements réseau. Les cartes d'identité, les passeports, les cartes bancaires, les cartes de fidélité et autres cartes d'identification personnelle en contiennent. Les téléviseurs, les haut-parleurs, les projecteurs, les chargeurs, les lampes LED, les balances électroniques, les climatiseurs, les réfrigérateurs, les fours à micro-ondes, les plaques à induction, les chauffe-eau et autres appareils électroménagers en sont également équipés. Le contrôle d'accès, la surveillance, les cellules solaires, etc., nécessitent aussi des puces. Si quelqu'un parvenait à désactiver toutes les puces du monde, l'humanité serait paralysée.

Jack Kilby a reçu le prix Nobel de physique en 2000 pour son invention de la puce électronique. Il est également l'inventeur de la calculatrice de poche et de l'imprimante thermique. Lorsqu'on le qualifiait de scientifique, il répondait avec modestie : « Un scientifique est quelqu'un qui explique les choses et qui doit avoir de grandes idées ; or, je suis un résolveur de problèmes, un ingénieur. Mon devoir est d'inventer de nouveaux procédés, de fabriquer de nouveaux produits et de tirer profit de mes inventions et créations. »

2. Pour comprendre la puce, il faut d'abord comprendre la « jonction PN ».

Comme on peut le constater, les composants électroniques tels que les diodes, les transistors, les résistances et les condensateurs sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs, puis reliés par des fils conducteurs. Il s'agit d'un circuit intégré, également appelé puce. Pour comprendre les puces, il est essentiel de comprendre la jonction PN, qui est au cœur de la technologie des semi-conducteurs.

Lorsqu'un matériau semi-conducteur est dopé avec un élément pentavalent, la concentration d'électrons augmente, formant un semi-conducteur de type N ; lorsqu'il est dopé avec un élément trivalent, la concentration de trous augmente, formant un semi-conducteur de type P. Le terme « trou » désigne la lacune laissée sur la liaison covalente après que les électrons de cette liaison ont acquis de l'énergie et se sont libérés de celle-ci pour devenir des électrons libres.

Lorsque les semi-conducteurs de type P et de type N sont en contact étroit, les électrons (chargés négativement) et les trous (chargés positivement) diffusent l'un vers l'autre. Cette diffusion induit la formation d'un champ électrique interne à la surface de contact, lequel s'oppose à la diffusion initiale et permet aux électrons et aux trous de refluer. Lorsque les vitesses de diffusion et de refluage des électrons et des trous atteignent un équilibre dynamique, une jonction PN se forme à la surface de contact entre les deux semi-conducteurs.

La principale caractéristique d'une jonction PN est sa conductivité unique. Si l'extrémité semi-conductrice de type P est utilisée comme électrode positive et l'extrémité semi-conductrice de type N comme électrode négative, le courant peut traverser la jonction PN. En revanche, si l'extrémité semi-conductrice de type N est utilisée comme électrode positive et l'extrémité semi-conductrice de type P comme électrode négative, le courant ne peut pas traverser la jonction PN. Le fonctionnement de la jonction PN détermine l'utilisation des bits binaires dans les ordinateurs. Le courant qui la traverse représente un « 1 », et le courant qui ne la traverse pas représente un « 0 ».

Une jonction PN est une diode. Si deux semi-conducteurs de type P encadrent un semi-conducteur de type N, on obtient une triode, c'est-à-dire une triode de type PNP. Inversement, si un semi-conducteur de type P est encadré par deux semi-conducteurs de type N, on obtient un transistor de type NPN.

Le commun des mortels ne peut voir la structure interne d'une puce. Celle-ci est aussi petite qu'une pellicule et aussi grande qu'un ongle. Extrêmement fine, elle doit être encapsulée dans un boîtier étanche avant d'être connectée à un circuit externe. Lorsqu'on ouvre un ordinateur, un téléviseur ou tout autre appareil électrique, on découvre une grande carte de circuit imprimé. Cette carte comporte de nombreux composants électroniques. Les puces, dotées de multiples broches, possèdent des broches reliées à leurs bornes d'entrée et de sortie. Certaines sont disposées sur les deux faces du boîtier, d'autres sur les quatre, et d'autres encore sont regroupées en matrice sur la face inférieure, formant une structure dense pouvant contenir plus de 1 000 broches.

3. Fabriquer des chips, c'est comme sculpter la terre et tous les bâtiments routiers sur un grain de riz ?

Il convient de mentionner ici un concept important : la « loi de Moore ». En 1965, Gordon Moore, cofondateur du célèbre fabricant de puces Intel Corporation, a prédit que le nombre de transistors sur une seule puce doublerait chaque année. Il a ensuite rectifié cette prédiction, estimant qu'elle doublait tous les deux ans. L'expérience a confirmé la justesse de cette prédiction. En 2011, une puce Intel Core i7 intégrait 2.27 milliards de transistors. Aujourd'hui, certaines puces haut de gamme comptent plus de plusieurs dizaines de milliards de transistors. Il y a quelques années, la puce d'intelligence artificielle WSE, produite par le fabricant de semi-conducteurs Cerebras Systems grâce à la technologie de gravure 16 nm de TSMC, intégrait 1 200 milliards de transistors !

Le terme « finesse de gravure » désigne la largeur de la grille du transistor sur la puce, que l'on peut généralement assimiler à la taille du transistor. Plus la finesse de gravure est grande, plus on peut intégrer de transistors sur une seule puce et plus le circuit intégré est grand.

La vitesse de calcul des puces ne cesse d'augmenter grâce à leur intégration croissante. Plus le niveau d'intégration est élevé, plus les composants électroniques sont petits et plus les interconnexions entre eux sont courtes. Le temps de passage du courant est ainsi réduit, la consommation d'énergie est moindre et la vitesse de traitement est accélérée.

Il existe trois façons d'intégrer davantage de transistors sur une puce : augmenter sa surface, réduire la taille des transistors ou concevoir un circuit intégré tridimensionnel. L'augmentation de la surface est généralement écartée car elle accroît la consommation d'énergie et diminue le rendement de la puce. De nos jours, on privilégie principalement les deux dernières méthodes pour augmenter le nombre de transistors sur une puce.

La fabrication de puces électroniques se déroule à l'échelle microscopique. Les composants électroniques qui les constituent sont si petits qu'ils ne représentent que quelques atomes ou molécules, et se mesurent en nanomètres et en angströms. La plus petite échelle d'une règle est le millimètre ; 1 millimètre équivaut à 1 000 microns, 1 micron à 1 000 nanomètres et 1 nanomètre à 10 angströms. Le diamètre d'un cheveu humain est de 70 000 nanomètres et sa circonférence de 220 000 nanomètres. Fabriquer des puces avec une finesse de gravure de 5 nanomètres revient à construire 44 000 routes le long d'un cheveu.

La miniaturisation des composants électroniques a ses limites. C'est pourquoi on envisage de construire des circuits intégrés multicouches sur une seule puce afin d'augmenter le nombre de transistors. On peut comparer cela à la construction d'immeubles résidentiels : une maison de plain-pied peut accueillir un petit nombre d'habitants, tandis qu'un immeuble de plusieurs dizaines d'étages peut en accueillir un grand nombre. L'empilement de circuits intégrés est bien plus complexe que la construction d'un immeuble. Si l'agencement de chaque étage est identique, les circuits de chaque couche de la puce sont différents et les connexions entre les couches sont extrêmement complexes.

Poussons cette métaphore plus loin : fabriquer des puces revient à sculpter la Terre entière sur un grain de riz, et il faudrait y creuser toutes les routes et tous les bâtiments. Les routes représentent les pistes de la puce, et les bâtiments, ses composants électroniques. Grâce à cette métaphore, on peut se représenter la complexité et la difficulté de la fabrication des puces.

4. La purification du silicium est le fondement de l'industrie des semi-conducteurs.

Il existe de nombreux matériaux semi-conducteurs, mais dans les applications pratiques, plus de 90 % d'entre eux utilisent du silicium car son point de fusion est de 1415 degrés Celsius, ce qui permet des procédés à haute température dans la fabrication des puces.

Le silicium est extrait du sable, mais pour obtenir du silicium utilisable dans la fabrication de puces, une pureté extrêmement élevée est requise. On appelle or pur à 99.99 % (quatre neuf), mais la pureté du silicium utilisé pour les puces doit atteindre au moins onze neuf, c'est-à-dire qu'il ne doit pas y avoir plus d'un atome d'impureté pour un milliard d'atomes de silicium. Ce niveau de pureté a été atteint par les laboratoires Bell aux États-Unis en 1955. Aujourd'hui, une puce contient des centaines de milliards de composants électroniques, et les exigences de pureté pour le silicium sont encore plus élevées, d'au moins treize neuf. C'est le fondement de la fabrication des puces. Sans la maîtrise des techniques de purification du silicium, il est impossible de fabriquer une puce !

On pourrait se demander pourquoi le silicium utilisé pour fabriquer les puces doit être d'une telle pureté. Les composants électroniques d'une puce sont extrêmement petits. Si la puce est fabriquée selon un procédé de gravure de 5 nanomètres, des impuretés d'un nanomètre suffisent à la détruire. Prenons une analogie : si une route mesure 40 mètres de large et qu'un gros caillou d'un mètre de large se trouve au milieu, les voitures peuvent l'éviter sans provoquer d'embouteillage. En revanche, si la route ne mesure que 5 mètres de large et qu'un gros caillou d'un mètre de large se trouve au milieu, les voitures ne pourront pas l'éviter et la circulation sera bloquée.

Par conséquent, la fabrication de puces exige non seulement une grande pureté du silicium, mais aussi un environnement exempt de poussière à chaque étape du processus. Sa pureté est 100 000 fois supérieure à celle d'une salle d'opération chirurgicale, et la moitié du processus se déroule même sous vide. De ce fait, les usines de fabrication de puces n'ont pas eu besoin de fermer leurs portes pendant l'épidémie de COVID-19, car les employés sont protégés de la tête aux pieds. Certaines combinaisons de protection sont même équipées de systèmes respiratoires intégrés afin d'éviter toute contamination des puces par les particules issues du métabolisme humain et les gaz expirés.

5. La machine de lithographie est-elle en réalité un projecteur de circuits intégrés ??

L'appellation « machine de lithographie » est une traduction inexacte et très trompeuse. Beaucoup pensent à tort que la machine de lithographie « grave » les circuits intégrés à la surface du silicium cristallin par contact physique, à l'instar de la gravure informatique. En réalité, la puce n'est pas « gravée », mais « photographiée ». Il serait donc plus juste de parler de « projecteur de circuits intégrés ».

Lorsque la plaquette destinée à la fabrication de la puce entre dans l'étape de photolithographie, la machine projette le motif du circuit intégré sur la résine photosensible déposée à la surface de la plaquette, à travers un masque. Après exposition de la résine, la zone exposée est gravée chimiquement puis nettoyée. Le motif du circuit intégré apparaît ainsi. Le procédé de photolithographie est similaire à celui de la photographie traditionnelle : la lumière traverse le négatif pour sensibiliser le papier photographique, qui est ensuite développé et fixé dans une solution chimique.

Une puce doit subir des dizaines, voire des centaines d'étapes de photolithographie, et plusieurs processus postérieurs à la photolithographie prendront plusieurs semaines avant qu'elle puisse entrer dans la phase d'encapsulation.

Les technologies de fabrication de puces évoluent constamment, mais la plupart des technologies fondamentales qui les sous-tendent proviennent des laboratoires Bell. La contribution des laboratoires Bell à la révolution informatique restera à jamais gravée dans l'histoire.

7. Puis-je fabriquer des puces si je possède une machine de photolithographie ?

De nombreux lecteurs s'intéressent aux machines de photolithographie et pensent qu'il est possible de fabriquer des puces grâce à elles. En réalité, ce n'est pas le cas. Bien que la photolithographie joue un rôle important dans la fabrication des puces, elle ne représente qu'un des plus de 1 000 procédés nécessaires. La maîtrise des autres procédés est indispensable à la fabrication d'une puce.

En 1961, la société américaine GCA a fabriqué la première machine de photolithographie au monde. Actuellement, sept entreprises réparties dans quatre pays sont capables de fabriquer des machines de lithographie : Asmaier aux Pays-Bas, Intel, Super Technology Semiconductor et Rudolf aux États-Unis, Nikon et Canon au Japon, et SusiMicro en Allemagne.

Comme indiqué précédemment, l'industrie des semi-conducteurs repose sur les matériaux, et plus précisément sur la purification du silicium. Sans la maîtrise des techniques de purification du silicium, il est impossible de produire du silicium cristallin d'une pureté suffisante pour les puces, et donc de fabriquer des puces.

De plus, la puce contient des centaines de milliards de composants électroniques. Un circuit aussi vaste ne peut être dessiné manuellement. Il est donc indispensable d'utiliser un logiciel de conception électronique (EDA). L'EDA, qui regroupe de nombreuses disciplines, est un marché dominé par trois entreprises américaines : Kadant, Synopsys et Mentor Graphics.

L'outil de conception assistée par ordinateur (CAO) joue un rôle déterminant dans le processus de fabrication des puces. Le fonctionnement et l'intégration de la puce dépendent entièrement des capacités de conception offertes par l'outil de CAO. Même avec du silicium de haute pureté et des machines de photolithographie, sans outil de CAO ou sans savoir l'utiliser, il est impossible de fabriquer une puce.

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