Étapes pour préparer une chips comme une pizza familiale

Si nous considérons une chips comme une pizza, le premier ingrédient dont nous avons besoin pour préparer sa base est le silicium, l’un des matériaux les plus abondants dans la croûte terrestre. Aujourd’hui, on ne trouve pas de pierres de silicium dans les campagnes et on n’en extrait pas non plus de l’intérieur de la terre dans une exploitation minière. La farine ne pousse pas non plus seule.

Le silicium n’est présent dans la nature que sous forme de dioxyde de silicium, SiO₂. Des exemples en sont le quartz et le sable de plage. Pour les chips, tu dois le traiter du quartz en le soumettant à haute température avec du charbon de bois et des copeaux de bois : nous ne parlons pas d’une haute technologie elfique mais plutôt d’une forge d’orc !

Le lingot de la taille d’une pizza familiale

Le silicium métallurgique est purifié et fondu, au cours d’un processus de plusieurs heures, pour obtenir un lingot cylindrique (monocristallin) cristallographiquement parfait de quelques mètres de long et 30 centimètres de diamètre.

Ce lingot est découpé en disques d’environ un millimètre d’épaisseur, en tranches. Et c’est à travers ces disques que sont répliqués les circuits intégrés. Une tranche peut contenir des centaines ou des milliers de circuits intégrés similaires en fonction de la taille du circuit et de la tranche.

Le processus prend plusieurs semaines et se déroule dans des usines si avancées technologiquement qu’elles chevauchent celle de Willy Wonka et un bateau Star Trek. Une fois le processus de fabrication terminé, le fonctionnement de chaque circuit intégré sur la plaquette est vérifié et les circuits défectueux sont marqués.

Un petit morceau de pizza

Ensuite, les wafers sont découpés avec une scie de précision (on est sur une échelle micrométrique) individualisant chaque circuit intégré en puces (de l’anglais « bit »). Ceux qui sont fonctionnels sont assemblés et connectés dans leur encapsulation finale.

Le temps nécessaire pour obtenir une puce complexe depuis sa conception jusqu’à sa fabrication, ses tests et son encapsulation est de plusieurs mois, rien de moins qu’une grossesse.

Retirez ce qui reste

Tout comme une maison est construite étage par étage à partir d’une séquence de plans, toutes les puces de la plaquette sont fabriquées couche par couche de manière solidaire. Chacun de ces niveaux implique le dépôt ou la croissance contrôlée d’une fine couche d’un matériau isolant ou conducteur (de quelques nanomètres à un micron environ d’épaisseur) ou la modification des couches sous-jacentes.

Des couches de matériaux sont déposées sur toute la plaquette et retirées là où elles ne présentent pas d’intérêt. Imaginons qu’elles ressemblent à la tomate sur la pizza.

Chaque couche possède un motif qui, en séquence avec les autres, définira la structure verticale de la puce, configurant un chemin possible à suivre pour les électrons afin que le circuit remplisse la fonction pour laquelle il a été conçu.

Les motifs sont dessinés sur la base selon un procédé appelé photolithographie, qui signifie littéralement graver dans la pierre avec la lumière. Dans ce cas, la pierre est la base de silicium et les couches que nous y avons disposées, et la lumière est le ciseau fin que nous utilisons pour définir des motifs de l’ordre du micron ou moins.

Le nombre de niveaux qui définissent une puce donnée dépend de sa complexité et peut varier de quelques unités à plusieurs dizaines. Cette phase du processus est si complexe qu’elle constitue la base de la difficulté de fabriquer les puces, leur rareté, et la raison pour laquelle ils sont devenus l’approvisionnement stratégique mondial.

La cuisine la plus propre du monde

Les environnements de fabrication spéciaux où se déroulent tous ces processus sont appelés salles blanches, pas tant pour sa couleur que pour sa propreté. L’une de ses caractéristiques est la filtration exhaustive et continue de l’air pour éliminer autant que possible les particules de l’environnement dont les tailles pourraient compromettre le succès de la fabrication des puces si elles finissaient par se déposer sur les tranches.

L’air des salles blanches contient cent à un million de fois moins de particules que l’air ordinaire que nous respirons dans un bureau.

Le dilemme de l’eau

Les réactifs chimiques utilisés dans la fabrication des chips sont d’une extrême pureté. Quant à l’eau nécessaire aux mélanges chimiques, au nettoyage et au rinçage des plaquettes, elle est exempte de particules et même d’ions : on parle d’eau désionisée à haute résistivité, qu’il faut générer sur site dans des usines spécialisées. En fait, le processus de fabrication des puces nécessite beaucoup d’eau.

En période de sécheresse, les agriculteurs taïwanais ne voient pas d’un bon oeil l’industrie microélectronique de leur pays, responsable des deux tiers des puces fabriquées pour des tiers dans le monde.

A un autre niveau, la station d’épuration des eaux déminéralisées du Institut de Microélectronique de Barcelone traite environ 5 000 litres d’eau par jour pour alimenter les différents points d’approvisionnement des 1 500 mètres carrés de surface de travail de son Salle blanche de micro et nanofabrication.

Des usines comme un terrain de football

Les zones où se déroulent les processus de photolithographie sont les plus critiques. Ainsi, en plus d’être les plus propres, ils reposent sur des dalles sismiques qui minimisent les vibrations.

Les salles blanches industrielles occupent une superficie équivalente à plusieurs terrains de football et peuvent traiter des dizaines de milliers de plaquettes par mois. Ceux capables de traiter des puces avec des technologies plus avancées ont une consommation d’électricité et d’eau équivalente à celle d’une ville de plusieurs dizaines de milliers d’habitants. Les construire à partir de zéro peut prendre quelques années et nécessite un investissement d’environ 20 milliards d’euros. Son régime de production maximale n’est atteint que plusieurs années plus tard.

Les semi-conducteurs génèrent un chiffre d’affaires direct d’environ six cent milliards d’euros et ils soutiennent également le marché beaucoup plus vaste des applications numériques dans leur ensemble. C’est la pizza la plus chère du monde, certes, mais elle s’avère payante dans un monde où il y a des chips sur tous les menus.