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Défis industriels du 450 mm

Miniaturisation des transistors et agrandissement des wafers : comprendre les enjeux technologiques
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À partir du 200 mm, l’industrie a décidé de standardiser les caractéristiques des wafers, les dernières spécifications du 450 mm destinées aux équipementiers ayant été publiées en mars dernier. L’une des données définies par les standards est l’épaisseur de la galette qui est de 0,725 mm en 200 mm, 0,775 mm pour une galette de 300 mm et sera de 0,925 mm pour du 450 mm. Comme le montre le diagramme ci-contre, cette dernière valeur est plus épaisse que ce qui était proportionnellement attendu.

Affaissement gravitationnel

L’épaisseur est une donnée très importante, car elle va affecter la structure de la galette. Un wafer de 300 mm pèse 128 g et on s’attend à ce qu’un modèle 450 mm tourne autour de 335 g. Or, plus un wafer est lourd et plus l’affaissement gravitationnel (le fait que le wafer plie sous l'effet de son propre poids) a des conséquences importantes sur son intégrité. Un wafer de 450 mm d’une épaisseur de 0,925 mm aura un affaissement autour de 0,350 mm. C’est plus que pour le 300 mm qui tournait à 0,100 mm. Pour combler ce défaut, il faudrait augmenter l’épaisseur du wafer afin de solidifier sa structure, mais cela coûterait trop et comporterait d’autres problèmes physiques. Les équipementiers devront donc innover pour s’assurer que les wafers restent utilisables. De plus, un modèle plus grand est aussi plus sensible aux vibrations lors de son transport.


Grands wafers, grands problèmes


L'augmentation du diamètre comporte aussi d’autres défis. En schématisant, la fabrication d’une galette demande du sable extrêmement propre et d’une structure atomique spécifique (le sable provient souvent des côtes australiennes) que l’on va traiter chimiquement pour le purifier à 99,999 % et obtenir un quartz (SiO2) qui est placé dans un creuset que l'on va chauffer à plus de 1 600 °C (température légèrement supérieure au point de fusion du silicium, mais en dessous de son point d’ébullition). Au bout d’une tige, on place une graine cristal de silicium qui est la plus petite forme complète du cristal et qui mesure entre 1 mm et 3 mm. On plonge la graine dans le bain, ce qui va entamer un processus de cristallisation. On retire alors la tige petit à petit pour obtenir une barre de silicium monocristalline (il s’agit d’un gros cristal et non d’un ensemble de cristaux). Ce procédé explique, en grande partie, pourquoi le wafer a une forme cylindrique. Une vidéo intéressante publiée sur YouTube décrit le phénomène mentionné.



Plus le diamètre d’un wafer est grand et plus le poids de la barre est important. En passant du 300 mm au 450 mm on est obligé de produire un bloc monocristallin deux fois plus lourd (940 kg), ce qui peut poser des problèmes lors de sa manipulation. Il y a aussi de plus grands risques de dislocation (malformation du cristal), ce qui oblige les fabricants à refondre la barre et recommencer. De plus, avec l’augmentation de la taille du wafer les temps nécessaires à l’extraction du monocristal sont multipliés par deux et la période de refroidissement de la barre demande deux à quatre fois plus de temps que l’ancienne génération.

Un changement de discours

Nous avons néanmoins assisté à un changement de mentalité des détracteurs du 450 mm ces dernières années. On se souvient qu’en 2006, de nombreux fondeurs et équipementiers, plus petits que les Samsung, Intel ou TSMC, clamaient que l’on resterait éternellement en 300 mm. Aujourd’hui, la demande les a motivés à travailler sur des éléments de réponses et l’utilisation de wafers de 450 mm dans cinq à sept ans semble devenir une réalité.