Améliorer les rendements de fabrication des semi-conducteurs avec des alliages optimisés

Améliorer le rendement de fabrication des semi-conducteurs avec des matériaux optimisés

Masroor Malik, responsable du marché des semi-conducteurs, et Shelly Tang, ingénieure métallurgiste principale chez Swagelok

Dans le secteur hautement concurrentiel des semi-conducteurs, innover rapidement est un impératif. Une grande partie du monde moderne nécessite de développer des puces électroniques toujours plus puissantes constituées de transistors de plus en plus petits pour atteindre les puissances de traitement souhaitées. La loi de Moore, qui énonce que le nombre de transistors dans une puce donnée double tous les deux ans, se vérifie de depuis les années 1970 et continue d’influer sur le développement des transistors.

Les fabricants doivent bien sûr concilier ces exigences d’innovation avec leur propre capacité à maximiser à la fois production et rentabilité. Comment y parvenir ? Selon un récent rapport publié par McKinsey & Company¹, plusieurs stratégies courantes – diminuer les coûts de main-d’œuvre, réduire la consommation de matériaux et réduire les dépenses liées aux approvisionnements à l’échelle mondiale – se sont avérées efficaces à court terme, mais n’ont pas produit de gains de rentabilité à long terme.

Les auteurs du rapport laissent plutôt entendre qu’il serait plus efficace pour les fabricants de semi-conducteurs d’améliorer les rendements de fabrication de bout en bout pour maîtriser les coûts et maintenir une rentabilité plus élevée. « L’optimisation du rendement de fabrication est depuis longtemps considérée comme un objectif très important mais difficile à atteindre, et constitue dès lors un possible avantage concurrentiel », indique McKinsey.

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Il est possible d’améliorer le rendement de fabrication de bout en bout de différentes manières. Cependant, un domaine parfois négligé du procédé de fabrication des semi-conducteurs offre des possibilités notables : les systèmes fluides et leurs composants, qui transportent les gaz halogènes réactifs du réservoir jusqu’à la chambre de dépôt. Alors que les conditions du procédé deviennent plus exigeantes – avec des gaz réactifs moins denses et plus corrosifs –, il est impératif que ces systèmes offrent un niveau de performance le plus élevé possible, ce qui dépend en grande partie des matériaux dans lesquels ces systèmes sont fabriqués.

Dans l’environnement actuel de production de puces électroniques, il est souvent impossible d’atteindre un tel niveau de performance avec des aciers inoxydables de moindre qualité. Découvrons comment des composants de systèmes fluides fabriqués dans des matériaux de meilleure qualité peuvent contribuer à un rendement de fabrication plus élevé de bout en bout, et ce dont les fabricants de semi-conducteurs devraient tenir compte pour choisir des aciers inoxydables.

L’incidence des systèmes fluides sur le rendement de fabrication.

Deux facteurs clés liés aux systèmes chargés de transporter des liquides ou des gaz ont un impact sur le rendement de fabrication : les contaminations et la corrosion.

Tout d’abord, à mesure que la taille des transistors diminue, la résistance aux contaminations devient de plus en plus importante dans des environnements de production ultra purs. Même en quantité minime, des particules étrangères microscopiques peuvent causer des problèmes majeurs. Des composants de systèmes fluides bien choisis limitent le risque de voir des contaminants pénétrer dans l’environnement de fabrication des puces, ce qui permettra d’obtenir des volumes plus élevés de puces exploitables au cours d’un cycle de production.

Ensuite, comme les procédés de fabrication des semi-conducteurs utilisent de plus en plus des gaz très corrosifs pouvant nécessiter des températures d’exploitation plus élevées, le risque de corrosion augmente. Toute immobilisation de ces systèmes liée au besoin de remplacer une vanne, un raccord ou un tube corrodés peut entraîner un arrêt de production et réduire considérablement le rendement de fabrication global. Ces situations peuvent être évitées en utilisant des matériaux plus résistants à la corrosion. La sécurité est ici un autre aspect important, un composant défaillant pouvant provoquer une fuite potentiellement dangereuse.

Obtenir de meilleures performances en choisissant les matériaux utilisés de manière stratégique.

Un acier inoxydable haute performance à la formulation équilibrée en éléments résiduels est indispensable pour les environnements de fabrication des semi-conducteurs.

Par exemple, des teneurs élevées en chrome, en nickel et en molybdène augmentent à la fois la résistance du matériau et sa capacité à résister à la corrosion résultant du contact avec des fluides corrosifs. Certains éléments résiduels doivent impérativement être présents dans la formulation. Par exemple, une teneur spécifique en soufre est nécessaire pour optimiser l’état de surface et la soudabilité du composant. Associer toutes ces caractéristiques de performance dans un alliage est un exercice difficile qui nécessite un fabricant possédant un niveau élevé d’expérience et de connaissance en métallurgie et en physique des matériaux.

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Par ailleurs, la propreté et la pureté sont deux facteurs d’une importance cruciale dans la fabrication des semi-conducteurs. La propreté peut être améliorée en utilisant un acier inoxydable contenant très peu d’impuretés, obtenu par des procédés comme la décarburation à l’argon-oxygène (AOD), la fusion à induction sous vide (VIM) ou la refusion à l’arc sous vide (VAR). Des méthodes rigoureuses doivent également être mises en œuvre par le fabricant pour les essais et le contrôle de la qualité. Des méthodes comme le contrôle par ultrasons et les essais aux courants de Foucault, entre autres, permettent en effet de détecter les moindres imperfections internes ou externes susceptibles de compromettre la pureté de l’alliage. Des traitements post-usinage, comme l’électropolissage ou la passivation pour certains matériaux, peuvent encore améliorer la propreté des composants.

Pour limiter les contaminations de leurs procédés, améliorer la résistance de leurs systèmes fluides à la corrosion et obtenir des rendements de fabrication plus élevés de bout en bout, les fabricants de semi-conducteurs devraient se tourner vers des fournisseurs de composants reconnus, qui comprennent les besoins particuliers de leurs applications critiques et qui proposent des solutions dont la fonctionnalité et les matériaux de fabrication ont été optimisés.

Un fournisseur idéal doit être capable de…

• Comprendre parfaitement les enjeux liés aux matériaux et les difficultés propres à la fabrication des semi-conducteurs
• S’approvisionner en acier inoxydable de la meilleure qualité auprès de fournisseurs reconnus
• Respecter des normes rigoureuses en matière de composition chimique et de traitement des matériaux
• Tester rigoureusement et minutieusement tous les aciers inoxydables
• Exercer un contrôle strict des matériaux tout au long du processus de fabrication
• Garantir une traçabilité totale de tous les aciers inoxydables, des matières premières jusqu’à l’expédition

Pour un fabricant de semi-conducteurs désireux de maximiser le rendement de sa production dans un secteur hautement concurrentiel, les efforts déployés pour chercher un fournisseur possédant chacune de ces qualités en valent la peine. En effet, le retour sur investissement de produits performants, bien conçus et fabriqués dans des matériaux adaptés – qui vont limiter les contaminations et la corrosion – est potentiellement très important.

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¹ « Taking the next leap forward in semiconductor yield improvement », McKinsey & Company, 2 mai 2018.

Masroor Malik est responsable du marché des semi-conducteurs chez Swagelok. Au cours des vingt-deux années qu’il a passées dans l’entreprise, il a acquis une expérience technique considérable au contact de clients de ce secteur. Il est diplômé de l’université du Nebraska de Lincoln ainsi que de l’école de management de la Case Western Reserve University.

Shelly Tang est ingénieure métallurgiste principale chez Swagelok. Avec près de vingt années passées à ce poste, Shelly possède une grande expérience de la physique des matériaux appliquée aux systèmes fluides utilisés dans diverses applications critiques. Elle est titulaire d’un doctorat en sciences de l’ingénieur et physique des matériaux obtenu à l’université d’État de Pennsylvanie.