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1. Contexte et industrie

Les progrès technologiques rapides et la demande croissante de produits intelligents à haut rendement ont encore consolidé l'industrie des circuits intégrés (CI) en tant que pilier stratégique du développement national. En tant que fondement de l'écosystème des CI, le silicium monocristallin de qualité semi-conducteur est au cœur de l'innovation technologique et de la croissance économique.

Selon l'International Semiconductor Industry Association, le marché mondial des plaquettes de silicium a enregistré 12,6 milliards de dollars de ventes, avec des expéditions atteignant 14,2 milliards de pouces carrés. La demande continue d'augmenter régulièrement.

L'industrie est très concentrée : les cinq principaux fournisseurs représentent plus de 85 % de la part de marché mondiale—Shin-Etsu Chemical (Japon), SUMCO (Japon), GlobalWafers, Siltronic (Allemagne), et SK Siltron (Corée du Sud)—ce qui souligne la forte dépendance de la Chine à l'égard des plaquettes de silicium monocristallin importées. Cette dépendance est un goulot d'étranglement majeur qui contraint le développement des CI du pays. Le renforcement de la R&D et de la capacité de production nationales est donc impératif.

2. Silicium monocristallin : aperçu des matériaux

Le silicium monocristallin est à la base de la microélectronique moderne ; plus de 90 % des puces de CI et des appareils électroniques sont fabriqués sur du silicium. Sa domination découle de plusieurs attributs :

• Abondance et sécurité environnementale : Le silicium est abondant dans la croûte terrestre, non toxique et respectueux de l'environnement.

• Isolation électrique et oxyde natif : Le silicium fournit naturellement une isolation électrique ; lors de l'oxydation thermique, il forme SiO₂, un diélectrique de haute qualité qui empêche la perte de charge.

• Infrastructure de fabrication mature : Des décennies de développement de procédés ont produit un écosystème de croissance et de fabrication de plaquettes profondément raffiné et évolutif.

Structurellement, le silicium monocristallin est un réseau continu et périodique d'atomes de silicium—le substrat essentiel à la fabrication de puces.

Flux de processus (niveau élevé) : Le minerai de silicium est raffiné pour produire du silicium polycristallin, qui est ensuite fondu et transformé en un lingot monocristallin dans un four de croissance cristalline. Le lingot est tranché, rodé, poli et nettoyé pour obtenir des plaquettes destinées au traitement des semi-conducteurs.

Classes de plaquettes :

• Qualité semi-conducteur : Très haute pureté (jusqu'à 99,999999999 %, « 11 nines ») et strictement monocristallin, avec des exigences strictes en matière de qualité des cristaux et de propreté de surface.

• Qualité photovoltaïque : Pureté inférieure (99,99 %–99,9999 %) et spécifications moins exigeantes en matière de qualité des cristaux et de surface.

Les plaquettes de qualité semi-conducteur exigent également une planéité, une douceur de surface et une propreté supérieures, ce qui augmente la complexité du processus et la valeur d'utilisation finale.

Évolution du diamètre et économie : Les normes de l'industrie sont passées de 4 pouces (100 mm) et 6 pouces (150 mm) à 8 pouces (200 mm) et 12 pouces (300 mm) pour les plaquettes. Des diamètres plus grands offrent plus de surface de matrice utilisable par cycle de traitement, améliorant ainsi le rendement et réduisant les pertes de bord—une évolution motivée par la loi de Moore et l'économie de fabrication. En pratique, la taille des plaquettes est adaptée à l'application et au coût : par exemple, la mémoire utilise couramment 300 mm, tandis que de nombreux dispositifs de puissance restent sur 200 mm.

Grâce à des procédés précis—photolithographie, implantation ionique, gravure, dépôt et traitements thermiques—les plaquettes de silicium permettent une large gamme d'appareils : redresseurs haute puissance, MOSFET, BJT et composants de commutation qui alimentent l'IA, la 5G, l'électronique automobile, l'IoT et l'aérospatiale—moteurs essentiels de la croissance économique et de l'innovation.

3. Technologie de croissance du silicium monocristallin

La méthode Czochralski (CZ)

Proposée par Jan Czochralski en 1917, la méthode CZ (tirage de cristaux) produit efficacement de gros monocristaux de haute qualité à partir de la fusion. Aujourd'hui, c'est l'approche dominante pour le silicium : environ 98 % des composants électroniques sont à base de silicium, et ~85 % de ceux-ci reposent sur des plaquettes cultivées par CZ. La CZ est privilégiée pour sa qualité cristalline, son diamètre contrôlable, ses vitesses de croissance relativement rapides et son débit élevé.

Principe et équipement : Le processus CZ fonctionne à haute température dans des conditions de vide/inerte à l'intérieur d'un four de croissance cristalline. Le silicium polycristallin est chargé dans un creuset et fondu. Un cristal germe entre en contact avec la surface de la fusion ; en contrôlant avec précision la température, la vitesse de tirage et la rotation de la graine et du creuset, les atomes à l'interface fusion–solide se solidifient en un seul cristal avec l'orientation et le diamètre souhaités.

Étapes typiques du processus :

1. Préparation et chargement de l'outil : Démontage, nettoyage et rechargement du four ; élimination des contaminants du quartz, du graphite et d'autres composants.

2. Pompage, remplissage et fusion : Mise sous vide, introduction d'argon et chauffage pour faire fondre complètement la charge de silicium.

3. Ensemencement et croissance initiale : Abaisser la graine dans la fusion et établir une interface solide–liquide stable.

4. Épaules et contrôle du diamètre : S'étendre au diamètre cible et maintenir un contrôle strict via la température et la rétroaction de la vitesse de tirage.

5. Tirage constant : Maintenir une croissance uniforme au diamètre défini.

6. Arrêt et refroidissement : Achever le cristal, arrêter et décharger le lingot.

Exécutée correctement, la méthode CZ donne du silicium monocristallin de grand diamètre et à faible défaut, adapté à la fabrication de semi-conducteurs de pointe.

4. Défis et orientations de la production

Le passage à des diamètres plus grands tout en préservant la perfection cristalline pose des défis importants, en particulier en matière de prédiction et de contrôle des défauts:

• Variabilité de la qualité et perte de rendement : À mesure que le diamètre augmente, les champs thermiques, de flux et magnétiques à l'intérieur du four deviennent plus complexes. La gestion de ces effets multiphysiques couplés est difficile, ce qui entraîne des incohérences dans la qualité des cristaux et des rendements inférieurs.

• Limitations du système de contrôle : Les stratégies actuelles mettent l'accent sur les paramètres macroscopiques (par exemple, le diamètre, la vitesse de tirage). Le contrôle des défauts à petite échelle dépend encore fortement de l'expertise humaine, qui est de plus en plus inadéquate pour les exigences des CI à l'échelle micro/nano.