L’industrie des semi-conducteurs m’a toujours semblé être un secteur éloigné dans lequel la fabrication additive n’avait pas grand-chose à faire, jusqu’à l’édition 2024 du salon Formnext où j’ai découvert plusieurs applications intéressantes rendues possibles par cette technologie. Plus je me plonge dans ce sujet, plus je me rends compte que ces deux secteurs peuvent s’entraider.
Pour ceux qui découvrent les semi-conducteurs, gardez à l’esprit que cette industrie englobe tout ce qui concerne la conception et la fabrication de semi-conducteurs et de dispositifs à semi-conducteurs, tels que les transistors et les circuits intégrés.
« Lorsque nous parlons de l’industrie des semi-conducteurs, nous faisons référence aux puces électroniques qui nous entourent, des téléphones, tablettes, centres de données et accélérateurs aux voitures, avions et satellites. L’industrie des équipements pour semi-conducteurs (SCE) fabrique les équipements utilisés pour produire ces puces. En ce qui concerne la fabrication, il est important de clarifier un point : il existe souvent une confusion entre l’électronique imprimée et les applications de fabrication additive dans l’industrie des semi-conducteurs. Il s’agit de deux sujets différents, qui doivent être abordés séparément », précise d’emblée le Dr Ahmed El Desouky, directeur de la fabrication additive chez Veeco.
Même si ce secteur est le moteur de l’industrie électronique dans son ensemble, c’est le déséquilibre entre l’offre et la demande qui régit la dynamique d’une année sur l’autre. Il est intéressant de noter que les défis qui se posent tout au long de cette chaîne d’approvisionnement ont en quelque sorte conduit à l’opportunité d’utiliser la FA.
Ce dossier vise à aider les industriels à comprendre :
- Les exigences de miniaturisation, la loi de Moore et les contraintes de fabrication des équipements
- L’utilisation de la FA dans l’industrie des semi-conducteurs
- Les défis et les perspectives d’avenir
Même si nous souhaitions mettre en avant un large éventail d’applications rendues possibles par la FA, l’accent restera mis sur la compréhension des défis et des cas d’utilisation spécifiques aux fabricants d’équipements pour semi-conducteurs.
La loi de Moore
Selon le Dr El Desouky, la loi de Moore illustre parfaitement l’opportunité que les fabricants d’équipements pour semi-conducteurs (en anglais Semiconductor Capital Equipment – SCE) ont vue dans l’exploration de l’utilisation de la FA.
« Il y a soixante ans, Moore a observé que le nombre de composants par circuit intégré doublerait tous les deux ans, et cette loi est restée valable depuis lors », explique le Dr El Desouky.
Repère historique : Gordon Moore prévoyait en 1965 un doublement annuel, puis a révisé cette cadence à deux ans en 1975. Cette projection industrielle ne décrit pas à elle seule les difficultés d’approvisionnement.
Plusieurs décennies plus tard, on constate qu’au fil du temps, les appareils produits par les équipementiers du monde entier sont de plus en plus complexes, tout comme la complexité des micropuces qui les alimentent.
La complexité des puces impose des exigences croissantes aux équipements de production. Les fabricants doivent concilier performance, fiabilité et disponibilité des composants. Les difficultés d’approvisionnement peuvent allonger les délais, qui varient selon les équipements et les fournisseurs.
« Les fabricants d’équipements pour semi-conducteurs tels que Veeco jouent un rôle essentiel dans le respect de la loi de Moore, mais cela implique des défis technologiques importants. Cela représente également une opportunité pour adopter de nouvelles technologies telles que la fabrication additive. La nécessité de développer constamment et rapidement de nouveaux matériaux, processus et architectures correspond parfaitement à la liberté de conception et à l’innovation qu’apporte la FA », souligne le directeur de la FA.
L’utilisation de la FA dans l’industrie des semi-conducteurs
Il est désormais clair que les fabricants de SCE se tournent vers la FA pour produire des pièces pour leurs machines existantes ou pour fabriquer des composants hautement sophistiqués.
La couverture de Formnext 2024 a montré des pistes pour fabriquer des composants d’équipements : fusion laser sur lit de poudre, dépôt sous énergie dirigée, jet de liant métallique, extrusion de métal lié à un polymère, stéréolithographie et fabrication de céramiques par lithographie. Leur pertinence dépend de la pièce et de sa qualification. L’impression jet d’encre électrohydrodynamique concerne notamment la fabrication de structures électroniques : elle doit être distinguée des applications sur les pièces des machines abordées ici.
Pour le Dr El Desouky, « parmi toutes ces technologies, la plus mature reste la fusion laser sur lit de poudre. C’est le procédé de FA que nous utilisons le plus actuellement, puisque l’année dernière, Veeco a acquis le système NXG XII 600 de Nikon SLM Solutions pour atteindre nos objectifs de production », ajoute-t-il.
Nikon SLM Solutions a annoncé l’acquisition du NXG XII 600 par Veeco le 8 octobre 2024. L’appréciation de la maturité des procédés dans l’entretien correspond à l’expérience de Veeco.
« Il existe des dizaines et des dizaines d’applications qui utilisent des semi-conducteurs, mais leur impact sur la chaîne d’approvisionnement se fait principalement sentir dans les réseaux de communication, les infrastructures réseau et les appareils destinés aux utilisateurs finaux. Cela dit, la fabrication de semi-conducteurs est un processus très complexe qui repose sur différents types d’équipements pour effectuer de nombreuses tâches différentes », a déclaré Eilis Taylor, ingénieur en fabrication additive, pour présenter les applications rendues possibles par la fabrication additive. Ces tâches peuvent inclure le mélange de gaz, le dépôt, le masquage et le découpage.
Les structures en treillis et les canaux internes offrent des possibilités de conception pour les équipements. Les exemples discutés ici concernent trois axes : l’optimisation structurelle, la gestion thermique et la circulation des fluides.
« Chez Veeco, certaines des principales applications dans lesquelles la FA joue un rôle clé comprennent les injecteurs de gaz pour les collecteurs et les échangeurs de chaleur à refroidissement par eau », indique Taylor.
Dans les échangeurs de chaleur, la FA permet d’explorer des réseaux de canaux et des surfaces d’échange difficiles à réaliser avec certaines méthodes conventionnelles. Le gain dépend de la géométrie, du matériau, des conditions d’utilisation et du procédé de référence.
3D Systems décrit un gain de précision de 1 à 2 nm grâce à l’optimisation thermique de tables à plaquettes. Il s’agit d’un gain annoncé pour des applications d’équipement, et non d’une précision absolue garantie pour toute pièce imprimée en 3D ou d’une mesure présentée par Veeco.
« Étant donné que nous imprimons en 3D des pièces de machines, nous pouvons explorer de nombreuses combinaisons de matériaux dans ce secteur (métal, plastique, céramique…) », commence le Dr El Desouky.
« En réalité, la plupart des combinaisons de procédés existantes ont d’abord été conçues pour d’autres secteurs. Les industries qui ont été les premières à adopter la FA développent des matériaux spécifiques à leurs applications, et c’est ce que nous devons faire dans l’industrie des semi-conducteurs, où la FA en est encore à ses balbutiements », poursuit Taylor.
« Il existe un potentiel d’expansion dans de nombreux domaines, notamment les métaux réfractaires et les céramiques. Nous ne sommes pas obligés d’utiliser les mêmes alliages que ceux que nous avons toujours utilisés pour le moulage et l’usinage. Nous pourrions rechercher des alliages capables de répondre aux besoins spécifiques de certaines applications dans le domaine des semi-conducteurs », ajoute le Dr El Desouky.
Défis et perspectives d’avenir
La conversation avec les experts de Veeco met en évidence le choix et la qualification des matériaux comme un défi majeur pour les fabricants de SCE. Les matériaux de FA susceptibles de répondre aux exigences de performance strictes des dispositifs semi-conducteurs peuvent être difficiles à identifier, car ils doivent offrir des propriétés électriques, thermiques et mécaniques, toutes essentielles pour libérer le potentiel de la FA dans les semi-conducteurs.
La répétabilité et la qualification restent déterminantes. Les exigences de propreté, de sécurité et de performance doivent être examinées pour chaque équipement et chaque client ; une comparaison générale avec l’aérospatiale ne suffit pas à les définir.
Nous n’avons pas abordé ce point, mais je pense que la contrainte de « répétabilité » pourrait poser des défis lors de la mise à l’échelle de la FA dans ce secteur vertical, en particulier lorsqu’il s’agit de maintenir des performances constantes des appareils.
Étant donné que nous n’en sommes encore qu’aux prémices de l’adoption de la FA dans ce secteur vertical, il n’est pas surprenant que le coût unitaire de certains composants reste relativement élevé par rapport aux procédés de fabrication traditionnels. Cependant, comme pour de nombreuses applications dans d’autres industries, l’utilisation de la FA dans ce secteur vertical doit toujours être « axée sur le produit ».
Enfin, si les lignes ci-dessus soulignent les avantages de la FA pour l’industrie des semi-conducteurs, les défis qui restent à relever inciteront les fournisseurs de technologies de FA à collaborer avec les fabricants de SCE afin de développer des solutions spécifiques aux applications des semi-conducteurs.
Notes de l’éditeur
Pour discuter de ce sujet, nous avons invité le Dr Ahmed El Desouky et Eilis Taylor de Veeco Instruments. Leurs commentaires ont été modifiés afin de garantir la clarté et la concision. Les portraits sont fournis par Veeco ; le crédit de 3D Systems figure sous son illustration.
Veeco conçoit des équipements de traitement des semi-conducteurs, notamment pour le traitement humide et laser, la lithographie et plusieurs techniques de dépôt. L’acquisition du NXG XII 600 en 2024 illustre son investissement dans la fabrication additive.
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