« Les anneaux ALD ne sont pas nécessairement la première application de la fabrication additive (FA) dans l’industrie des semi-conducteurs, mais ils sont les plus innovants », a déclaré Johannes Homa, CEO et fondateur de Lithoz, à 3D ADEPT Media. « Leur importance réside dans la façon dont ils démontrent la valeur de la fabrication additive pour relever les principaux défis de la fabrication des semi-conducteurs. »
Cette déclaration audacieuse a immédiatement soulevé une douzaine de « pourquoi » dans mon esprit. Heureusement, Homa a pris 50 minutes de son quart de travail du mercredi pour éclaircir ces zones d’ombre.
Pour cet entretien de juin 2025, nous abordons les équipements pour semi-conducteurs, au-delà des applications médicales de Lithoz. Selon la Semiconductor Industry Association, le secteur a livré 1 150 milliards de semi-conducteurs en 2021. Ce volume de puces situe l’importance industrielle du secteur ; il ne mesure pas le marché accessible aux pièces imprimées en 3D.
Notre dossier « Comment la FA et l’industrie des semi-conducteurs peuvent s’entraider », publié dans l’édition de janvier/février 2025 de 3D ADEPT Mag, examine les exigences de performance et d’approvisionnement des équipementiers avec Veeco. La loi de Moore concerne l’évolution de la densité des composants et doit être distinguée des perturbations logistiques. L’entretien avec Johannes Homa approfondit ici le cas des anneaux ALD.
Pourquoi des anneaux ALD ?
Les anneaux de distribution de gaz étudiés ici sont utilisés dans des équipements de dépôt par couches atomiques (ALD), un procédé de dépôt de films minces sur un substrat. La fabrication d’une puce comporte de nombreuses opérations répétées : dépôt, application de résine photosensible, lithographie, gravure, implantation ionique et mise en boîtier en sont des exemples. Elle ne se résume pas à six opérations uniques.
Un anneau ALD peut mal fonctionner, être mal aligné ou provoquer un dépôt non uniforme. Il risque alors de contaminer la plaquette, de faire varier l’épaisseur du film ou d’entraîner le rejet de la plaquette (rebut).
« L’anneau contrôle le flux de gaz utilisé pour déposer des couches ultrafines de matériau (souvent d’une épaisseur d’une seule couche atomique) sur la surface de la plaquette. Il joue un rôle crucial dans l’ensemble de la machine, en particulier dans le processus de dépôt et dans la gravure et l’accumulation de matériaux pendant la fabrication des puces. Traditionnellement, ce processus prenait beaucoup de temps, car la gravure et le dépôt se déroulaient en deux étapes distinctes, ce qui nécessitait de déplacer la plaquette entre différentes machines ou de modifier les conditions de la chambre à plusieurs reprises, ce qui ralentissait la production.
Ce que nous avons appris du nouveau FALP (Fast atomic layer processing) mis au point par le Dr Stephan Wege de Plasway, c’est que les innovations dans la conception des équipements ALD – au-delà de l’anneau lui-même – permettent la gravure et le dépôt dans la même machine et le même cycle de processus sans rupture du vide ou changement d’outils.
Historiquement, ces anneaux étaient fabriqués à partir de métaux avec des buses conçues pour distribuer uniformément les gaz à l’intérieur de la chambre. Cependant, les anneaux métalliques sont souvent confrontés à deux problèmes majeurs : la résistance à la corrosion et la garantie d’une distribution homogène des gaz. L’ALD fonctionnant à l’échelle de couches atomiques uniques, la reproductibilité de la fabrication de ces anneaux est donc essentielle », explique Homa.
La fabrication additive est une piste pour concevoir la circulation des gaz et améliorer la reproductibilité de ces composants. Son intérêt doit être évalué au regard de la géométrie, du matériau et du procédé de fabrication de référence.
Pourquoi la fabrication de céramiques par lithographie (en anglais, LCM – lithography-based ceramic manufacturing ) de Lithoz en particulier ?
Différents procédés de FA peuvent produire des pièces d’équipement, en métal ou en céramique. Leur aptitude à fabriquer un anneau destiné à une installation ALD donnée ne peut toutefois pas être présumée. Cet entretien porte sur l’exemple céramique réalisé par LCM.
L’échange avec Lithoz aborde trois critères à examiner : les capacités de fabrication, la durée de fonctionnement et le coût. Ils doivent être comparés pour une même application et dans des conditions définies.
Capacités de fabrication
Dans le procédé LCM, des particules céramiques sont dispersées dans un liant photosensible, puis mises en forme par exposition à la lumière, couche par couche. Le déliantage élimine ensuite la phase organique, avant le frittage de la céramique. Les contrôles et éventuelles finitions dépendent de l’application.
« Nous sommes particulièrement actifs dans les zones fonctionnelles centrales de l’équipement semi-conducteur – les zones où se déroulent les processus critiques tels que la gravure, le dépôt de matériaux et le nettoyage des plaquettes de silicium. Ces zones sont exposées à des environnements chimiques et thermiques extrêmement difficiles. C’est précisément là que les céramiques hautes performances, et par extension la fabrication de céramiques par lithographie (LCM), entrent en jeu », souligne le CEO en parlant des applications des anneaux ALD.
Les propos de Homa décrivent notamment une architecture de traitement associant dépôt et gravure. Il ne faut pas en déduire que tout équipement ALD réalise ces deux opérations dans un plasma : l’ALD comprend des variantes thermiques et assistées par plasma. L’environnement et les contraintes du matériau varient selon le procédé.
Pour l’exemple présenté, Lithoz met en avant des canaux internes complexes destinés à mieux distribuer les gaz. La précision géométrique de l’anneau et le contrôle d’un dépôt à l’échelle atomique sont deux grandeurs distinctes. Le second dépend du fonctionnement de l’ensemble de l’équipement.
« Si l’alumine reste le matériau clé pour la fabrication des anneaux ALD, le nitrure d’aluminium (en particulier pour les composants tels que les plaques chauffantes), le YAG, l’oxyde d’yttrium et le carbure de silicium sont d’autres céramiques techniques qui peuvent être explorées pour des applications dans le domaine des semi-conducteurs », souligne Homa.
Temps
La fiche d’application Lithoz datée d’octobre 2024 rapporte deux comparaisons pour un anneau en alumine de 380 mm : une production multipliée par trois face à un anneau céramique conventionnel, et une durée de fonctionnement passant d’un à neuf mois face à un anneau métallique. Ces résultats déclarés pour cette application ne constituent pas une garantie générale de cadence ou de durée de vie.
Coût
L’intérêt économique dépend notamment de la durée entre remplacements, des arrêts évités et des pièces conformes produites. Il faut aussi intégrer le coût du composant, sa qualification, les opérations de maintenance et la période de comparaison.
Une modification de conception peut améliorer la répartition des gaz, la durée de fonctionnement ou le rendement. Le pourcentage d’amélioration doit cependant être rattaché à une grandeur mesurable : l’expression « 0,01 % de la conception » ne définit pas à elle seule une variation de rendement ou de disponibilité.
La question est de savoir combien ?
Le scénario de 240 000 dollars d’économies quotidiennes évoqué dans la version initiale de cet article n’est accompagné ni d’un calcul vérifiable, ni du nombre d’équipements concernés, ni d’une base de coûts documentée. Il ne peut donc pas être retenu comme résultat démontré. Une estimation exploitable nécessite ces paramètres et une comparaison avant/après à périmètre constant.
Pour cette application spécifique, Homa a déclaré à 3D ADEPT que « jusqu’à 100 imprimantes CeraFab System peuvent être synchronisées, indépendamment de leur emplacement, qualifiant cette technologie rapidement évolutive comme un facteur précieux dans la relocalisation de la production de semi-conducteurs ».
Autres applications de la FA dans l’industrie des semi-conducteurs
Au-delà des anneaux, Homa cite les égaliseurs de gaz, les buses de distribution, les plaques chauffantes et les plaques de refroidissement comme pistes pour la FA céramique. Chaque composant nécessite sa propre évaluation technique et économique.
Il ne s’agit là que des premières étapes d’un parcours plus vaste pour Lithoz dans le secteur des semi-conducteurs. Restez à l’écoute pour découvrir les prochaines étapes de l’entreprise autrichienne.
Ce contenu a été créé en collaboration avec Lithoz. Les propos de Johannes Homa ont été modifiés par souci de concision et de clarté. Découvrez plus en détail les capacités technologiques de Lithoz dans ces articles « FOCUS ».
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