du sable au processeur

Enfant on s'amuse à construire des châteaux de sable, plus tard on l'utilise pour couler le béton des fondations de sa maison mais le sable a d'autres usages, le verre et les circuit-intégrés entre autre. Dans cette chronique je présentes et commente quelques vidéos intéressants que j'ai déniché sur youtube.

Le silicium est le second élément le plus abondant de ce qui constitue la croûte de notre planète. Cependant il n'existe pas à l'état pur. Le plus souvent il se présente sous sa forme oxydé comme la majorité des éléments d'ailleurs. Pour fabriquer des semi-conducteurs il faut du silicium pur à 99.9999999%. Mais cette pureté n'est pas suffisante en elle-même, il faut que le lingo dans lequel sont découpés les disques soit monocristallin. Le vidéo suivant montre comment à partir des pépites de silicium de grade électronique poly-cristallin on fabrique ce lingot très spécial.

Procédé de Czochralski

Les pépites de silicium sont fondues dans un creuset en graphite/quartz. Un petit Crystal de silicium accroché au bout d'une tige est plongé dans ce silicium en fusion. Le creuset tourne dans un sens et la tige dans l'autre. La tige est remontée lentement et le silicium qui s'accroche au cristal initial durci en gardant la même structure cristalline que ce dernier. Le procédé est arrêté lorsqu'il n'y a plus de silicium dans le creuset. On obtient ainsi un lingot cylindrique dont le diamètre varie entre 15cm et 40cm. Le diamètre est fonction de la vitesse à laquelle est remonté la tige.

Une fois le lingot refroidit les extrémités sont coupées et la couche extérieure enlevée. De plus une surface plate est créée sur le cylindre qui va servir de guide pour le reste du procédé. Le lingot est découpé en disques en utilisant un fil d'acier recouvert de grains de diamant. Le fils est enroulé de nombreuse fois sur une série de cylindres d'entrainement avec un espacement régulier entre chaque passage. Le lingot est déposé sur ce lit de fils. Comme le fil est tiré de la bobine débitrice vers la bobine réceptrice il frotte sur le lingot et s'enfonce lentement dans celui-ci. Au final on a les disques de silicium.

Les disques obtenus sont ensuite polis sur les 2 faces pour enlever la surface abimée et les réduire à l'épaisseur désirée. Ils subissent ensuite un traitement dans un bain chimique pour encore nettoyer la surface.

Ensuite les disques de silicium subissent le polissage final. Celui-ci est effectué avec un pâte abrasive dont la granularité est extrêmement fine car la surface des disques ne doit pas avoir d'aspérités supérieures à quelques atomes d'épaisseur. Après cette étape les disques sont prêt à être acheminés vers l'usine de fabrication de circuits intégrés.

Du disque de silicium au Circuit-intégré

Le silicium pur monocristallin est isolant à la température de la pièce, pour en faire un semi-conducteur il faut introduire des impuretés. Pour construire les transistors il faut 2 types de semi-conducteurs P et N. le silicium a 4 électrons de valences et ses 4 électrons sont fixés par la structure du cristal donc le courant ne peut circulé. En ajoutant quelques atomes de phosphore dans la matrice cristalline on libère un électron car le phosphore en a 5 et que seulement 4 participent au liens covalents de la structure cristalline. Ce type de semi-conducteur est dit de type Négatif car il y a un électron qui est libre de se déplacer dans la matrice. Si au contraire on ajoute du bore qui lui à 3 électrons de valence. Il y a un défaut de liaison dans la structure cristalline. Il manque un électron pour assuré le 4ième lien covalent. Ce type de semi-conducteur est dit de type Positif car il y a un ion positif dans la structure qui va attiré un électron vers lui.

Les circuits sont construits par couches successives. La technologie est dite CMOS pour Complementary Metal Oxyde Semiconductor. C'est à dire que chaque porte logique est construite avec 2 transistors à effet de champ complémentaire, PFET et un NFET.

Lorsqu'un des transistor conduit l'autre est bloqué de sorte que le signal de sortie est soit connecté à Vdd ou à Vss. Chaque transistor est construit avec les 2 types de semi-conducteurs. Les PFET on un canal (channel) construit avec le type P et les drains et sources avec le type N. C'est l'inverse pour les NFET.

Pour injecter les ions phosphore ou bore dans la surface de silicium des canons à plasma sont utilisés. D'abord un masque est posé sur le disque et dans ce masque il y a des trous seulement aux endroits on les ions doivent-être implantés. Il y a un masque pour les transistors PFET qui sert à injectés les ions bore pour former les drains et source de ces transistors. Ensuite il y a un masque pour injecter les ions phosphore pour former les drains et sources des transistors NFET. Ensuite une couche isolante d'oxyde de silicium est déposée à la grandeur du disque. A l'étape suivante le masque pour former les gates de tous les transistors est utilisé. Les gates sont en silicium poly cristallin. Ensuite la couche isolante d'oxyde de silicium qui couvre les sources et drains doit-être enlevée pour pouvoir installer les conducteurs qui relient les transistors entre eux pour former le circuit désiré. Il peut y avoir plusieurs couches de conducteurs/isolants superposées car les fils se croisent à la surface comme pour un circuit imprimé.

Fab Intel

Finalement voici un vidéo filmé à l'intérieur d'une usine d'Intel qui fabrique les core I7. Ici il s'agit de disque de 40cm. Le procédé est presqu'entièrement automatisé. Ces usines coûtent plusieurs milliards de dollars Américains à fabriquer. L'air doit-être filtré avec des filtres extrêmement fins afin d'être débarrassée de toutes les poussières.