Les feuilles de route des puces se discutent en général en termes de conception et de lithographie. De plus en plus, ce qui fait bouger la date, c'est la capacité à rendre un matériau assez pur, assez uniforme et en volume suffisant.
La contrainte s'est déplacée vers les matériaux
Longtemps, les progrès sont venus de la miniaturisation des motifs, avec pour l'essentiel le même jeu de matériaux. À mesure que c'est devenu plus difficile, les avancées ont davantage dépendu de l'introduction de nouveaux matériaux dans l'empilement, et de leur intégration sans rien casser d'autre.
Nouveaux diélectriques de grille, nouveaux métaux et barrières d'interconnexion, nouveaux matériaux de canal, nouveaux substrats de boîtier. Chacun est un problème de qualification matériaux qui prend des années.
Un nouveau nœud n'attend pas qu'un circuit soit conçu. Il attend que quelqu'un prouve qu'un matériau peut être déposé uniformément sur une plaquette, sur toutes les plaquettes, pendant des années.
Cela rejoint directement la question des effectifs semi-conducteurs. La Semiconductor Industry Association et Oxford Economics ont projeté environ 115 000 nouveaux emplois américains dans les semi-conducteurs d'ici 2030, dont près de 67 000 risquant de rester non pourvus aux taux actuels de sortie de diplôme. Les métiers matériaux se cachent dans ce chiffre, et comptent parmi les moins visibles.
Ce que couvre la direction
Le périmètre : silicium, semi-conducteurs composés et diélectriques, les matériaux dont sont faites les puces.
Quatre domaines.
Silicium et croissance cristalline. Comment on fait croître des monocristaux, comment on produit les plaquettes, et ce que signifient les défauts pour le rendement des composants.
Semi-conducteurs composés. Nitrure de gallium, carbure de silicium, arséniure de gallium et matériaux apparentés pour les applications de puissance, radiofréquence et optoélectroniques.
Diélectriques, métaux et couches minces. Les couches isolantes et conductrices, comment elles sont déposées, et comment elles se comportent à des épaisseurs de quelques atomes.
Matériaux de boîtier. Substrats, sous-remplissages, matériaux d'interface thermique et encapsulants, un domaine de plus en plus important à mesure que le boîtier avancé devient un levier de performance.
Une pureté à une échelle difficile à se représenter
L'exigence qui distingue ce domaine de toute autre discipline matériaux.
Les matériaux semi-conducteurs sont spécifiés à des niveaux de pureté où la contamination se compte en parties par milliard ou moins, et où une seule particule au mauvais endroit détruit une puce.
Quatre conséquences pratiques pour les effectifs.
Le contrôle de la contamination est une discipline, pas une règle. Tout ce qui touche le matériau est une source potentielle : le contenant, la ligne de gaz, le gant, la personne. Ceux qui ont intégré cela se comportent différemment de ceux à qui on l'a simplement expliqué.
La métrologie doit détecter ce qu'on ne voit pas. Mesurer une contamination en parties par milliard et une épaisseur de couche à l'échelle atomique exige des techniques spécialisées et des personnes qui en connaissent les limites.
L'uniformité compte autant que la pureté. Un film doit avoir la même épaisseur sur toute une plaquette de 300 millimètres, et être identique sur la plaquette suivante. Le contrôle de procédé à ce niveau, c'est le vrai travail.
La qualification de la chaîne d'approvisionnement est lente. Changer de fournisseur chimique exige une qualification poussée, ce qui explique pourquoi la base de fournisseurs est étroite et pourquoi les perturbations se propagent.
Les interfaces, là où les composants tombent vraiment en panne
Un composant est un empilement de couches minces, et la plupart des problèmes vivent là où deux couches se rencontrent plutôt qu'à l'intérieur de l'une d'elles.
Interdiffusion. Les atomes migrent à travers les interfaces, surtout en température, ce qui modifie le comportement électrique avec le temps.
États d'interface. Une liaison imparfaite à une interface crée des pièges électriques qui dégradent la performance et la fiabilité. C'est un problème central dans les composants à large bande interdite.
Adhérence et contraintes. Des couches à dilatation thermique différente accumulent des contraintes pendant la mise en œuvre et le cyclage thermique, provoquant délamination ou fissuration.
Électromigration. Le passage du courant déplace physiquement les atomes de métal avec le temps, provoquant à terme des circuits ouverts. Une limite de fiabilité connue de longue date dans les interconnexions.
La compétence qui compte est donc la compréhension des couches minces et des interfaces, un métier différent de la conception de composants.
Où cela se situe dans le domaine
Matériaux électroniques et semi-conducteurs est la huitième des onze directions du domaine matériaux avancés d'Astra Trainer, reliée aux céramiques pour les substrats et diélectriques, à la nanotechnologie pour les outils de fabrication, à l'ingénierie de surface pour les couches minces, et aux minéraux critiques pour la chaîne d'approvisionnement.
Elle se combine directement avec le domaine semi-conducteurs, électronique et quantique, qui compte neuf directions dont la physique des semi-conducteurs et des composants, la conception de puces et VLSI, et la fabrication de semi-conducteurs et le boîtier avancé. Les partenaires qui construisent une capacité de fab ou de boîtier cadrent en général les deux, car la couche matériaux et la couche procédé sont le même problème vu de deux côtés. Vous pouvez découvrir les onze directions ici.
La large bande interdite, et pourquoi c'est une histoire de fabrication
Le carbure de silicium et le nitrure de gallium sont les semi-conducteurs composés les plus importants commercialement, utilisés dans l'électronique de puissance pour les véhicules électriques, les chargeurs, les équipements de réseau et les entraînements industriels.
L'avantage physique du composant est établi : ils supportent des tensions plus élevées, commutent plus vite et tolèrent plus de chaleur que le silicium, ce qui donne des systèmes de puissance plus petits et plus efficaces.
La contrainte, ce sont les matériaux, et il vaut la peine d'être précis sur pourquoi.
La croissance cristalline est plus difficile. Ces matériaux sont plus difficiles à faire croître avec une faible densité de défauts que le silicium, et les défauts réduisent le rendement et la fiabilité.
Les substrats sont chers. Ce qui affecte directement le coût du composant et constitue le principal frein dans les applications sensibles au coût.
La qualité d'interface est la limite de fiabilité. L'interface diélectrique dans ces composants est depuis longtemps un défi d'ingénierie, et c'est un problème de matériaux et de mise en œuvre.
La mise en œuvre diffère du silicium. L'expérience silicium existante ne transfère que partiellement, donc on ne peut pas simplement déplacer des effectifs d'un côté à l'autre.
L'implication pour les effectifs : une organisation qui entre dans l'électronique de puissance a besoin de compétences matériaux et défauts, pas seulement de concepteurs de composants, et elle trouvera cette compétence plus rare qu'elle ne l'imagine.
Les métiers, nommés
Ingénieurs croissance cristalline et plaquettes. Population restreinte, longue montée en compétence.
Ingénieurs procédés couches minces. Dépôt et gravure, l'une des plus grandes populations d'ingénierie en fab.
Spécialistes caractérisation des matériaux et métrologie. Mesurer ce qui a été fabriqué, à la résolution requise.
Ingénieurs défauts et rendement. Relier les défauts matériaux aux pannes électriques, là où se joue l'argent.
Spécialistes contrôle de la contamination et gestion chimique.
Ingénieurs matériaux de boîtier. En forte croissance avec le boîtier avancé.
Ingénieurs fiabilité travaillant sur les mécanismes de défaillance liés aux matériaux.
Ingénieurs chaîne d'approvisionnement et qualification matériaux. Qualifier de nouvelles sources, un travail lent, essentiel et rarement doté correctement.
Qui peut y être formé
Ingénieurs matériaux et chimistes. Ont besoin du contexte propre aux semi-conducteurs et de la discipline de pureté.
Techniciens procédés en fab. Travaillent déjà quotidiennement avec ces matériaux et manquent souvent de la science des matériaux sous-jacente. C'est la reconversion la plus courte et le plus grand vivier disponible, et cela rejoint l'idée plus large que la couche technicien est là où le déficit d'effectifs semi-conducteurs est le plus grand.
Ingénieurs chimistes. Vers la gestion chimique, la distribution de gaz et de liquides, et la chimie de procédé.
Chimistes analystes et microscopistes. Vers la caractérisation et la métrologie.
Ingénieurs électroniciens. Ont besoin de la couche matériaux pour travailler sur la fiabilité des composants.
Personnel d'autres industries ultra-propres. Fabrication pharmaceutique et optique de précision, où la culture du contrôle de la contamination existe déjà.
Danger chimique et contrôle des exportations. La mise en œuvre des matériaux semi-conducteurs implique des produits chimiques très dangereux, dont des gaz pyrophoriques et toxiques, sous des régimes de contrôle stricts, et le travail exige une autorisation propre au site et une qualification supervisée sur des équipements spécifiques. Par ailleurs, certains matériaux, équipements et données techniques des semi-conducteurs relèvent du contrôle des exportations dans plusieurs juridictions, et partager des informations techniques peut lui-même constituer une activité contrôlée. La formation construit la compréhension scientifique et procédurale. Elle ne confère ni autorisation de site, ni qualification pour un travail dangereux, ni aucune habilitation au contrôle des exportations.
Ce qu'il faut retenir
La contrainte de la feuille de route s'est déplacée vers les matériaux et l'intégration, et la qualification matériaux se mesure en années.
Les exigences de pureté et d'uniformité n'ont d'équivalent nulle part ailleurs dans l'industrie, ce qui fait du contrôle de la contamination une discipline comportementale plutôt qu'une procédure.
Les composants tombent en panne aux interfaces, donc la compétence en couches minces et interfaces est celle qui compte, et elle diffère de la conception de composants.
L'électronique de puissance à large bande interdite est limitée par la qualité cristalline, le coût des substrats et la fiabilité des interfaces, donc y entrer demande des personnes matériaux et défauts, pas seulement des concepteurs.
Et les techniciens procédés en fab constituent la reconversion la plus courte et le plus grand vivier, ce qui correspond à l'endroit où le déficit d'effectifs semi-conducteurs est le plus important globalement.
Pourquoi les matériaux limitent-ils les progrès des puces ?
Parce que les avancées exigent de plus en plus d'introduire de nouveaux matériaux dans l'empilement et de les intégrer sans rien casser d'autre, et chaque nouveau matériau est un problème de qualification qui se mesure en années.
Pourquoi la pureté compte-t-elle autant ?
La contamination est spécifiée en parties par milliard ou moins, et une seule particule peut détruire une puce. Cela fait du contrôle de la contamination une discipline qu'on intègre plutôt qu'une règle qu'on suit.
Où les composants semi-conducteurs tombent-ils en panne ?
Généralement aux interfaces : interdiffusion, états d'interface, contraintes et délamination, et électromigration dans les interconnexions. Rarement dans le volume d'une couche.
Qu'est-ce qui limite le carbure de silicium et le nitrure de gallium ?
La croissance cristalline à faible densité de défauts, le coût des substrats, et la qualité de l'interface diélectrique. L'avantage physique du composant est établi ; la contrainte, ce sont les matériaux et la fabrication.
Où cela se situe-t-il dans le domaine ?
Huitième des onze directions du domaine matériaux avancés d'Astra Trainer, en tandem avec le domaine semi-conducteurs, électronique et quantique. Vous pouvez les découvrir ici.