A la découverte de l’industrie des semi-conducteurs

Qu’est-ce qu’un semi-conducteur ?

Un semi-conducteur est un matériau solide aux propriétés physiques particulières qui dans des conditions classiques ne conduit pas le courant électrique (il est dit “isolant”) mais peut être “conducteur” dans d’autres conditions, par exemple lorsqu’on augmente la température.

Ces propriétés en font un composant essentiel de l’ensemble des objets électroniques actuels : smartphones, ordinateurs mais également l’IoT et de manière croissante l’automobile.

Comment produit-on une puce semi-conductrice ?

Le matériau de base utilisé est le silicium qui possède les propriétés semi-conductrices adéquates, c’est également le deuxième matériau le plus abondant dans la croûte terrestre. Son approvisionnement ne constitue pas un enjeu important.

La production de puce consiste en une série de traitements d’une plaque de silicium afin de booster ses propriétés électriques et sa résistance à la lumière. On grave sur cette plaque le motif de plusieurs puces puis on empile les couches de silicium qu’on vient trancher afin d’obtenir un “wafer” (tranche en français) :

Ce wafer est ensuite conditionné pour que l’on puisse venir extraire individuellement chaque puce semi-conductrice. Ces puces sont ensuite utilisées pour développer des circuits électroniques complexes.

L’Industrie 4.0 et les projets de transformation qu’elle entraîne ont fait croître l’utilisation des matériaux semi conducteurs. Le déploiement de la 5G notamment nécessite l’installation de périphériques mobilisant ces matériaux.
Face à l’augmentation des besoins, essentiellement pour des projets économiques stratégiques, les industriels ainsi que les États doivent s’organiser.

La course à l’indépendance

Taïwan possède à lui seul 90% de la production mondiale de semi-conducteurs, rendant le reste du monde extrêmement dépendant des échanges vers ce pays. La crise du covid-19 a donc entraîné une pénurie sans précédent de semi-conducteurs mettant en grandes difficultés de nombreuses industries. 

En 2023, ce sont encore 2,8 millions de véhicules qui ne pourront pas être fabriqués dans le monde dû à cette pénurie, les producteurs mettant du temps à rattraper le retard pris pendant la pandémie. 

En 2023, l’UE a voté le Chips Act, un objectif : accélérer la production de ses propres semi-conducteurs pour ne plus dépendre du marché asiatique.
Afin de remporter ce combat stratégique, les entreprises STMicroelectronics, constructeur franco-italien et Infineon,

industriel allemand constituent les bras armés de l’UE en qualité des plus grands producteurs actuels européens de semi-conducteurs.

Pour répondre aux besoins, de nouvelles usines sortent de terre. Par exemple celle de STMicro avec l’américain Globalfoundries en France. Un projet à près de 6 milliards d’euros qui est le plus gros investissement industriel de ces 40 dernières années en France

Une industrie aux multiples enjeux

Tout d’abord, l’industrie des semi-conducteurs est une industrie de précision. Les différents processus industriels mis en jeu impliquent de travailler à l’ordre du millimètre et même du nanomètres. Dans certains cas, c’est plus de 1400 étapes à réaliser.

On peut ajouter à celà une exigence extrêmement importante lors de la fabrication. Pour être rentable, le rendement de production globale doit être supérieur à 90%, autrement dit, il doit être supérieur à 99% à chaque étape de fabrication. 

Cette exigence de rentabilité s’explique par les coûts des différents équipements, chaque machine coûte plus d’1 millions d’euros. TSMC, le leader taïwanais a prévu d’investir 25 milliards de dollars en 2024 afin d’acquérir de nouveaux équipements.

Obtenir de nouveaux équipements pour produire plus via deux leviers : multiplier les lignes de production et produire des wafers au diamètre plus large afin de multiplier le nombre de puces par wafer. En 2023, le marché des équipements de production s’élevait à 80 milliards de dollars.

Pour répondre aux enjeux de productivité, les producteurs de semi-conducteurs ne sont pas étrangers à l’industrie 4.0. Il y a deux enjeux principaux auxquels les nouvelles technologies répondent :  la détection de défauts dans la production des wafers ainsi que la maintenance prédictive.

Pour la détection des défauts, le challenge est : comment détecter une puce défaillante quand leur taille de gravure oscille entre 10nm et 5nm ?

Pour la maintenance prédictive, un arrêt des machines est particulièrement catastrophique au vu des exigences de rentabilité.

Le big data et l’intelligence artificielle permettent d’optimiser massivement le traitement de ces problématiques. Les équipements récoltent des millions de points de données extrêmement difficiles à exploiter. Déployer une stratégie d’analyse des données, notamment à l’aide du machine learning, permet de capitaliser sur la collecte de ces données. 

Les entreprises de cette industrie ont besoin d’être accompagnées sur ces différentes stratégies afin d’organiser au mieux les différents flux de données et plus généralement de déployer une organisation précise permettant d’optimiser leur exploitation.

L’industrie des semi-conducteurs n’a pas fini d’être au centre de l’actualité. Les investissements sont colossaux. Sans approvisionnement régulier et suffisant de ce carburant technologique, pas d’industrie 4.0, pas de développement de l’industrie automobile… Le développement de cette industrie en Europe  se définit donc comme un  prérequis au développement d’industries de pointe dans notre pays.