Formation à la fabrication de semi-conducteurs

Tout commence par des lingots de silicium de haute pureté, généralement produits dans une usine de fabrication spécialisée selon un procédé dit de « Czochralski » et vendus à des fonderies et fabs de semi-conducteurs.

Pour la fabrication des wafers, les lingots de silicium sont découpés en fines tranches circulaires. Ces wafers sont ensuite polies pour obtenir une surface lisse. Des machines appelées scieuses de wafers tranchent les lingots, tandis que des machines de rodage et de polissage polissent les wafers.

Une fine couche de dioxyde de silicium est cultivée à la surface des wafers. Cette couche sert d’isolation et facilite les étapes ultérieures du processus de fabrication. Cette opération est réalisée à l’aide de fours spéciaux dits « d’oxydation ».

Cette étape permet de définir la disposition du circuit sur le wafer. Un matériau sensible à la lumière, appelé résine photosensible, est appliqué sur le wafer, puis un motif est projeté sur celui-ci à l’aide d’une machine spéciale appelée « stepper ». Cette machine fonctionne comme un projecteur, mais avec un contrôle très précis. Des systèmes automatisés d’alignement des masques permettent de garantir précision et uniformité.

Lors de la gravure sélective, le matériau est retiré de la surface du wafer en fonction de la résine photosensible modélisée. Cette étape permet de définir les caractéristiques de l’appareil à semi-conducteur. Il existe différents types de machines à graver : les machines à graver par voie humide, qui utilisent des solutions chimiques, et les machines à graver par voie sèche, qui utilisent des gaz ou du plasma.

Les processus de photolithographie et de gravure sont répétés sur chacune des couches du wafer.

La « deposition » consiste à déposer de fines couches de matériaux sur la surface du wafer afin de structurer les circuits et d’obtenir les caractéristiques souhaitées. Les systèmes Chemical vapor deposition (CVD) introduisent des gaz précurseurs dans une chambre de réaction, où ils permettent de former un film fin. Les systèmes Physical vapor deposition (PVD) utilisent des procédés physiques (par ex. l’évaporation ou la pulvérisation) pour déposer des matériaux sur la surface du wafer.

Le dopage, quant à lui, consiste à introduire des impuretés dans le matériau du semi-conducteur afin d’en modifier les propriétés électriques. L’implantation d’ions est une méthode de dopage courante. Les implanteurs ioniques accélèrent les ions dans la surface du wafer pour implanter des dopants à des profondeurs spécifiques. Les fours de diffusion chauffent le wafer en présence de gaz dopants afin de diffuser les dopants dans le matériau semi-conducteur.

Également appelée métallisation, cette étape consiste à ajouter des couches métalliques sur le wafer afin de connecter les différents composants du circuit et de fournir un chemin pour l’écoulement du courant. Pour ce faire, on utilise des systèmes de deposition semblables à ceux utilisés pour la deposition. Une fois le métal déposé, il est modelé par photolithographie pour créer les fils.

Les composants électroniques tels que les condensateurs, les transistors, les résistances et les diodes peuvent être intégrés dans les appareils semi-conducteurs au cours du processus de fabrication, à différentes étapes, en fonction du type d’appareil semi-conducteur fabriqué.

Les appareils semiconducteurs sont séparés, emballés et testés pour garantir leur fonctionnalité et leur fiabilité. Les die bonders fixent les puces individuelles aux substrats d’emballage, les wire bonders relient les puces aux conducteurs de l’emballage, les équipements d’encapsulation scellent les puces dans des matériaux protecteurs et les systèmes de test effectuent des tests électriques pour vérifier les performances des dispositifs. Les machines EDS (Electric die sorting) sont utilisées pour tester les caractéristiques électriques de chaque puce et les trier en fonction de leurs performances.

Un programme d’intégration pour les nouveaux employés dans l’industrie de fabrication de semi-conducteurs doit couvrir des sujets essentiels afin d’assurer une compréhension complète des principes fondamentaux et des processus de fabrication des semi-conducteurs.

Une introduction à la physique des semi-conducteurs , comprenant des concepts tels que la théorie des bandes, le dopage et la mobilité des supports, ainsi qu’un examen de la chaîne de valeur de l’industrie des semi-conducteurs préparent le terrain. Ensuite, une vue d’ensemble des matériaux semi-conducteurs, des structures des appareils et de leurs caractéristiques aide les nouveaux employés à comprendre les bases.

L’exploration des processus de fabrication des semi-conducteurs, notamment la photolithographie, la gravure, la deposition et l’emballage, permet de mieux comprendre les subtilités de la production. Introduction au fonctionnement et à la maintenance des équipements de fabrication, ainsi qu’aux outils de métrologie, afin de se familiariser avec les outils essentiels du métier.

Le protocole pour les salles blanches et les normes de  sécurité  sont cruciales pour assurer le contrôle de la pollution et la sécurité sur le lieu de travail. Les principes du contrôle de la qualité et les techniques d’analyse des données viennent compléter le programme et soulignent l’importance de la qualité des produits et de l’optimisation des processus.

En se concentrant sur ces principaux sujets, les nouveaux employés acquièrent une solide compréhension de la fabrication des semi-conducteurs qui leur permettra de se faire une place dans l’industrie.

La fabrication de semi-conducteurs est caractérisée par la numérisation, puis qu’elle constitue la base des technologies de l’industrie 4.0 telles que l Internet industriel des objets (IIoT), les  systèmes cyber-physiques, la fabrication additive, la réalité augmentée (RA), la réalité virtuelle (RV), l’intelligence artificielle (IA), l’analyse des big data et d’autres innovations de pointe. Dans ce contexte, la numérisation des techniques d’automatisation d’usine permet d’optimiser les processus de production et d’améliorer l’efficacité opérationnelle

La mécatronique, un domaine multidisciplinaire combinant l’ingénierie mécanique, électrique et informatique, est essentielle pour comprendre et entretenir les machines complexes et les systèmes robotiques utilisés dans la production de semi-conducteurs. En outre, les installations de fabrication évoluant jusqu’à devenir des lignes de production interconnectées, les opérateurs ont besoin de compétences en technologies de mise en réseau pour assurer une communication et une coordination sans faille entre les équipements et les systèmes. Les plateformes MES jouent un rôle essentiel dans l’optimisation des processus de production, la programmation et l’affectation des ressources, ce qui exige des opérateurs qu’ils maîtrisent leur fonctionnement et leur utilisation.

En outre, l’accent étant de plus en plus mis sur  l’efficacité énergétique, les employés doivent connaître les principes de gestion de l’énergie, en particulier dans des domaines tels que les systèmes électriques et l’utilisation de l’air comprimé, afin de réduire la consommation énergétique et de l’impact sur l’environnement des installations de fabrication de semi-conducteurs.

Les robots, qu’ils soient industriels ou mobiles, font désormais partie intégrante de l’environnement des fabs modernes.

Les robots industriels manipulent les wafers de silicium tout au long du processus de fabrication. Ils sont utilisés dans les opérations d’assemblage et d’emballage des semi-conducteurs pour prélever et placer (Pick and Place) les composants avec une grande précision. Les robots industriels contribuent aux processus de gravure et de deposition en positionnant avec précision les substrats et les masques dans les chambres de traitement. On les retrouve dans les domaines de la métrologie et de l’inspection, voire de la maintenance des salles blanches. Différents robots sont utilisés selon la tâche, tels que les robots articulés, cartésiens, collaboratifs (cobots), et autres.

Les robots mobiles autonomes ou semi-autonomes   sont également utilisés pour la manipulation des matériaux (transport de matériaux, de composants ou de produits finis entre différentes zones de l’installation de fabrication), la gestion des stocks (suivi et localisation des wafers de semi-conducteurs, des composants ou des outils) et les tâches d’inspection.

Les API sont largement utilisés dans les systèmes de fabrication de semi-conducteurs pour contrôler et coordonner divers processus. La maîtrise des compétences en matière d’API est essentielle pour les personnes qui travaillent dans les domaines de l’automatisation industrielle, de la fabrication et du contrôle des processus, car elle leur permet de programmer, d’utiliser et d’entretenir efficacement les API afin d’optimiser les processus de production et d’assurer le bon fonctionnement des machines industrielles.

La compréhension des composants matériels des API  est essentielle pour la sélection, l’installation, la configuration et le dépannage des systèmes API. La maîtrise des langues de programmation d’APIest indispensable pour développer, tester et déboguer des programmes d’API à l’aide de logiciels de programmation professionnels. En outre, l’intégration de caractéristiques de sécurité dans les programmes d’API, telles que les circuits d’arrêt d’urgence, les verrouillages et les relais de sécurité, est cruciale.

Les API étant souvent intégrés dans un réseau industriel, les techniciens doivent également savoir comment les API s’interfacent avec les différents équipements et systèmes de fabrication dans les fabs de semi-conducteurs. Il s’agit notamment de comprendre les technologies des capteurs, les types d’actionneurs, les protocoles de communication et les mécanismes d’échange de données utilisés pour intégrer les API à des équipements tels que les robots, les chambres à vide, les systèmes d’administration de produits chimiques et les outils de métrologie. La configuration des interfaces de communication des API, l’établissement des connexions réseau et le dépannage des problèmes de communication nécessitent une bonne connaissance des protocoles de communication industriels.

En outre, les employés doivent être capables de collecter, traiter et analyser les données générées par les API afin de surveiller les performances des processus, d’identifier les écarts et d’optimiser les processus de production.

Les systèmes électriques jouent un rôle essentiel dans l’alimentation, le contrôle et la surveillance des équipements et des processus de fabrication des semi-conducteurs.

Tous les techniciens doivent avoir une solide compréhension des bases de l’ingénierie électrique et de l’électronique, telles que les principes électriques, notamment la tension, le courant, la résistance, la puissance et les circuits. La formation aux pratiques de sécurité électrique, y compris les procédures de verrouillage/étiquetage, l’utilisation correcte de l’équipement de protection individuelle (EPI) et les précautions à prendre pour travailler avec des équipements haute tension, est primordiale.

Les moteurs électriques sont largement utilisés dans les machines et les systèmes de fabrication de semi-conducteurs car ils sont efficaces, précis et fiables. Leur capacité à fournir des performances constantes, associée à une maintenance réduite, fait des moteurs électriques un choix privilégié pour l’alimentation d’appareils critiques tels que les bras robotiques, les systèmes de convoyage, les pompes à vide et les systèmes de manipulation des wafers dans les usines de fabrication de semi-conducteurs.

Les contrôleurs de moteurs électriques assurent l’efficience, la précision, la fiabilité et la sécurité des processus de production. Leur vitesse, leur couple, leur direction et leur position peuvent être réglés à l’aide de technologies de base telles que les relais, les moteurs pas à pas et les servo-variateurs, les variateurs de fréquence et les API. etc.

Les compétences en électronique sont indispensables à la main-d’œuvre chargée de la fabrication de semi-conducteurs, car elles leur permettent de saisir les principes sous-jacents de la technologie des semi-conducteurs, d’optimiser les processus de fabrication, de faire fonctionner des équipements sophistiqués, et de dépanner et réparer, même les tableaux de circuits. La maîtrise de la théorie des circuits, de l’électronique de puissance, de l’électronique analogique et de l’électronique numérique est particulièrement utile dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs, où des composants et systèmes électroniques complexes sont utilisés dans les équipements de production.

Les composants pneumatiques et électropneumatiques sont couramment utilisés dans les équipements de fabrication de semi-conducteurs à diverses fins, notamment pour l’actionnement, le contrôle et la manipulation. La technique du vide garantit l’alignement et la stabilité des wafers pendant les processus de photolithographie et de gravure. Les pompes et les distributeurs pneumatiques assurent un approvisionnement précis et constant en gaz et en produits chimiques.

Compte tenu du besoin de haute précision, d’automatisation complexe et d’optimisation basée sur les données dans la fabrication des semi-conducteurs, la pneumatique numérique (composants pneumatiques équipés d’une technologie d’automatisation numérique) offre des fonctions améliorées, un contrôle précis et des capacités de communication.

Ces technologies permettent d’offrir des solutions rentables et performantes avec des temps de réponse rapides, une installation et une maintenance simples, propreté et adaptabilité. En outre, les systèmes pneumatiques ne produisent pas d’étincelles et sont intrinsèquement sûrs, ce qui permet de les utiliser dans les environnements explosifs que l’on trouve couramment dans les installations de fabrication de semi-conducteurs.

Les capteurs jouent un rôle essentiel dans la surveillance, le contrôle et l’optimisation de divers processus, équipements et environnements afin de garantir la production de semi-conducteurs de haute qualité. Les capteurs surveillent température, pression, écoulement, niveau, propriétés optiques, vibrations, position, entre autres, fournissant un retour d’information en temps réel sur les conditions du processus. Les opérateurs peuvent ainsi maintenir des paramètres optimaux et détecter rapidement tout écart susceptible d’avoir une incidence sur la qualité des produits.

Ces dernières années, les capteurs intelligents et leur intégration transparente dans les systèmes de commande industriels ont porté l’automatisation à de nouveaux niveaux, offrant une meilleure efficacité, une précision accrue et une grande fiabilité.

Bien que les fabs de semi-conducteurs soient des environnements hautement automatisés et high-tech, des compétences de base sont nécessaires pour faire fonctionner les machines et les systèmes :

Les pompes et les systèmes de tuyaux font partie intégrante des installations de fabrication de semi-conducteurs. Ils facilitent divers processus et opérations, tels que l’acheminement de produits chimiques et de gaz, le refroidissement, la production de vide et la gestion des déchets.

Les systèmes d’entraînements mécaniques reposent sur des composants (par ex. des bandes, des chaînes, des roues dentées) qui transmettent la puissance et le mouvement des moteurs aux pièces mobiles des machines de traitement des semi-conducteurs.

Le câblage électrique industriel joue un rôle essentiel dans la fourniture d’énergie et de connectivité à diverses machines et divers systèmes afin qu’ils puissent fonctionner de manière fiable et efficace.

Une métrologie dimensionnelle de base et une utilisation correcte des outils à main courants sont essentielles pour assurer l’efficacité des tâches de maintenance et de réparation sur les équipements et les machines de production.

Dans la fabrication des semi-conducteurs, les systèmes de chauffage, de ventilation, de climatisation (CVC) et de réfrigération sont essentiels pour maintenir les conditions environnementales précises nécessaires à une production de haute qualité. Ces systèmes contrôlent la température, l’humidité et la qualité de l’air, autant d’éléments essentiels au processus de fabrication.

Les techniciens doivent savoir utiliser les outils de surveillance pour suivre ces métriques environnementales. Leur aptitude technique doit s’étendre à la compréhension des systèmes de commande CVC et à la manière dont ces systèmes s’intègrent aux autres systèmes et processus de l’installation. Ils doivent également comprendre les concepts de base de la réfrigération, tels que les principes fondamentaux de la thermodynamique et le cycle de réfrigération.

La fabrication de semi-conducteurs nécessite une variété d’instruments de traitement et de contrôle pour assurer un contrôle, une surveillance et une optimisation précis des variables de processus telles que l’écoulement, le niveau, la pression, la température, le pH et la conductivité. Les exemples les plus courants sont les débitmètres, les capteurs de pH et les pressostats. Les émetteurs, les distributeurs et les autres appareils de terrain sont également des composants essentiels de ces boucles de procédés.

Les systèmes de contrôle et d’acquisition de données en temps réel (SCADA) et les systèmes numérique de contrôle-commande (SNCC) sont des exemples de systèmes de commande automatisés qui ajustent les paramètres de process sur la base du retour d’information des capteurs afin de maintenir les conditions souhaitées et d’obtenir une qualité constante des semi-conducteurs. Ces systèmes régulent les débits de gaz, les dosages de produits chimiques et les réglages des équipements avec une grande précision et une grande répétabilité. Les systèmes SCADA permettent généralement de surveiller et de visualiser les données de processus en temps réel, tandis que les systèmes SNCC permettent un contrôle et une coordination centralisés de l’équipement et des opérations de processus.

Le fabricant de semi-conducteurs est fortement tributaire d’une eau ultra-pure contenant un minimum de contaminants. Les systèmes Ultra-Pure Water (UPW) utilisent des méthodes de purification avancées telles que l’osmose inverse, la déionisation et la filtration pour répondre à des normes de qualité rigoureuses. Cette eau purifiée fait partie intégrante de divers processus de fabrication, notamment le nettoyage des wafers, le mélange de produits chimiques et le rinçage. Le maintien de la qualité et de la quantité des eaux industrielles est primordial pour assurer des procédures de production cohérentes et responsables.

En outre, l’eau est également un réfrigérant essentiel qui protège les équipements contre la surchauffe et garantit des performances optimales. Étant donné que le fabricant de semi-conducteurs génère des eaux usées contenant divers produits chimiques et contaminants, des procédés d’épuration efficaces sont indispensables avant que l’eau ne soit rejetée, recyclée ou réutilisée. Cela permet de réduire la consommation d’eau et l’impact sur l’environnement, et de garantir des pratiques de fabrication durables.

L’excellence opérationnelle et la qualité des produits sont des piliers essentiels de la fabrication des semi-conducteurs, qui nécessitent une compréhension approfondie de divers principes pour garantir l’efficacité, la fiabilité et l’excellence des produits.

Comprendre les concepts de production optimisée, notamment la réduction des déchets, l’amélioration continue et la cartographie de la chaîne de valeur, permet aux employés d’optimiser les processus et d’éradiquer les inefficacités dans l’ensemble de la fabrication de semi-conducteurs.

La maîtrise des techniques de maîtrise statistique des processus (MSP) aide les opérateurs à surveiller et à gérer les processus de fabrication, en maintenant la cohérence et en identifiant rapidement les écarts susceptibles de compromettre la qualité des appareils.

La connaissance des principes de la maintenance productive totale (TPM;  total productive maintenance) est indispensable pour garantir la fiabilité des équipements, réduire les temps d’arrêt et maximiser le rendement global des équipements (OEE) dans les installations de fabrication de semi-conducteurs.

En outre, la maîtrise de sujets supplémentaires tels que l’organisation des postes de travail Poka Yoke, 5S, l’analyse de la chaîne de valeur et la cartographie, et les méthodes Six Sigma, enrichit encore les compétences des employés et améliore les opérations de fabrication.

La mise à disposition d’équipements reproduisant l’environnement des fabs de semi-conducteurs permet aux étudiants de se familiariser avec les machines et les technologies standard de l’industrie.

En proposant des exercices pratiques, des expériences et des projets qui simulent des scénarios de fabrication réels, les étudiants acquièrent une précieuse expérience pratique.

L’utilisation de cours multimédias, d’outils de simulation, de laboratoires virtuels et d’applications de réalité augmentée améliore l’expérience d’apprentissage, répond aux différents styles d’apprentissage et facilite la compréhension de concepts complexes.

En adaptant la formation à des étudiants issus de milieux divers et ayant des aspirations professionnelles différentes, on s’assure que chaque individu reçoit une formation sur mesure, adaptée à ses besoins et à ses objectifs.

Le suivi des progrès des étudiants, l’identification des domaines à améliorer et la fourniture de conseils et d’assistance tout au long du programme de formation permettent aux étudiants de développer continuellement leurs compétences.

Il est essentiel de mettre l’accent sur le développement de compétences non techniques telles que la communication, le travail d’équipe et l’adaptabilité pour réussir dans l’environnement collaboratif et rapide de la fabrication de semi-conducteurs.