Le silicium est l'un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre, qui est composée à plus de 90 % de minéraux silicatés. Son homonyme, la Silicon Valley, en Californie, atteste de son importance en tant que matériau fondamental des microprocesseurs modernes.
Mais comment transformer des grains de sable et des morceaux de quartz inanimés en quelque chose capable de transcrire des instructions humaines dans des machines capables de battre un grand maître d'échecs ?
Des roches aux robots
Tout d'abord, il n'est pas difficile de trouver du silicium. Allez sur la plage la plus proche, vous trouverez du silicium en abondance. Mais il est plus difficile de mettre la main sur du silicium suffisamment pur pour répondre aux exigences de l'ingénierie informatique. La majeure partie du silicium mondial actuel provient d'une seule mine, une carrière de quartz située à Spruce Pine, en Caroline du Nord, aux États-Unis.
Une fois le silicone récupéré (souvent sous forme de gravier de quartz), il est broyé et moulu en une fine poudre, puis purifié avec de l'eau et des produits chimiques, et envoyé pour traitement.
Dans l'étape suivante, cette poudre de silicium est fondue dans un four à arc à électrode, et mélangée à du carbone. Dans cet environnement à haute température, le carbone fusionne avec les molécules d'oxygène du mélange fondu. Cela produit une forme hautement purifiée de silicium métallique, appelée silicium de qualité métallurgique, qui contient 98 % de silicium. Il est cependant encore trop impur pour être utilisé dans l'électronique. Le silicium est donc soumis à une purification chimique supplémentaire pour produire du silicium de qualité électronique, qui a une pureté inférieure à une partie étrangère sur un milliard.
Du polysilicium aux lingots
L'une des propriétés les plus critiques du silicium pour fabriquer des puces est sa conductivité électrique. Cependant, le silicium de qualité électronique est ce que l'on appelle un silicium polycristallin, ou polysilicium. Cela signifie que, bien qu'il ressemble à un seul bloc de silicium solide, il est en fait composé de nombreux petits cristaux tassés les uns à côté des autres. La variation des structures cristallines qui en résulte interfère avec ses propriétés conductrices.
Ce qu'il faut, c'est un seul et gigantesque cristal de silicium, où des structures chimiques répliquées à l'identique permettent une conductivité électrique beaucoup plus grande. C'est ce qu'on appelle le silicium monocristallin, qui est produit par un processus appelé la méthode Czochraliski.
Cette méthode a été découverte par accident en 1915, lorsque le chimiste polonais Jan Czochraliski a plongé son stylo dans de l'étain fondu au lieu de son pot d'encre. Lorsqu'il a inspecté la plaquette d'étain formée autour de son stylo, il a constaté qu'elle était composée d'une seule structure cristalline.
Ce processus peut être appliqué au silicium comme suit. Le polysilicium est d'abord fondu dans un creuset, à des températures supérieures à 1200 degrés Celsius. À ce stade, des éléments supplémentaires, notamment du bore ou du phosphore, sont ajoutés au mélange. Ils « dopent » le matériau, lui conférant ainsi les propriétés électriques spécifiques qui lui permettront de fonctionner comme un semi-conducteur.
Ensuite, un cristal dit de semence est descendu dans le mélange, jusqu'à ce qu'il touche à peine la surface. Ce cristal, de la même taille qu'un stylo, possède la même structure interne que celle qui sera nécessaire dans le wafer fini.
La graine de cristal est retirée du mélange très lentement (environ 90 mm par heure). À mesure qu'elle est retirée, la tension de surface entre la graine et le mélange entraîne la formation d'un mince film autour de la graine qui partage ses propriétés cristallines. Un grand cristal cylindrique se forme progressivement, comme une bougie que l'on retire de la cire. C'est le lingot de silicium terminé.
Découpe et nettoyage
Une fois ce lingot de silicium solide produit, il doit être coupé à la largeur requise pour les micropuces, soit environ 1 mm. À l'aide d'une scie circulaire, le lingot est coupé dans le sens de la longueur en wafers circulaires.
Ceux-ci sont coupés à une largeur légèrement supérieure à celle requise, car les marques de scie et les défauts de surface seront éliminés par ponçage et polissage. Ils sont enfin soumis à un traitement chimique à base d'hydroxyde de sodium et d'acide nitrique pour rectifier les éventuelles fissures ou défauts de surface restants. Il est impératif que la surface soit aussi plane et lisse que possible.
Et voilà ! On a fabriqué un wafer de silicium. Ces wafers seront ensuite acheminés vers les usines de fabrication, où les modèles de puces seront gravés selon un processus appelé photolithographie. Vous pouvez en apprendre davantage sur la photolithographie ici.