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Fabrication de semi-conducteurs
Le processus de fabrication de semi-conducteurs est l’un des plus complexes existant de nos jours. Le silicium est l’élément de base dans la fabrication des composants microélectroniques. En particulier elle a u ne conductivité intermédiaire entre celles des métaux et celle des isolants.
Pour la fabrication de puces (Integrated Circuit IC), le silicium est cristallisé et conditionné pour obtenir des barreaux cylindriques souvent de 200mm à 300mm de diamètre. Ces barreaux sont ensuite coupés en tranches d’environ un millimètre d’épaisseur. Des puces sont fabriquées sur cette surface par la réalisation de plusieurs centaines d’étapes d’opérations. Ces étapes de fabrication sont regroupées en deux grandes parties : le Front-End et le Back-End. Dans cette thèse, on s’intéresse qu’au processus de Front-End.
Front-End
C’est l’étape la plus complexe, la plus longue et la plus coûteuse dans la fabrication des ICs.
Processus de fabrication
Ce processus se divise encore en deux grandes sous-étapes : Front-End Of Line (FEOL) et Back-End Of Line (BEOL). Le Front-End consiste à appliquer plusieurs traitements sur une plaquette de silicium (wafer), pour fabriquer des millions de composants électroniques (FEOL) et ensuite les interconnecter (BEOL). Les opérations élémentaires les plus communes dans la majorité des technologies sont les suivantes :
— Oxydation. La plaquette est oxydée sur toute la surface en utilisant des fours spécifiques,
— Dépôt de résine. Une couche de résine photosensible (qui se transforme sous l’action de la lumière) est déposée sur la couche d’oxyde,
— Photolithographie. Pour réaliser une opération de photolithographie, un masque ou réticule est utilisé. Le réticule est aligné sur la plaquette et est exposé à une source de rayonnement. Ainsi, la résine s’imprime comme une pellicule photographique dans les zones laissées libres par le réticule.
— Développement. Cette opération sert à enlever la résine qui a pris la lumière à travers le réticule;
— Gravure. Cette opération consiste à enlever l’oxyde laissé libre par la résine sans attaquer le silicium initial en utilisant des acides ou des gaz;
— Dopage. Pour modifier les caractéristiques électriques du silicium, des dopants chimiques sont introduits sur la surface du wafer par le biais d’un processus d’implantation ionique ou diffusion thermique.
Ces étapes sont répétées plusieurs fois selon la technologie (complexité) du produit final. Malgré l’évolution technologique du processus du Front-End, l’environnement de production constitue encore un challenge pour plusieurs raisons [76]
— La diversité des produits. Pour rentabiliser leurs activités, les fabricants de semiconducteurs sont obligés d’avoir une large gamme de produits afin de s’adapter aux progrès technologiques rapides dans la microélectronique;
— La nature réentrante des flux de production. La gamme opératoire pour la fabrication d’un produit nécessite le retour des wafers plusieurs fois à la même opération. Cela conduit à un flux de production réentrant. Ainsi, beaucoup d’efforts sont orientés vers l’optimisation de la planification de la production et à l’ordonnancement.
— Le grand nombre d’étapes de production. La fabrication d’un produit pourrait nécessiter plus de 700 opérations avec des durées de traitement très variables (de quelques minutes à plus de 8 heures). Ainsi, le temps de cycle d’un produit va de 4 à 12 semaines.
— Le grand besoin en manutention. Le transport, le stockage et le chargement/déchargement des produits sur les équipements de production sont des opérations répétitives et très lourdes au vu de la volumétrie générée par le processus de production.
Les caractéristiques présentées ci-dessus forment entre autres des contraintes fortes internes au processus de fabrication en Front-End. De plus, des facteurs externes augmentent le niveau de complexité. En effet, d’une part, une grande flexibilité est nécessaire afin de suivre l’évolution rapide dans la conception des nouveaux produits et s’adapter aux besoins des clients [66]. D’autre part, les fabricants des semi-conducteurs sont face à une incertitude du marché et à une fluctuation de la demande [30]. Ainsi, dans cet environnement très complexe et incertain, l’objectif principal est d’optimiser l’utilisation des équipements de production qui sont des ressources extrêmement coûteuses.
Processus de photolithographie
L’étape de photolithographie est critique puisqu’elle est répétée plusieurs fois. Ainsi, l’atelier de photolithographie est souvent le goulot d’étranglement (ou bottleneck) de la wafer fab [3]. Cela est dû à trois principales raisons :
— La réentrance des flux de production. Pour avoir le produit final (la puce), un wafer peut retourner plusieurs fois (jusqu’à 40 fois) à l’atelier de photolithographie. Cela conduit à un niveau d’encours ou Work-In-Progress (W IP) élevé dans l’atelier,
— Le nombre limité d’équipements de production à cause de leurs coûts élevés. En particulier, les équipements de haute technologie et à forte cadence comme les steppers sont extrêmement chers. De plus, ces équipements ne sont pas souvent capables de réaliser tous les types de traitements. Ainsi, on parle de la notion de qualification d’une machine à traiter un produit;
— L’utilisation d’un réticule comme une ressource auxiliaire [9]. Les réticules sont très chers et souvent uniques. Ainsi, leur gestion est très complexe non seulement en terme de planification, mais aussi en terme de manutention. En particulier, en présence d’un système de manutention manuelle, le transport et le stockage d’une grande quantité de réticules (parfois plus de 5000 réticules) constitue une problématique qui impacte de façon directe la performance du processus de production dans l’atelier de photolithographie.
Les ateliers de photolithographie sont souvent équipés d’un module de production (appelé Track et Stepper) qui permet d’enchaîner trois sous-étapes : le dépôt de la résine, l’exposition au rayon lumineux en utilisant le réticule et enfin le développement.
Pour résumer, le Front-End permet d’avoir les puces sur la surface de la plaquette de silicium à travers un processus de fabrication très complexe. Ensuite, des tests électriques (Electrical Wafer Sort EWS) sont effectués pour identifier les puces défectueuses. Une fois passé l’EWS, les plaquettes sont envoyées à la phase du Back-End.
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Table des matières
1 Introduction générale
1.1 Industrie des semi-conducteurs
1.2 Objectifs de la thèse
1.3 Structure du manuscrit de thèse
2 Contexte industriel et description du problème
2.1 Fabrication de semi-conducteurs
2.1.1 Front-End
2.1.2 Back-End
2.1.3 Performance du processus de fabrication
2.2 Systèmes de manutention dans les wafer fabs
2.2.1 Transport
2.2.2 Stockage
2.2.3 Performance d’un système de manutention
2.3 Présentation et analyse du cas industriel : la wafer fab 200mm de STMicroelectronics à Rousset
2.3.1 Ancienne (ou legacy) wafer fab 200mm
2.3.2 Stratégie de transport et de stockage
2.3.3 Nécessité de modernisation des wafer fabs 200mm
2.4 Description du problème
2.4.1 Motivations humaines
2.4.2 Motivations opérationnelles
2.4.3 Motivations financières
2.5 Conclusion
3 État de l’art
3.1 Revue de la littérature
3.1.1 Automatisation de la manutention dans les unités de fabrication 200mm
3.1.2 Design des systèmes de manutention automatisés
3.1.3 Méthodes de résolution des problèmes en multicritères
3.2 Positionnement par rapport à la littérature
3.2.1 Absence d’une méthodologie globale pour l’intégration d’un AMHS
dans une wafer fab 200mm
3.2.2 Stratégie de déploiement de l’AMHS dans une unité de fabrication
3.2.3 Absence d’une méthodologie pour le design d’un AMHS dans une
wafer fab existante
3.2.4 Résolution basée sur la simulation à évènements discrets
3.3 Conclusion
4 Méthodologie pour l’intégration d’un AMHS dans une unité de fabrication de semi-conducteurs existante et fonctionnelle
4.1 Motivation
4.2 Méthodologie proposée
4.2.1 Étape 1 : Collecte et analyse des données
4.2.2 Étape 2 : Caractérisation des types d’AMHS
4.2.3 Étape 3 : Sélection du type d’AMHS
4.2.4 Étape 4 : Définition de la stratégie de transport
4.2.5 Étape 5 : Définition de la stratégie de stockage
4.3 Application de la méthodologie sur un cas industriel : Cas de STMicroelectronics à Rousset
4.3.1 Etape 1 : Collecte et analyse de données industrielles
4.3.2 Étape 2 : Caractérisation des types d’AMHS
4.3.3 Étape 3 : Sélection du type d’AMHS
4.3.4 Étape 4 : Définition de la stratégie de transport
4.3.5 Étape 5 : Définition de la stratégie de stockage
4.4 Conclusion
5 Conclusion générale
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