Application exploratoire de la technologie d’impression 3D dans l’industrie des semi-conducteurs

À une époque de développement technologique rapide, l’impression 3D, en tant que représentant important de la technologie de fabrication avancée, change progressivement le visage de la fabrication traditionnelle. Grâce à la maturité technologique continue et à la réduction des coûts, la technologie d'impression 3D a montré de larges perspectives d'application dans de nombreux domaines tels que l'aérospatiale, la construction automobile, les équipements médicaux et la conception architecturale, et a favorisé l'innovation et le développement de ces industries.

Il convient de noter que l’impact potentiel de la technologie d’impression 3D dans le domaine de haute technologie des semi-conducteurs devient de plus en plus important. En tant que pierre angulaire du développement des technologies de l’information, la précision et l’efficacité des processus de fabrication des semi-conducteurs affectent les performances et le coût des produits électroniques. Face aux besoins de haute précision, de grande complexité et d'itération rapide dans l'industrie des semi-conducteurs, la technologie d'impression 3D, avec ses avantages uniques, a apporté des opportunités et des défis sans précédent à la fabrication de semi-conducteurs et a progressivement pénétré tous les maillons du secteur.chaîne de l'industrie des semi-conducteurs, indiquant que l'industrie des semi-conducteurs est sur le point d'inaugurer un changement profond.

Par conséquent, analyser et explorer les applications futures de la technologie d’impression 3D dans l’industrie des semi-conducteurs nous aidera non seulement à saisir le rythme de développement de cette technologie de pointe, mais également à fournir un soutien technique et une référence pour la mise à niveau de l’industrie des semi-conducteurs. Cet article analyse les derniers progrès de la technologie d'impression 3D et ses applications potentielles dans l'industrie des semi-conducteurs, et étudie comment cette technologie peut promouvoir l'industrie de la fabrication de semi-conducteurs.

Technologie d'impression 3D

L’impression 3D est également connue sous le nom de technologie de fabrication additive. Son principe est de construire une entité tridimensionnelle en empilant des matériaux couche par couche. Cette méthode de production innovante renverse le mode de fabrication traditionnel « soustractif » ou « à matériau égal » et peut « intégrer » des produits moulés sans l'aide du moule. Il existe de nombreux types de technologies d’impression 3D, et chaque technologie présente ses propres avantages.

Selon le principe de moulage de la technologie d’impression 3D, il existe principalement quatre types.

✔ La technologie de photodurcissement est basée sur le principe de la polymérisation ultraviolette. Les matériaux photosensibles liquides sont durcis par la lumière ultraviolette et empilés couche par couche. À l’heure actuelle, cette technologie permet de former des céramiques, des métaux et des résines avec une grande précision de moulage. Il peut être utilisé dans les domaines médical, artistique et aéronautique.

✔ Technologie de dépôt fondu, via la tête d'impression pilotée par ordinateur pour chauffer et faire fondre le filament, et l'extruder selon une trajectoire de forme spécifique, couche par couche, et peut former des matériaux plastiques et céramiques.

✔ La technologie d'écriture directe en boue utilise une boue à haute viscosité comme matériau d'encre, qui est stockée dans le corps et connectée à l'aiguille d'extrusion, et installée sur une plate-forme qui peut effectuer un mouvement tridimensionnel sous contrôle informatique. Par pression mécanique ou pression pneumatique, le matériau d'encre est poussé hors de la buse pour être extrudé en continu sur le substrat pour former, puis le post-traitement correspondant (solvant volatil, durcissement thermique, photopolymérisation, frittage, etc.) est effectué en fonction des propriétés du matériau pour obtenir le composant tridimensionnel final. Aujourd’hui, cette technologie peut être appliquée aux domaines de la biocéramique et de l’agroalimentaire.

✔La technologie de fusion sur lit de poudre peut être divisée en technologie de fusion sélective au laser (SLM) et technologie de frittage sélectif au laser (SLS). Les deux technologies utilisent des matériaux en poudre comme objets de traitement. Parmi eux, l'énergie laser du SLM est plus élevée, ce qui peut faire fondre et solidifier la poudre en peu de temps. Le SLS peut être divisé en SLS direct et SLS indirect. L'énergie du SLS direct est plus élevée et les particules peuvent être directement frittées ou fondues pour former une liaison entre les particules. Par conséquent, le SLS direct est similaire au SLM. Les particules de poudre subissent un chauffage et un refroidissement rapides en peu de temps, ce qui confère au bloc moulé une contrainte interne importante, une faible densité globale et de mauvaises propriétés mécaniques ; l'énergie laser du SLS indirect est plus faible, le liant contenu dans la poudre est fondu par le faisceau laser et les particules sont liées. Une fois le formage terminé, le liant interne est éliminé par dégraissage thermique et enfin le frittage est effectué. La technologie de fusion sur lit de poudre peut former des métaux et des céramiques et est actuellement utilisée dans les domaines de la fabrication aérospatiale et automobile.

Figure 1 (a) Technologie de photodurcissement ; b) Technologie de dépôt fondu ; (c) Technologie d'écriture directe en suspension liquide ; (d) Technologie de fusion sur lit de poudre [1, 2]

Avec le développement continu de la technologie d’impression 3D, ses avantages sont constamment démontrés, du prototypage au produit final. Premièrement, en termes de liberté de conception de la structure du produit, l’avantage le plus important de la technologie d’impression 3D est qu’elle peut fabriquer directement des structures complexes de pièces. Ensuite, en termes de sélection des matériaux de l'objet moulé, la technologie d'impression 3D peut imprimer une variété de matériaux, notamment des métaux, des céramiques, des matériaux polymères, etc. En termes de processus de fabrication, la technologie d'impression 3D présente un haut degré de flexibilité et peut ajuster le processus de fabrication et les paramètres en fonction des besoins réels.

Industrie des semi-conducteurs

L’industrie des semi-conducteurs joue un rôle vital dans la science, la technologie et l’économie modernes, et son importance se reflète à de nombreux égards. Les semi-conducteurs sont utilisés pour construire des circuits miniaturisés, qui permettent aux appareils d'effectuer des tâches informatiques et de traitement de données complexes. Et en tant que pilier important de l’économie mondiale, l’industrie des semi-conducteurs fournit un grand nombre d’emplois et de bénéfices économiques à de nombreux pays. Cela a non seulement directement favorisé le développement de l’industrie de la fabrication électronique, mais a également conduit à la croissance d’industries telles que le développement de logiciels et la conception de matériel. Par ailleurs, dans les domaines militaire et de la défense,technologie des semi-conducteursest crucial pour les équipements clés tels que les systèmes de communication, les radars et la navigation par satellite, garantissant la sécurité nationale et les avantages militaires.

Graphique 2 « 14e Plan quinquennal » (extrait) [3]

Par conséquent, l’industrie actuelle des semi-conducteurs est devenue un symbole important de la compétitivité nationale et tous les pays la développent activement. Le « 14e plan quinquennal » de la Chine propose de se concentrer sur le soutien de divers maillons clés « goulets d'étranglement » dans l'industrie des semi-conducteurs, notamment les processus avancés, les équipements clés, les semi-conducteurs de troisième génération et d'autres domaines.

Graphique 3 Processus de traitement des puces semi-conductrices [4]

Le processus de fabrication des puces semi-conductrices est extrêmement complexe. Comme le montre la figure 3, il comprend principalement les étapes clés suivantes :préparation des plaquettes, lithographie,gravure, le dépôt de couches minces, l'implantation ionique et les tests d'emballage. Chaque processus nécessite un contrôle strict et des mesures précises. Des problèmes dans n'importe quelle liaison peuvent endommager la puce ou dégrader les performances. Par conséquent, la fabrication de semi-conducteurs a des exigences très élevées en matière d’équipement, de processus et de personnel.

Bien que la fabrication traditionnelle de semi-conducteurs ait connu un grand succès, il existe encore certaines limites : premièrement, les puces semi-conductrices sont hautement intégrées et miniaturisées. Avec le maintien de la loi de Moore (Figure 4), l'intégration de puces semi-conductrices continue d'augmenter, la taille des composants continue de diminuer et le processus de fabrication doit garantir une précision et une stabilité extrêmement élevées.

Figure 4 (a) Le nombre de transistors dans une puce continue d'augmenter avec le temps ; (b) La taille des copeaux continue de diminuer [5]

À cela s’ajoute la complexité et la maîtrise des coûts du processus de fabrication des semi-conducteurs. Le processus de fabrication des semi-conducteurs est complexe et repose sur des équipements de précision, et chaque maillon doit être contrôlé avec précision. Le coût élevé de l’équipement, du matériau et du coût de R&D rend le coût de fabrication des produits semi-conducteurs élevé. Il est donc nécessaire de continuer à explorer et à réduire les coûts tout en garantissant le rendement du produit.

Dans le même temps, l’industrie de la fabrication de semi-conducteurs doit répondre rapidement à la demande du marché. Avec l'évolution rapide de la demande du marché. Le modèle de fabrication traditionnel présente des problèmes de cycle long et de faible flexibilité, ce qui rend difficile la réponse à l'itération rapide des produits du marché. Par conséquent, une méthode de fabrication plus efficace et plus flexible est également devenue l’orientation du développement de l’industrie des semi-conducteurs.

Application deimpression en 3Ddans l'industrie des semi-conducteurs

Dans le domaine des semi-conducteurs, la technologie d’impression 3D a également continuellement démontré son application.

Premièrement, la technologie d’impression 3D offre un haut degré de liberté dans la conception structurelle et permet de réaliser un moulage « intégré », ce qui signifie que des structures plus sophistiquées et plus complexes peuvent être conçues. Figure 5 (a), le système 3D optimise la structure de dissipation thermique interne grâce à une conception auxiliaire artificielle, améliore la stabilité thermique de l'étage de la tranche, réduit le temps de stabilisation thermique de la tranche et améliore le rendement et l'efficacité de la production de puces. Il existe également des pipelines complexes à l’intérieur de la machine de lithographie. Grâce à l'impression 3D, des structures de pipeline complexes peuvent être « intégrées » pour réduire l'utilisation de tuyaux et optimiser le flux de gaz dans le pipeline, réduisant ainsi l'impact négatif des interférences mécaniques et des vibrations et améliorant la stabilité du processus de traitement des copeaux.

Figure 5 Le système 3D utilise l'impression 3D pour former des pièces (a) étage de tranche de machine de lithographie ; (b) pipeline collecteur [6]

En termes de sélection des matériaux, la technologie d'impression 3D peut réaliser des matériaux difficiles à former par les méthodes de traitement traditionnelles. Les matériaux en carbure de silicium ont une dureté élevée et un point de fusion élevé. Les méthodes de transformation traditionnelles sont difficiles à mettre en œuvre et ont un long cycle de production. La formation de structures complexes nécessite un traitement assisté par moule. Sublimation 3D a développé une imprimante 3D indépendante à double buse UPS-250 et préparé des bateaux en cristal de carbure de silicium. Après frittage réactionnel, la densité du produit est de 2,95 à 3,02 g/cm3.

Figure 6Bateau en cristal de carbure de silicium[7]

Figure 7 (a) Équipement de co-impression 3D ; (b) La lumière UV est utilisée pour construire des structures tridimensionnelles et le laser est utilisé pour générer des nanoparticules d'argent ; (c) Principe de la co-impression 3D de composants électroniques[8]

Le processus traditionnel des produits électroniques est complexe et plusieurs étapes de processus sont nécessaires, des matières premières aux produits finis. Xiao et coll.[8] a utilisé la technologie de co-impression 3D pour construire de manière sélective des structures corporelles ou intégrer des métaux conducteurs sur des surfaces de forme libre afin de fabriquer des appareils électroniques 3D. Cette technologie n'implique qu'un seul matériau d'impression, qui peut être utilisé pour construire des structures polymères par durcissement aux UV, ou pour activer des précurseurs métalliques dans des résines photosensibles par balayage laser afin de produire des particules nanométalliques pour former des circuits conducteurs. De plus, le circuit conducteur résultant présente une excellente résistivité aussi basse qu'environ 6,12 µΩm. En ajustant la formule du matériau et les paramètres de traitement, la résistivité peut être davantage contrôlée entre 10-6 et 10Ωm. On peut constater que la technologie de co-impression 3D résout le défi du dépôt multi-matériaux dans la fabrication traditionnelle et ouvre une nouvelle voie pour la fabrication de produits électroniques 3D.

Le packaging des puces est un maillon clé dans la fabrication de semi-conducteurs. La technologie d'emballage traditionnelle présente également des problèmes tels qu'un processus complexe, une défaillance de la gestion thermique et des contraintes causées par une inadéquation des coefficients de dilatation thermique entre les matériaux, ce qui conduit à une défaillance de l'emballage. La technologie d'impression 3D peut simplifier le processus de fabrication et réduire les coûts en imprimant directement la structure de l'emballage. Feng et coll. [9] ont préparé des matériaux d'emballage électronique à changement de phase et les ont combinés avec la technologie d'impression 3D pour emballer des puces et des circuits. Le matériau de conditionnement électronique à changement de phase préparé par Feng et al. a une chaleur latente élevée de 145,6 J/g et présente une stabilité thermique significative à une température de 130°C. Par rapport aux matériaux d'emballage électronique traditionnels, son effet de refroidissement peut atteindre 13°C.

Figure 8 Diagramme schématique de l'utilisation de la technologie d'impression 3D pour encapsuler avec précision des circuits avec des matériaux électroniques à changement de phase ; (b) La puce LED de gauche a été encapsulée avec des matériaux d'emballage électronique à changement de phase, et la puce LED de droite n'a pas été encapsulée ; (c) Images infrarouges de puces LED avec et sans encapsulation ; (d) Courbes de température sous la même puissance et différents matériaux d'emballage ; (e) Circuit complexe sans schéma de conditionnement de puce LED ; (f) Schéma schématique de la dissipation thermique des matériaux de conditionnement électronique à changement de phase [9]

Les défis de la technologie d'impression 3D dans l'industrie des semi-conducteurs

Bien que la technologie d'impression 3D ait montré un grand potentiel dans leindustrie des semi-conducteurs. Cependant, de nombreux défis subsistent.

En termes de précision de moulage, la technologie d'impression 3D actuelle peut atteindre une précision de 20 μm, mais il est encore difficile de répondre aux normes élevées de fabrication de semi-conducteurs. En termes de sélection des matériaux, bien que la technologie d'impression 3D puisse former une variété de matériaux, la difficulté de moulage de certains matériaux aux propriétés particulières (carbure de silicium, nitrure de silicium, etc.) reste relativement élevée. En termes de coût de production, l'impression 3D fonctionne bien dans la production personnalisée en petits lots, mais sa vitesse de production est relativement lente dans la production à grande échelle et le coût de l'équipement est élevé, ce qui rend difficile de répondre aux besoins d'une production à grande échelle. . Techniquement, bien que la technologie d'impression 3D ait obtenu certains résultats de développement, il s'agit encore d'une technologie émergente dans certains domaines et nécessite davantage de recherche, de développement et d'amélioration pour améliorer sa stabilité et sa fiabilité.