Comment fonctionnent les micro-puces

En 1949, la revue Popular Mechanics prédisait crânement ‘les ordinateurs du futur n’auront certainement que 1.000 tubes et pèseront 1,5 tonne’. Pour l'auteur, une machine ‘légère’ était presque inconcevable. Le seul ordinateur existant à cette époque était l'ENIAC, une machine à calculer colossale qui pesait 30 tonnes et mesurait plus de 30 m de long. Le cerveau de la machine se composait de 17 468 tubes à vide, un composant électronique qui servait de transistor, établissant et coupant le courant électrique en correspondance avec les 1 et les 0 du code binaire.

Imaginez-vous remonter dans le temps et présenter à l'auteur de cet article un iPhone. Dans un iPhone, le circuit est monté avec plus d'une douzaine de microprocesseurs, chacun des dizaines de milliers de fois plus puissants que l'ENIAC et pas plus grands qu'un ongle. La technologie de l'iPhone repose sur des transistors pour basculer des 1 aux 0 aux 1, mais plutôt que d'utiliser 17 468 tubes à vide chauds et gourmands en énergie, l'iPhone exploite la puissance de calcul combinée de centaines de millions, voire milliards de transistors incroyablement petits et montés sur un miracle que nous appelons la micro-puce. Une tonne et demie ? Si nous disions plutôt 137 grammes ?

 

Depuis que les premiers transistors à base de silicium ont commencé à remplacer les tubes à vide dans les années 50, les ingénieurs électriciens n’ont cessé d’imaginer de nouvelles façons de réduire la taille des composants du circuit électrique (transistors, condensateurs, résistances, diodes, etc.). L’invention qui changea la donne fut celle en 1958 du circuit intégré, la mère des micro-puces modernes. Avant 1958, les fabricants d'électronique devaient souder à la main et connecter chaque composant sur sa petite carte de circuits imprimés. Avec le circuit intégré, les transistors sont interconnectés en circuits microscopiques dans un même bloc de silicium.

Cependant la percée du circuit tout-en-un n'explique pas comment les fabricants de puces actuels peuvent produire en masse des carrés minuscules intégrant des centaines de millions de transistors. Pour le comprendre, nous devons entrer dans la ‘fabrique'. Les fabriques sont des installations abritant des salles blanches dans lesquelles les micro-puces sont gravées. Les salles blanches sont les environnements les plus étroitement contrôlés dans le monde. Lorsque vous fabriquez des matériaux qui font 45 milliardièmes de mètre de large, la moindre hausse d'électricité statique ou le moindre grain de poussière peut tout ruiner. Les techniciens de la fabrique revêtent un ‘costume du lapin’ qui les recouvre de la tête aux pieds, afin de réduire les risques de contamination.

Les micro-puces sont fabriquées selon une technique de stratification : jusqu'à 40 couches pour les puces les plus complexes. La première couche est une base épaisse (1 mm) de silicium raffiné ultra-pur. Le silicium, aux propriétés semi-conductrices, peut agir comme conducteur ou isolant de l'électricité selon le travail qu'il doit effectuer. Les ingénieurs modifient la propriété conductrice du silicium en le ‘dopant’ avec diverses impuretés chimiques. Les autres couches sont des isolants en oxyde de silicium, des revêtements photorésistants et du métal (cuivre et tungstène) pour les connexions des câbles.

En utilisant un procédé appelé photolithographie, les fabricants de puces impriment des motifs précis sur chaque couche et effacent les parties inutiles avec des solvants chimiques. Des lasers extrêmement concentrés permettent de tracer des lignes avec une précision de 5nm (un nanomètre fait quatre atomes de silicium de large). Chaque puce est soumise à une batterie de tests avant d’être installée dans votre mobile, appareil photo numérique, voiture ou brosse à dents. Il n'existe pas une parcelle de notre vie moderne qui n'ait été foncièrement modifiée par l'invention de la puce. Et avec les promesses des transistors moléculaires et des circuits à l’échelle du quantum, l'avenir est en passe de distancer même nos prédictions les plus folles.

 

Le premier microprocesseur d’Intel, en 1971 contenait 2.300 transistors, une quantité incroyable pour une puce de la taille d'un ongle. Six ans plus tôt, Gordon Moore, l'un des fondateurs d'Intel, prédisait dans un article que le nombre de transistors intégrés dans une puce doublerait tous les 18 à 24 mois. La ‘Loi de Moore’ n’a pas failli depuis plus de 45 ans, mettant au défi des générations entières d'ingénieurs.

Les derniers chipsets (circuits intégrés) d’Intel intègrent des centaines de millions de transistors. Les ingénieurs travaillent ici à l'échelle nanométrique (un milliardième de mètre). Par comparaison, un cheveu humain fait 100.000 nm d’épaisseur, tandis que les plus petits transistors n’en font que… 22. La fabrication des composants nanométriques s'appuie sur les percées effectuées en photolithographie. Cependant, les composants d’une puce approchant aujourd’hui l'échelle atomique, les règles de la physique changent. Pour prolonger la Loi de Moore, les ingénieurs devront développer de nouveaux matériaux et des conceptions qui résistent à l’ ‘effet tunnel quantique’, la tendance des électrons à traverser les barrières de potentiel très minces.

 

 

Fabrication d’une micro-puce

La micro-puce commence sa vie sous forme de disque de silicium ultra raffiné coupé au laser en tranches d'1mm d'épaisseur. Les composants nanométriques de la puce (transistors, résistances, condensateurs, etc.) sont ensuite empilés couche après couche.

Chaque couche est élaborée avec un masque exposé à des rayons ultraviolets. Le motif est reproduit sur une couche de matériau photorésistant recouvrant le silicium, puis attaqué par des produits chimiques, laissant une gravure complexe dans le silicium du dessous. Le silicium exposé est ensuite traité avec des agents dopants qui donnent au matériau ses propriétés électriques souhaitées. Des isolants et de la photorésine sont ajoutés sur la couche de silicium. Des couches de métal sont apposées avec la même technique de photolithographie, le motif de fils de cuivre reliant chaque minuscule composant du circuit intégré.

 

Extrait du magazine Comment ça marche – janvier 2012

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