Dans la course mondiale vers des nœuds de processus plus petits, une puissance de calcul plus élevée, l’accélération de l’intelligence artificielle et une connectivité avancée, une catégorie de matériaux devient de plus en plus stratégique : les matériaux à base de terres rares. Bien que souvent invisibles pour les utilisateurs finaux, les matériaux à base de terres rares sont profondément ancrés dans presque toutes les étapes critiques de la fabrication des semi-conducteurs – de la lithographie et de la planarisation des plaquettes à la gravure au plasma, en passant par la fabrication de dispositifs RF, le stockage magnétique et la photonique du silicium.
Alors que l’Europe renforce son écosystème de semi-conducteurs dans le cadre de l’EU Chips Act et que l’Allemagne continue à se positionner comme un leader dans l’équipement de semi-conducteurs et l’ingénierie des matériaux avancés, l’importance des matériaux de terres rares va au-delà des performances techniques. C’est devenu une question de résilience industrielle et de souveraineté technologique.
Cet article examine comment les matériaux à base de terres rares façonnent l’avenir de la fabrication des semi-conducteurs et pourquoi ils resteront indispensables dans les décennies à venir.
I. Matériaux à base de terres rares dans les systèmes de lithographie avancés
La lithographie est l’épine dorsale de la fabrication des semi-conducteurs. La capacité à reproduire des caractéristiques à l’échelle nanométrique sur des tranches de silicium détermine la densité des transistors, l’efficacité énergétique et les performances globales des puces. Alors que la lithographie dans l’ultraviolet extrême (EUV) repose sur des sources de lumière générées par plasma, les matériaux des terres rares jouent un rôle essentiel dans les sous-systèmes laser et les composants de protection optique.
L’un des matériaux laser les plus utilisés est le grenat d’aluminium et d’yttrium dopé au néodyme grenat d’yttrium-aluminium dopé au néodyme (Nd:YAG). Dans cette structure cristalline, les ions néodyme (Nd³⁺) – un élément de terre rare – jouent le rôle de milieu laser actif. Les systèmes Nd:YAG génèrent une lumière laser infrarouge de 1,064 μm, qui peut être doublée en fréquence à 532 nm ou convertie en lumière ultraviolette de 355 nm. Ces longueurs d’onde sont cruciales pour la métrologie de précision, l’alignement des plaquettes et les systèmes d’inspection à l’intérieur des installations de fabrication de pointe.
Sans les terres rares comme le néodyme et l’yttrium, il ne serait pas possible d’utiliser des lasers à solide stables et puissants aux niveaux de performance requis pour la fabrication des semi-conducteurs.
Les matériaux à base de terbium constituent un autre exemple. Les cristaux de grenat de terbium gallium (TGG) sont utilisés dans les isolateurs optiques pour protéger les sources laser de haute puissance des réflexions arrière. Exploitant le puissant effet magnéto-optique de Faraday des ions terbium, ces composants assurent une transmission unidirectionnelle de la lumière, protégeant ainsi l’équipement laser coûteux des systèmes de lithographie par ultraviolet (EUV) et par ultraviolet (DUV).
Pour l’avenir, la recherche sur les systèmes laser dopés au thulium suggère que les matériaux à base de terres rares peuvent encore améliorer l’efficacité des sources EUV. Une plus grande efficacité de conversion pourrait réduire considérablement les coûts de lithographie, qui restent l’un des aspects les plus gourmands en capital de la production de semi-conducteurs.
II. Oxyde de cérium et matériaux à base de terres rares dans les procédés CMP
Les structures des transistors devenant de plus en plus complexes, il est essentiel d’obtenir des surfaces de plaquettes ultraplates. La planarisation chimico-mécanique (CMP) garantit l’uniformité des couches et le lissage des surfaces à l’échelle du nanomètre.
Parmi tous les matériaux à base de terres rares utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs, l’oxyde de cérium (CeO₂) joue un rôle particulièrement important. Contrairement aux abrasifs conventionnels tels que la silice (SiO₂) ou l’alumine (Al₂O₃), l’oxyde de cérium participe aux interactions chimiques et mécaniques pendant le polissage.
Dans les boues alcalines de CMP, CeO₂ réagit chimiquement avec le dioxyde de silicium pour former des composés de silicate de cérium qui peuvent être facilement enlevés. Ce mécanisme à double action augmente les taux d’enlèvement de matière tout en maintenant une grande sélectivité. Il polit efficacement les couches d’oxyde sans attaquer de manière significative les matériaux adjacents comme le nitrure de silicium.
Grâce à cette combinaison d’efficacité et de sélectivité, les matériaux de terres rares à base de cérium sont devenus la norme industrielle pour les processus d’isolation des tranchées peu profondes (STI) et d’autres étapes de planarisation de l’oxyde.
À mesure que les géométries des dispositifs se réduisent, la demande de particules d’oxyde de cérium de haute pureté et étroitement contrôlées ne fera que croître, renforçant ainsi l’importance stratégique des matériaux à base de terres rares dans les nœuds avancés.
III. Matériaux de terres rares à base d'yttrium dans les équipements de gravure par plasma
Les systèmes de gravure par plasma fonctionnent dans des conditions chimiques extrêmement agressives. Les plasmas à base de fluor et de chlore sont utilisés pour graver les couches diélectriques et modeler les structures complexes des appareils. Cependant, ces espèces réactives peuvent également dégrader les composants internes de la chambre.
Les matériaux RE à base d’yttrium offrent une protection essentielle. Les revêtements céramiques à base d’oxyde d’yttrium (Y₂O₃) et de fluorure d’yttrium (YF₃) sont largement appliqués aux composants de la chambre de gravure. Dans les environnements riches en fluor, l’Y₂O₃ forme une couche de surface protectrice YF₃ dense qui résiste à l’érosion chimique.
Ces matériaux à base de terres rares prolongent la durée de vie des composants, réduisent la contamination par les particules et améliorent la stabilité des processus. Même si la quantité d’yttrium utilisée dans un seul outil est relativement faible, la vaste base installée mondiale de systèmes de gravure au plasma crée une demande soutenue et stratégique de composés d’yttrium de haute pureté.
Dans la fabrication de pointe, le temps de fonctionnement et le contrôle de la contamination influencent directement le rendement. Par conséquent, les matériaux à base de terres rares ne sont pas simplement des améliorateurs de performance facultatifs, ils sont des catalyseurs essentiels de la fiabilité et de la rentabilité.
IV. Matériaux à base de terres rares dans les dispositifs RF 5G et l'électronique émergente
Avec l’évolution des normes de communication sans fil, les matériaux à base de terres rares permettent d’améliorer les performances des appareils RF.
Les couches minces de nitrure d’aluminium et de scandium (AlScN) en sont un exemple frappant. Le scandium, classé parmi les terres rares, améliore considérablement les propriétés piézoélectriques du nitrure d’aluminium lorsqu’il est incorporé dans son réseau cristallin. Les films d’AlScN qui en résultent sont utilisés dans les filtres à ondes acoustiques de masse (BAW), qui sont des composants essentiels des modules frontaux RF de la 5G.
Des coefficients piézoélectriques plus élevés se traduisent par une amélioration de la bande passante du filtre et de la performance du signal, ce qui permet des communications sans fil plus rapides et plus fiables. À mesure que la 5G se développe et que la recherche sur la 6G progresse, les matériaux de terres rares à base de scandium devraient jouer un rôle encore plus important.
En outre, les éléments de terres rares tels que le néodyme et le praséodyme contribuent aux couches minces magnétiques avancées utilisées dans les technologies de stockage de données. Leurs configurations électroniques uniques améliorent l’anisotropie et la stabilité magnétiques, ce qui permet d’améliorer sans cesse la densité de stockage.
V. Photonique du silicium et matériaux luminescents à base de terres rares
L’une des applications à long terme les plus prometteuses des matériaux ER réside dans la photonique du silicium. L’intégration de fonctionnalités optiques directement sur les puces de silicium pourrait améliorer considérablement l’efficacité de la transmission des données dans les centres de données, les processeurs d’intelligence artificielle et les systèmes informatiques à haute performance.
Les films minces d’oxyde d’europium (Eu₂O₃) présentent de fortes propriétés électroluminescentes en raison des transitions électroniques 4f caractéristiques des ions europium. Contrairement à de nombreux émetteurs semi-conducteurs conventionnels, les matériaux luminescents à base de terres rares présentent souvent des caractéristiques d’émission stables dans une large gamme de concentrations.
En intégrant des matériaux de terres rares à base d’europium sur des substrats de silicium, les chercheurs visent à développer des sources lumineuses compatibles avec le CMOS. Cette approche pourrait permettre de surmonter les problèmes de compatibilité associés aux semi-conducteurs III-V traditionnels tels que le GaN.
En cas de succès, les matériaux à base de terres rares pourraient permettre des interconnexions optiques entièrement intégrées, transformant fondamentalement l’architecture des puces et l’efficacité énergétique.
Résilience de la chaîne d'approvisionnement et considérations stratégiques
La dépendance croissante à l’égard des matériaux à base de terres rares dans la fabrication des semi-conducteurs met en lumière un problème géopolitique et économique plus large : la sécurité de la chaîne d’approvisionnement.
Les oxydes de terres rares de haute pureté, les cristaux laser, les revêtements céramiques et les cibles de pulvérisation nécessitent des capacités de raffinage et de traitement avancées. Il est essentiel de garantir un accès stable à ces matériaux pour maintenir la compétitivité des semi-conducteurs.
Pour l’Europe, le renforcement du traitement national des terres rares, l’investissement dans les technologies de recyclage et la diversification des stratégies d’approvisionnement sont des étapes essentielles vers la résilience industrielle. Les matériaux à base de terres rares ne sont pas simplement des produits de base ; ce sont des intrants stratégiques pour l’infrastructure numérique, les systèmes de défense, les technologies d’énergie renouvelable et l’électronique de pointe.
Conclusion : Les matériaux ER, moteur caché des progrès dans le domaine des semi-conducteurs
Des lasers de lithographie et du polissage CMP aux revêtements résistants au plasma, en passant par les filtres RF, le stockage magnétique et la photonique du silicium, les matériaux à base de terres rares sont profondément ancrés dans la chaîne de valeur des semi-conducteurs.
À mesure que les architectures des transistors évoluent et que les exigences en matière de performances s’intensifient, la demande de matériaux spécialisés à base de terres rares continuera d’augmenter. Leurs propriétés optiques, magnétiques, catalytiques et électroniques uniques ne peuvent pas être facilement remplacées.
Au cours de la prochaine décennie, les percées dans le domaine de la science des matériaux à base de terres rares pourraient avoir une influence directe sur la rapidité de l’innovation en matière de semi-conducteurs. Pour les fabricants, les chercheurs et les décideurs politiques, il est essentiel de reconnaître le rôle fondamental des matériaux à base de terres rares pour façonner un avenir solide et compétitif dans le domaine des semi-conducteurs.