Simplification de l’ICV par la segmentation de la phase de production

Du fait de la complexité de la fabrication d’un composant, certaines mesures doivent être prises lors de la collecte de données. Ces mesures ont pour but de simplifier et accélérer la collecte de données lors de l’inventaire de cycle de vie.

3.1 Description des technologies de fabrication et segmentation de la route

Selon le niveau de détails souhaité pour la modélisation du cycle de vie d’un produit30, le produit est regardé sous différents niveaux d’abstraction.

On peut décrire un boitier ou une technologie comme un ensemble de blocs, eux-mêmes composés d’étapes de procédés de fabrication. Un bloc correspond à la fabrication d’une entité matérielle ou physique du produit. Pour une technologie, les blocs sont des niveaux de masque regroupés pour former des plus gros ensembles. Un bloc n’est pas nécessairement lié à l’apport de matière mais plutôt à la formation ou l’assemblage d’entités pendant la fabrication du produit. La fabrication des blocs, par une série de procédés, consomme des matériaux et de l’énergie qui génèrent des effets sur l’environnement de par leur fabrication, distribution, utilisation et traitement.

La fonction d’une technologie semi-conductrice est de supporter la fabrication d’un circuit électrique. La réduction de taille d’une génération à une autre est prise en compte en intégrant le nombre de produits sur une même plaquette. Une technologie semi-conductrice est fabriquée selon une route de plusieurs centaines d’étapes. La modélisation environnementale d’une telle technologie est complexe si l’on doit considérer la route étape par étape. Cette route est divisée en une vingtaine de modules qui eux-mêmes comprennent des niveaux de masques ou des étapes de procédés élémentaires (Tableau 23).

Figure 23 : Segmentation de la route de fabrication d’une puce en modules

A partir de l’expérience des technologues, treize modules ont été identifiés pour la modélisation de n’importe quelle technologie NVM. Il existe des modules obligatoires, i.e. que pour une technologie NVM il existe forcément un ou plusieurs niveaux de masque dans la route de fabrication destiné(s) à fabriquer ces éléments obligatoires. D’autres paramètres sont nécessaires pour couvrir l’ensemble de la route de fabrication : la formation des différents types de transistors ou l’ajout de certaines options. Le Tableau 12 résume les différents modules et paramètres segmentant la route de fabrication d’une puce et permettant sa description à partir d’un nombre réduit de paramètres.

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Le terme « Life Cycle Modelling » ou « LCM » est communément utilisé pour cette notion de modélisation du produit sur son cycle de vie à des fins de caractérisation environnementale ou non.

91 Chapitre 6 : Méthode de réalisation d’un inventaire du cycle de vie pour un composant

Pour faire l’analogie avec une voiture, les modules obligatoires sont les entités nécessaires au fonctionnement de la voiture (roues, moteur) ou à la sécurité du conducteur (rétroviseurs) tandis que les modules optionnels sont des caractéristiques de la voiture pour le confort du conducteur (air bag et systèmes d’aide au freinage) ou pour aider à l’assemblage du véhicule (rivet, châssis).

Tableau 12 : Description d’une puce fabriquée avec une technologie NVM à partir de paramètres

Type Paramètres de la puce

A : Modules obligatoires Cell Active Floating gate Salicide protection Salicide Contact Spacer

Back end of line Poly-metal dielectric Gate

Inter-metal dielectric Passivation

Traitement plaquette en début et fin de procédé B : Modules optionnels

C : Autres paramètres de la puce

Nombre de lignes

Dernière ligne aluminium (Fin ou épais) Matrix (Simple ou double)

D : Transistors embarqués

High voltage Low voltage Medium voltage Ultra high voltage High speed

Le processus d’assemblage pour l’encapsulation dans le boîtier est moins long que la fabrication de la puce. On compte entre 15 et 20 étapes. Contrairement à la fabrication de la puce, l’assemblage du boitier est réalisé sur une ligne de production spécialisée pour chaque type de boitier. Sur les lignes, plusieurs étapes de procédés s’enchaînent assimilables à des ateliers. Le nombre d’étapes étant limité, il est inutile d’utiliser ce principe de regroupement : chaque étape du processus d’assemblage est modélisée. La segmentation en modules est plus aisée puisqu’elle correspond aux différentes phases d’assemblage sur la ligne de production. Par la suite, on nommera également « modules » un regroupement d’étapes de production formant une entité précise du boitier.

3.2 Simplification de la collecte par la segmentation de la route de fabrication

La route de fabrication d’un semi-conducteur se décompose en une série de boucles, elles-mêmes composées d’une dizaine d’étapes élémentaires qui se répètent. Les elles-mêmes procédés sont répétés dans les boucles. Ainsi, il existe un nombre réduit de procédés différents du fait de leur technique de fabrication. C'est pourquoi il est acceptable de segmenter la route en réalisant un modèle de quelques étapes représentatives, scrupuleusement sélectionnées.

L’usine de fabrication est divisée en plusieurs zones dites « ateliers», chaque atelier correspondant à un type de procédé. On définit l’unité fonctionnelle d’un atelier (Tableau 13). La

fonction d’un procédé est d’ajouter un élément ou changer une propriété pendant la fabrication de la puce ou l’assemblage du boitier. Plusieurs techniques sont susceptibles d’obtenir le même résultat. Par exemple, une couche d’oxyde est obtenue par un dépôt de type CVD ou par croissance avec un procédé de diffusion.

Les étapes de chacun des ateliers sont regroupées en fonction de leur « unité de résultat ». Ce regroupement est appelé « groupe de résultat ». Une unité de résultat est l'expression du résultat d'un processus. Elle peut être mesurable ou observable et est spécifique à une zone de production ou une technique de production et peut être dépendante de l'équipement, d'une substance spécifique ou du principe physique utilisé.

Un calcul de la propagation d'une recette à l'autre dans un même groupe est effectué. L'écart entre les principales sources de dommages sur les catégories d'impact considérées doit être le plus faible possible. S’il est trop important, un autre groupe de résultat est créé.

Tableau 13 : Unité fonctionnelle des ateliers – fabrication de la puce et du boitier

Procédé Unité fonctionnelle

Implantation ionique Implanter des espèces dopantes dans le silicium Nettoyage Nettoyer pour décontaminer ou retirer de la matière Diffusion Déposer des couches ou traitement thermique Gravure Graver dans les couches pour dessiner les motifs

PVD Déposer des couches par voie physique

Electrodéposition Déposer des couches par électrolyse

CVD Déposer des couches par voie chimique

CMP Polir la plaquette mécaniquement et chimiquement

Photolithographie Dessiner des motifs en insolant une résine photosensible Câblage filaire Connecter les pads de la puce au substrat par un fil métallique

Collage Coller la puce au substrat

Balls attach Souder les billes à la puce

Underfill Déposer une couche de résine pour combler l’espace entre la bille et le substrat PCB

Flip chip Connecter la puce au boitier par les pads

Isolation de la puce Amincir puis scier la plaquette pour isoler la puce Moulage Encapsuler la puce dans une résine protectrice

• Exemple de segmentation sur un composant quelconque

Pour la puce pour laquelle un inventaire complet des étapes de fabrication a été réalisé, nous avons trouvé 42 groupes, reportés dans le Tableau 14. En pratique, cela signifie que seulement un nombre réduit d’étapes de processus élémentaires est modélisé. Pour chaque groupe, la nature et l’ordre de grandeur des entrants (électricité, matières premières) sont similaires. Le nombre d’étapes comprises dans un groupe est noté à titre indicatif.

Ces groupes ont été définis en fonction de l’atelier, du principe physique utilisé et des unités de résultats. Lorsque des écarts importants étaient observés entre certains flux d’entrée, la sensibilité de ces flux sur le calcul d’impacts a été calculée par la réalisation d’une ACV de différentes étapes. Si l’écart s’avère important par rapport au seuil de tolérance fixé, un nouveau groupe est défini.

93 Chapitre 6 : Méthode de réalisation d’un inventaire du cycle de vie pour un composant

Tableau 14 : Liste des groupes de résultats pour la fabrication d’un composant

Atelier Groupes* Nombre d’étapes appartenant

au groupe (%) **

CMP Polish wafer surface after copper deposit 1.027

Polish wafer surface after oxide deposit 0.685

Polish wafer surface after tungsten deposit 0.342

Electrolyse Depose a copper layer by electrolyze 1.027

CVD Deposition of oxide by chemical vapor process 1.712

Chemical vapor deposit process on DTN equipment 2.397 Chemical vapor deposit process on other equipments 1.712 Tungsten deposit by chemical vapor deposition 0.342 Other metals deposit by chemical vapor deposition 1.370

PVD Metal deposit by physical vapor deposition 1.712

Gravure Etch wafer surface on metal layer 1.370

Etch wafer surface on oxide layer 3.425

Etch wafer surface on poly layer with SF6 0.685

Etch wafer surface on poly layer without SF6 1.027 Etch wafer surface on poly layer without Chlorine and

Helium 0.685

Remove resist with dry treatment on Matrix equipment 2.740 Remove resist with dry treatment on Zeta equipment 2.397

Surface dry treatment 7.534

Photolithogr aphie

Photolithography with thickness1 resist 4.452

Photolithography with thickness2 resist 5.822

Photolithography with thickness3 resist 1.712

Photolithography without BARC 2.740

Implantation Ionique

Implant bore atoms 3.767

Implant phosphorous atoms 3.425

Implant Fluor atoms 1.370

Implant arsenic atoms 1.712

Hardening of resin by ultraviolet treatment 2.740

Diffusion Low pressure chemical vapor deposition process 4.452

Oxidation by diffusion 2.055

Anneal by diffusion 1.712

Rapid thermal oxidation 1.712

Rapid thermal anneal 2.740

Nettoyage Remove resist with wet treatment 7.192

Clean with HF 1.027

Clean of wafer back side 4.110

Clean with scrubber 11.644

Clean with BOE 0.685

Assemblage du boitier Back grinding 0.342 Die sawing 0.342 Molding 0.342 Cleaning 0.342 Flip chip 0.342 Balls attach 0.342 Molding 0.342 Singulation 0.342

*Les données de ce tableau confidentielles sont masquées

**Les valeurs sont ramenées en pourcentage pour des raisons de confidentialité

Une fois la segmentation de la route réalisée et les groupes créés sur un exemple d’une puce représentative, l’ICV d’une puce fabriquée avec une nouvelle technologie est beaucoup plus rapide :

• Si un module de la nouvelle technologie a déjà été développé sur une précédente technologie, alors le calcul d’impact est récupéré de la précédente génération de technologies

• Sinon le module est nouveau. Dans ce cas,

o si les étapes du module appartiennent à des groupes de résultats précédemment définis, alors le calcul d’impact a déjà été réalisé ;

o si certaines étapes sont nouvelles du fait du principe physique utilisé, de la famille de l’équipement, ou de l’ajout d’une nouvelle substance dont l’impact est non-négligeable, alors un nouveau groupe est créé.