Eric Gerondeau a de quoi être fier. Il dirige le site le plus emblématique et le plus avancé de STMicroelectronics : celui de Crolles, près de Grenoble (Isère). Avec ses 4 300 salariés et ses deux usines, Crolles 1 pour les plaquettes de 200 millimètres et Crolles 2 pour celles de 300 millimètres, il est le plus grand site intégré de R & D et de production de puces électroniques en Europe continentale, derrière celui d’Intel en Irlande, et constitue le cœur de la Silicon Valley française.
Aux alentours, gravitent d’autres stars de la microélectronique comme Soitec, le leader mondial des substrats de silicium sur isolant ; Lynred, champion européen des capteurs infrarouges ; Tronics Microsystems, spécialiste des Mems à hautes performances ; Teledyne e2v, concepteur de capteurs d’image et convertisseurs de données à haute fidélité pour le spatial, la défense, le médical et l’industrie…
Chasse aux poussières et aux particules
Pour entrer dans l’usine STMicroelectronics, il faut montrer patte blanche. Lavage des mains au gel hydroalcoolique, changement du masque et prise de température avec une caméra infrarouge. Covid-19 oblige, le protocole sanitaire est strict. Il s’applique aux salariés comme aux partenaires et aux visiteurs. Au sol, un tracé indique le chemin et le sens de circulation. Un escalier est réservé à la montée, un autre à la descente. Les portes sont maintenues ouvertes pour éviter les contacts manuels.
Le rituel du vestiaire est le passage obligé en production. Les agents l’accomplissent deux ou trois fois par jour. Il faut enfiler surchausses, charlotte, gants, blouson, chaussures, cagoule et lunettes. Les salariés de STMicroelectronics sont en bleu, ceux des partenaires en blanc. Prêts à pénétrer dans le saint des saints, la salle blanche où se déroule la fabrication des puces ? Pas tout à fait.
STMicroelectronics Locaux techniques qui alimentent la production en électricité, eau, gaz et produits chimiques. © STMicroelectronics
La poussière et les particules sont les ennemies de notre production.
— Richard Kolic, directeur des opérations
Au seuil d’entrée, il faut marcher sur un paillasson spécial, un tapis collant. « Il est remplacé régulièrement, précise Richard Kolic, le directeur des opérations. Il sert à retenir les dernières poussières accrochées aux chaussures. La poussière et les particules sont les ennemies de notre production. » Nous entrons dans la salle blanche de Crolles 2, la seule usine de 300 mm de STMicroelectronics où l’air est renouvelé et filtré toutes les trente secondes, la température maintenue à 21,5 °C et l’hygrométrie à 45 %. Malgré ces conditions agréables, le novice peut vite se sentir étouffé par sa tenue de scaphandrier.
Les puces sont fabriquées sur des plaquettes en silicium de 300 millimètres de diamètre et 0,7 millimètres d’épaisseur. Celles-ci subissent leur traitement et voyagent entre les machines et les ateliers sans jamais passer entre des mains humaines. Elles sont soit à l’intérieur des machines pour traitement, soit à l’intérieur de Foup (Front opening unified pods), boîtes en plastique hermétiques qui les protègent de l’air ambiant pourtant beaucoup plus propre que celui dans un bloc opératoire. Chaque Foup contient 25 plaquettes et pèse 8 kg.
STMicroelectronics Insertion de plaquettes dans une machine pour leur traitement. © STMicroelectronics
150 véhicules de convoyage suspendus au plafond
Ce qui frappe au premier abord, c’est le ballet incessant de véhicules de convoyage automatique des Foup sur rails, au plafond. Ce système, baptisé AMHS (Automated material handling system), alterne périodes calmes d’immobilisation et périodes assourdissantes d’accélération. Il est régi par un algorithme tellement sophistiqué que les constructeurs automobiles y voient une source d’inspiration pour la voiture autonome. Pas moins de 150 véhicules, suspendus au plafond, sillonnent l’usine Crolles 2 sans déranger personne. Un système d’ascenseur au-dessus de chaque machine descend la boîte pour le traitement des plaquettes et la remonte à la fin de l’opération.
STMicroelectronics Rail au plafond pour les véhicules de convoyage automatique des produits. © STMicroelectronics
Ces transferts ne nécessitent aucune intervention manuelle. Chaque véhicule parcourt 45 kilomètres par jour. Ce système n’existe que pour les plaquettes de 300 mm. À l’usine Crolle 1, le convoyage des boîtes de plaquettes de 200 mm est assuré au sol par des AGV, chariots autonomes filoguidés, et le transfert des boîtes entre machines et chariots s’effectue manuellement. Elles comprennent 25 plaquettes et pèsent 4 kg, deux fois moins que celles de 300 mm. Le système de convoyage automatique joue un rôle central. « Nous ne sommes pas dans un processus traditionnel de production linéaire, explique Richard Kolic. Notre industrie utilise un processus qui tourne en boucle. »
STMicroelectronics Plaquettes de 200 et 300 mm, les deux tailles produites à Crolles. © STMicroelectronics
600 opérations en moyenne
La fabrication de puces fait appel à une dizaine d’opérations de base : déposition, lithographie, gravure, nettoyage, contrôle… Elles doivent être répétées en boucle des dizaines et des dizaines de fois pour créer les centaines de couches du circuit. En moyenne, environ 600 opérations sont réalisées. C’est pourquoi le cycle de fabrication est particulièrement long : six à douze semaines selon le type de composants. Et ce n’est pas tout. Une fois leur traitement terminé, les plaquettes partent dans les usines de test, d’assemblage et de packaging du groupe à Malte, au Maroc, en Malaisie, en Chine et aux Philippines, où elles sont testées puis découpées en composants qui sont ensuite montés et soudés dans des boîtiers. Des opérations qui ajoutent deux à trois semaines au cycle de fabrication. Jusqu’à quelques dizaines de milliers de puces sont ainsi produites à partir de chaque plaquette, prêtes à être expédiées aux clients.
La particularité de ce processus industriel en boucle et le coût élevé des équipements de production (la moindre machine représente plusieurs millions de dollars) font que la production ne s’arrête jamais. L’usine tourne 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, avec cinq équipes : trois en semaine et deux le week-end. À l’image du système du convoyage, la fabrication se distingue par une automatisation poussée. Le personnel en salle blanche n’intervient que pour des tâches de supervision, de contrôle, de configuration et de maintenance.
STMicroelectronics Chariot automatique filoguidé de convoyage des produits à l’usine Crolles 1 de plaquettes de 200 mm. © STMicroelectronics
La photolithographie, étape clé du processus
Dans l’immense zone de métrologie, plusieurs dizaines de machines effectuent toutes sortes de mesures dimensionnelles, comme celle de l’épaisseur des couches déposées sur la plaquette qui peuvent indiquer des problèmes de défectibilité dans le processus de fabrication. La couche est analysée pour évaluer le pourcentage de particules qu’elle contient et décider du plan de nettoyage chimique à effectuer pour la débarrasser de ces éléments indésirables qui risquent d’affecter le rendement de production. L’opération d’inspection visuelle est confiée à des postes manuels, ce qui est une grande surprise dans un process globalement très automatisé. « Les quelques opérations encore manuelles sont liées à leur historique ou à leur spécificité, souligne Éric Gerondeau. Elles se justifient par le fait que, dans certains cas, les machines ne peuvent pas remplacer l’expertise humaine. »
STMicroelectronics Inspection visuelle des plaquettes de 300 mm dans la zone de métrologie. © STMicroelectronics
La zone de photolithographie constitue une partie clé de l’usine. Elle est reconnaissable par son éclairage jaune, qui tranche avec l’éclairage blanc du reste de la salle blanche. « Le choix de cet éclairage est lié à des raisons historiques, confie le directeur du site. À l’époque, l’éclairage blanc traditionnel risquait de perturber le fonctionnement optique des équipements de lithographie. Ce n’est plus le cas aujourd’hui. Mais nous continuons à utiliser l’éclairage jaune pour bien identifier cette zone particulière de la fabrication. » C’est cette étape qui détermine la finesse de la gravure.
La plaquette est enduite d’une résine photosensible. Elle est ensuite exposée à une lumière UV à travers un masque, sorte de pochoir comprenant le négatif du dessin à imprimer. Les parties de résine insolées sont ainsi durcies. Les autres sont enlevées par gravure chimique et nettoyage. Elles laissent la place à des sillons qui reçoivent, par une méthode de dépôt de couches minces, l’une des nombreuses couches du circuit. La résine durcie est à son tour enlevée. Et la plaquette est prête à subir à nouveau ce processus jusqu’à créer toutes les couches du circuit. La finesse de gravure va jusqu’à 28 nanomètres.
Un site classé Seveso seuil haut
Notre métier est l’électronique. Mais par certains aspects, nous sommes aussi dans la chimie, les matériaux, l’informatique et bien d’autres disciplines.
— Éric Gerondeau
La salle blanche n’est que la partie émergée de l’usine. En dessous, sur deux niveaux, se situe le fameux « basement », les locaux techniques qui alimentent les machines de production en électricité, eau, gaz, produits chimiques et autres fluides. C’est une partie essentielle à la production de puces. C’est aussi la partie la plus sensible en termes de sécurité, qui fait que le site industriel est classé Seveso seuil haut. « Nous sommes en alerte permanente, affirme David Ferrand, le responsable de cette partie technique. Pression, température, débit… Nous suivons énormément de paramètres pour détecter les signaux faibles qui indiqueraient des changements de comportement. En cas d’alarme de sécurité, évacuation immédiate de tout le monde ! La priorité est à la sécurité du personnel. » Ces installations techniques offrent un décor impressionnant de bombonnes, de tuyaux et de pompes, donnant l’impression de se trouver dans une raffinerie. « Notre métier est l’électronique, rappelle Éric Gerondeau. Mais par certains aspects, nous sommes aussi dans la chimie, les matériaux, l’informatique et bien d’autres disciplines. »
STMicroelectronics Salle blanche de l’usine Crolles 2 avec son système de convoyage automatique au plafond. © STMicroelectronics
Au-delà de l’automatisation, le numérique s’incruste dans l’optimisation des flux, le suivi de la production, le contrôle qualité et la maintenance prédictive des machines. Plus de 200 000 capteurs relèvent l’état des équipements sur le site. Ils déversent plusieurs téraoctets de mesures dans un lac de données pour être analysées en temps réel. Là encore, l’analyse vise à détecter les signaux annonciateurs de dérives de process, de pannes de machines et d’alarmes de sécurité. « Dans le cadre de notre démarche d’excellence opérationnelle, nous investissons dans le digital avec une priorité absolue : la sécurité des données, précise Éric Gerondeau. Nous avons mis en place des jumeaux numériques pour le pilotage en temps réel de nos processus industriels. »
Grâce à ces outils, les équipes peuvent contrôler à tout moment l’état de l’outil de production et savoir à quel stade se situe le lot de fabrication. Dans le cadre de l’extension de l’usine de 300 mm, l’industriel fait appel à la modélisation 3D et à la simulation, notamment pour préparer le bâtiment au passage des canalisations où s’écouleront les produits chimiques et les fluides nécessaires à la production. Ce qui lui permet de gagner des semaines dans l’installation des équipements. L’intelligence artificielle est déployée pour la détection précoce des pannes des machines, la classification automatique des défauts ou encore le contrôle en temps réel des process. « C’est un domaine à fort potentiel d’innovation qui va nous aider à aller plus loin dans le contrôle de la défectibilité de nos process et l’amélioration de nos rendements de production », estime Richard Kolic.
Une nouvelle usine en Italie
Reflet d’une société en forte croissance depuis 2017, le site de Crolles est en pleine expansion. Après une première extension de 1 600 mètres carrés en 2018, l’usine Crolles 2 en a inauguré une deuxième de 1 500 mètres carrés en 2020 et une troisième est en chantier. Le terrain a été préparé pour accueillir jusqu’à dix extensions de 1 500 mètres carrés chacune. De quoi doubler à terme la surface de la salle blanche de Crolles 2. À la fin de l’année 2021, la capacité de production devrait atteindre 7 500 plaquettes par semaine pour Crolles 1 et 7 800 pour Crolles 2.
D.R. Chantier de la nouvelle extension de l’usine Crolles 2. © STMicroelectronics
L’expérience de Crolles 2 est mise à contribution pour l’usine de 300 mm en cours de construction par STMicroelectronics à Agrate, en Italie. Des équipes grenobloises aident leurs collègues italiens à y installer les équipements. Ce futur site fabriquera sur plaquettes de 300 mm des composants produits aujourd’hui sur plaquettes de 200 mm. Un sacré défi. Le transfert des procédés de fabrication des plaquettes de 200 mm à celles de 300 mm est en train d’être préparé à Crolles 2, de façon à faire gagner du temps lors du démarrage de l’usine d’Agrate à la fin de 2021. Là encore, les équipes françaises sont fières d’apporter leur concours et leur expertise à un projet structurant de l’entreprise qui vise à accroître sa productivité et sa compétitivité.
Plus grande usine de puces en Europe continentale
- 2 usines : Crolles 1 (plaquettes de 200 mm) et Crolles 2 (plaquettes de 300 mm)
- 4 300 salariés, dont 1 000 en R & D
- 25 000 m2 de salles blanches
- Capacité de production : 6 400 plaquettes de 300 mm et 7 000 de 200 mm par semaine
- 6 milliards d’euros investis depuis la création, en 1992
Un site hyperprotégé contre les risques industriels
Vue générale du site de STMicroelectronics à Crolles. © STMicroelectronics
Comme tous les sites de production de puces, celui de STMicroelectronics à Crolles (Isère) est classé Seveso, et compte tenu de son importance, il relève du seuil haut de ce classement. La fabrication fait appel à beaucoup de gaz, d’acides, de solvants et d’autres produits chimiques pour le dépôt des différentes couches, le dopage, la gravure et le nettoyage. Oxygène, hydrogène, azote, acide fluorhydrique, silane... Autant de produits dangereux pour la santé et l’environnement, et dont certains peuvent provoquer des incendies ou des explosions.
L’industrie des puces se targue d’être la plus sécurisée en la matière, en raison des investissements énormes qui la caractérisent. Elle subit de temps en temps des accidents (départs de feu, incendies, fuites de gaz...), généralement sans gravité pour le personnel et l’environnement. Mais jamais de catastrophe comme l’explosion de l’usine chimique de Lubrizol, en septembre 2019 à Rouen (Seine-Maritime). Pour réduire les risques, STMicroelectronics limite le stockage sur site à seulement trois à cinq jours de production et se fait livrer quotidiennement. Parmi ses fournisseurs clés, figurent le français Air liquide et l’allemand Linde.
