Comprendre les semi-conducteurs : de la fabrication aux enjeux technologiques actuels

Qu’est‑ce qu’un semi‑conducteur ?

Les semi‑conducteurs sont des composants essentiels que l'on retrouve dans presque tous les appareils électroniques modernes, des smartphones aux ordinateurs en passant par les voitures électriques. Invisibles à l'œil nu mais omniprésents, ils sont au cœur de notre révolution technologique et représentent aujourd’hui un marché total de 527 milliards de dollars en 2023¹.

On regroupe communément dans le terme semi‑conducteur les puces sur lesquelles sont gravés des circuits électroniques. Ces circuits sont composés de millions/milliards de transistors qui envoient une multitude de signaux (« 1 » si le courant passe, « 0 » s’il ne passe pas) et permettent à la puce de réaliser diverses fonctions électroniques comme : le calcul, le stockage de données, ou le contrôle de dispositifs électroniques. C’est donc le nombre de transistors présents dans la puce qui définit la puissance de cette dernière. Aujourd’hui, chaque appareil électronique a besoin d’au moins un semi‑conducteur pour fonctionner.

Chaîne de production des semi‑conducteurs

La fabrication d’une puce peut impliquer plus de 700 étapes (pour les technologies les plus avancées) qui peuvent être réparties en 3 parties : fabrication du wafer, front‑end et back‑end.

La fabrication du wafer est la première étape du processus de production. Ce qu’on appelle le wafer est un disque très fin, généralement en silicium, qui est obtenu en purifiant et en chauffant du sable à très haute température. C’est ce disque qui sera la base de la puce.

Une fois fabriqué, le wafer est envoyé chez un fondeur qui va s’occuper de la partie front‑end. Cette dernière regroupe les différentes étapes permettant de réaliser la gravure des circuits électroniques sur le wafer. La première étape est la déposition qui consiste à ajouter différentes couches très fines de matériaux sur la plaquette de silicium. Vient ensuite la lithographie (segment sur lequel notre champion européen ASML possède une part de marché de 90 %) qui permet de dessiner le motif des circuits sur le wafer (grâce à la projection d’une lumière ultraviolette sur une couche photosensible déposée préalablement sur le wafer), puis le etching qui est l’étape de gravure à proprement parlé du circuit. Ces étapes sont répétées des dizaines de fois afin de graver des structures de circuit en 3D à une échelle nanométrique, ce qui fait du front‑end la partie la plus complexe de la chaîne technologiquement parlant.

Le wafer gravé est enfin envoyé chez un OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) qui va se charger de la partie back‑end. L’objectif de cette dernière est de transformer le produit brut (le wafer gravé) en un produit fini (la puce). Le wafer va d’abord être découpé en plusieurs petites puces individuelles. Arrive ensuite l’étape de bonding qui permet de créer des connexions électriques entre les puces, puis de packaging qui permet de protéger la puce tout en facilitant son intégration dans l’appareil électronique. La dernière étape est le Test qui permet de s’assurer que la puce fonctionne correctement avant d’être vendue.

La dernière partie de la chaîne (back‑end) au cœur des préoccupations actuelles

Depuis plus de 50 ans, le secteur des semi‑conducteurs suit la loi de Moore. Cette dernière stipule que le nombre de transistors sur une puce double environ tous les deux ans, entraînant ainsi une augmentation exponentielle de la puissance de calcul et une réduction des coûts. C’est cette tendance qui a guidé la miniaturisation des circuits électroniques grâce aux avancés technologiques dans la partie front‑end, notamment sur la lithographie. Mais au cours des dernières années, nous observons un ralentissement du rythme prédit par la loi de Moore, en raison des défis techniques liés à la miniaturisation continue des transistors. Afin de continuer à suivre cette loi, l’industrie commence à se concentrer sur la partie back‑end, notamment en développant de nouvelles techniques de bonding et de packaging. Cette tendance devrait avoir pour effet de dynamiser les investissements dans la partie back‑end, qui historiquement a toujours été placée au second plan au profit de la partie front‑end de la chaîne de valeur.

Du côté des équipementiers, le marché total représentait environ 104 milliards de dollars en 2021 : 89 milliards de dollars pour la partie front‑end et 15 milliards de dollars pour la partie back‑end². Entre 2013 et 2023, le TCAM (Taux de Croissance Annuel Moyen) a été de + 7 % pour le marché équipementiers back‑end contre + 15 % pour le front‑end³.

Les différentes typologies d’acteurs

La fabrication d’un semi‑conducteur implique donc différentes étapes de production mais également différents types d’acteurs. Il y a tout d’abord les designers qui se chargent de la conception des puces en dessinant l’architecture des circuits (exemple : Nvidia, AMD, ...). Ceux‑ci vont ensuite généralement sous‑traiter la fabrication de la puce à des fondeurs/OSAT (Exemple : TSMC, Global Foundries, ...). Mais il existe tout de même des acteurs appelés IDM (Integrated Device Manufacturer), verticalement intégrés, qui se chargent de la conception et de la fabrication de la puce (exemple : Samsung, Infineon, Texas Instrument, ...). Nous retrouvons enfin les équipementiers qui fabriquent et vendent aux fondeurs/IDM les machines permettant de fabriquer les semi‑conducteurs (exemple : ASML, Besi, Applied Materials, ...).

Les petites et moyennes valeurs européennes dans le marché des semi‑conducteurs

Au sein de l’univers des petites et moyennes valeurs européennes, nous pouvons citer Besi et Süss MicroTec (équipementiers néerlandais et allemands spécialisés sur la partie back‑end et exposés aux problématiques actuelles de l’IA), PVA Tepla (équipementier allemand spécialisé sur la partie fabrication du wafer) ou encore Kalray (designer français spécialisé dans les processeurs dédiés à l’IA et au Calcul Haute Performance).