La fabrication des semi-conducteurs dépend de manière critique de l'hélium

Les semi-conducteurs les plus sophistiqués peuvent comporter plus d'un milliard de transistors gravés sur une puce de silicium de la taille d'un ongle. Atteindre un tel niveau de complexité exige de multiples étapes au sein de la chaîne de fabrication afin de contrôler avec précision les processus à l'échelle atomique, sur des plaquettes pouvant atteindre 30 centimètres de diamètre.

De nombreux produits chimiques et gaz sont essentiels à la fabrication des semi-conducteurs. L'hélium en fait partie grâce à ses propriétés cryogéniques, son exceptionnelle conductivité thermique, son inertie chimique, sa petite taille et sa forte diffusivité, sans substitut direct. Il est utilisé tout au long du processus de fabrication et est indispensable au fonctionnement des installations de production. Selon les prévisions d'IDTechEx dans son rapport « L'hélium pour les semi-conducteurs et au-delà 2025-2035 : marché, tendances et prévisions », la demande d'hélium dans la fabrication des semi-conducteurs devrait plus que quintupler d'ici 2035.

Par exemple, au sein des chaînes de production, l'hélium est indispensable comme gaz vecteur pour les procédés de dépôt, comme diluant lors de la gravure plasma et pour le refroidissement des plaquettes afin de minimiser leur déformation sous contrainte thermique. Il est essentiel à la lithographie ultraviolette extrême (EUV) pour la fabrication de puces inférieures à 5 nm, cruciale pour les applications d'intelligence artificielle, ainsi que pour le refroidissement des plaquettes et des outillages. De plus, lors des opérations en usine, il est également utilisé pour les tests d'étanchéité et de sécurité des canalisations et des équipements, ainsi que pour la création d'une atmosphère ultra-propre dans les processus de fabrication.

Pourquoi le Qatar est-il si important dans le commerce de l'hélium ?

À l'échelle mondiale, les réserves d'hélium connues se situent principalement au Qatar, aux États-Unis, en Algérie, en Russie, au Canada et en Chine, le Qatar possédant les plus importantes réserves (plus de 10 milliards de m³). Le Qatar est un fournisseur majeur, au même titre que les États-Unis et la Russie, et le deuxième producteur mondial, fournissant plus d'un tiers de l'hélium consommé dans le monde.

Le mode de production de l'hélium est également crucial, car il est généralement obtenu comme sous-produit du traitement du gaz naturel, où il est présent en très faibles quantités (généralement entre 0,3 % et 0,5 %, selon la réserve). La séparation de l'hélium du gaz naturel nécessite une série d'étapes, notamment la séparation cryogénique de l'azote et de l'hélium, la séparation membranaire et l'adsorption modulée en pression (PSA), puis la liquéfaction cryogénique pour le transport. L'ensemble de ces procédés requiert un investissement important ; la production d'hélium n'est donc rentable que si les installations traitent d'énormes quantités de gaz naturel. C'est pourquoi l'usine de Ras Laffan, au Qatar, est si importante de par son envergure.

Le Qatar et la Russie sont également des acteurs clés, car tous deux ont mis l'accent sur le développement de leur production d'hélium. L'arrêt de l'usine qatarie de Ras Laffan a déjà des répercussions sur les prix et l'approvisionnement en hélium. Même si les installations redémarrent (même partiellement), un retard est à prévoir, dont les conséquences se feront sentir tout au long de la chaîne de valeur.

Quelles conséquences cela aura-t-il pour l'industrie des semi-conducteurs ?

Tout d'abord, en temps normal, l'hélium est un gaz très périssable : selon les experts du secteur, les conteneurs de stockage d'hélium fuient à un rythme d'environ 1 % par jour. Il est donc très difficile de constituer et de maintenir un stock important. De fait, il est utilisé pour les tests d'étanchéité précisément à cette fin. Cela signifie que les usines de fabrication de semi-conducteurs dépendent d'un approvisionnement stable. Les ruptures d'approvisionnement peuvent ralentir la production et, dans les cas extrêmes, des retards importants peuvent entraîner l'arrêt complet des installations.

Les usines comme TSMC disposent généralement de stocks suffisants pour plusieurs mois et utilisent des systèmes de recyclage de l'hélium, mais leur capacité à surmonter cette crise dépendra entièrement de la durée des perturbations. Si celles-ci persistent plusieurs mois, les conséquences seront considérables pour l'industrie des semi-conducteurs, notamment face à la demande croissante de puces toujours plus sophistiquées pour l'IA et le HPC, nécessitant des technologies de gravure inférieures à 5 nm.

Par ailleurs, il est important de tenir compte des régions où sont implantés les géants de la fabrication de semi-conducteurs. Les pays ayant diversifié leurs sources d'approvisionnement en hélium sont également mieux positionnés. Par exemple, Taïwan obtiendrait environ deux tiers de son hélium du Qatar et des États-Unis, le reste provenant d'autres sources. En revanche, la Corée du Sud devrait s'approvisionner à hauteur d'environ 65 % auprès du Qatar en 2025, ce qui rendrait les fabricants locaux de semi-conducteurs vulnérables aux perturbations de la chaîne d'approvisionnement. De ce fait, des entreprises comme Samsung et SK Hynix auraient signé des accords d'approvisionnement à long terme avec des sociétés telles que Linde et Air Products, qui s'approvisionnent en grande partie en hélium aux États-Unis.

Existe-t-il d'autres moyens d'obtenir de l'hélium ?

Bien que l'hélium, sous-produit du gaz naturel, soit la principale source de production d'hélium, des zones géologiques aux États-Unis et au Canada recèlent des gisements dont la concentration en hélium varie de 0,3 % à 10 %. Cette situation offre aux PME de nouvelles opportunités d'entrée sur le marché. Selon IDTechEx, des systèmes de séparation économiques, tels que les technologies membranaires et PSA, permettent d'améliorer et de purifier l'hélium issu de ces sources. Les acteurs du secteur adoptent des systèmes PSA, membranaires ou hybrides PSA + membranaires en fonction de l'objectif de séparation. S'appuyant sur des entretiens avec des développeurs technologiques clés comme Generon et UGS, le rapport d'IDTechEx propose une analyse de marché complète de ces technologies, incluant des comparaisons de produits et des études de cas.

Perspectives d'IDTechEx

Si ces difficultés persistent, on pourrait assister à une adoption accrue des mesures de conservation ou de recyclage de l'hélium dans la fabrication des semi-conducteurs. L'utilisation de l'hélium dans les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) constitue d'ailleurs un succès majeur : les systèmes IRM modernes ont bénéficié d'améliorations technologiques et ont mis en œuvre des systèmes en boucle fermée permettant de recycler l'hélium et d'éviter ainsi les recharges.

Cela dit, outre la crise actuelle, on a recensé quatre pénuries importantes d'hélium ces vingt dernières années, affectant la disponibilité sur le marché et les prix. Par conséquent, les industries fortement dépendantes de l'hélium disposent généralement de plans de contingence, comme la diversification de leurs sources d'approvisionnement, afin de se prémunir contre les perturbations à court terme. Cependant, la capacité d'industries telles que la fabrication de semi-conducteurs à surmonter ces difficultés dépendra entièrement de la durée des perturbations. Une volatilité persistante du marché pourrait inciter les industries à diversifier davantage leurs chaînes d'approvisionnement en hélium afin de réduire leur dépendance à un seul pays, en adoptant une approche plus équilibrée incluant le Qatar, la Russie et les États-Unis.

Auteur : Dr Shababa Selim, analyste technologique senior chez IDTechEx