La pile de matériaux déterminera le succès ou l'échec de la renaissance des semi-conducteurs aux États-Unis.

La pile de matériaux déterminera le succès ou l'échec de la renaissance des semi-conducteurs aux États-Unis

Que s'est-il passé ?

En juin 2025, le Département du Commerce américain a accordé, en vertu du *Chips and Science Act*, un financement de 500 millions de dollars à SandboxAQ, une entreprise de matériaux basée sur l'IA, pour développer des matériaux avancés nécessaires à la fabrication de semi-conducteurs. Le projet se concentre sur quatre directions : produits chimiques de procédé sans PFAS, catalyseurs avancés, aimants permanents sans terres rares et systèmes de batteries de nouvelle génération. Cet investissement marque la prise de conscience par le gouvernement américain que la science des matériaux est devenue le plus grand goulot d'étranglement limitant l'expansion des procédés avancés, et que la dépendance de la chaîne d'approvisionnement en matériaux étrangers menace la sécurité stratégique nationale.

Pourquoi est-ce important ?

La fabrication de semi-conducteurs ne se limite pas aux machines de lithographie et aux usines de plaquettes. Les produits chimiques de procédé, les catalyseurs, les matériaux magnétiques et les systèmes de stockage d'énergie affectent directement le rendement, l'utilisation des équipements, le contrôle des défauts et les coûts de fabrication. Actuellement, ces matériaux clés sont fortement concentrés entre les mains du Japon, de l'Allemagne et de la Chine. Par exemple, le marché des résines photorésistantes est dominé par JSR, Tokyo Ohka et Shin-Etsu Chemical ; les catalyseurs et précurseurs sont fournis par Entegris, Merck, etc. ; pour les aimants permanents aux terres rares, la Chine détient plus de 90 % de la capacité de production mondiale. Si le maillon des matériaux ne peut pas être localisé, les nouvelles usines de plaquettes américaines resteront toujours dépendantes des autres.

Contexte

• Contexte technologique : Le développement traditionnel des matériaux repose sur des méthodes d'essais et d'erreurs, avec des cycles longs (5 à 10 ans), incapables de suivre les exigences strictes des nœuds avancés (2 nm, 1 nm) en matière de pureté, de stabilité et de respect de l'environnement. Les Large Quantitative Models (LQMs) de SandboxAQ, basés sur des données de premiers principes telles que la théorie de la fonctionnelle de la densité et la dynamique moléculaire, peuvent filtrer des millions de molécules candidates en quelques semaines, réduisant considérablement les cycles de R&D.
• Contexte du marché : Le marché mondial des matériaux pour semi-conducteurs atteignait environ 68 milliards de dollars en 2024, et devrait dépasser 100 milliards de dollars d'ici 2030. Parmi ceux-ci, la demande pour les produits chimiques spéciaux, les gaz de haute pureté et les boues CMP pour les procédés avancés (< 7 nm) augmente de plus de 15 % par an.
• Contexte industriel : Les États-Unis ont attiré plus de 300 milliards de dollars d'investissements grâce à la loi CHIPS, mais la plupart sont concentrés sur la fabrication de plaquettes (construction d'usines par TSMC, Intel et Samsung aux États-Unis) et sur les équipements (ASML, Applied Materials). Les fonds alloués au maillon des matériaux ne représentent qu'une très faible proportion, ce qui entraîne un déséquilibre.

Analyse approfondie

• #### Impact technologique- Feuille de route technique :
• - Produits chimiques sans PFAS : Les PFAS (substances per- et polyfluoroalkylées) sont utilisés dans les semi-conducteurs comme fluides caloporteurs, revêtements isolants et lubrifiants. Les alternatives doivent concilier stabilité thermique et propriétés diélectriques. Les matériaux candidats incluent les cétones fluorées, les hydrofluoroéthers (HFE), etc. Le modèle d'IA de SandboxAQ peut prédire la stabilité de nouvelles molécules dans un environnement plasma.
• - Catalyseurs avancés : Utilisés pour générer des gaz ultra-purs (comme le triméthylaluminium, les précurseurs de tungstène), les procédés de dépôt (ALD, CVD) et le traitement des effluents. Les catalyseurs traditionnels (comme les métaux du groupe du platine) sont coûteux et leur approvisionnement concentré. L'IA peut accélérer la découverte de catalyseurs non nobles à base de nickel, cobalt, molybdène.
• - Aimants permanents sans terres rares : Les tables de précision, pompes à vide et moteurs pas à pas dépendent des aimants NdFeB. Les alternatives incluent les composés fer-azote (α''-Fe16N2), le manganèse-aluminium-carbone (MnAlC), etc., mais la production de masse est difficile. Les LQMs peuvent simuler le moment magnétique et la coercitivité, réduisant les itérations expérimentales.
• - Batteries de nouvelle génération : Les fabriques de semi-conducteurs exigent des alimentations sans interruption très performantes ; les batteries vanadium-redox et sodium-ion deviennent candidates. L'IA peut optimiser la formulation des électrolytes et les matériaux d'électrode.
• Barrières technologiques : La clé réside dans la validation coordonnée matériau-procédé-équipement. Les nouveaux matériaux doivent être testés sur l'ensemble de la ligne de production, impliquant les étapes de lithographie, gravure, dépôt, nettoyage, etc. Le cycle de certification est généralement de 2 à 3 ans. L'IA ne peut qu'accélérer la découverte, mais ne peut pas contourner la validation en aval.

#### Impact sur la chaîne d'approvisionnement

• Amont (fournisseurs de matériaux) : Acteurs existants – Shin-Etsu Chemical, JSR, Tokyo Ohka (résines photosensibles) ; Merck (produits chimiques) ; Entegris (matériaux de haute pureté) ; Hitachi Metals, TDK (matériaux magnétiques). Si les États-Unis deviennent autosuffisants, ces entreprises subiront des pertes de parts de marché. Mais SandboxAQ ne fabrique pas elle-même de matériaux, elle collabore avec les fournisseurs existants via des licences ou des coentreprises : il s'agit donc davantage d'une mise à niveau technologique que d'un remplacement.
• Milieu de chaîne (fabriques de semi-conducteurs) : TSMC, Intel et Samsung dans leurs usines américaines seront les principaux bénéficiaires. Un approvisionnement local plus stable peut réduire les coûts de stock et les retards de transport. Cependant, la validation des matériaux nécessite une collaboration étroite avec les fabriques, ce qui pourrait augmenter les coûts d'ingénierie à court terme.
• Aval (équipementiers) : Applied Materials, Lam Research, KLA, etc., sont sensibles aux performances des matériaux. Par exemple, les équipements de gravure doivent s'adapter aux nouvelles propriétés chimiques des gaz. Les équipementiers doivent optimiser les formulations en parallèle avec les développeurs de matériaux.
• Maillons à risque : L'entraînement des modèles d'IA dépend de données de haute qualité. Actuellement, les données sur les matériaux semi-conducteurs accessibles au public sont rares ; SandboxAQ doit collaborer avec des laboratoires pour générer des données propriétaires. Par ailleurs, le remplacement des aimants à terres rares se heurte à un écart fondamental de performances physiques (par exemple, le produit énergétique maximal) ; une dé-rare-terrisation complète à court terme est impossible.

• #### Paysage concurrentiel- États-Unis : Tentent de reconstruire leurs capacités de R&D en matériaux via le projet SandboxAQ. Mais ils doivent concurrencer des géants établis comme Entegris et Merck (États-Unis/Allemagne). L’avantage technologique de SandboxAQ réside dans l’IA, mais il lui manque l’expérience de production de masse.
• Japon : JSR, Tokyo Ohka Kogyo, Shin-Etsu Chemical et d’autres dominent depuis longtemps le marché des matériaux. Ils investissent aussi dans l’IA (par exemple, JSR en partenariat avec IBM), mais plus lentement. Le gouvernement japonais pourrait accroître son soutien au développement de matériaux pour l’Agence japonaise de l’énergie atomique (JAEA).
• Chine : Possède un avantage absolu dans les aimants permanents en terres rares, mais dépend encore des importations pour les produits chimiques de haute pureté destinés aux semi-conducteurs. La Chine encourage le remplacement des importations par des productions locales via le 14e plan quinquennal, mais la simulation de matériaux par IA a débuté tardivement. Les États-Unis restreignent l’exportation de technologies de matériaux avancés (comme les précurseurs) vers la Chine, et le projet SandboxAQ resserre encore l’accès de la Chine aux produits chimiques avancés.
• Corée du Sud : Samsung et SK Hynix sont d’importants utilisateurs de matériaux, mais leurs fournisseurs locaux (comme Dongsung Chemical) sont peu compétitifs. La Corée du Sud pourrait renforcer sa coopération avec les États-Unis pour acquérir de nouvelles technologies.
• Europe : Merck, BASF, Solvay et d’autres entreprises possèdent une solide expérience. La loi européenne sur les puces aborde également les matériaux, mais l’investissement y est modeste.- Court terme (1-2 ans) : SandboxAQ n’est pas encore rentable, mais avec les financements publics, sa valorisation pourrait exploser. Surveiller les entreprises de la chaîne connexe : Entegris (fourniture de matériaux), Applied Materials (adaptation des équipements), Entegris (transport de gaz).
• Moyen terme (3-5 ans) : Si la validation technologique réussit, le marché des services de certification des matériaux explosera. Les organisations de recherche sous contrat (CRO) et les plateformes de matériaux basées sur l’IA (comme Citrine Informatics, Kaneka) devraient en bénéficier.
• Long terme (5-10 ans) : L’augmentation du taux d’autosuffisance des matériaux aux États-Unis affaiblira le pouvoir de fixation des prix du Japon dans les photorésines et de l’Allemagne dans les produits chimiques. Les capitaux privés peuvent s’intéresser aux investissements dans les lignes pilotes de fabrication de matériaux.