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Du sable au silicium pour le photovoltaïque et la
microélectronique
Barbance LaureBazan CamilleDebez Emilie
Delautre JulienEl Kourati Fadoua
Fassoni JustineFeuardant PierreFromentin Elodie
25/01/2013 2A CHIMIE 1/20
Introduction Silicium : 2ème élément le plus abondant dans la croûte terrestre (27,72% en masse) Elément
présent sous forme de silicates
Caractéristiques du silicium :
Structure covalente de type Diamant Semi-métal Propriétés semi-conductrices
Fabrication industrielle :
Production française en 2011 : 110 000 tonnes Production en 2010 en milliers de tonnes :
Applications : alliages d’aluminium,silicones, photovoltaïque, électronique…
Chine 950 Russie 54
Brésil 184 France 51
Norvège 150 Afrique du Sud 46
USA 150 Australie 33
Canada 59 Allemagne 30
Source : British Geological Survey
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SommaireI) De la silice au silicium
1. Matières premières2. De la silice au silicium métallurgique3. Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique
II) Les applications 1. Wafer et dopage2. Microélectronique3. Photovoltaïque
III) L’évolution des techniques selon les attentes de la société1. Avancées dans la microélectronique2. Amélioration dans le domaine photovoltaïque
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Matières premières Sable (moins de 95% de SiO2)
Applications : Filtration, ciment, absorbant, charge minérale Silice pour l’industrie (plus de 95% de SiO2)
Production en 2011 en milliers de tonnes : USA : 30 000 France : 5 000
Applications : Silicium, verre, céramique, produits chimiques… La silice de haute pureté se trouve soit sous forme meuble soit sous forme de
veines de quartz.
Deux formes courantes de silice cristalline : le quartz et la cristobalite sont utilisés sous forme granulaire ou pulvérulente.
2,6 tonnes de silice 1 tonne de silicium Nécessité d’utiliser un silicium de haute pureté
pour certaines applications
Type Pureté
Silicium métallurgique
99%
Silicium pour photovoltaïque
99,9999%
Silicium pour électronique
99,99999999%
De la silice au silicium Applications Evolution
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De la silice au silicium métallurgique
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Réduction carbothermique de la silice dans un four à arcs (1700°C) :SiO2(s) + 2 C(s) -> Si(s) + 2 CO(g)
2 CO(g) + O2(g) -> 2 CO2(g)
Obtention de silicium amorphe
Pureté du silicium métallurgique obtenue : 98 à 99 % Pureté insuffisante pour les applications visées : microélectronique et
photovoltaïque
De la silice au silicium Applications Evolution
Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique
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De la silice au silicium Applications Evolution
Deux étapes sont nécessaires pour passer du silicium amorphe au silicium monocristallin tout en augmentant sa pureté.
1ère étape : Purification chimique
• Transformation du silicium brut en trichrolosilane (400°C) : Si(s) + 3HCl(g) → SiHCl3(g) + H2(g)
• Distillation du trichlorosilane (très volatil) pour le purifier.
• Réduction du trichlorosilane par le dihydrogène (1100°C) :SiHCl3(g) + H2(g) → Si(s) + 3HCl(g)
Obtention de silicium polycristallin avec une teneur en impuretés inférieure à 1 ppm.
Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique
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De la silice au silicium Applications Evolution
2ème étape : Etape de tirage par le procédé Czochralski (80% des cas)
• Silicium polycristallin porté à fusion dans un creuset (1450°C).• Mise en contact d’un germe monocristallin.• Le liquide se solidifie sur le germe en gardant la même orientation cristalline (Epitaxie).• Tirage du germe ( vitesse de l’ordre du mm/heure). Rotation du germe et du creuset.• Atmosphère inerte.
Obtention d’un lingot de silicium monocristallin(60 à 100 kg, 2 m de long, 300 mm de diamètre)
A noter : dans environ 20% des cas, on utilise la méthode de la Zone Flottante.
Les Wafers
De la silice au silicium Applications Evolution
Wafer : tranche de semi-conducteur, plaquette du circuit intégré Support sur lequel est imprimé le circuit intégré Caractéristiques :
Si monocristallin pur 600 μm à 1 mm d'épaisseur et 300 mm de diamètre
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Passage du lingot de silicium au wafer : Technique de l'usinage
Succession de plusieurs étapes :
Polissage Nettoyage
TestsInspection visuelle
Scie à diamant
Nettoyage: - impuretés métalliques : acides - impuretés organiques : bases
Traitement thermiqueChambre stérile Four à diffusion
résistivité, planéité
Sciage du lingot
De la silice au silicium Applications Evolution
Fabrication des wafers
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Principe : substitution d’un atome de silicium par un autre élément possédant un nombre d’électrons différent, au sein d’une maille
Le Dopage N-P :• Un wafer N (dopage au Phosphore)• Un wafer P (dopage au Bore)
• Obtention d’une bande isolante (autour de la jonction P-N)• Création de deux pôles
De la silice au silicium Applications Evolution
Le dopage
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site
web
: lu
xol.
fr
1904 Invention de la diode : apparition de l’électronique
1948 Invention du transistor bipolaire:
apparition de la microélectronique
1959 invention du circuit intégré
1974 invention de la carte à puce
Fabrication des circuits intégrés :
La Microélectronique Petit historique :
Photolithographie
Gravure
Dopage
Dépôt de matériaux
Dessiner, sur le silicium, la forme de la couche à déposer grâce à une résine
Dépôt d’une couche isolante ou conductrice
Attaque du silicium où il y a absence de résine
Un circuit intégré est un empilement de couches successives sur le wafer :
miniaturisation
silicium
silicerésine
Zone dopée
htt
p://
sttlc
.xoo
m.it
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w.k
risto
fcre
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htt
p://
eure
kaw
eb.fr
ee.fr
http://www.sebastien-chatelier.com
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De la silice au silicium Applications Evolution
La chimie dans la fabrication des circuits imprimés
DNQ=diazonaphtoquinone
PGMEA= Propylène Glycol Monométhyl Éther Acétate
La photolithographieRésine = matrice (polymère) + composé photoactif + solvant
Exemple : matrice = novolak , composé photoactif = DNQ, solvant = PGMEAFonctionnement : novolak + DNQ insoluble dans les solutions alcalines novolak + DNQ + UV soluble dans les solutions alcalines
La gravureLa gravure peut être réalisée par attaque chimique : SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O
Le dépôt des matériauxLes dépôts peuvent se faire par APCVD ou LPCVD. h
ttp
://w
ww
.epfl
.ch/
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De la silice au silicium Applications Evolution
Le photovoltaïque : production d’électricité L’effet photovoltaïque L’adsorption d’un photon mène à l’éjection d’un électron vers un niveau
d’énergie plus élevé. Création d’une paire électron-trou de même énergie électriqueApparition d’un fort champ électrique à l’interface des zones N et PGénération d’un courant électrique dans le circuit extérieur
De la silice au silicium Applications Evolution
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site
web
: s
ain
t-g
ob
ain
-sola
r.co
m
Panneaux photovoltaïquesDeux types de cellules :
Silicium monocristallin : Les wafers jouent le rôle de matériau semi-conducteur.Rendement : 24,7% en laboratoire, 12 à 20% sur un module industriel
Silicium polycristallin : On refond les chutes de silicium monocristallin.Coût moins élevé que pour le monocristallin, mais rendement moindreRendement : 20,3% en laboratoire, 11 à 15% sur un module industriel
Structure d’un panneau : Le verre protège la cellule. L’anti reflets optimise la quantité d’énergie tirée des photons. La grille conductrice et le conducteur permettent la circulation du courant.
De la silice au silicium Applications Evolution
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Avancées dans la microélectronique1965 : Loi de MOORE
Avantages : puissance, performance, coût, miniaturisation Limites : tailles des atomes, effet Tunnel
De la silice au silicium Applications Evolution
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Sit
ew
eb
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yrou
l.co
m
Innovation : Synthèse d’un nouveau matériau : le graphène Ses propriétés : conductivité thermique (x 80 Si), conductivité électrique (x 150
Si), auto-refroidissement, gravure nanométrique
Limites : coût, difficulté de productionToujours en cours de recherches
De la silice au silicium Applications Evolution
Avancées dans la microélectronique
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Attentes de la société : réduire les coûts, diminution énergétiqueNouvelle technologie : la technologie du ruban du silicium
Absence des étapes de recristallisation
et sciage.
De la silice au silicium Applications Evolution
Amélioration du procédé photovoltaïque
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Sit
ew
eb
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ola
rforc
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Intérêts de la technologie RST:Conserve les avantages de la technologie siliciumDiminution de la consommation en matières premièresAbaissement des coûtsRendement de conversion plus élevé Absence de risque de toxicité Production modulaire
C’est une voie directe et économique vers le silicium cristallin mince.
De la silice au silicium Applications Evolution
Amélioration du procédé photovoltaïque
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Conclusion
Impacts environnementaux fabrication des panneaux photovoltaïques
Présence de substances dangereuses pour l’homme et l’environnement
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Merci de votre attention!
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