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Barbance Laure Bazan Camille Debez Emilie Delautre Julien El Kourati Fadoua Fassoni Justine Feuardant Pierre Fromentin Elodie 25/01/2013 2A CHIMIE1/20.

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1 Barbance Laure Bazan Camille Debez Emilie Delautre Julien El Kourati Fadoua Fassoni Justine Feuardant Pierre Fromentin Elodie 25/01/2013 2A CHIMIE1/20

2 Introduction Silicium : 2 ème 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 : tonnes Production en 2010 en milliers de tonnes : Applications : alliages daluminium, silicones, photovoltaïque, électronique… Chine950Russie54 Brésil184France51 Norvège150Afrique du Sud46 USA150Australie33 Canada59Allemagne30 Source : British Geological Survey 25/01/2013 2A CHIMIE2/20

3 Sommaire I) De la silice au silicium 1. Matières premières 2. De la silice au silicium métallurgique 3. Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique II) Les applications 1. Wafer et dopage 2. Microélectronique 3. Photovoltaïque III) Lévolution des techniques selon les attentes de la société 1. Avancées dans la microélectronique 2. Amélioration dans le domaine photovoltaïque 25/01/2013 2A CHIMIE3/20

4 Matières premières Sable (moins de 95% de SiO 2 ) Applications : Filtration, ciment, absorbant, charge minérale Silice pour lindustrie (plus de 95% de SiO 2 ) Production en 2011 en milliers de tonnes : USA : France : 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 dutiliser un silicium de haute pureté pour certaines applications TypePureté Silicium métallurgique 99% Silicium pour photovoltaïque 99,9999% Silicium pour électronique 99, % De la silice au siliciumApplicationsEvolution 25/01/2013 2A CHIMIE4/20

5 De la silice au silicium métallurgique 25/01/2013 2A CHIMIE5/20 Réduction carbothermique de la silice dans un four à arcs (1700°C) : SiO 2(s) + 2 C (s) -> Si (s) + 2 CO (g) 2 CO (g) + O 2(g) -> 2 CO 2(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 siliciumApplicationsEvolution

6 Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique 25/01/2013 2A CHIMIE6/20 De la silice au siliciumApplicationsEvolution Deux étapes sont nécessaires pour passer du silicium amorphe au silicium monocristallin tout en augmentant sa pureté. 1 ère étape : Purification chimique Transformation du silicium brut en trichrolosilane (400°C) : Si (s) + 3HCl (g) SiHCl 3(g) + H 2(g) Distillation du trichlorosilane (très volatil) pour le purifier. Réduction du trichlorosilane par le dihydrogène (1100°C) : SiHCl 3(g) + H 2(g) Si (s) + 3HCl (g) Obtention de silicium polycristallin avec une teneur en impuretés inférieure à 1 ppm.

7 Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique 25/01/2013 2A CHIMIE7/20 De la silice au siliciumApplicationsEvolution 2 ème étape : Etape de tirage par le procédé Czochralski (80% des cas) Silicium polycristallin porté à fusion dans un creuset (1450°C). Mise en contact dun germe monocristallin. Le liquide se solidifie sur le germe en gardant la même orientation cristalline (Epitaxie). Tirage du germe ( vitesse de lordre du mm/heure). Rotation du germe et du creuset. Atmosphère inerte. Obtention dun 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.

8 Les Wafers De la silice au siliciumApplicationsEvolution 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 25/01/2013 2A CHIMIE8/20

9 Passage du lingot de silicium au wafer : Technique de l'usinage Succession de plusieurs étapes : PolissageNettoyage Tests Inspection visuelle Scie à diamant Nettoyage: - impuretés métalliques : acides - impuretés organiques : bases Traitement thermique Chambre stérile Four à diffusion résistivité, planéité Sciage du lingot De la silice au siliciumApplicationsEvolution Fabrication des wafers 25/01/2013 2A CHIMIE9/20

10 Principe : substitution dun atome de silicium par un autre élément possédant un nombre délectrons différent, au sein dune maille Le Dopage N-P : Un wafer N (dopage au Phosphore) Un wafer P (dopage au Bore) Obtention dune bande isolante (autour de la jonction P-N) Création de deux pôles De la silice au siliciumApplicationsEvolution Le dopage 25/01/2013 2A CHIMIE10/20 siteweb: luxol.fr

11 Invention de la diode : apparition de lélectronique Invention du transistor bipolaire: apparition de la microélectronique invention du circuit intégré 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 dune 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 siliciumsilice résine Zone dopée 25/01/2013 2A CHIMIE11/20 De la silice au siliciumApplicationsEvolution

12 La chimie dans la fabrication des circuits imprimés DNQ=diazonaphtoquinone PGMEA= Propylène Glycol Monométhyl Éther Acétate La photolithographie Résine = matrice (polymère) + composé photoactif + solvant Exemple : matrice = novolak, composé photoactif = DNQ, solvant = PGMEA Fonctionnement : novolak + DNQ insoluble dans les solutions alcalines novolak + DNQ + UV soluble dans les solutions alcalines La gravure La gravure peut être réalisée par attaque chimique : SiO 2 + 6HF H 2 SiF 6 + 2H 2 O Le dépôt des matériaux Les dépôts peuvent se faire par APCVD ou LPCVD. 25/01/2013 2A CHIMIE12/20 De la silice au siliciumApplicationsEvolution

13 Le photovoltaïque : production délectricité Leffet photovoltaïque Ladsorption dun photon mène à léjection dun électron vers un niveau dénergie plus élevé. Création dune paire électron-trou de même énergie électrique Apparition dun fort champ électrique à linterface des zones N et P Génération dun courant électrique dans le circuit extérieur De la silice au siliciumApplicationsEvolution 25/01/2013 2A CHIMIE13/20 siteweb : saint-gobain-solar.com

14 Panneaux photovoltaïques Deux 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 moindre Rendement : 20,3% en laboratoire, 11 à 15% sur un module industriel Structure dun panneau : Le verre protège la cellule. Lanti reflets optimise la quantité dénergie tirée des photons. La grille conductrice et le conducteur permettent la circulation du courant. De la silice au siliciumApplicationsEvolution 25/01/2013 2A CHIMIE14/20

15 Avancées dans la microélectronique 1965 : Loi de MOORE Avantages : puissance, performance, coût, miniaturisation Limites : tailles des atomes, effet Tunnel De la silice au siliciumApplicationsEvolution 25/01/2013 2A CHIMIE15/20 Siteweb : cyroul.com

16 Innovation : Synthèse dun nouveau matériau : le graphène Ses propriétés : conductivité thermique (x 80 Si), conductivité électrique (x 150 Si), auto-refroidissement, gravure nanométrique Limites : coût, difficulté de production Toujours en cours de recherches De la silice au siliciumApplicationsEvolution Avancées dans la microélectronique 25/01/2013 2A CHIMIE16/20

17 Attentes de la société : réduire les coûts, diminution énergétique Nouvelle technologie : la technologie du ruban du silicium Absence des étapes de recristallisation et sciage. De la silice au siliciumApplicationsEvolution Amélioration du procédé photovoltaïque 25/01/2013 2A CHIMIE17/20 Siteweb : solarforce

18 Intérêts de la technologie RST: Conserve les avantages de la technologie silicium Diminution de la consommation en matières premières Abaissement des coûts Rendement de conversion plus élevé Absence de risque de toxicité Production modulaire Cest une voie directe et économique vers le silicium cristallin mince. De la silice au siliciumApplicationsEvolution Amélioration du procédé photovoltaïque 25/01/2013 2A CHIMIE18/20

19 Conclusion Impacts environnementaux fabrication des panneaux photovoltaïques Présence de substances dangereuses pour lhomme et lenvironnement 25/01/2013 2A CHIMIE19/20

20 Merci de votre attention! 25/01/2013 2A CHIMIE20/20


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