Du sable au silicium pour le photovoltaïque et la microélectronique Barbance Laure Bazan Camille Debez Emilie Delautre Julien El Kourati Fadoua Fassoni Justine Feuardant Pierre Fromentin Elodie 25/01/2013 2A CHIMIE

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 Australie 33 Canada 59 Allemagne 30 Source : British Geological Survey 25/01/2013 2A CHIMIE

Sommaire De la silice au silicium Les applications Matières premières De la silice au silicium métallurgique Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique Les applications Wafer et dopage Microélectronique Photovoltaïque L’évolution des techniques selon les attentes de la société Avancées dans la microélectronique Amélioration dans le domaine photovoltaïque 25/01/2013 2A CHIMIE

De la silice au silicium Applications Evolution 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% 25/01/2013 2A CHIMIE

De la silice au silicium métallurgique Applications Evolution De la silice au silicium métallurgique 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 25/01/2013 2A CHIMIE

Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique De la silice au silicium Applications Evolution Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique 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. 25/01/2013 2A CHIMIE

Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique De la silice au silicium Applications Evolution Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique 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. 25/01/2013 2A CHIMIE

De la silice au silicium Applications Evolution Les Wafers 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 CHIMIE

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

De la silice au silicium Applications Evolution Le dopage 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 siteweb: luxol.fr 25/01/2013 2A CHIMIE

La Microélectronique Petit historique : http://sttlc.xoom.it www.kristofcreative.com http://eurekaweb.free.fr http://www.sebastien-chatelier.com De la silice au silicium Applications Evolution La Microélectronique Petit historique : résine silicium silice 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 miniaturisation Zone dopée Fabrication des circuits intégrés : Un circuit intégré est un empilement de couches successives sur le wafer : 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 25/01/2013 2A CHIMIE

La chimie dans la fabrication des circuits imprimés De la silice au silicium Applications Evolution La chimie dans la fabrication des circuits imprimés 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 : SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O Le dépôt des matériaux Les dépôts peuvent se faire par APCVD ou LPCVD. DNQ=diazonaphtoquinone PGMEA= Propylène Glycol Monométhyl Éther Acétate http://www.epfl.ch/ 25/01/2013 2A CHIMIE

Le photovoltaïque : production d’électricité 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 électrique Apparition d’un fort champ électrique à l’interface des zones N et P Génération d’un courant électrique dans le circuit extérieur siteweb : saint-gobain-solar.com 25/01/2013 2A CHIMIE

Panneaux photovoltaïques De la silice au silicium Applications Evolution 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 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. 25/01/2013 2A CHIMIE

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

Avancées dans la microélectronique De la silice au silicium Applications Evolution Avancées dans la microélectronique 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 production Toujours en cours de recherches 25/01/2013 2A CHIMIE

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

Amélioration du procédé photovoltaïque De la silice au silicium Applications Evolution 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 C’est une voie directe et économique vers le silicium cristallin mince. 25/01/2013 2A CHIMIE

Présence de substances dangereuses pour l’homme et l’environnement Conclusion Impacts environnementaux  fabrication des panneaux photovoltaïques Présence de substances dangereuses pour l’homme et l’environnement 25/01/2013 2A CHIMIE

Merci de votre attention! 25/01/2013 2A CHIMIE