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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 1/20

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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

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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%

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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

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Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique

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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.

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Du silicium métallurgique au silicium de pureté électronique

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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.

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Les Wafers

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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

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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

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Le dopage

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site

web

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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

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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

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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

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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.

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Avancées dans la microélectronique1965 : Loi de MOORE

Avantages : puissance, performance, coût, miniaturisation Limites : tailles des atomes, effet Tunnel

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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

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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.

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Amélioration du procédé photovoltaïque

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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.

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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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