Silicium

Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.



Catégories :

Élément chimique - Métalloïde - Cristallogène - Composé du silicium - Matériau semi-conducteur - Semi-conducteur - Micro-électronique - Électronique - Oligo-élément

Silicium Nuvola apps edu science.svg
AluminiumSiliciumPhosphore
C
   

14
Si
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Si
Ge
Table complèteTable étendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Silicium, Si, 14
Série chimique métalloïde
Groupe, Période, Bloc 14, 3, p
Masse volumique 2, 33 g·cm-3 (25 °C) [1]
Dureté 6, 50
Couleur gris foncé
N° CAS 7440-21-3 [2]
N° EINECS 231-130-8
Propriétés atomiques
Masse atomique 28, 0855 ± 0, 0003 u[1]
Rayon atomique (calc) 110 pm (111 pm)
Rayon de covalence 1, 11 ± 0, 02 Å [3]
Rayon de van der Waals 210
Configuration électronique [Ne] 3s2 3p2
Électrons par niveau d'énergie 2, 8, 4
État (s) d'oxydation +1, +2, +3, +4
Oxyde amphotère
Structure cristalline diamant
Propriétés physiques
État ordinaire solide diamagnétique
Température de fusion 1 414 °C [1]
Température d'ébullition 3 265 °C [1]
Énergie de fusion 50, 55 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 384, 22 kJ·mol-1
Volume molaire 12, 06×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 4, 77 Pa
Vitesse du son 8 433 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1, 90
Chaleur massique 700 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 2, 52×10-4 S·m-1
Conductivité thermique 148 W·m-1·K-1
Énergies d'ionisation
1re : 8, 15168 eV [4] 2e : 16, 34584 eV [4]
3e : 33, 49302 eV [4] 4e : 45, 14181 eV [4]
5e : 166, 767 eV [4] 6e : 205, 27 eV [4]
7e : 246, 5 eV [4] 8e : 303, 54 eV [4]
9e : 351, 12 eV [4] 10e : 401, 37 eV [4]
11e : 476, 36 eV [4] 12e : 523, 42 eV [4]
13e : 2 437, 63 eV [4] 14e : 2 673, 182 eV [4]
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
28Si 92, 23 % stable avec 14 neutrons
29Si 4, 67 % stable avec 15 neutrons
30Si 3, 1 % stable avec 16 neutrons
32Si {syn. } 172 ans β- 0, 224 32P
Précautions
SIMDUT[5]
B4 : Solide inflammable
B4,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.

C'est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l'oxygène, soit 25, 7 % de sa masse[6]. Il n'existe pas à l'état libre, mais sous forme de composés : sous forme de dioxyde de silicium (SiO2), la silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite, etc. ), ou d'autres silicates (dans les feldspaths, la kaolinite... ).

Il est utilisé depuis très longtemps sous forme d'oxyde de silicium amorphe (silice ou SiO2) comme composant essentiel du verre. Il a depuis le milieu XX siècle de nouveaux usages en électronique (transistor), pour la production de matériaux tels que les silicones ou, pour fabriquer des panneaux solaires photovoltaïques.

Le nom dérive du latin silex, silicis ; qui veut dire caillou ou silex[7].

Il faut signaler, pour éviter une fréquente erreur de traduction depuis l'anglais, que l'anglais silicon veut dire silicium, alors que silicone correspond bien au silicone. De son côté, «silica» sert à désigner la silice.

Caractéristiques

Poudre de silicium
Polycristal de silicium

Les cristaux de silicium sont gris à noirs, en forme d'aiguille ou d'hexaèdres (forme cubique). La phase amorphe est une poudre marron foncée.

Le silicium est un semi-conducteur, sa conductivité électrique est particulièrement inférieure à celle des métaux.
Il est quasi insoluble dans l'eau. Il est attaqué par l'acide fluorhydrique (HF) ou un mélange acide fluorhydrique/acide nitrique (HNO3) selon la phase. Le silicium présente des reflets métalliques bleutés, mais n'est absolument pas aussi ductile que les métaux.

Il existe trois isotopes naturels du silicium : 28Si (92, 18 %), 29Si (4, 71 %) et 30Si (3, 12 %). Il existe aussi des isotopes artificiels instables : 25Si, 26Si et 27Si qui sont émetteurs β+, mais aussi 31Si à 34Si qui sont émetteurs β-.

Cristallographie

Maille élémentaire de type diamant du silicium

Le silicium, comme le germanium et la forme diamant du carbone, a une structure de type «diamant», forme dérivée de la structure cubique faces centrées (cfc), avec un paramètre de maille de 0, 5430710 nm[8].

Découverte

Un des composés du silicium, la silice (dioxyde de silicium), était déjà connu dans l'Antiquité. La silice a été reconnue comme élément par les alchimistes puis les chimistes. C'est un composé particulièrement abondant dans les minéraux.

Du silicium a été isolé pour la première fois en 1823 par Jöns Jacob Berzelius. Ce n'est qu'en 1854 que Henri Sainte-Claire Deville obtient du silicium cristallin.

Utilisations

Alliages Aluminium-Silicium

La principale utilisation du silicium comme corps simple est comme élément d'alliage avec l'aluminium. Les alliages Aluminium-Silicium (AS ou série 40000 suivant NF EN 1780-1) sont utilisés pour l'élaboration de pièces moulées, surtout pour l'automobile (par exemple jantes en alliage) et l'aéronautique (par exemple éléments de moteurs électriques embarqués). Les alliages Aluminium-Silicium représentent environ 55 % de la consommation mondiale de silicium.

Synthèse des silicones

Article détaillé : Silicone.

La synthèse des silicones représente aussi une utilisation importante du silicium (environ 40 % de la consommation). Ces polymères [ (CH3) 2SiO]n sont utilisés dans des mastics pour joint, des graisses résistantes à l'eau ou conductrices de la chaleur, les poudres lessivielles ou les shampoings conditionneurs, etc.

Semi-conducteur

Les propriétés de semi-conducteur du silicium ont permis la création de la seconde génération de transistors, puis les circuits intégrés (les «puces»). C'est actuellement l'un des éléments essentiels pour l'électronique, surtout grâce à la capacité technologique actuelle permettant d'obtenir du silicium pur à plus de 99, 999 99 % (tirage Czochralski, zone fondue flottante).

La magie de la lithographie sur silicium : les productions commerciales courantes (2007) de circuit intégré réalisent la prouesse d'une finesse de gravure de 45 nm sur des plaques de 30 cm (12 pouces, la taille d'un disque 33 tours). Ce qui permettrait de graver 600 millions de sillons (soit un disque de 20 millions de minutes, à peu près 40 ans de musique, ou bien de l'ordre de 20 milliards de chansons au format numérique Ogg Vorbis).

Photovoltaïque

Cellule photovoltaïque en silicium
Article détaillé : Cellule photovoltaïque.

Comme semi-conducteur, le silicium est aussi l'élément principal utilisé pour la fabrication de cellules solaires photovoltaïques. Celles-ci sont alors montées en panneaux solaires pour la génération d'électricité.

Composants mécaniques

Le silicium présente à l'état pur des caractéristiques mécaniques élevées qui le font utiliser pour la réalisation de petites pièces conçues pour certains micromécanismes et même à la fabrication de ressorts spiraux conçus pour des montres mécaniques haut de gamme.

Micro et nanostructure

Du fait de la performance des procédés de gravure et de formation de forme avec le silicium, le silicium est utilisé pour :

Composés

Articles détaillés : Silice, Verre, Quartz (minéral) et Carbure de silicium.

Outre les propriétés du silicium élémentaire, de nombreux composés du silicium possèdent des applications. Parmi les plus connus :

Dans la nature

Après l'oxygène, c'est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre.

Minéraux

Article détaillé : Silicates.

Le silicium sur Terre se trouve principalement sous forme minérale, et surtout sous forme de silicates, qui forment 97 % de la croûte terrestre. Le silicium est par exemple constitutif du sable de silice, résultat de la dégradation de roches comme le granit.

Molécules organiques

Le silicium se trouve dans certaines molécules organiques, comme les silanes — méthylsilanetriols, diméthylsilanediol —, les silatranes.

Biologie du silicium[10]

Les diatomées, présentes dans le plancton, participent au cycle géochimique du silicium dans les mers, car elles extraient la silice pour former leurs membranes externes.

L'organisme humain contient entre 200 mg et 7 g de silicium, suivant les sources. Le silicium se retrouve dans l'ensemble des glycosaminoglycanes et polyuronides : chondroïtine sulfate, dermatan-sulfate, kératan-sulfate, héparan-sulfate et héparine. L'acide hyaluronique est la macromolécule la plus riche en silicium. Le silicium est aussi impliqué dans la synthèse du collagène (3 à 6 atomes de Si par chaine alpha) et de l'élastine. Le silicium est un constituant important dans les tissus de la paroi artérielle. L'aorte se trouve être le tissu qui en contient le plus avec la peau et le thymus. Le taux de silicium dans ces tissus diminue avec l'âge dans des proportions particulièrement importantes (perte supérieure à 60-70 %).

Le silicium potentialiserait l'action du Zinc (Zn) et du Cuivre (Cu) et permettrait la fixation du Calcium (Ca). Les céréales et l'eau de boisson (dont la bière fabriquée à partir d'eau et de céréales) apportent naturellement la quantité suffisante (25 mg·j-1) pour satisfaire les besoins (environ 5 mg·j-1). L'Afssa (Agence française de sécurité sanitaire des aliments) n'a pas défini d'apports nutritionnels conseillés pour le silicium car ils sont beaucoup couverts par l'alimentation.

Par abus, certains parlent de «silice organique». Il semble que cette expression soit plutôt un procédé commercial dans le domaine des médecines parallèles. Le silicium, dans notre corps, est indispensable au processus de déclenchement de fabrication des antigènes et des anticorps.

D'autres (le chimiste Yvan Coste Manière par exemple, cofondateur des Laboratoires DEXSIL) signalent au contraire que notre réserve de silicium diminue drastiquement avec l'âge, et que dès cinquante ans il n'est pas inutile de compenser la perte par un apport extérieur en silice. On parle de "silicium organique" dans le cas où on ajoute un atome de carbone à sa molécule, ce qui la fait "reconnaître" et assimiler plus aisément par l'organisme. La silice tirée des plantes polymérise une fois extraite et retourne particulièrement rapidement à la forme minérale, reconstituant ainsi des molécules trop grosses et particulièrement difficilement assimilables. Il est par conséquent préférable de supplémenter l'organisme en silice organique plutôt qu'en silice végétale ou minérale issue de notre alimentation.

L'hypothétique biochimie à base de silicium

À la limite de la science et de la science-fiction, de multiples travaux visent à mettre en évidence la possibilité d'une tout autre forme de vie, basée non pas sur le carbone, mais sur le silicium. Ceci se fonde sur le fait que le silicium est non seulement tétravalent comme le carbone, mais qu'il est susceptible de former des complexes penta- et hexa-coordinés chargés et stables. Ils pourraient avoir des propriétés catalytiques intéressantes qui ont été peu explorées dans les hypothèses exobiologiques. Cependant, le silicium n'a qu'une faible capacité à former des liaisons multiples, puisque l'énergie de dissociation des liaisons π est bien plus faible que celle des liaisons π impliquant le carbone[11].

La position médiane actuelle semble être négative, le silicium ne participant que peu à des réactions biologiques mais servant plutôt de support (enveloppes, squelettes, gels…)

Production industrielle du silicium

Le silicium n'existe pas naturellement à l'état libre sur la Terre, mais il est particulièrement abondant sous forme d'oxydes, par exemple la silice ou les silicates. Le silicium est extrait de son oxyde par des procédés métallurgiques, et son niveau de pureté dépend de son utilisation finale.

Pureté du silicium

Barreau de silicium de qualité solaire

On peut distinguer trois niveaux de pureté du silicium, désignés selon l'utilisation :

Production du silicium métallurgique

Pour obtenir du silicium libre (quelquefois nommé improprement «silicium métal» pour le distinguer du ferrosilicium), il faut le diminuer ; industriellement, cette réduction s'effectue par électrométallurgie, dans un four à arc électrique ouvert dont la puissance peut aller jusqu'à à peu près 30 MW. La réaction globale de principe est une réaction de carboréduction :

SiO2 + C → Si + CO2.

La réalité est plus complexe, avec des réactions intermédiaires conduisant par exemple à la formation de SiC, de SiO (instable).

En pratique, le silicium est introduit sous forme de morceaux de silice (galets, ou morceaux de quartz filonien), en mélange avec des réducteurs tels que le bois, le charbon de bois, la houille, le coke de pétrole. Compte tenu des exigences de pureté des applications finales, la silice doit être assez pure (faible teneur en oxyde de fer surtout), et les réducteurs soigneusement choisis (houille lavée par exemple).

Le mélange est déversé dans un creuset de plusieurs mètres de diamètre, où plongent des électrodes cylindriques en carbone (trois le plus fréquemment) qui apportent la puissance électrique et permettent d'atteindre les particulièrement hautes températures dont les réactions recherchées ont besoin (autour de 3 000 °C dans la région de l'arc électrique, à la pointe des électrodes).

Le silicium obtenu est recueilli dans des «poches», à l'état liquide, grâce à des orifices pratiqués dans le creuset.

Il est ensuite affiné dans ces poches, par injection d'air pour oxyder l'aluminium et le calcium.

Puis il est scindé du «laitier» (oxydes produits au cours des différentes étapes du procédé et entraînés avec le silicium) avant d'être solidifié :

Les réactions intermédiaires conduisant à la réduction du silicium produisent aussi une très fine poussière de silice amorphe, qui est entrainée par les gaz chauds (essentiellement air et dioxyde de carbone) émis par le four ; dans les installations modernes, ces gaz sont filtrés pour recueillir cette poussière de silice amorphe, qui est utilisée comme élément d'addition dans les bétons à haute performance.

Selon les applications, le silicium est utilisé sous forme de morceaux (production des alliages aluminium-silicium) ou sous forme de poudre obtenue par broyage (production des silicones).

Le silicium pour électronique est obtenu à partir du silicium électrométallurgique, mais nécessite une étape chimique (purification réalisée sur des silanes) puis un ensemble de purifications physiques, avant le tirage des monocristaux.

Préparation pour l'industrie électronique

Préparation du Si pur

L'opération s'effectue à partir du trichlorosilane (SiHCI3), ou du tétrachlorure de silicium (SiCl4), ou du tétraiodure de silicium (SiI4), etc. A titre d'exemple, en attaquant du siliciure de cuivre à 300 °C par de l'acide chlorhydrique il se forme du trichlorosilane ; ce corps est purifié par une distillation particulièrement poussée ; il est ensuite décomposé à 950 °C en présence d'hydrogène ; on obtient des blocs compacts de silicium particulièrement pur (procédé Pechiney).

Préparation du monocristal

Barreau 302 grammes (10, 3 cm de long × 4 cm de diamètre) de silicium polycristallin conçu pour la production de silicium monocristallin par le procédé Czochralski
Monocristal de silicium

On désire obtenir des monocristaux de type N ; or le silicium obtenu chimiquement contient toujours quelques traces de bore et il est de type P ; on le cristallise par conséquent et on le transforme en semi-conducteur de type N.

Principe

On place dans un creuset en quartz une quantité de silicium correspondant sensiblement au poids du monocristal à obtenir ; on ajoute le dopeur donneur d'électrons ; aucune impureté ne doit perturber la cristallisation ; l'opération doit par conséquent se dérouler dans une enceinte hermétiquement close, d'une propreté «chirurgicale», et dans une atmosphère neutre, ou sous vide.

Réalisation

Autour de l'enceinte isolante en quartz est positionné l'inducteur d'un générateur haute fréquence qui sert à porter le mélange Si-dopeur à la température de fusion, soit 1 500 °C à peu près. Quand la fusion est totale, l'opération de cristallisation peut commencer ; à cet effet, un dispositif mécanique de précision présente le germe monocristal au contact du bain, puis le soulève verticalement, particulièrement lentement, tout en lui imprimant une très lente rotation qui aide à l'homogénéisation. Le germe entraîne le silicium qui se trouve alors soustrait à l'action de l'induction HF ; le Si se refroidit par conséquent et cristallise suivant l'ordonnancement fixé par le germe.

L'opération est particulièrement délicate ; la vitesse de levage doit être constante pour ne pas perturber la formation du cristal ; la température du bain doit être aussi constante, à 0, 1 °C près (et ceci vers 1 500 °C). L'homogénéisation, aidée par les deux mouvements de levage et de rotation, est essentielle ; en effet, à mesure que l'opération progresse, le bain voit sa concentration en impuretés augmenter parce que ces dernières présentent plus d'affinité pour la phase liquide que pour la phase solide.

Le monocristal obtenu se présente sous la forme d'un cylindre environ régulier, pouvant atteindre 30 cm de diamètre[12] ; on le sectionne à ses deux extrémités : la tête, qui est particulièrement pure, servira de germe pour une opération ultérieure ; le bas, qui risque de ne pas être assez pur, est rejeté.

Préparation des plaquettes (wafers)

Conditions à remplir

Du fait du prix particulièrement élevé du silicium monocristallin, il faut éviter la perte de matière au cours de la préparation des wafers. Celles-ci sont particulièrement fragiles ; il faut par conséquent éviter toute contrainte pouvant les déformer ou les briser. D'autre part, l'état de surface des wafers doit être aussi parfait que envisageable. Enfin le traitement ne doit pas «polluer» le monocristal.

Tronçonnage

Le silicium est découpé en plaquettes (wafers) de 0, 2 à 0, 3 mm d'épaisseur au moyen d'une scie circulaire diamantée de grande précision. Le travail s'effectue dans l'eau afin d'éviter tout échauffement et toute pollution. Les déchets étant importants, les boues sont filtrées et la poudre de silicium est récupérée et utilisée à nouveau.

Rodage des faces
Wafer de silicium poli

Il a pour but d'éliminer les irrégularités de surface génèrées par les grains de poudre de diamant lors du tronçonnage ; il s'effectue avec de la poudre de carborundum. Après le rodage mécanique, un rodage chimique vient supprimer les dernières irrégularités sur la couche superficielle qui peut avoir été polluée. À cet effet, on utilise des bains d'acides (acides fluorhydrique et nitrique)  ; puis les wafers sont rincées soigneusement et séchées. Cette attaque chimique peut être remplacée ou complétée par un polissage électrolytique.

Découpage des pastilles

On découpe les plaquettes (wafers) en un très grand nombre de pastilles, avec précision, la largeur du trait de découpe étant aussi faible que envisageable (0, 125 à 0, 15 mm). Les bavures de découpage sont ensuite éliminées par attaque chimique suivie d'un rinçage.

Voir aussi

Liens externes

Notes et références

  1. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd. , Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, «Covalent radii revisited», dans Dalton Transactions, 2008, p.  2832 - 2838 [lien DOI]
  4. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, TF-CRC, 2006, 87e éd. (ISBN 0849304873) , p.  10-202
  5. «Silicium» dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme canadien responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  6. WebElements Periodic Table of the Elements | Silicon | Essential information
  7. Dictionnaire Gaffiot Latin-Français 1934, entrée silex, p.  1442.
  8. O'Mara, William C., Handbook of Semiconductor Silicon Technology (pages 349-352), 1990, (ISBN 0815512376)
  9. Article de la Vigie Optoélectronique de l'Agence pour la Diffusion de l'Information Technologique (Adit), numéro 116, octobre 2006, [1]
  10. Birchall, J. D. (1990) The role of silicon in biology. Chemistry in Britain : 141-144
  11. F. A. Cotton, G. Wilkinson, P. L. Gaus, Basic Inorganic Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 1987, (ISBN 0-471-85151-5)
  12. Chimie générale pour ingénieur, Claude K. W. Friedli, page 105, presses polytechniques et romandes, lien sur Google livres


  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
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