IV) Purification du silicium

Il s'agit, en partant du silicium métallurgique de faire une purification chimique. Une des méthodes utilisées consiste à faire une distillation à partir d'un produit, liquide à température ambiante, qui contient le silicium. Une possibilité consiste à fabriquer un halogénure de silicium.

De nombreux procédés ont été développés par les différents producteurs mondiaux de silicium basés sur le trichlorosilane (SiCl₄), c'est le cas de Rhône-Poulenc, Westinghouse, Texas, Saint Gobain, le dichlorosilane (SiH₂Cl₂) mis au point par Wacker, ou le trichlorosilane (SiHCl₃) par Siemens ou Union Carbide. D'autres techniques sont basées sur le tétrafluorosilane (SiF₄) ou le tétraiodure de silicium (SiI₄).

L'exemple choisi concerne la fabrication du trichlorosilane par pulvérisation du silicium réagissant avec le gaz de chlorure d'hydrogène (HCl ou acide chlorhydrique) suivant la réaction :

La réaction avec le chlore permet une première purification puisque par exemple des précipités chlorés de métaux ne sont pas mélangés au trichlorosilane. Une distillation (type alambic) permet alors une purification supérieure.

Ce trichlorosilane purifié est ensuite réduit pour redonner du silicium dans un réacteur présenté figure 5. La réaction chimique bilan est la suivante :

Figure 4 : Distillation du composé de silicium chloré. Après distillation, le réacteur permet d'obtenir le dépôt de silicium.
 
  Figure 5 : Schéma d'un réacteur CVD pour la production de silicium de qualité électronique à partir de SiHCl₃ (d'après L. Crossman et J. Baker [1]). Le procédé est dans ce cas identique à un dépôt chimique en phase vapeur (CVD). A partir d'un germe dans de très longs tubes, on dépose progressivement le silicium. On obtient des lingots en structure polycristalline jusqu'à 20 cm de diamètre. La pureté obtenue est de l'ordre du ppm, soit des concentrations équivalentes de l'ordre de 10¹⁶ cm^-3.

Le tableau suivant donne quelques exemples de concentrations résiduelles après purifications des principales impuretés ou éléments dopants. Pour la plupart, elles sont suffisamment faibles pour pouvoir utiliser le matériau en microélectronique à condition de fabriquer du cristal. C'est à partir de ce silicium polycristallin que l'on doit fabriquer le monocristal.
 
  

Impureté	MGS (ppm)	EGS (ppm)
Al	1570	-
B	44	<0,001
Fe	2070	4
P	28	<0,002
Sb	-	0,001
Au	-	0,00007

Figure 6 : Comparaison de la concentration relative de quelques impuretés ou dopants dans le silicium avant et après purification (ppm : partie par million) (d'après S.M. Sze[2]).

 

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