Les éléments du progrès : le silicium (4)

Par Tony Morley.
Un article de HumanProgress

Le silicium est un élément métallique brillant et semi-conducteur utilisé pour la fabrication de l’acier, de l’aluminium, des cellules solaires photovoltaïques et, bien sûr, des puces de processeur d’ordinateur.

Après l’oxygène, le silicium est l’élément le plus abondant contenu dans la croûte terrestre, représentant près de 30 % de sa masse. Cependant, à l’état de corps simple il ne se trouve pas sous forme pure dans la nature. Il est généralement lié à l’oxygène sous forme minérale.

On trouve ce type de silicium en abondance sous forme de dioxyde de silicium (SiO2), de quartzite, de quartz, de sable de plage ordinaire et de centaines d’autres composés minéraux.

C’est le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius qui a été le premier à isoler et à décrire le silicium élémentaire en 1824. Cependant, la capacité d’isoler et de fabriquer en masse du silicium métallique de haute pureté ne sera atteinte que beaucoup plus tard.

Depuis près de cinq mille ans, l’homme transforme en verre le dioxyde de silicium présent dans le sable, améliorant constamment sa capacité à le faire. La production de verre à base de silicium a transformé notre capacité collective à créer de l’art, de la verrerie, et plus tard à développer l’optique qui allait contribuer à fonder les idées de la révolution scientifique, vers 1540 à 1650.

L’utilisation du verre dans les premiers instruments scientifiques a révolutionné la compréhension scientifique, contribuant à des découvertes majeures en physique, astronomie, chimie et biologie. Cette révolution s’est poursuivie avec l’avènement du soufflage de verre amélioré et la gamme plus étendue d’instruments plus perfectionnés qu’il permettait.

L’essor de la révolution industrielle, l’amélioration de la technologie du verre déployée dans les microscopes, les télescopes, les thermomètres et une pléthore innombrable d’instruments de laboratoire, a transformé notre compréhension du monde naturel.

Le verre continue à rendre un service inestimable au développement de la société industrialisée, qu’il s’agisse du verre haute résistance et résistant aux rayures que l’on trouve dans des milliards de téléphones portables et d’écrans d’ordinateurs, du verre de protection utilisé pour les fenêtres de nos maisons, bureaux et véhicules ou du verre plus courant utilisé dans un million d’autres applications.

L’humanité produit environ 6,7 millions de tonnes de silicium par an. Environ 80 % sont produits sous forme de ferrosilicium utilisé dans la fabrication du fer et des aciers à haute performance aux propriétés de résistance aux températures élevées et à la corrosion, ou utilisés dans l’alliage avec l’aluminium. L’alliage de l’aluminium avec le silicium améliore sa solidité et sa résistance à la corrosion, tout en améliorant les performances de moulage du métal ; il est couramment utilisé dans le moulage et la production de moteurs.

Une très petite proportion du dioxyde de silicium de haute pureté extrait chaque année – environ 15 % – est destinée à devenir la matière première des plaquettes qui constituent les unités centrales de traitement des milliards de téléphones portables et de systèmes informatiques.

Le premier transistor au silicium fonctionnel a été développé en 1954 aux Bell Labs par un physico-chimiste américain, Morris Tanenbaum. Le transistor a été plutôt mal accueilli à l’époque, et peu de gens auraient pu spéculer avec précision sur la façon dont les transistors au silicium allaient transformer radicalement le progrès et la croissance de la société.

Le silicium polycristallin de qualité processeur (une forme hautement purifiée de silicium métallique) est le matériau de base des plaquettes sur lesquelles sont construites les unités centrales de traitement.

Cependant, il est courant mais faux de penser que le silicium des puces informatiques est fabriqué à partir du sable d’une plage quelconque. S’il est vrai que les puces de silicium sont fabriquées à partir de sable, il ne s’agit en aucun cas de sable ordinaire.

Le dioxyde de silicium sous forme de sable remplit nos plages, couvre le fond des deltas des rivières et des océans, et recouvre nos déserts. Cependant, tout le sable d’Arabie saoudite ne fournira pas à la civilisation le silicium nécessaire à un seul microprocesseur. Pour atteindre les niveaux étonnamment élevés de pureté du silicium requis, le matériau source doit lui-même être d’une pureté inégalée.

Ces sources de dioxyde de silicium ultra-pur sont exploitées dans quelques endroits seulement dans le monde, peut-être plus particulièrement dans un ensemble de petites mines à Spruce Pine, Tennessee. Les mines à ciel ouvert de dioxyde de silicium blanc de haute pureté sont si brillantes qu’elles brillent comme un phare lorsqu’on les regarde depuis Google Earth.

Une fois exploitée, la roche mère de dioxyde de silicium doit être lavée, broyée, filtrée pour éliminer les impuretés, conditionnée et préparée pour la fusion. Le silicium élémentaire pur doit être libéré des liaisons d’oxygène par une fusion à très haute température dans un puissant four à arc électrique.

Le dioxyde de silicium est mélangé à deux sources principales de carbone, généralement le charbon et le bois, et placé dans le four, où le carbone ajouté aide à évacuer l’oxygène sous forme de dioxyde de carbone gazeux. On obtient ainsi du silicium élémentaire pur à 99 %.

Malheureusement, du point de vue du processeur informatique, une pureté de 99 % ressemble à un désert. Ce qu’il faut, c’est un lingot d’une pureté de 99,9999999999999 %. Cela représente un atome de non-silicium pour sept milliards d’atomes de silicium. Cela équivaut à une personne sur l’ensemble de la population humaine.

Pour atteindre ce niveau de pureté étonnant, le silicium métallique est soumis à une série de processus chimiques. Ces processus convertissent le silicium métallique en tétrachlorure de silicium – un composé nécessaire à la production de verre de fibre optique à haute performance qui transporte 99 % des données de communication intercontinentale du monde par quelque 285 câbles de données sous-marins.

Le produit secondaire, le trichlorosilane, est ensuite transformé en polysilicium, le silicium ultra-pur qui sera transformé en plaquettes informatiques en silicium. De là, le polysilicium est fondu à haute température et sous atmosphère de gaz inerte, dans un creuset en quartz pur.

Le creuset en fusion est maintenu en rotation et un cristal germe de silicium ultra-pur est inséré, sur lequel le silicium fondu dans le creuset commence à croître. Au fur et à mesure de sa croissance, le cristal est soigneusement tiré – vers le haut et vers l’extérieur – de la masse fondue dans un mouvement continu extrêmement lent. Une fois terminé, un monocristal de silicium pur a été cultivé, avec une masse d’environ 100 kg, soit 220 livres.

Les lingots sont découpés avec précision et polis pour obtenir une finition miroir sans défaut. Les plus parfaits de ces disques circulaires de silicium pur sont le support sur lequel est gravée l’architecture des processeurs informatiques des unités centrales modernes. D’autres plaquettes sont transformées en matériau de base des cellules solaires.

La qualité, la pureté et les propriétés physiques des plaquettes de silicium finies n’ont pas changé de façon spectaculaire au cours de la dernière décennie. Cependant, l’architecture des microprocesseurs gravés sur ce silicium s’est beaucoup améliorée. Le silicium est un exemple parfait de ressource matérielle ayant peu de valeur intrinsèque, jusqu’à ce que l’homme lui confère la capacité d’effectuer un travail utile.

Au cours des prochaines décennies, le silicium continuera à constituer la base de notre ère numérique. Le silicium témoigne de la capacité de la civilisation à transformer une ressource minérale apparemment sans valeur en l’un des produits les plus avancés technologiquement et les plus précieux que l’humanité ait créés.

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