Pourquoi le silicium industriel est-il fabriqué différemment de celui utilisé dans les semi-conducteurs ?
Production

Silicon of 96–99% purity is made by carbothermically reducing quartzite or sand with highly pure coke. The reduction is carried out in an electric arc furnace, with an excess of SiO used to stop silicon carbide (SiC) from accumulating:

This reaction, known as carbothermal reduction of silicon dioxide, usually is conducted in the presence of scrap iron with low amounts of phosphorus and sulfur, producing ferrosilicon. Ferrosilicon, an iron-silicon alloy that contains varying ratios of elemental silicon and iron, accounts for about 80% of the world's production of elemental silicon, with China, the leading supplier of elemental silicon, providing 4.6 million tonnes (or 2/3rds of world output) of silicon, most of it in the form of ferrosilicon. It is followed by Russia (610,000 t), Norway (330,000 t), Brazil (240,000 t), and the United States (170,000 t). Ferrosilicon is primarily used by the iron and steel industry (see below) with primary use as alloying addition in iron or steel and for de-oxidation of steel in integrated steel plants.

Another reaction, sometimes used, is aluminothermal reduction of silicon dioxide, as follows:

Leaching powdered 96–97% pure silicon with water results in ~98.5% pure silicon, which is used in the chemical industry. However, even greater purity is needed for semiconductor applications, and this is produced from the reduction of tetrachlorosilane (silicon tetrachloride) or trichlorosilane. The former is made by chlorinating scrap silicon and the latter is a byproduct of silicone production. These compounds are volatile and hence can be purified by repeated fractional distillation, followed by reduction to elemental silicon with very pure zinc metal as the reducing agent. The spongy pieces of silicon thus produced are melted and then grown to form cylindrical single crystals, before being purified by zone refining. Other routes use the thermal decomposition of silane or tetraiodosilane (SiI). Another process used is the reduction of sodium hexafluorosilicate, a common waste product of the phosphate fertilizer industry, by metallic sodium: this is highly exothermic and hence requires no outside energy source. Hyperfine silicon is made at a higher purity than almost any other material: transistor production requires impurity levels in silicon crystals less than 1 part per 10, and in special cases impurity levels below 1 part per 10 are needed and attained.

Silicon nanostructures can directly be produced from silica sand using conventional metalothermic processes, or the combustion synthesis approach. Such nanostructured silicon materials can be used in various functional applications including the anode of lithium-ion batteries (LIBs), other ion batteries, future computing devices like memristors or photocatalytic applications.
Électronique

La majeure partie du silicium élémentaire produit reste sous forme d'alliage de ferrosilicium, et seulement environ 20 % sont raffinés pour atteindre une pureté de qualité métallurgique (soit un total de 1,3 à 1,5 million de tonnes métriques par an). On estime que 15 % de la production mondiale de silicium de qualité métallurgique sont ensuite raffinés pour atteindre une pureté de qualité semi-conductrice. Il s'agit généralement d'une pureté de "neuf-9" ou 99,9999999 %, un matériau monocristallin presque exempt de défauts.

Le silicium monocristallin d'une telle pureté est généralement produit par le procédé Czochralski et est utilisé pour fabriquer des wafers de silicium utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs, dans l'électronique et dans certaines applications photovoltaïques à haut coût et à haute efficacité. Le silicium pur est un semi-conducteur intrinsèque, ce qui signifie qu'à la différence des métaux, il conduit les trous et les électrons libérés des atomes par la chaleur ; la conductivité électrique du silicium augmente avec la température. Le silicium pur a une conductivité trop faible (c'est-à-dire une résistivité trop élevée) pour être utilisé comme élément de circuit en électronique. En pratique, le silicium pur est dopé avec de petites concentrations de certains autres éléments, ce qui augmente considérablement sa conductivité et ajuste sa réponse électrique en contrôlant le nombre et la charge (positive ou négative) des porteurs activés. Un tel contrôle est nécessaire pour les transistors, les cellules solaires, les détecteurs semi-conducteurs et autres dispositifs semi-conducteurs utilisés dans l'industrie informatique et autres applications techniques. En photonique silicium, le silicium peut être utilisé comme milieu laser Raman à onde continue pour produire de la lumière cohérente.

Dans les circuits intégrés courants, un wafer de silicium monocristallin sert de support mécanique aux circuits, qui sont créés par dopage et isolés les uns des autres par de fines couches d'oxyde de silicium, un isolant qui peut être facilement produit sur les surfaces de Si par des procédés d'oxydation thermique ou d'oxydation locale (LOCOS), qui impliquent l'exposition de l'élément à l'oxygène dans des conditions appropriées qui peuvent être prédites par le modèle Deal–Grove. Le silicium est devenu le matériau le plus populaire pour les semi-conducteurs haute puissance et les circuits intégrés car il peut supporter les températures les plus élevées et l'activité électrique la plus importante sans subir d'effondrement par avalanche (une avalanche d'électrons est créée lorsque la chaleur produit des électrons et des trous libres, qui à leur tour font passer plus de courant, ce qui produit plus de chaleur). De plus, l'oxyde isolant du silicium n'est pas soluble dans l'eau, ce qui lui confère un avantage sur le germanium (un élément aux propriétés similaires qui peut également être utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs) dans certaines techniques de fabrication.

Le silicium monocristallin est coûteux à produire et n'est généralement justifié que dans la production de circuits intégrés, où de minuscules imperfections cristallines peuvent interférer avec de minuscules pistes de circuits. Pour d'autres utilisations, d'autres types de silicium pur peuvent être employés. Ceux-ci incluent le silicium amorphe hydrogéné et le silicium de qualité métallurgique amélioré (UMG-Si) utilisé dans la production d'électronique à faible coût et de grande surface dans des applications telles que les écrans à cristaux liquides et les cellules solaires à film mince, à grande surface et à faible coût. Ces qualités de semi-conducteurs de silicium sont soit légèrement moins pures, soit polycristallines plutôt que monocristallines, et sont produites en quantités comparables au silicium monocristallin : 75 000 à 150 000 tonnes métriques par an. Le marché des qualités inférieures est en croissance plus rapide que celui du silicium monocristallin. En 2013, la production de silicium polycristallin, principalement utilisée dans les cellules solaires, devrait atteindre 200 000 tonnes métriques par an, tandis que le silicium de qualité semi-conductrice monocristallin devrait rester inférieur à 50 000 tonnes par an.
### Query ###
Pourquoi le silicium industriel est-il fabriqué différemment de celui utilisé dans les semi-conducteurs ?

### Main Text ###
Production

Silicon of 96–99% purity is made by carbothermically reducing quartzite or sand with highly pure coke. The reduction is carried out in an electric arc furnace, with an excess of SiO used to stop silicon carbide (SiC) from accumulating:

This reaction, known as carbothermal reduction of silicon dioxide, usually is conducted in the presence of scrap iron with low amounts of phosphorus and sulfur, producing ferrosilicon. Ferrosilicon, an iron-silicon alloy that contains varying ratios of elemental silicon and iron, accounts for about 80% of the world's production of elemental silicon, with China, the leading supplier of elemental silicon, providing 4.6 million tonnes (or 2/3rds of world output) of silicon, most of it in the form of ferrosilicon. It is followed by Russia (610,000 t), Norway (330,000 t), Brazil (240,000 t), and the United States (170,000 t). Ferrosilicon is primarily used by the iron and steel industry (see below) with primary use as alloying addition in iron or steel and for de-oxidation of steel in integrated steel plants.

Another reaction, sometimes used, is aluminothermal reduction of silicon dioxide, as follows:

Leaching powdered 96–97% pure silicon with water results in ~98.5% pure silicon, which is used in the chemical industry. However, even greater purity is needed for semiconductor applications, and this is produced from the reduction of tetrachlorosilane (silicon tetrachloride) or trichlorosilane. The former is made by chlorinating scrap silicon and the latter is a byproduct of silicone production. These compounds are volatile and hence can be purified by repeated fractional distillation, followed by reduction to elemental silicon with very pure zinc metal as the reducing agent. The spongy pieces of silicon thus produced are melted and then grown to form cylindrical single crystals, before being purified by zone refining. Other routes use the thermal decomposition of silane or tetraiodosilane (SiI). Another process used is the reduction of sodium hexafluorosilicate, a common waste product of the phosphate fertilizer industry, by metallic sodium: this is highly exothermic and hence requires no outside energy source. Hyperfine silicon is made at a higher purity than almost any other material: transistor production requires impurity levels in silicon crystals less than 1 part per 10, and in special cases impurity levels below 1 part per 10 are needed and attained.

Silicon nanostructures can directly be produced from silica sand using conventional metalothermic processes, or the combustion synthesis approach. Such nanostructured silicon materials can be used in various functional applications including the anode of lithium-ion batteries (LIBs), other ion batteries, future computing devices like memristors or photocatalytic applications.

### Supplementary Text ###
Électronique

La majeure partie du silicium élémentaire produit reste sous forme d'alliage de ferrosilicium, et seulement environ 20 % sont raffinés pour atteindre une pureté de qualité métallurgique (soit un total de 1,3 à 1,5 million de tonnes métriques par an). On estime que 15 % de la production mondiale de silicium de qualité métallurgique sont ensuite raffinés pour atteindre une pureté de qualité semi-conductrice. Il s'agit généralement d'une pureté de "neuf-9" ou 99,9999999 %, un matériau monocristallin presque exempt de défauts.

Le silicium monocristallin d'une telle pureté est généralement produit par le procédé Czochralski et est utilisé pour fabriquer des wafers de silicium utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs, dans l'électronique et dans certaines applications photovoltaïques à haut coût et à haute efficacité. Le silicium pur est un semi-conducteur intrinsèque, ce qui signifie qu'à la différence des métaux, il conduit les trous et les électrons libérés des atomes par la chaleur ; la conductivité électrique du silicium augmente avec la température. Le silicium pur a une conductivité trop faible (c'est-à-dire une résistivité trop élevée) pour être utilisé comme élément de circuit en électronique. En pratique, le silicium pur est dopé avec de petites concentrations de certains autres éléments, ce qui augmente considérablement sa conductivité et ajuste sa réponse électrique en contrôlant le nombre et la charge (positive ou négative) des porteurs activés. Un tel contrôle est nécessaire pour les transistors, les cellules solaires, les détecteurs semi-conducteurs et autres dispositifs semi-conducteurs utilisés dans l'industrie informatique et autres applications techniques. En photonique silicium, le silicium peut être utilisé comme milieu laser Raman à onde continue pour produire de la lumière cohérente.

Dans les circuits intégrés courants, un wafer de silicium monocristallin sert de support mécanique aux circuits, qui sont créés par dopage et isolés les uns des autres par de fines couches d'oxyde de silicium, un isolant qui peut être facilement produit sur les surfaces de Si par des procédés d'oxydation thermique ou d'oxydation locale (LOCOS), qui impliquent l'exposition de l'élément à l'oxygène dans des conditions appropriées qui peuvent être prédites par le modèle Deal–Grove. Le silicium est devenu le matériau le plus populaire pour les semi-conducteurs haute puissance et les circuits intégrés car il peut supporter les températures les plus élevées et l'activité électrique la plus importante sans subir d'effondrement par avalanche (une avalanche d'électrons est créée lorsque la chaleur produit des électrons et des trous libres, qui à leur tour font passer plus de courant, ce qui produit plus de chaleur). De plus, l'oxyde isolant du silicium n'est pas soluble dans l'eau, ce qui lui confère un avantage sur le germanium (un élément aux propriétés similaires qui peut également être utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs) dans certaines techniques de fabrication.

Le silicium monocristallin est coûteux à produire et n'est généralement justifié que dans la production de circuits intégrés, où de minuscules imperfections cristallines peuvent interférer avec de minuscules pistes de circuits. Pour d'autres utilisations, d'autres types de silicium pur peuvent être employés. Ceux-ci incluent le silicium amorphe hydrogéné et le silicium de qualité métallurgique amélioré (UMG-Si) utilisé dans la production d'électronique à faible coût et de grande surface dans des applications telles que les écrans à cristaux liquides et les cellules solaires à film mince, à grande surface et à faible coût. Ces qualités de semi-conducteurs de silicium sont soit légèrement moins pures, soit polycristallines plutôt que monocristallines, et sont produites en quantités comparables au silicium monocristallin : 75 000 à 150 000 tonnes métriques par an. Le marché des qualités inférieures est en croissance plus rapide que celui du silicium monocristallin. En 2013, la production de silicium polycristallin, principalement utilisée dans les cellules solaires, devrait atteindre 200 000 tonnes métriques par an, tandis que le silicium de qualité semi-conductrice monocristallin devrait rester inférieur à 50 000 tonnes par an.

### Draft ###

Query: "Pourquoi le silicium industriel est-il fabriqué différemment de celui utilisé dans les semi-conducteurs ?"

→ Core distinction: purity requirements. Industrial vs semiconductor silicon manufacturing diverge at 99.9999999% threshold.

**Industrial Silicon Production:**
- Raw materials: quartz, sandstone, carbon
- Process: carbothermal reduction
- Target purity: 96-99% ●
- Key reaction: SiO₂ + C → Si + CO (electric arc furnace)
- Result: ferrosilicon (Fe-Si alloy), silicon metal
- Applications: steel deoxidation, aluminum alloys ●

**Semiconductor Silicon Production:**
- Starting point: 96-99% industrial silicon ●
- Purification cascade:
  1. Hydrogen reduction of tetrachlorosilane (SiCl₄)
  2. Or trichlorosilane (SiHCl₃) 
  3. Multiple fractional distillations
  4. Zinc reduction → metallurgical silicon
  5. Zone melting → single crystals
  6. Czochralski crystal growth ●

- Target purity: 99.9999999% (10⁻⁹ impurities) ●
- Additional processing:
  - Oxygen removal
  - Crystal structure optimization  
  - Defect elimination

**Quantitative reality check:**
- Only ~15% of metallurgical silicon → semiconductor grade ●
- 700,000 tons semiconductor silicon annually vs 4.6M tons ferrosilicon ●
- Cost differential: industrial silicon $100-200/ton, semiconductor silicon $1000-2000/ton ●

**Key insight:** Industrial applications tolerate impurity levels orders of magnitude higher than electronic applications. ∴ Different manufacturing pathways optimized for distinct purity thresholds.

⟨H≈0.8⟩ The silicon atom sits at the heart of our technological civilization - yet its journey from sand to chip is one of the most remarkable purification stories in industrial chemistry. Starting with common quartz, the process transforms through electric arc furnaces, fractional distillation columns, and crystal growth chambers, each step peeling away layers of impurities until the final product achieves purities measured not in percentages but in parts per billion...

**Physical constraints driving the divergence:**
- Electronic device failure modes highly sensitive to trace impurities ●
- Industrial applications (steel, aluminum) more tolerant ●
- Processing economics favor separate pathways ●

NB: This creates natural market segmentation - why we have specialized silicon manufacturing industries rather than single universal process.

### Answer###
Le silicium industriel et celui utilisé dans les semi-conducteurs diffèrent principalement par leur niveau de pureté et les procédés de production associés.

Le silicium industriel de qualité métallurgique est produit par réduction carbothermique du quartz ou du sable avec du coke très pur dans un four à arc électrique. Cette réaction transforme le dioxyde de silicium en silicium, généralement sous forme d'alliage de ferrosilicium. Ce processus produit des morceaux de silicium à 96-99% de pureté et est économique pour les applications industrielles.

En contrepartie, le silicium destiné aux applications semi-conductrices nécessite une pureté bien supérieure. Pour atteindre ce niveau de qualité, généralement supérieur à 99,9999999% (pratiquement sans défauts), le processus implique plusieurs étapes de purification. Le silicium de départ est d'abord porté à 98,5% de pureté par lessivage, puis les composés volatils comme le tétrachlorure de silicium ou le trichlorosilane sont distillé de manière répétée. Ces composés sont ensuite réduits en silicium élémentaire par du zinc très pur, et le produit est fondu et cristallisé sous forme de monocristaux cylindriques avant une purification par zone raffinée.

Cette différence de production reflète le fait que les applications électroniques, notamment la fabrication de circuits intégrés, nécessitent des niveaux de pureté extrêmes pour éviter les interférences avec les circuits et maintenir les performances des dispositifs semi-conducteurs.