Winning en raffinage: zuiver silicium en de ongelooflijke moeite die het kost om er te komen

, ware het niet voor de dunne mantel van water en koolstof gebaseerde leven te bedekken, onze thuisplaneet zou misschien het best bekend als de “Silicon Wereld .” Meer dan een kwart van de massa van de aardkorst silicium en zuurstof met het silicaatmineralen vormen ongeveer 90% van het dunne schaalelement steen dat drijft op de aardmantel. Silicium is de basis van onze wereld, en het is letterlijk zo gewoon als vuil.

Maar juist omdat we hebben veel van dat betekent niet dat we een groot deel van het in zijn pure vorm. en het is slechts in zijn puurste vorm, dat silicium wordt het spul dat onze wereld in het informatietijdperk gebracht. Elementair silicium is zeer zeldzaam, maar, en dus om aanzienlijke hoeveelheden van het metalloïde dat is zuiver genoeg om nuttig te zijn vereist een aantal mooie energie- en resource-intensieve winning en raffinage operaties. Deze operaties gebruik maken van een aantal mooie interessante chemie en een paar handige trucs, en wanneer opgeschaald tot industriële niveaus, zij vormen unieke uitdagingen die een aantal mooie slimme techniek om te gaan met eisen.

Hard as Rock

De grondstof voor de meeste productie silicium is het mineraal kwartsiet. Kwartsiet komt uit het oude afzettingen van kwartszand dat afzettingen vormden. Tijd en met warmte en druk werden deze kwarts zandsteen omgevormd tot metamorf gesteente kwartsiet, die ten minste 80% kwarts vol.

Kwartsiet. Bron: Geology.com
Kwartsiet is een ongelooflijk sterke rots, en waar het steekt boven het oppervlak, vormt ribbels die sterk verwering weerstaan. significant formaties van kwartsiet zijn verspreid over de hele wereld, maar er zijn relatief weinig plaatsen waar het maakt financiële zin naar de rots voor de productie van silicium steengroeve, omdat de formaties moeten relatief dicht bij de andere grondstoffen en energievoorziening nodig is gemakkelijk toegankelijk en zijn .

Rauwe kwartsiet meestal siliciumdioxyde (SiO2) en het raffinageproces begint met een reductiereactie te ontdoen van zuurstof. Gemalen kwartsiet gemengd met koolstof in de vorm van cokes (kolen die in afwezigheid van zuurstof verhit). Houtsnippers worden toegevoegd aan de lading als goed; zij dienen zowel als een koolstofbron en een fysisch vulmiddel dat gassen en warmte beter in de oven laat circuleren.

De ovens voor het smelten van silicium zijn enorm installaties met aanzienlijke koolstofelektroden. De elektroden worden verbruikt tijdens smelten, zodat nieuwe elektroden geschroefd op de toppen van de stroomelektrodes te zorgen dat de werkwijze niet wordt onderbroken. De boogoven vereist enorme hoeveelheden elektriciteit aan de 2000 ° C temperatuur nodig te handhaven, zodat silicium raffinaderijen kenmerkend liggen waar elektriciteit goedkoop en overvloedig.

De reductie reacties in de smelt zone zijn eigenlijk vrij ingewikkeld, maar kan worden samengevat met twee reacties:

In beide reacties, de zuurstof in de siliciumdioxide combineert met koolstof het belangrijkste afvalproduct gevormd, koolmonoxide. Een nevenreactie die optreedt in een deel van de smeltzone in de oven produceert siliciumcarbide (SiC), dat een ongewenst bijproduct (althans wanneer het doel is om silicium zuiveren; siliciumcarbide zelf een bruikbaar industrieel schuurmiddel). Door ervoor te zorgen dat siliciumdioxide aanzienlijk groter dan in de oven, wordt de tweede reactie waarbij de SiC optreedt als een koolstofbron voor de reductie van siliciumdioxide de voorkeur, en silicium met maximaal 99% zuiverheid worden afgetapt onderaan de oven.

Silicium dat wordt vervaardigd door deze werkwijze wordt aangeduid als metallurgisch silicium. Voor bijna alle industriële toepassingen, is dit in hoge mate gezuiverd silicium is goed genoeg. ongeveer 70% van metallurgisch silicium gaat naar de vervaardiging van metalen legeringen zoals ferrosilicium en aluminium-silicium, een legering die overeenkomsten minimaal bij koeling en wordt gebruikt om gegoten aluminium motorblokken en dergelijke.

meer Nines

Monosilaan is het silicium equivalent van methaan. In trichloorsilaan, drie van de waterstofatomen zijn vervangen door chlooratomen. Bron: WebElements
Zo nuttig als metallurgisch silicium is, zelfs bij 99% zuiver is het zelfs niet dicht bij de zuiverheid die nodig is voor halfgeleiders en fotovoltaïsche toepassingen. De volgende stappen in de zuivering neemt het silicium de zuiverheid die nodig is voor halfgeleiderfabricage. Zuivering begint door mengen poeder metallurgisch silicium met hete, gasvormige waterstofchloride. Deze reactie produceert silanen, die verbindingen met een centraal siliciumatoom omringd door vier bijlagen zijn in dit geval drie chlooratomen en één waterstofatoom. Dit trichloorsilaan is een gas bij de temperatuur in de reactiekamer, waardoor het gemakkelijker te hanteren en te zuiveren door gefractioneerde destillatie.

Wanneer het trichloorsilaan gas voldoende is gezuiverd, kan polykristallijn silicium productie leveren. Siemens proces is de belangrijkste methode hier, en is een vorm van chemische dampafzetting. Een grote klokvormige reactiekamer bevat verscheidene dunne thleest zeer zuiver silicium, dat door een elektrische stroom door hen tot 1150 ° C worden verhit. Een mengsel van gasvormig trichloorsilaan en waterstof stromen in de kamer; het gas ontleedt bij de hete elektrode achterlating van het silicium, dat accretes tot staven die ongeveer 15 cm in diameter. Polykristallijn silicium door Siemens werkwijze kan een zuiverheid van 99,99999% ( “zeven negens” of 7N) of meer. 7N tot 10N polysilicium wordt meestal gebruikt voor fotovoltaïsche cellen, hoewel sommige polysilicium deze zuiverheid traject laat ook rekening MOSFET en CMOS halfgeleiders.

Polysilicon staven van een Siemens proceskamer. Bron: Silicon products group GmbH
Terwijl de Siemens proces is de polysilicium werkpaard, het heeft zijn nadelen. Het grootste probleem is dat het een energie hog – het houden van de groeiende polykristallijne staven heet genoeg om de grondstof ontleden vergt veel van elektriciteit. Om dit probleem wordt een wervelbedreactor (FBR) proces soms gebruikt. Een FBR reactor de vorm van een toren, de wanden daarvan bekleed met een kwartsbuis. Silaangas, ofwel de bekende trichloorsilaan of monosilaan, die slechts een siliciumatoom omringd door vier waterstofatomen, wordt geïnjecteerd in de kamer. Poedervormig silicium valt in de reactiekamer van bovenaf, terwijl verwarmd waterstofgas in de bodem van de kamer wordt geïnjecteerd door een reeks mondstukken. De gasstroom houdt de hete siliciumpoeder gefluïdiseerd, waardoor het mengen met het silaangas en ontleden het. Zoals in het Siemens proces, het silicium accretes op de kiemdeeltjes die uiteindelijk te groot voor het wervelbed ondersteunen. Het polykristallijne silicium bolletjes naar de bodem van de kamer, waar ze kunnen worden opgevangen.

Naast energiebesparing – tot 90% lager bij gebruik monosilaan als grondstof – hoofdvoordeel van de FBR methode is dat het een continue werkwijze, aangezien de gerede korrels slechts kan worden gepompt uit de kamer. Siemens proces is meer een batchproces, aangezien de reactorkamer te worden geopend om de polysilicon staven verwijderen als ze klaar zijn. Dat gezegd hebbende, FBR polysilicium heeft vlucht genomen, deels omdat het beheer van de vloeistofdynamica binnen de reactiekamer kan moeilijk zijn. maar de belangrijkste reden is dat de Siemens proces is net zo makkelijk, en zolang fabrieken kan worden in de buurt van een bron van goedkope elektriciteit, het is gewoon makkelijker om de brute-force methode te gebruiken.

Polysiliconenproductietechnologie door Siemens proces wervelbedreactor. Bron: Bernreuter Research
Slechts één Crystal, aub

Met behulp van deze werkwijzen kan polykristallijn silicium extreem hoge zuiverheid worden gebracht, tot 11N. maar zuiverheid is niet de enige metriek voor silicium; soms, de aard van de kristallijne structuur van het eindproduct is net zo belangrijk als zuiverheid. De volgende stap in de productie van silicium is het creëren van monokristallijn silicium, waarbij de gehele siliciumstaaf een eenkristal.

Het kweken van een enkel kristal van ultra-zuiver silicium tot een formaat dat is industrieel bruikbare is geen sinecure, en vertrouwt op een aantal trucs in 1916 ontdekt door de Poolse chemicus Jan Czochralski. We hebben de methode Czochralski in de diepte behandeld voor, maar in het kort, polykristallijn silicium wordt gesmolten in een kroes van kwarts in een inerte atmosfeer. Een trekker stangdragende een ultrazuivere siliciumkristal dat uitermate nauwkeurig gericht wordt neergelaten in het gesmolten silicium. Het entkristal veroorzaakt silicium condenseren voortzetten van de kristalstructuur als trekker staaf langzaam uit de oven wordt afgevoerd tijdens het draaien. Eenkristal ingots tot 450 mm zijn mogelijk met de Czochralski methode.

Een andere werkwijze voor vruchten monokristallijn silicium is de drijverzone werkwijze, waarbij een polykristallijne siliciumstaaf als uitgangsmateriaal gebruikt. in een reactiekamer met een inerte gasatmosfeer wordt een radiofrequent signaal door een spoel die de stang omgeeft. Het RF signaal verwarmt de polysilicium, waardoor een opgesloten smeltzone. eenkristallen van ultra-zuiver silicium toegevoegd aan de smeltzone, waarbij het gesmolten silicium kristalliseert rond veroorzaakt. De RF-spoel wordt langzaam verplaatst de stang verplaatsen van de zone van verwarmen totdat de gehele staaf een enkele siliciumkristal. Float-zone monokristallijn silicium heeft het voordeel niet in contact met kwarts wanden van de Czochralski methode kroes en dus minder vervuiling van zuurstof en andere verontreinigingen.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *