Pročišćavanje metalnog silicija

Proizvodnja silicija visoke čistoće (npr. Solarni ili elektronički razred) zahtijeva rafiniranje silicija za metalurški razred (MG-Si, ~ 98–99% čistoće) kroz napredne procese pročišćavanja. Ključne metode uključuju:

1. Hidrometalurško pročišćavanje (kiseli ispiranje)

Proces:

Drobljeni mg-si tretira se mješavinom kiselina (npr. HCl, HF ili h₂so₄) kako bi se otopili nečistoće (Fe, Al, CA, itd.).

Reaktori otporni na kiselinu koriste se za izbjegavanje onečišćenja.

Reakcije:

Fe +2 HCl → FeCl 2+ H2 ↑ Fe +2 HCl → FECL2+H2 ↑

Proizlaziti:Uklanja ~ 90% metalnih nečistoća, povećavajući čistoću na ~ 99,9%.

2. Usmjeravanje

Načelo:Nečistoće se koncentriraju u rastaljenoj fazi tijekom kontroliranog hlađenja.

Proces:

Rastaljeni silicij polako se hladi s jednog kraja, prisiljavajući nečistoće da se migriraju na vrh ili rubove.

Pročišćeni središnji dio je izrezan i ponovno upotrijebljen.

Učinkovitost:Smanjuje nečistoće od borbe (B) i fosfora (P) na razine dijelova na milijun (PPM).

3. Vakuum

Proces:

Rastopljeni silicij se zagrijava pod vakuumom kako bi se ispario hlapljive nečistoće (npr. Al, CA, Mg).

Vapljivi oksidi (npr. SIO) također mogu formirati i pobjeći.

Prijave:Učinkovito za uklanjanje svjetlosnih metala i plinova.

4. Rafiniranje zona (metoda plutanja)

Načelo:Lokalizirana rastopljena zona kreće se kroz silikonsku šipku, noseći nečistoće sa sobom.

Proces:

Polikristalna silikonska šipka visoke čistoće zagrijava se pomoću radiofrekventnih (RF) zavojnica.

Ponavljani prolazi stvaraju ultra-natečenu monokristalnu silicij.

Čistoća: Achieves >99,9999% (čistoća od 6 n do 11n za poluvodiče).

5. Proces Siemens (taloženje kemijskog pare, CVD)

Svrha:Proizvodi polisilikon za solarne ćelije i elektroniku.

Koraci:

Kloriranje:Mg-Si reagira s HCL-om u formiranje triklorosilana (SIHCL₃):

Si +3 HCl → SIHCL 3+ H2SI +3 HCl → SIHCL3+H2

Destilacija:SIHCL₃ je pročišćen frakcijskom destilacijom.

Raspad:SIHCL₃ visoke čistoće razgrađuje se na grijanim silikonskim šipkama (~ 1.100 stupnjeva):

2SiHCL3 → 2si +2 HCl+Cl22SiHCL3 → 2si +2 HCl+Cl2

Izlaz:Ultra-Pure Polysilicon (99,9999999%, 9N).

6. Elektrorening

Proces:

Nečisti silicij koristi se kao anoda u elektrolitu rastaljene soli (npr. Cacl₂).

Čiste silicijske naslage na katodu putem elektrolize.

Prednost:Učinkovito za uklanjanje bor i fosfora.

7. Tretman

Proces:Rastaljeni silicij pomiješan je sa šljakom (npr. Cao-Sio₂) kako bi se apsorbirao nečistoće.

Mehanizam:Nečistoće (npr. B, P) podjelu u fazu šljake zbog kemijskog afiniteta.

Ključni izazovi u pročišćavanju silicija:

Uklanjanje bora i fosfora:Ti su elementi električno aktivni i razgrađuju se poluvodičke performanse.

Intenzitet energije:Procesi poput Siemensove metode zahtijevaju značajnu energiju i skupu infrastrukturu.

Trošak nasuprot kompromisu čistoće:Veća čistoća (npr. Elektronski razred) zahtijeva eksponencijalno više resursa.

Prijave na temelju razine čistoće:

Okolišna razmatranja:

Ispitivanje kiseline proizvodi opasni otpad (npr. HF), zahtijevajući neutralizaciju i sigurno odlaganje.

Proces Siemens generira besproizvode klora, što zahtijeva sustave recikliranja zatvorene petlje.

Inovacije:

Fluidizirani krevet reaktora (FBR):Niže troškova alternativa Siemensovom procesu za solarni silicij.

Nadograđeni metalurški silicij (UMG-Si):Kombinira ispiranje, pljuskovanje i usmjeravanje usmjeravanja za solarne primjene uz smanjene troškove.