MINING und AUSBAU: PURER SILICON und die unglaubliche Mühe, es zu bekommen nimmt THERE

Gäbe es nicht die dünne Hülle aus Wasser und Kohlenstoff-basiertem Leben bedeckend, unser Heimatplanet vielleicht am besten bekannt als „Silicon Welt werden würde .“ mehr als ein Viertel der Masse der Erdkruste ist Silizium, und zusammen mit Sauerstoff, die Silicatmineralien etwa 90% der dünnen Hülle aus Gestein, dass schwimmt auf dem Mantel der Erde bilden. Silizium ist das Fundament unserer Welt, und es ist buchstäblich so häufig wie Schmutz.

Aber nur, weil wir eine Menge davon haben, bedeutet nicht, dass wir in seiner reinen Form viel davon haben. und es ist nur in seiner reinsten Form, dass Silizium das Material wird, die unsere Welt in das Informationszeitalter gebracht. Elementares Silizium ist sehr selten, aber, und so erhebliche Mengen des Metalloids erhalten, die rein genug ist, nützlich zu sein erfordert einige ziemlich energie- und ressourcenintensiven Bergbau und Raffination. Diese Operationen verwenden einige ziemlich interessante Chemie und ein paar nette Tricks, und wenn sie auf industrielle Ebenen skaliert, sie stellen einzigartige Herausforderungen, die einige ziemlich clevere Technik erfordern, zu beschäftigen.

Hart wie Stein

Der Rohstoff für die meisten Siliziumproduktion ist das Mineral Quarzit. Quarzit kommt aus dem alten Ablagerungen von Quarzsande, die Ablagerungen gebildet. Im Laufe der Zeit und mit Hitze und Druck wurden diese Quarz Sandsteine in die metamorphes Gestein Quarzit umgewandelt, die bezogen auf das Volumen mindestens 80% Quarz ist.

Quarzit. Quelle: Geology.com
Quarzit ist ein unglaublich harter Rock, und wo es über die Oberfläche stößt, bildet Grate, die stark Verwitterung widerstehen. signifikante Formationen von Quarzit sind in der ganzen Welt verstreut, aber es gibt relativ wenige Orte, an denen es finanziell sinnvoll ist das Gestein für die Siliziumproduktion zu Steinbruch, da die Formationen leicht zugänglich und relativ nahe an der anderen Rohstoffen und Energieversorgung sein müssen, benötigt .

Raw Quarzit ist meist Siliziumdioxid (SiO 2) und der Veredelungsprozess beginnt mit einer Reduktionsreaktion des Sauerstoffs loszuwerden. Zerstoßenem Quarzit mit Kohlenstoff in Form von Koks gemischt (Kohle, die in Abwesenheit von Sauerstoff erhitzt wurden). Holzhackschnitzel werden an die Ladung als auch hinzugefügt; sie dienen sowohl als Kohlenstoffquelle und einem physisches Füllmittel, die Gas und Wärme zu zirkulieren besser in dem Ofen ermöglicht.

Die Lichtbogenöfen für die Verhüttung Silizium sind enorm Anlagen mit erheblichen Kohlenstoffelektroden. Die Elektroden werden bei der Verhüttung verbraucht, so neue Elektroden auf den Oberseiten der Stromelektroden eingeschraubt werden, um sicherzustellen, dass der Prozess nicht unterbrochen wird. Der Lichtbogenofen erfordert enorme Mengen an Strom, die Temperatur 2.000 ° C benötigt aufrechtzuerhalten, so Silizium Raffinerien liegen typischerweise in denen Strom mit niedrig Kosten und reichlich vorhanden ist.

Die Reduktionsreaktionen innerhalb der Schmelzzone sind eigentlich ziemlich kompliziert, kann aber mit zwei Hauptreaktionen zusammengefasst werden:

In beiden Reaktionen kombiniert der Sauerstoff im Siliciumdioxid mit Kohlenstoff das Hauptabfallprodukt zu bilden, Kohlenmonoxid. Eine Nebenreaktion, die im Inneren des Ofens in einem Teil der Schmelzzone auftritt erzeugt Siliziumkarbid (SiC), das ein unerwünschtes Nebenprodukt (zumindest, wenn das Ziel Silizium zu reinigen ist; Siliciumcarbid selbst eine nützliche industrielle Schleifmittel ist). Indem sichergestellt wird, dass Siliziumdioxid weit im Überschuß in dem Ofen ist, wobei die zweite Reaktion der SiC wirken als Kohlenstoffquelle für die Reduktion von Siliciumdioxid wird bevorzugt, und Silizium mit bis zu 99% Reinheit kann von der Unterseite des abgreifbar Ofen.

Das Silizium durch dieses Verfahren hergestellt wird als metallurgisches Silizium bezeichnet. Für fast alle industriellen Zwecken, diese hochgereinigte Silizium ist gut genug. etwa 70% metallurgischen Silizium geht in die Herstellung von Metall-Legierungen, wie Ferrosilizium als auch Aluminium-Silizium, eine Legierung, die Verträge minimal bei Abkühlung und damit zu gegossenen Aluminium-Motorblöcken und ähnlichen Gegenständen verwendet wird.

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Monosilan ist die Silizium-Äquivalent von Methan. In Trichlorsilan, sind drei der Wasserstoffatome für Chlor substituiert ist. Quelle: WebElements
Als nützlich als metallurgisches Silizium ist, selbst bei 99% rein ist es nicht einmal in der Nähe der Reinheit für die Halbleiter- und Photovoltaik-Anwendungen benötigt werden. Die nächsten Schritte bei der Reinigung, um die Silizium-auf den Reinheitsgrad, der für die Halbleiterherstellung benötigt wird. Die Reinigung beginnt mit pulverisiertem metallurgischem Silizium mit heißer, gasförmiger Chlorwasserstoffsäure vermischt wird. Diese Reaktion erzeugt Silane, die durch vier Befestigungen umgeben Verbindungen mit einem zentralen Siliciumatom sind, in diesem Fall drei Chloratome und ein Wasserstoffatom. Das Trichlorsilan ist ein Gas bei der Temperatur innerhalb der Reaktionskammer, wodurch es leichter zu handhaben und zu reinigen, durch fraktionierte Destillation macht.

Wenn das Trichlorsilan Gas ausreichend gereinigt wurde, kann polykristalline Siliziumproduktion beginnen. Das Siemens-Verfahren ist das wichtigste Verfahren hier, und ist eine Form von chemischer Dampfabscheidung. Eine große glockenförmige Reaktionskammer enthält mehr dünnen thhochgereinigtem Silizium liest der, die durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch sie auf 1.150 ° C erhitzt werden. Ein Gemisch aus gasförmigem Trichlorsilan und Wasserstoff strömt in die Kammer; das Gas zersetzt sich auf der heißen Elektrode hinter dem Silizium zu verlassen, die in Stangen akkretiert, die etwa 15 cm im Durchmesser sind. Polykristallines Silizium durch das Siemens-Verfahren hergestellt kann mit einer Reinheit von 99,99999% hat ( „seven Neunen“ oder 7N) oder mehr. 7N bis 10N Polysilizium wird hauptsächlich für photovoltaische Zellen verwendet, obwohl einige Polysilicium in diesem Reinheitsbereich macht es auch in MOSFET und CMOS-Halbleiter.

Polysiliciumstäben aus einem Siemens Prozesskammer. Quelle: Silicon Products Group GmbH
Während das Siemens-Verfahren das Polysilicium Arbeitspferd ist, hat sie Nachteile. Das Hauptproblem ist, dass es ein Energie Schwein – die wachsenden polykristallinen Stäbe heiß genug hält das Einsatzmaterial zu zersetzen, erfordert eine Menge Strom. Zum Umgehen dieses Problems, ein Wirbelbettreaktor (FBR) Prozess wird manchmal verwendet. Ein FBR-Reaktor, wie ein hoher Turm geformt wird, werden die Wände mit einem Quarzrohr ausgekleidet. Silangas, entweder das bekannte Trichlorsilan oder Monosilan, die von vier Wasserstoffatomen umgeben ist nur ein Siliciumatom ist, wird in die Kammer injiziert. Powdered Silizium wird in die Reaktionskammer von oben fallen gelassen, während erhitztes Wasserstoffgas in den Boden der Kammer durch eine Reihe von Düsen eingespritzt wird. Der Gasstrom hält das heiße Siliciumpulver fluidisiert wird, so dass es mit dem Silangas und zersetzen sich mischen. Wie in dem Siemens-Verfahren, akkretiert das Silizium auf die Keimteilchen, die bekommen schließlich groß für das Wirbelbett zu unterstützen. Die polykristallinen Siliziumkörner fallen auf den Boden der Kammer, wo sie gesammelt werden können.

Abgesehen von Energieeinsparung – bis zu 90% weniger, wenn Monosilan als Rohstoff verwendet – die Hauptvorteil der FBR-Methode ist, dass es ein kontinuierlicher Prozess, da die fertigen Kügelchen können nur aus der Kammer gepumpt werden. Der Siemens-Prozess ist ein Batch-Prozess, da die Reaktorkammer der Polysiliciumstäben geöffnet werden muss, um zu entfernen, wenn sie fertig sind. Das sei gesagt, FBR Polysilizium nicht wirklich genommen hat, zum Teil, weil die Fluiddynamik innerhalb der Reaktionskammer Verwaltung schwierig sein kann. aber der Hauptgrund ist, dass der Siemens-Prozess ist gerade so einfach, und so lange, wie Fabriken können in der Nähe einer Quelle von Low-Cost-Strom entfernt werden, es ist nur einfacher, die Brute-Force-Methode zu verwenden.

Polysilicium-Produktion durch das Siemens-Verfahren und Wirbelschichtreaktor. Quelle: Bernreuter Research
Ein Kristall Nur, bitte

Unter Verwendung eines dieser Verfahren kann polykristallines Silizium auf extrem hohe Reinheit gebracht werden, bis 11N. Reinheit aber ist nicht die einzige Metrik für Silizium; Manchmal ist die Natur der kristallinen Struktur auf dem Endprodukt ebenso wichtig wie Reinheit. Der nächste Schritt in der Siliziumproduktion ist die Schaffung von monokristallinem Silizium, wobei der gesamten Silizium-Ingot ein Einkristall ist.

einen Einkristall aus Reinstsilicium auf eine Größe wächst, die industriell nützlich ist, ist keine leichte Aufgabe, und stützt sich auf einige 1916 von polnischen Chemiker Jan Czochralski entdeckt Tricks. Wir haben das Czochralski-Verfahren in der Tiefe vor bedeckt, aber kurz, polykristallines Silizium in einem Quarztiegel in einer inerten Atmosphäre geschmolzen. Ein Abzieher Stange einen einzelnen hochreine Siliziumkristall trägt, die sehr genau ausgerichtet ist, wird in das geschmolzene Silizium erniedrigt. Der Impfkristall verursacht Silizium zu kondensieren, weiterhin die Kristallstruktur wie die Abziehvorrichtung Stange langsam aus dem Ofen abgezogen wird, während er sich dreht. Einkristalliner Ingots bis zu 450 mm im Durchmesser ist mit dem Czochralski-Verfahren.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von monokristallinem Silizium ist der Schwimmer Zonenverfahren, das einen polykristallinen Siliziumstab als Ausgangsmaterial verwendet. innerhalb einer Reaktionskammer, die mit einer Schutzgasatmosphäre wird ein Hochfrequenzsignal durch eine Spule geleitet, die die Stange umgibt. Das HF-Signal erhitzt das Polysilicium, ein eingeschlossenes Schmelzzone zu schaffen. Einkristalle von hochreinem Silizium ist mit der Schmelzzone gegeben, die das geschmolzene Silizium veranlasst, um es zu kristallisieren. Die HF-Spule wird langsam die Stange nach oben bewegt, um die Zone der Erwärmung bewegen, bis der gesamte Stab ein Einkristall aus Silizium ist. Float-Zone monokristallinem Silizium hat den Vorteil, nicht in Kontakt mit den Quarzwänden des Czochralski-Verfahren Tiegels zu sein, und so wird weniger Verunreinigungen von Sauerstoff und anderen Verunreinigungen.