Producția de siliciu de înaltă puritate (de exemplu, de calitate solară sau de calitate electronică) necesită rafinarea siliciului de calitate metalurgică (MG-Si, ~ 98–99% puritate) prin procese avansate de purificare. Metodele cheie includ:
1. Purificarea hidrometalurgică (scurgerea acidului)
Proces:
Mg-Si zdrobit este tratat cu un amestec de acizi (de exemplu, HCl, HF sau H₂so₄) pentru a dizolva impuritățile (Fe, Al, CA, etc.).
Reactoarele rezistente la acid sunt utilizate pentru a evita contaminarea.
Reacții:
Fe +2 HCl → Fecl 2+ H2 ↑ Fe +2 HCl → Fecl2+H2 ↑
Rezultat:Îndepărtează ~ 90% din impuritățile metalice, crescând puritatea la ~ 99,9%.
2. Solidizare direcțională
Principiu:Impuritățile se concentrează în faza topită în timpul răcirii controlate.
Proces:
Siliconul topit este răcit lent de la un capăt, forțând impurități să migreze în partea de sus sau margini.
Secțiunea centrală purificată este tăiată și reutilizată.
Eficienţă:Reduce impuritățile de bor (B) și fosfor (P) la niveluri de părți pe milion (ppm).
3. Rafinarea vidului
Proces:
Siliconul topit este încălzit sub vid pentru a evapora impuritățile volatile (de exemplu, AL, CA, MG).
Oxizii volatili (de exemplu, SiO) pot forma și evada.
Aplicații:Eficient pentru eliminarea metalelor și gazelor ușoare.
4. Rafinarea zonei (metoda zona float)
Principiu:O zonă topită localizată se deplasează printr -o tijă de siliciu, purtând impurități cu ea.
Proces:
O tijă de siliciu policristalină de înaltă puritate este încălzită folosind bobine de radiofrecvență (RF).
Trecerile repetate creează siliciu monocristalin ultra-pur.
Puritate: Achieves >99.9999% (puritate de la 6 la 11N pentru semiconductori).
5. Procesul Siemens (depunere de vapori chimici, CVD)
Scop:Produce polisilicon pentru celulele solare și electronice.
Pași:
Clorură:Mg-Si reacționează cu HCL pentru a forma triclorosilan (SIHCL₃):
Si +3 hcl → sihcl 3+ h2si +3 hcl → sihcl3+h2
Distilare:SIHCL₃ este purificat prin distilare fracțională.
Descompunere:Sihcl₃ de înaltă puritate este descompus pe tije de siliciu încălzite (~ 1.100 grade):
2sihcl3 → 2si +2 HCL+Cl22SiHCl3 → 2SI +2 HCL+CL2
Ieșire:Polisilicon ultra-pure (99.9999999%, 9N).
6. Electrorefing
Proces:
Siliconul impur este utilizat ca anod într -un electrolit de sare topit (de exemplu, cacl₂).
Depozite de siliciu pur pe catod prin electroliză.
Avantaj:Eficient pentru îndepărtarea borului și fosforului.
7. Tratamentul de zgură
Proces:Siliconul topit este amestecat cu o zgură (de exemplu, cao-sio₂) pentru a absorbi impuritățile.
Mecanism:Împărțirea impurităților (de exemplu, b, p) în faza de zgură din cauza afinității chimice.
Provocări cheie în purificarea siliciului:
Îndepărtarea borului și a fosforului:Aceste elemente sunt active electric și degradează performanța semiconductorului.
Intensitatea energetică:Procese precum metoda Siemens necesită o infrastructură semnificativă energetică și costisitoare.
Cost vs. compromisuri de puritate:Puritatea mai mare (de exemplu, de calitate electronică) necesită exponențial mai multe resurse.
Aplicații bazate pe niveluri de puritate:
| Grad | Puritate | Aplicații |
|---|---|---|
| Metalurgic (MG-SI) | 98–99% | Aliaje de aluminiu, silicone, substanțe chimice |
| Solar-grad (SOG-Si) | 99.9999% (6N) | Celule solare fotovoltaice |
| Electronic-grad (EG-SI) | 99.9999999% (9N) | Semiconductori, microcipuri |
Considerații de mediu:
Lăsarea acidă produce deșeuri periculoase (de exemplu, HF), necesitând neutralizarea și eliminarea în siguranță.
Procesul Siemens generează produse secundare de clor, necesitând sisteme de reciclare cu buclă închisă.
Inovații:
Reactoare cu pat fluidizat (FBR):O alternativă cu costuri mai mici la procesul Siemens pentru siliciu de calitate solară.
Silicon metalurgic modernizat (UMG-SI):Combină levigarea, zgura și solidificarea direcțională pentru aplicațiile solare la costuri reduse.
