om det inte vore för den tunna manteln av vatten och kolbaserade livs täcker det, vår hemplanet skulle kanske mest känd som ”Silicon World ”. mer än fjärdedel av massan av jordskorpan är kisel, och tillsammans med syre, de silikatmineraler bildar ca 90% av den tunnskaliga av sten som flyter på jordens mantel. Kisel är grunden för vår värld, och det är bokstavligen lika vanligt som smuts.
Men bara för att vi har en hel del av det betyder inte att vi har mycket av det i sin rena form. och det är bara i sin renaste form som kisel blir saker som förde vår värld i informationsåldern. Elementärt kisel är mycket sällsynt, dock, och så att få märkbara mängder av metalloid som är tillräckligt ren för att vara användbar kräver några ganska energi- och resursintensiva gruv- och raffineringsoperationer. Dessa operationer använder några ganska intressant kemi och några fiffiga knep, och när skalas upp till industriell nivå, de utgör unika utmaningar som kräver några ganska smart teknik för att ta itu med.
Hard rock
Råmaterialet för de flesta kiselproduktion är mineralet kvartsit. Kvartsit kommer från gamla fyndigheter av kvarts sand som bildade sedimentära avlagringar. Över tiden och med värme och tryck, var dessa kvartssandstenar omvandlas till metamorphic vagga kvartsit, som är åtminstone 80% kvarts per volym.
Kvartsit. Källa: Geology.com
Kvartsit är en otroligt tuff rock, och där det petar ovanför ytan, bildar den åsar som starkt motstår vittring. betydande formationer av kvartsit är utspridda runt om i världen, men det finns relativt få ställen där det är ekonomiskt fördelaktigt att stenbrott berget för kiselproduktionen, eftersom formationerna måste vara lättillgängliga och relativt nära andra råvaror och energiförsörjning behövs .
Rå kvartsit är mestadels kiseldioxid (SiO2), och raffineringsprocessen börjar med en reduktionsreaktion för att bli av syret. Krossad kvartsit blandas med kol i form av koks (kol som har värmts i frånvaro av syre). Flis läggs till avgiften som väl; de tjänar både som en kolkälla och en fysisk bulkmedel som tillåter gaser och värme till cirkulera bättre i ugnen.
De bågugnar för kisel smältning finns enorma installationer med betydande kolelektroder. Elektroderna förbrukas under smältning, så nya elektroder skruvas på toppen av de aktuella elektrod att se till att processen inte avbryts. Ljusbågsugnen kräver enorma mängder elektricitet för att upprätthålla 2000 ° C temperaturen som behövs, så kisel raffinaderier är typiskt belägna där elektricitet är billigt och rikligt.
De reduktionsreaktioner inuti smältzonen är faktiskt ganska komplicerat, men kan sammanfattas med två reaktioner:
I båda reaktionerna, syret i kiseldioxiden förenar sig med kol för att bilda den huvudsakliga avfallsprodukten, kolmonoxid. En sido reaktion som uppstår i en del av smältzonen inuti ugnen producerar kiselkarbid (SiC), vilket är en oönskad biprodukt (åtminstone när målet är att rena kisel, kiselkarbid själv är en användbar industriell slipmedel). Genom att se till att kiseldioxid är långt i överskott i ugnen, är den andra reaktionen, där SiC verkar som en kolkälla för reduktionen av kiseldioxid gynnade, och kisel med upp till 99% renhet kan avtappas från botten av ugn.
Kisel som tillverkas genom detta förfarande hänvisas till som metallurgisk kisel. För nästan alla industriellt bruk, är detta mycket renat kisel tillräckligt bra. ca 70% av metallurgiskt kisel går till framställning av metallegeringar, såsom ferrokisel samt aluminium-kisel, en legering att kontrakt minimalt vid kylning och används därför till gjutna aluminiummotorblock och liknande föremål.
fler Nines
Monosilan är kisel ekvivalent av metan. I triklorsilan, är tre av de väteatomer ersätta klor. Källa: WebElements
Så användbart som metallurgisk kisel är, även vid 99% ren det är inte ens nära till renhet som behövs för halvledar- och solcellstillämpningar. Nästa steg i reningen tar kisel till den renhetsgrad som behövs för tillverkning av halvledare. Rening börjar genom att blanda pulverformigt metallurgisk kisel med varm, gasformig klorvätesyra. Denna reaktion ger silaner, vilka är föreningar med en central kiselatom omgiven av fyra fästen, i detta fall tre kloratomer och en väte. Denna triklorsilan är en gas vid temperaturen inuti reaktionskammaren, vilket gör det lättare att hantera och rena genom fraktionerad destillation.
När triklorsilan gasen har tillräckligt renat, kan polykristallint kisel produktion påbörjas. Siemens processen är den huvudsakliga metoden här, och är en form av kemisk ångavsättning. En stor klockformad reaktionskammare innehåller flera tunna thläser av högrenad kisel, som upphettas till 1150 ° C genom att leda en elektrisk ström genom dem. En blandning av gasformigt triklorsilan och väte strömmar in i kammaren; gasen sönderfaller på den varma elektroden lämnar bakom kisel, som accretes till stänger som är ca 15 cm i diameter. Polykristallint kisel tillverkad av Siemens process kan ha en renhet av 99,99999% ( ”sju nior”, eller 7N) eller mer. 7N till 10N polysilikon används främst för fotoelektromotoriska celler, även om viss polykisel i denna renhet intervall gör det också in i MOSFET och CMOS halvledare.
Polykisel stavar från en Siemens processkammare. Källa: Silicon Products Group GmbH
Medan Siemens processen är superrent arbetshäst, det har sina nackdelar. Det största problemet är att det är en energi hog – att hålla den växande polykristallina stavarna tillräckligt varmt för att bryta ned råmaterialet kräver en hel del el. Till arbete runt detta problem är en fluidiserad bädd-reaktor (FBR) process används ibland. En FBR reaktorn är formad som ett högt torn, är väggarna i vilken fodrad med ett kvartsrör. Silangas, antingen den välbekanta triklorsilan eller monosilan, som är bara en kiselatom omgiven av fyra väteatomer, insprutas in i kammaren. Pulveriserad kisel droppas in i reaktionskammaren från toppen, medan uppvärmd vätgas injiceras in i botten av kammaren genom en serie munstycken. Gasflödet håller den varma kiselpulver fluidiserade, så att den kan blandas med silangasen och sönderdela den. Som i Siemens processen, accretes kislet på groddpartiklarna, som så småningom blir för stor för den fluidiserade bädden för att stödja. De polykristallina kisel pärlorna sjunka till botten av kammaren, där de kan samlas in.
Bortsett från effektbesparingar – upp till 90% mindre när man använder monosilan som råmaterial – FBR metodens största fördelen är att det är en kontinuerlig process, eftersom de färdiga pärlorna kan bara pumpas ut ur kammaren. Siemens process är mer av en satsvis process, eftersom reaktorkammaren måste öppnas för att avlägsna polykisel stängerna när de är färdiga. Som sagt, FBR polysilikon har verkligen inte tagit fart, delvis på grund hantera fluiddynamik inuti reaktionskammaren kan vara svårt. men den främsta anledningen är att Siemens processen är bara så lätt, och så länge fabriker kan placeras i närheten av en källa till billig el, det är bara lättare att använda brute-force-metoden.
Polysilikon produktion genom Siemens processen och virvelbäddsreaktor. Källa: Bernreuter Research
Endast en Crystal, Please
Med användning av någon av dessa metoder, kan polykristallint kisel bringas till extremt hög renhet, upp till 11N. men renheten är inte det enda måttet för kisel; ibland, är lika viktigt som renhet naturen av den kristallina strukturen på slutprodukten. Nästa steg i kiselproduktionen är skapandet av monokristallint kisel, där hela kisel götet är en enda kristall.
Växande en enda kristall av ultrarent kisel till en storlek som är industriellt användbar är ingen dålig bedrift, och förlitar sig på några tricks upptäcktes 1916 av polska kemisten Jan Czochralski. Vi har täckt Czochralski metoden på djupet innan, men kortfattat, polykristallint kisel smälts i en kvartsdegel i en inert atmosfär. En avdragare stång som bär en enda ultra ren kisel kristall som är mycket precist orienterad sänks ned i det smälta kislet. Groddkristallen bringar kisel för att kondensera och fortsatte den kristallstruktur som dragstången långsamt tillbaka från ugnen under rotation. Enda kristall göt upp till 450 mm i diameter är möjliga med Czochralski-metoden.
Annan metod för att producera monokristallint kisel är flottören zonmetoden, som använder ett polykristallint kiselstav som utgångsmaterial. inuti en reaktionskammare med en inert gasatmosfär, är en radiofrekvenssignal passera genom en spole som omger stången. RF-signalen värmer polykisel, vilket skapar en begränsad smältzon. enkristaller av ultraren kisel tillsätts till smältzonen, vilket förorsakar det smälta kislet att kristallisera runt den. RF-spolen långsamt flyttas upp stången, att förflytta zonen för uppvärmning tills hela staven är en enkristall av kisel. Float-zon monokristallint kisel har fördelen att aldrig är i kontakt med kvartsväggarna i Czochralski metoden degeln, och så kommer att ha mindre kontaminering från syre och andra föroreningar.