Производството на силиций с висока чистота (напр. Соларен или електронен клас) изисква усъвършенстване на металургичния силиций (Mg-Si, ~ 98–99% чистота) чрез усъвършенствани процеси на пречистване. Ключовите методи включват:
1. Хидрометалургично пречистване (кисело извличане)
Процес:
Натрошеният Mg-Si се третира със смес от киселини (напр. HCl, HF или H₂SO₄) за разтваряне на примеси (Fe, Al, Ca и т.н.).
Киселинни резистентни реактори се използват, за да се избегне замърсяване.
Реакции:
Fe +2 HCl → Fecl 2+ H2 ↑ Fe +2 HCl → Fecl2+H2 ↑
Резултат:Премахва ~ 90% от металните примеси, повишавайки чистотата до ~ 99,9%.
2. Посочено втвърдяване
Принцип:Примесите се концентрират в разтопената фаза по време на контролираното охлаждане.
Процес:
Разтопеният силиций се охлажда бавно от единия край, принуждавайки примесите да мигрират към върха или ръбовете.
Пречистената централна секция се нарязва и използва повторно.
Ефективност:Намалява примесите на бор (B) и фосфор (P) до нива на части на милион (ppm).
3. Вакуумно рафиниране
Процес:
Разтопеният силиций се нагрява под вакуум за изпаряване на летливите примеси (напр. Al, Ca, Mg).
Летливите оксиди (напр. SIO) също могат да се образуват и да избягат.
Приложения:Ефективен за отстраняване на леки метали и газове.
4. Рафиниране на зоната (метод на плаваща зона)
Принцип:Локализирана разтопена зона се движи през силициев прът, носейки примеси със себе си.
Процес:
Поликристален силиконов прът с висока чистота се нагрява с помощта на радиочестотни (RF) намотки.
Повтарящите се проходи създават ултра-пира монокристален силиций.
Чистота: Achieves >99,9999% (6n до 11n чистота за полупроводници).
5. Процес на Siemens (отлагане на химически пари, CVD)
Цел:Произвежда полисиликон за слънчеви клетки и електроника.
Стъпки:
Хлориране:Mg-Si реагира с HCl, за да образува трихлоросилан (Sihcl₃):
Si +3 HCl → Sihcl 3+ H2SI +3 HCl → Sihcl3+H2
Дестилация:SIHCL₃ се пречиства чрез фракционна дестилация.
Разлагане:SIHCl₃ с висока чист се разлага на отопляеми силиконови пръти (~ 1100 градуса):
2SIHCL3 → 2SI +2 HCl+CL22SIHCL3 → 2SI +2 HCl+Cl2
Резултат:Ultra-Pure Polysilicon (99.9999999%, 9N).
6. Електрорефиниране
Процес:
Нечистият силиций се използва като анод в разтопен солен електролит (напр. CaCl₂).
Чисти силиконови отлагания върху катода чрез електролиза.
Предимство:Ефективен за отстраняване на бор и фосфор.
7. Лечение с шлаки
Процес:Разтопеният силиций се смесва с шлака (напр. Cao-Sio₂), за да се абсорбира примесите.
Механизъм:Примеси (напр. B, P) Разделяне във фазата на шлаката поради химичен афинитет.
Основни предизвикателства при пречистване на силиций:
Отстраняване на бор и фосфор:Тези елементи са електрически активни и разграждат полупроводниковите характеристики.
Енергийна интензивност:Процеси като метода на Siemens изискват значителна енергия и скъпа инфраструктура.
Разходи срещу компромис с чистота:По-високата чистота (напр. Електронен клас) изисква експоненциално повече ресурси.
Приложения въз основа на нивата на чистота:
| Оценка | Чистота | Приложения |
|---|---|---|
| Металургичен (MG-SI) | 98–99% | Алуминиеви сплави, силикони, химикали |
| Слънчев клас (SOG-SI) | 99.9999% (6N) | Фотоволтаични слънчеви клетки |
| Електронен клас (EG-SI) | 99.9999999% (9N) | Полупроводници, микрочипове |
Екологични съображения:
Киселинното извличане произвежда опасни отпадъци (напр. HF), което изисква неутрализация и безопасно изхвърляне.
Процесът на Siemens генерира хлорни странични продукти, налагащи системи за рециклиране в затворен контур.
Иновации:
Флуидирани реактори на леглата (FBR):По-ниска цена алтернатива на процеса на Siemens за силиций от слънчев клас.
Надграден металургичен силиций (UMG-SI):Комбинира извличане, шлакиране и насочено втвърдяване за слънчеви приложения при намалени разходи.
