은 얇은 물과 탄소계 생명을 덮는 것이 아니었다, 우리의 가정 행성은 아마도 “실리콘 세계로 알려질 것입니다. . ” 지구의 지각의 질량의 4 분의 1 이상이 실리콘이며, 산소와 함께 실리케이트 미네랄은 지구의 맨틀에 떠있는 암석의 얇은 껍질의 약 90 %를 형성합니다. 실리콘은 우리의 세계의 암반이며, 문자 그대로 먼지만큼이나 공통적입니다.
그러나 우리가 많이 가지고 있기 때문에 우리는 순수한 형태로 많은 것을 가지고있는 것을 의미하지는 않습니다. 그리고 실리콘이 우리의 세상을 정보 시대로 가져온 것들이되는 것들이되는 가장 순수한 형태 일뿐입니다. 원소 실리콘은 매우 드뭅니다. 그래서 유용 할만 큼 충분히 순수한 메탈 이루즈는 꽤 에너지 및 자원 집약적 인 광업 및 정제 작업이 필요합니다. 이러한 작업은 꽤 흥미로운 화학과 몇 가지 깔끔한 트릭을 사용하며 산업 수준까지 확장되면 꽤 똑똑한 엔지니어링을 위해 꽤 영리한 엔지니어링이 필요한 고유 한 도전 과제를 제기합니다.
열심히 바위처럼
대부분의 실리콘 생산을위한 원료는 미네랄 석영입니다. Quartzite는 퇴적물 퇴적물을 형성 한 석영 모래의 고대 침전물에서 비롯됩니다. 시간이 지남에 따라 열과 압력을 가하면 이러한 석영 사암은 Matamorphic rock quartzite로 형질 전환되었으며, 이는 적어도 80 %의 석영을 부피로 변형 시켰습니다.
quartzite. 출처 : Geology.com.
Quartzite는 믿을 수 없을만큼 힘든 암석이며, 표면 위에 딱 맞는 곳이며, 그것은 풍화에 강하게 저항하는 능선을 형성합니다. 쿼 르 치타의 중요한 형성은 전 세계에 흩어져 있지만 실리콘 생산을 위해 암석을 채우는 재정적 인 의미가있는 장소가 거의 없으며, 형성이 쉽게 접근 할 수 있고 상대적으로 다른 원자재 및 에너지 공급이 필요할 필요가 있기 때문에 …에
원시 석영은 대부분 이산화 규소 (SiO2)이며, 정제 공정은 산소를 없애기위한 감소 반응으로 시작됩니다. 분쇄 된 석회화는 코크스의 형태로 탄소와 혼합됩니다 (산소가 없을 때 가열 된 석탄). 우드 칩이 요금에 첨가됩니다. 그들은 가스와 열이 용광로에서 더 잘 순환 할 수있게 해주는 탄소원과 물리적 인 벌크 제로 모두 제공됩니다.
실리콘 제련 용 아크로는 실질적인 탄소 전극을 갖는 엄청난 설치이다. 제련시 동안 전극이 소비되므로 새로운 전극이 현재 전극의 꼭대기에 나사로되어 프로세스가 중단되지 않도록하십시오. 아크로에는 2,000 ° C의 온도가 필요한 2,000 ° C의 온도를 유지하기 위해 엄청난 양의 전력을 필요로하므로 실리콘 정제 공장은 전기가 저렴하고 풍부한 곳에 위치합니다.
용융 구역 내의 감소 반응은 실제로 꽤 복잡하지만 두 가지 주요 반응으로 합산 될 수 있습니다.
두 반응 모두에서, 이산화 규소의 산소는 탄소와 결합되어 주성 폐기물, 일산화탄소를 형성한다. 노 내부의 용융 구역의 일부에서 발생하는 부작용은 불필요한 부산물 인 실리콘 카바이드 (SiC)를 생성합니다 (적어도 목표가 실리콘을 정화하는 경우 실리콘 카바이드 자체는 유용한 산업 연마제입니다). 실리콘 이산화 규소가 퍼니스에서 초과하여 멀리 있는지 확인함으로써 SiC가 실리콘 이산화 규소의 환원을위한 탄소원으로서 작용하는 두 번째 반응이 양호하고 99 %까지의 순도를 최대 99 %의 순도로 탭할 수 있습니다. 노.
이 과정에서 생성 된 실리콘을 야금 실리콘이라고합니다. 거의 모든 산업용 용도의 경우,이 고도로 정제 된 실리콘은 충분히 좋습니다. 금속 실리콘의 약 70 %는 페로 실리콘과 같은 금속 합금의 제조에 따라 알루미늄 실리콘, 냉각시 최소한의 계약을 맺고 알루미늄 엔진 블록과 유사한 품목을 주조하는 데 사용됩니다.
더 많은 nines.
모노 실란은 메탄과 같은 실리콘입니다. 트리클로로 실란에서는 3 개의 수소 중 3 개가 염소로 치환됩니다. 출처 : WebElements.
금속 실리콘으로 사용되는 것처럼 99 % 순수에서도 반도체 및 광전지 응용 분야에 필요한 순도에도 가깝도 않습니다. 정화의 다음 단계는 실리콘을 반도체 제조에 필요로하는 순도 수준으로 취합니다. 정제는 분말 금속 실리콘을 고온의 가스 염산으로 혼합하여 시작합니다. 이 반응은이 경우 3 개의 염소 원자 및 하나의 수소로 둘러싸인 중심 실리콘 원자를 갖는 화합물 인 실란을 생성합니다. 이 트리클로로 실란은 반응 챔버 내부의 온도의 가스이므로 분수 증류로 취급하고 정제하는 것이 더 쉽게 만들어집니다.
트리클로로 실란 가스가 충분히 정제되었을 때, 다결정 실리콘 생산이 시작될 수있다. Siemens 공정은 여기서 주요 방법이며 화학 기상 증착의 한 형태입니다. 큰 벨 모양의 반응 챔버는 여러 개의 얇은 th를 함유하고 있습니다.전류를 통과시켜 1,150 ° C로 가열 된 고성탄 실리콘을 읽습니다. 가스 트리클로로 실란과 수소의 혼합물은 챔버 내로 흐른다. 가스는 직경이 약 15cm 인 막대에 닿아있는 실리콘 뒤에 떠나는 고온 전극을 분해합니다. Siemens 공정으로 제조 된 다결정 실리콘은 99.99999 % ( “7 nines”또는 7n) 이상의 순도를 가질 수 있습니다. 이 순도 범위의 일부 폴리 실리콘은 MOSFET 및 CMOS 반도체로 만들지 만, 10N 폴리 실리콘은 주로 광전지에 사용됩니다.
Siemens 공정 챔버에서 폴리 실리콘 막대. 출처 : 실리콘 제품 그룹 GmbH.
Siemens 프로세스가 폴리 실리콘주는이지만 단점이 있습니다. 주요 문제는 에너지 돼지 (Energy Hog)라는 것입니다. 공급 원료가 많은 전기가 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 유동층 반응기 (FBR) 공정이 때로 사용됩니다. FBR 반응기는 키가 큰 탑과 같은 형상이며, 그 벽은 석영 튜브가 늘어서 있습니다. 4 개의 수소로 둘러싸인 실리콘 원자 인 익숙한 트리클로로 실란 또는 모노 실란이 챔버에 주입되는 실란 가스. 가열 된 실리콘은 상단으로부터 반응 챔버에 떨어지고, 가열 된 수소 가스는 일련의 노즐을 통해 챔버의 바닥에 주입된다. 가스 흐름은 고온 실리콘 분말을 유동화하여 실란 가스와 혼합하여 분해 할 수있게합니다. Siemens 과정 에서처럼 실리콘은 씨앗 입자에 accte를 꽂아 있으며, 이는 유동층이지지하는 유동층이 너무 큽니다. 다결정 실리콘 비드는 챔버의 바닥으로 떨어지며 수집 할 수 있습니다.
전원 절약을 제외하고, FEDSTOCK로서 모노 실란을 사용할 때 최대 90 % 적은 FBR 방법의 주요 장점은 완성 된 비드가 챔버에서 펌핑 될 수 있기 때문에 지속적인 공정이라는 것입니다. Siemens 프로세스는 원자로 챔버가 완성 될 때 폴리 실리콘 막대를 제거하기 위해 열리려면 배치 공정이 더 많습니다. 즉, 반응 챔버 내부의 유체 역학을 관리하기 때문에 FBR 폴리 실리콘이 실제로 취해지지 않았습니다. 그러나 주요 이유는 Siemens 프로세스가 너무 쉽고 공장이 저비용 전기 원천 근처에 위치 할 수있는 한, 무차별 방법을 사용하는 것이 더 쉽습니다.
Siemens 공정 및 유동층 반응기에 의한 폴리 실리콘 생산. 출처 : Bernreuter Research.
하나의 크리스탈 만, 제발
이러한 방법 중 하나를 사용하여 다결정 실리콘을 매우 높은 순도로 가져올 수 있으며 최대 11N. 그러나 순결은 실리콘에 대한 유일한 메트릭이 아닙니다. 때로는 최종 제품의 결정 구조의 성격이 순도만큼 중요합니다. 실리콘 생산의 다음 단계는 전체 실리콘 잉곳이 단결정이되는 단결정 실리콘의 생성입니다.
초 순수한 실리콘의 단결정을 산업적으로 유용한 크기로 성장시키는 것은 평균 장화가 아닙니다. 폴란드 화학자 Jan Czochralski가 1916 년에 발견 된 일부 트릭에 의존합니다. 우리는 Czochralski 방법을 깊이로 덮었지만, 간단히 말하지만, 다결정 실리콘은 불활성 분위기에서 석영 도가니에서 용융됩니다. 매우 정밀하게 배향 된 단일 초순의 실리콘 결정을 갖는 풀러로드가 용융 된 실리콘으로 내리된다. 시드 결정은 풀러로드가 회전하면서 풀러로드가 천천히 인출되면서 실리콘을 응축시켜 결정 구조를 계속합니다. Czochralski 방법으로 최대 450mm의 단결정 덩어리가 가능합니다.
단결정 실리콘을 생성하는 또 다른 방법은 출발 물질로서 다결정 실리콘로드를 사용하는 플로트 존 방식이다. 불활성 가스 분위기를 갖는 반응 챔버 내부에서, 무선 주파수 신호가 막대를 둘러싸는 코일을 통해 통과된다. RF 신호는 폴리 실리콘을 가열하여 제한된 용융 구역을 생성합니다. 울트라 순수 실리콘의 단결정을 용융 구역에 첨가하여 용융 된 실리콘이 그 주위를 결정화시킨다. RF 코일은 전체로드가 실리콘의 단결정이 될 때까지 가열 구역을 천천히 움직였다. 플로트 존 단결정 실리콘은 Czochralski 방법 도가니의 석영 벽과 접촉하지 못한다는 이점이 있으므로 산소와 다른 불순물로부터 오염이 적게 될 것입니다.