La produzione di silicio ad alta purezza (ad es., Solare o di livello elettronico) richiede la raffinazione del silicio di livello metallurgico (Mg-Si, ~ 98-99% di purezza) attraverso processi di purificazione avanzati. I metodi chiave includono:
1. Purificazione idrometallurgica (lisciviazione acida)
Processo:
MG-Si schiacciato viene trattato con una miscela di acidi (ad es. HCl, HF o H₂SO₄) per dissolvere le impurità (Fe, AL, CA, ecc.).
I reattori resistenti agli acidi vengono utilizzati per evitare la contaminazione.
Reazioni:
Fe +2 HCl → Fecl 2+ H2 ↑ Fe +2 HCl → Fecl2+H2 ↑
Risultato:Rimuove ~ 90% delle impurità metalliche, aumentando la purezza a ~ 99,9%.
2. Solidificazione direzionale
Principio:Le impurità si concentrano nella fase fusa durante il raffreddamento controllato.
Processo:
Il silicio fuso viene lentamente raffreddato da un'estremità, costringendo le impurità a migrare verso la parte superiore o i bordi.
La sezione centrale purificata viene tagliata e riutilizzata.
Efficienza:Riduce le impurità del boro (B) e del fosforo (P) ai livelli di parti per milione (ppm).
3. Raffinazione del vuoto
Processo:
Il silicio fuso viene riscaldato sotto vuoto per evaporare le impurità volatili (ad es. AL, CA, MG).
Anche gli ossidi volatili (ad es. SIO) possono formarsi e fuggire.
Applicazioni:Efficace per rimuovere i metalli e i gas della luce.
4. Raffinamento della zona (metodo della zona float)
Principio:Una zona fusa localizzata si muove attraverso un'asta di silicio, trasportando impurità con essa.
Processo:
Un'asta di silicio policristallino di alta purezza viene riscaldata mediante bobine di radiofrequenza (RF).
I passaggi ripetuti creano silicio monocristallino ultra-pure.
Purezza: Achieves >99,9999% (purezza da 6n a 11n per semiconduttori).
5. Processo Siemens (deposizione di vapore chimico, CVD)
Scopo:Produce polisilicio per celle solari ed elettronica.
Passaggi:
Clorazione:MG-Si reagisce con HCl per formare triclorosilano (sihcl₃):
Si +3 HCl → Sihcl 3+ H2SI +3 HCl → Sihcl3+H2
Distillazione:Sihcl₃ viene purificato tramite distillazione frazionaria.
Decomposizione:Sihcl₃ di alta purezza è decomposto su aste di silicio riscaldate (~ 1.100 gradi):
2SIHCL3 → 2SI +2 HCl+Cl22SIHCL3 → 2SI +2 HCl+Cl2
Produzione:Polisilicio ultra-pure (99.9999999%, 9n).
6. Electroplefining
Processo:
Il silicio impuro viene usato come anodo in un elettrolita di sale fuso (ad es. Cacl₂).
Depositi di silicio puri sul catodo tramite elettrolisi.
Vantaggio:Efficace per rimuovere il boro e il fosforo.
7. Trattamento delle scorie
Processo:Il silicio fuso viene miscelato con una scorie (ad es. Cao-sio₂) per assorbire le impurità.
Meccanismo:Impurità (EG, B, P) Partizione nella fase della SLAG a causa dell'affinità chimica.
Sfide chiave nella purificazione del silicio:
Rimozione di boro e fosforo:Questi elementi sono elettricamente attivi e degradano le prestazioni dei semiconduttori.
Intensità di energia:Processi come il metodo Siemens richiedono energia significativa e infrastruttura costose.
Costo vs. compromesso di purezza:Una maggiore purezza (ad es. Electronic-Grade) richiede esponenzialmente più risorse.
Applicazioni basate sui livelli di purezza:
| Grado | Purezza | Applicazioni |
|---|---|---|
| Metallurgical (MG-SI) | 98–99% | Leghe di alluminio, siliconi, sostanze chimiche |
| Grado solare (SOG-SI) | 99.9999% (6N) | Celle solari fotovoltaiche |
| Grado elettronico (EG-SI) | 99.9999999% (9N) | Semiconduttori, microchip |
Considerazioni ambientali:
La lisciviazione acida produce rifiuti pericolosi (ad es. HF), che richiedono neutralizzazione e smaltimento sicuro.
Il processo Siemens genera sottoprodotti di cloro, che richiede sistemi di riciclaggio ad anello chiuso.
Innovazioni:
Reattori a letto fluidizzato (FBR):Un'alternativa a basso costo al processo Siemens per il silicio di livello solare.
Silicone metallurgico aggiornato (UMG-SI):Combina la lisciviazione, lo scottamento e la solidificazione direzionale per applicazioni solari a costi ridotti.
