Việc sản xuất silicon có độ tinh khiết cao (ví dụ, cấp năng lượng mặt trời hoặc cấp điện tử) đòi hỏi phải tinh chế silicon cấp độ luyện kim (MG-SI, ~ 98 Nott99%) thông qua các quá trình tinh chế tiên tiến. Các phương pháp chính bao gồm:
1. Thanh lọc thủy thủy (lọc axit)
Quá trình:
Mg-Si bị nghiền nát được xử lý bằng hỗn hợp axit (ví dụ: HCl, HF hoặc H₂so₄) để hòa tan các tạp chất (Fe, Al, Ca, v.v.).
Lò phản ứng chống axit được sử dụng để tránh ô nhiễm.
Phản ứng:
Fe +2 HCl → FECL 2+ H2 ↑ Fe +2 HCl → FECL2+H2
Kết quả:Loại bỏ ~ 90% tạp chất kim loại, tăng độ tinh khiết lên ~ 99,9%.
2. Sự hóa rắn định hướng
Nguyên tắc:Các tạp chất tập trung trong pha nóng chảy trong quá trình làm mát có kiểm soát.
Quá trình:
Silicon nóng chảy được làm mát từ từ từ một đầu, buộc các tạp chất phải di chuyển lên đỉnh hoặc các cạnh.
Phần trung tâm tinh khiết được cắt và tái sử dụng.
Hiệu quả:Giảm các tạp chất Boron (B) và phốt pho (P) xuống mức độ phần trên mỗi triệu (ppm).
3. Chất lọc chân không
Quá trình:
Silicon nóng chảy được làm nóng trong chân không để làm bay hơi tạp chất biến động (ví dụ: AL, CA, MG).
Các oxit dễ bay hơi (ví dụ, SiO) cũng có thể hình thành và thoát ra.
Ứng dụng:Hiệu quả để loại bỏ kim loại ánh sáng và khí.
4. Tinh chế khu vực (Phương pháp vùng nổi)
Nguyên tắc:Một vùng nóng chảy cục bộ di chuyển qua một thanh silicon, mang theo tạp chất với nó.
Quá trình:
Một thanh silicon đa tinh thể cao được làm nóng bằng các cuộn dây tần số vô tuyến (RF).
Các đường chuyền lặp đi lặp lại tạo ra silicon đơn tinh thể siêu tinh thể.
Độ tinh khiết: Achieves >99,9999% (độ tinh khiết 6n đến 11n cho chất bán dẫn).
5. Quy trình của Siemens (lắng đọng hơi hóa học, CVD)
Mục đích:Sản xuất polysilicon cho pin mặt trời và điện tử.
Các bước:
Clo hóa:MG-SI phản ứng với HCl để tạo thành trichlorosilane (SIHCL₃):
Si +3 HCl → SIHCl 3+ H2Si +3 HCl → SIHCl3+H2
Chưng cất:SIHCL₃ được tinh chế thông qua chưng cất phân số.
Phân rã:SIHCL₃ độ tinh khiết cao bị phân hủy trên các thanh silicon nóng (~ 1.100 độ):
2SIHCL3 → 2SI +2 HCl+CL22SIHCL3 → 2SI +2 HCl+CL2
Đầu ra:Polysilicon siêu pure (99,9999999%, 9N).
6. Điện tử
Quá trình:
Silicon không tinh khiết được sử dụng làm cực dương trong chất điện phân muối nóng chảy (ví dụ: CaCl₂).
Tiền gửi silicon tinh khiết trên cực âm thông qua điện phân.
Lợi thế:Hiệu quả để loại bỏ boron và phốt pho.
7. Xử lý xỉ
Quá trình:Silicon nóng chảy được trộn với một xỉ (ví dụ: Cao-SiO₂) để hấp thụ tạp chất.
Cơ chế:Các tạp chất (ví dụ, B, P) phân vùng vào pha xỉ do ái lực hóa học.
Những thách thức chính trong thanh lọc silicon:
Loại bỏ boron và phốt pho:Các yếu tố này là hoạt động điện và làm giảm hiệu suất bán dẫn.
Cường độ năng lượng:Các quy trình như phương pháp Siemens đòi hỏi năng lượng đáng kể và cơ sở hạ tầng tốn kém.
Chi phí so với sự đánh đổi độ tinh khiết:Độ tinh khiết cao hơn (ví dụ, cấp điện tử) đòi hỏi nhiều tài nguyên theo cấp số nhân.
Các ứng dụng dựa trên mức độ tinh khiết:
| Cấp | Sự thuần khiết | Ứng dụng |
|---|---|---|
| Phim luyện kim (MG-SI) | 98–99% | Hợp kim nhôm, silicon, hóa chất |
| Lớp năng lượng mặt trời (SOG-SI) | 99.9999% (6N) | Tế bào mặt trời quang điện |
| Lớp điện tử (ví dụ-SI) | 99.9999999% (9N) | Chất bán dẫn, vi mạch |
Cân nhắc về môi trường:
Lò rỉ axit tạo ra chất thải nguy hại (ví dụ, HF), đòi hỏi trung hòa và xử lý an toàn.
Quá trình Siemens tạo ra các sản phẩm phụ clo, đòi hỏi các hệ thống tái chế vòng kín.
Đổi mới:
Lò phản ứng giường lỏng (FBR):Một giải pháp thay thế chi phí thấp hơn cho quy trình Siemens cho silicon cấp năng lượng mặt trời.
Nâng cấp silicon luyện kim (UMG-SI):Kết hợp việc lọc, xẹp và hóa rắn hướng cho các ứng dụng năng lượng mặt trời với chi phí giảm.
