Metallilise räni puhastamine

Kõrge puhtusastmega räni (nt päikeseklassi või elektroonilise klassi) tootmine nõuab metallurgilise klassi räni (MG-SI, ~ 98–99% puhtus) täpsustamist täiustatud puhastusprotsesside kaudu. Põhimeetodid hõlmavad järgmist:

1. Hüdrometallurgiline puhastus (happe leostumine)

Protsess:

Purustatud MG-SI töödeldakse lisandite (Fe, Al, CA jne) lahustamiseks hapete (nt HCl, HF või H₂SO₄) seguga.

Saastumise vältimiseks kasutatakse happekindlaid reaktoreid.

Reaktsioonid:

Fe +2 hcl → fecl 2+ h2 ↑ fe +2 hcl → fecl2+h2 ↑

Tulemus:Eemaldab ~ 90% metallilistest lisanditest, suurendades puhtuse ~ 99,9% -ni.

2. Suund tahkestamine

Põhimõte:Lisandite kontsentraat sulafaasis kontrollitud jahutamise ajal.

Protsess:

Sulatatud räni jahutatakse ühest otsast aeglaselt, sundides lisandeid tippu või servadesse rändama.

Puhastatud keskosa lõigatakse ja kasutatakse uuesti.

Tõhusus:Vähendab boori (B) ja fosfori (P) lisandite osade (PPM) tasemele.

3. Vaakumrafineerimine

Protsess:

Sulatatud räni kuumutatakse vaakumi all lenduvate lisandite aurustamiseks (nt Al, CA, MG).

Samuti võivad moodustuda ja põgeneda lenduvad oksiidid (nt Sio).

Rakendused:Efektiivne kergete metallide ja gaaside eemaldamiseks.

4. Tsooni rafineerimine (ujukitsooni meetod)

Põhimõte:Lokaliseeritud sulatsoon liigub läbi ränivarda, kandes sellega lisandeid.

Protsess:

Kõrge puhtusastmega polükristalliline ränivarras kuumutatakse raadiosageduse (RF) mähiste abil.

Korduvad läbisõidud loovad ülikerge monokristallilise räni.

Puhtus: Achieves >99,9999% (6N kuni 11n puhtus pooljuhtide jaoks).

5. Siemensi protsess (keemiline aurude ladestumine, CVD)

Eesmärk:Toodab päikesepatareide ja elektroonika polüsilikooni.

Sammud:

Kloorimine:Mg-Si reageerib HCl-ga, moodustades triklorosilaani (Sihcl₃):

Si +3 hcl → sihcl 3+ h2si +3 hcl → sihcl3+h2

Destilleerimine:Sihcl₃ puhastatakse fraktsionaalse destilleerimise teel.

Lagunemine:Kõrgpuhustusega sihcl₃ lagundatakse soojendusega ränivarrastel (~ 1100 kraadi):

2Sihcl3 → 2Si +2 hcl+cl22sihcl3 → 2Si +2 hcl+cl2

Väljund:Ultra-Pure Polysilicon (99,9999999%, 9N).

6. Elektrifunktsioon

Protsess:

Ebapuhtat räni kasutatakse sula soola elektrolüüdi (nt Cacl₂) anoodina.

Puhtad räni ladestused katoodil elektrolüüsi kaudu.

Eelis:Efektiivne boori ja fosfori eemaldamiseks.

7. Räburavi

Protsess:Sulatatud räni segatakse lisandite imamiseks räbuga (nt Cao-Sio₂).

Mehhanism:Lisandid (nt b, p) jagunemine keemilise afiinsuse tõttu räbu faasi.

Räni puhastamise peamised väljakutsed:

Boor ja fosfori eemaldamine:Need elemendid on elektriliselt aktiivsed ja lagundavad pooljuhtide jõudlust.

Energia intensiivsus:Sellised protsessid nagu Siemensi meetod vajavad märkimisväärset energiat ja kulukat infrastruktuuri.

Maksumus vs puhtuse kompromiss:Kõrgem puhtus (nt elektrooniline klass) nõuab eksponentsiaalselt rohkem ressursse.

Puhtuse tasemel põhinevad rakendused:

Keskkonnaalased kaalutlused:

Happe leostumine tekitab ohtlikke jäätmeid (nt HF), mis nõuab neutraliseerimist ja ohutut kõrvaldamist.

Siemensi protsess genereerib kloori kõrvalsaadusi, mis nõuavad suletud ahela ringlussevõtu süsteeme.

Uuendused:

Vedeliku voodireaktorid (FBR):Päikesekvaliteediga räni protsessi madalama hinnaga alternatiiv.

Uuendatud metallurgiline räni (UMG-SI):Ühendab leostumise, räbu ja suunata tugevnemise päikeserakenduste jaoks vähendatud kuludega.