Were tidak untuk selubung tipis kehidupan air dan karbon berbasis menutupinya, planet rumah kita akan mungkin paling dikenal sebagai “Silicon Dunia .” lebih dari seperempat dari massa kerak bumi adalah silikon, dan bersama-sama dengan oksigen, mineral silikat membentuk sekitar 90% dari cangkang tipis batu yang mengapung di mantel bumi. Silicon adalah landasan dari dunia kita, dan itu benar-benar yang biasa seperti kotoran.
Tapi hanya karena kita memiliki banyak bukan berarti kita memiliki banyak hal dalam bentuk murni. dan itu hanya dalam bentuk paling murni bahwa silikon menjadi hal-hal yang membawa dunia kita ke Zaman informasi. silikon Elemental sangat langka, meskipun, dan sehingga mendapatkan jumlah yang cukup dari metalloid yang cukup murni untuk menjadi berguna memerlukan beberapa energi yang cukup dan operasi pertambangan dan penyulingan sumber daya intensif. Operasi ini menggunakan beberapa kimia yang menarik cantik dan beberapa trik rapi, dan ketika ditingkatkan ke tingkat industri, mereka menimbulkan tantangan unik yang memerlukan beberapa teknik pintar yang cukup untuk menangani.
Keras seperti Batu
Bahan baku untuk produksi silikon yang paling adalah kuarsit mineral. Kuarsit berasal dari deposito kuno pasir kuarsa yang terbentuk endapan sedimen. Seiring waktu dan dengan panas dan tekanan, batupasir kuarsa tersebut berubah menjadi kuarsit batuan metamorf, yang setidaknya 80% kuarsa volume.
Kuarsit. Sumber: Geology.com
Kuarsit adalah batu sangat sulit, dan di mana ia menusuk di atas permukaan, membentuk pegunungan yang sangat menolak pelapukan. formasi yang signifikan dari kuarsit yang tersebar di seluruh dunia, tetapi ada relatif sedikit tempat di mana masuk akal keuangan untuk tambang batu untuk produksi silikon, karena formasi harus mudah diakses dan relatif dekat dengan bahan baku lainnya dan pasokan energi yang dibutuhkan .
kuarsit baku sebagian besar silikon dioksida (SiO2), dan proses penyulingan dimulai dengan reaksi reduksi untuk menyingkirkan oksigen. kuarsit hancur dicampur dengan karbon dalam bentuk kokas (batubara yang telah dipanaskan dalam ketiadaan oksigen). Woodchips ditambahkan ke biaya juga; mereka melayani baik sebagai sumber karbon dan agen bulking fisik yang memungkinkan gas dan panas untuk mengedarkan lebih baik dalam tungku.
Tungku busur untuk peleburan silikon instalasi besar dengan elektroda karbon yang cukup besar. Elektroda dikonsumsi selama peleburan, sehingga elektroda baru disekrup ke puncak elektroda saat ini untuk memastikan proses ini tidak terganggu. Busur tungku membutuhkan sejumlah besar listrik untuk menjaga suhu 2.000 ° C yang dibutuhkan, sehingga kilang silikon biasanya terletak di mana listrik murah dan berlimpah.
Reaksi reduksi di dalam zona lelehan yang sebenarnya cukup rumit, tetapi dapat disimpulkan dengan dua reaksi utama:
Dalam kedua reaksi, oksigen dalam silikon dioksida menggabungkan dengan karbon untuk membentuk produk limbah utama, karbon monoksida. Sebuah reaksi samping yang terjadi pada bagian dari zona lelehan dalam tungku menghasilkan silikon karbida (SiC), yang merupakan produk sampingan yang tidak diinginkan (setidaknya ketika tujuannya adalah untuk memurnikan silikon; silikon karbida sendiri merupakan industri yang berguna abrasif). Dengan memastikan bahwa silikon dioksida jauh lebih dalam tungku, reaksi kedua dimana SiC bertindak sebagai sumber karbon untuk pengurangan silikon dioksida disukai, dan silikon sampai dengan kemurnian 99% dapat disadap bagian bawah perapian.
Silikon yang dihasilkan oleh proses ini disebut sebagai silikon metalurgi. Untuk hampir semua penggunaan industri, silikon ini sangat dimurnikan cukup baik. sekitar 70% dari silikon metalurgi pergi ke pembuatan paduan logam seperti ferosilikon serta aluminium-silikon, sebuah paduan yang kontrak minimal pada pendinginan dan karena itu digunakan untuk blok mesin aluminium cor dan barang serupa.
Nines lebih
Monosilane adalah setara silikon metana. Dalam trichlorosilane, ketiga hidrogen yang diganti untuk klor. Sumber: WebElements
Berguna sebagai silikon metalurgi adalah, bahkan pada 99% murni itu bahkan tidak dekat dengan kemurnian diperlukan untuk semikonduktor dan aplikasi fotovoltaik. Langkah selanjutnya dalam pemurnian mengambil silikon untuk tingkat kemurnian yang dibutuhkan untuk pembuatan semikonduktor. Pemurnian dimulai dengan mencampur silikon metalurgi bubuk dengan air panas asam, gas klorida. Reaksi ini menghasilkan silan, yang merupakan senyawa dengan atom silikon pusat yang dikelilingi oleh empat lampiran, dalam hal ini tiga atom klorin dan satu hidrogen. trichlorosilane ini adalah gas pada suhu di dalam ruang reaksi, yang membuatnya lebih mudah untuk menangani dan memurnikan dengan distilasi fraksional.
Ketika gas trichlorosilane telah cukup dimurnikan, produksi silikon polikristalin dapat dimulai. Proses Siemens adalah metode utama di sini, dan merupakan bentuk deposisi uap kimia. Sebuah ruang reaksi berbentuk lonceng besar berisi beberapa th tipisMembaca silikon yang sangat murni, yang dipanaskan hingga 1.150 ° C dengan melewati arus listrik melalui mereka. Campuran triklorosilane gas dan hidrogen mengalir ke dalam ruangan; Gas terurai pada elektroda panas yang meninggalkan silikon, yang bertambah ke batang yang berdiameter sekitar 15 cm. Polycrystalline Silicon yang dibuat oleh proses Siemens dapat memiliki kemurnian 99,99999% (“tujuh semburan”, atau 7n) atau lebih. 7N hingga 10N Polysilicon sebagian besar digunakan untuk sel fotovoltaik, meskipun beberapa polisilikon dalam kisaran kemurnian ini juga membuatnya menjadi mosfet dan semikonduktor CMOS.
Batang polisilikon dari ruang proses Siemens. Sumber: Produk Silicon Group GmbH
Sementara proses Siemens adalah pekerja keras Polysilicon, ia memiliki kerugian. Masalah utama adalah bahwa itu adalah babi energi – menjaga batang polikristalin yang tumbuh cukup panas untuk menguraikan bahan baku membutuhkan banyak listrik. Untuk mengatasi masalah ini, proses reaktor tempat tidur terfluidisasi (FBR) kadang-kadang digunakan. Reaktor FBR berbentuk seperti menara tinggi, dinding yang dilapisi dengan tabung kuarsa. Gas Silan, baik triklorosilane atau monosilane yang akrab, yang hanya atom silikon yang dikelilingi oleh empat hidrogen, disuntikkan ke dalam ruangan. Silicon bubuk dijatuhkan ke dalam ruang reaksi dari atas, sementara gas hidrogen dipanaskan disuntikkan ke bagian bawah ruang melalui serangkaian nozel. Aliran gas menyimpan bubuk silikon panas yang terfluidisasi, memungkinkannya untuk dicampur dengan gas Silan dan membusuknya. Seperti dalam proses Siemens, silikon bertambah ke partikel-partikel benih, yang pada akhirnya terlalu besar untuk tempat tidur terfluidisasi untuk mendukung. Manik-manik silikon polikristalin turun ke bagian bawah ruangan, di mana mereka dapat dikumpulkan.
Selain penghematan daya – hingga 90% lebih sedikit ketika menggunakan monosilane sebagai bahan baku – keunggulan utama metode FBR adalah bahwa ini adalah proses yang berkelanjutan, karena manik-manik jadi hanya dapat dipompa dari ruang. Proses Siemens lebih dari proses batch, karena ruang reaktor harus dibuka untuk menghilangkan batang polisilikon ketika mereka selesai. Yang mengatakan, FBR Polysilicon belum benar-benar lepas landas, sebagian karena mengelola dinamika fluida di dalam ruang reaksi bisa sulit. Tetapi alasan utamanya adalah bahwa proses Siemens sangat mudah, dan selama pabrik dapat terletak di dekat sumber listrik berbiaya rendah, itu lebih mudah untuk menggunakan metode brute-force.
Produksi Polysilicon oleh Proses Siemens dan Reaktor Bed Fluidized. Sumber: Riset Bernreuter
Hanya satu kristal, tolong
Menggunakan salah satu dari metode ini, silikon polikristalin dapat dibawa ke kemurnian yang sangat tinggi, hingga 11n. Tetapi kemurnian bukan satu-satunya metrik untuk silikon; Kadang-kadang, sifat struktur kristal pada produk akhir sama pentingnya dengan kemurnian. Langkah selanjutnya dalam produksi silikon adalah penciptaan Monocrystalline Silicon, di mana seluruh Silicon Ingot adalah satu kristal.
Menumbuhkan satu kristal silikon ultra-murni ke ukuran yang bermanfaat secara industri tidak berarti prestasi, dan bergantung pada beberapa trik yang ditemukan pada tahun 1916 oleh ahli kimia Polandia Jan Czochralski. Kami telah membahas metode Czochralski secara mendalam sebelumnya, tetapi secara singkat, silikon polikristalin dilebur dalam wadah kuarsa dalam suasana lembam. Sebuah penarik batang bantalan satu kristal silikon ultra-murni yang sangat tepat yang berorientasi diturunkan ke dalam silikon cair. Benih kristal menyebabkan silikon mengembun, melanjutkan struktur kristal karena batang penarik perlahan-lahan ditarik dari tungku sambil berputar. Bukan kristal tunggal hingga diameter 450 mm dimungkinkan dengan metode Czochralski.
Metode lain untuk menghasilkan Monocrystalline Silicon adalah metode float zona, yang menggunakan batang silikon polikristalin sebagai bahan awal. Di dalam ruang reaksi dengan atmosfer gas inert, sinyal frekuensi radio melewati koil yang mengelilingi batang. Sinyal RF memanaskan polisilikon, menciptakan zona melt terbatas. Kristal tunggal silikon ultra-murni ditambahkan ke zona meleleh, yang menyebabkan silikon cair mengkristal di sekitarnya. Koil RF perlahan-lahan memindahkan batang, memindahkan zona pemanasan sampai seluruh batang adalah kristal silikon tunggal. NOW-Zone Monocrystalline Silicon memiliki keuntungan tidak pernah bersentuhan dengan dinding kuarsa metode Czochralski, dan sehingga akan memiliki lebih sedikit kontaminasi dari oksigen dan kotoran lainnya.