no fue para la fina cubierta de agua y la vida basada en carbono que lo cubrió, nuestro planeta de origen quizás sea mejor conocido como el “mundo de silicona ” Más de un cuarto de la masa de la masa de la corteza de la Tierra es silicio, y junto con el oxígeno, los minerales de silicato forman aproximadamente el 90% de la cáscara delgada de la roca que flota en el manto de la Tierra. Silicon es la base de nuestro mundo, y es literalmente tan común como la suciedad.
Pero solo porque tenemos mucho de eso no significa que tengamos mucho de ella en su forma pura. Y es solo en su forma más pura que el silicio se convierte en lo que llevó a nuestro mundo a la era de la información. Sin embargo, el silicio elemental es muy raro, y por lo tanto, por lo que obtener cantidades apreciables del metaloide que es lo suficientemente puro como para ser útil, requiere que algunas operaciones de minería y refinación. Estas operaciones utilizan algo de química bastante interesante y algunos trucos limpios, y cuando se escalan hasta los niveles industriales, plantean desafíos únicos que requieren una ingeniería bastante inteligente para tratar.
Duro como la roca
La materia prima para la mayoría de la producción de silicona es la cuarcita mineral. La cuarcita proviene de los antiguos depósitos de arenas de cuarzo que formaron depósitos sedimentarios. Con el tiempo y con el calor y la presión, estas areniscas de cuarzo se transformaron en la cuarcita de roca metamórfica, que es al menos el 80% de cuarzo por volumen.
Cuarcita. Fuente: geology.com
La cuarcita es una roca increíblemente dura, y donde se asoma sobre la superficie, forma crestas que se resisten fuertemente la intemperie. Las formaciones significativas de cuarcita se dispersan en todo el mundo, pero hay relativamente pocos lugares donde hace que el sentido financiero canta la roca para la producción de silicio, ya que las formaciones deben ser fácilmente accesibles y relativamente cerca de las otras materias primas y suministro de energía necesarias. .
La cuarcita cruda es principalmente dióxido de silicio (SIO2), y el proceso de refinación comienza con una reacción de reducción para deshacerse del oxígeno. La cuarcita triturada se mezcla con carbono en forma de coque (carbón que se ha calentado en ausencia de oxígeno). Woodchips también se agregan a la carga; Sirven como una fuente de carbono y un agente de abultamiento físico que permite que los gases y el calor circulen mejor en el horno.
Los hornos de arco para la fundición de Silicon son instalaciones enormes con electrodos de carbono sustanciales. Los electrodos se consumen durante la fundición, por lo que los electrodos nuevos se atornillan en las partes superiores de los electrodos de corriente para asegurarse de que el proceso no se interrumpe. El horno de arco requiere enormes cantidades de electricidad para mantener la temperatura de 2,000 ° C necesaria, por lo que las refinerías de silicio se ubican típicamente donde la electricidad es de bajo costo y abundante.
Las reacciones de reducción dentro de la zona de fusión son en realidad bastante complicadas, pero se pueden resumir con dos reacciones principales:
En ambas reacciones, el oxígeno en el dióxido de silicona se combina con carbono para formar el producto básico de desecho, monóxido de carbono. Una reacción lateral que se produce en una parte de la zona de fusión dentro del horno produce carburo de silicio (SIC), que es un subproducto no deseado (al menos cuando el objetivo es purificar el silicio; el carburo de silicio es un abrasivo industrial útil). Al asegurarse de que el dióxido de silicona esté muy en exceso en el horno, la segunda reacción en la que se favorece el SIC como una fuente de carbono para la reducción del dióxido de silicio, y se puede aprovechar el silicio con hasta el 99% de la pureza en la parte inferior de la horno.
El silicio producido por este proceso se conoce como silicio metalúrgico. Para casi todos los usos industriales, este silicio altamente purificado es lo suficientemente bueno. Alrededor del 70% del silicio metalúrgico se dirige a la fabricación de aleaciones metálicas, como la ferrosilicio, así como la aluminio-silicio, una aleación que se contrae mínimamente al enfriarse y, por lo tanto, se usa para fundir bloques de motor de aluminio y artículos similares.
Más nueves
Monosilane es el equivalente de silicio del metano. En triclorosilano, tres de los hidrogenadores están sustituidos por clorenos. Fuente: Webelements
Tan útil como el silicio metalúrgico, incluso a un 99% puro, ni siquiera está cerca de la pureza necesaria para aplicaciones semiconductoras y fotovoltaicas. Los siguientes pasos en la purificación toman el silicio al nivel de pureza que se necesita para la fabricación de semiconductores. La purificación comienza mezclando silicio metalúrgico en polvo con ácido clorhídrico gaseoso. Esta reacción produce silanos, que son compuestos con un átomo de silicio central rodeado por cuatro accesorios, en este caso tres átomos de cloro y un hidrógeno. Este triclorosilano es un gas a la temperatura dentro de la cámara de reacción, lo que hace que sea más fácil manejar y purificar por destilación fraccionada.
Cuando el gas de triclorosilano ha sido suficientemente purificado, la producción de silicio policristalina puede comenzar. El proceso SIEMENS es el método principal aquí, y es una forma de deposición de vapor químico. Una gran cámara de reacción en forma de campana contiene varios th delgadoslee de silicio altamente purificado, que se calentó a 1150 ° C haciendo pasar una corriente eléctrica a través de ellos. Una mezcla de triclorosilano gaseoso e hidrógeno fluye a la cámara; el gas se descompone en el electrodo caliente dejando atrás el silicio, que acrece en barras que son de aproximadamente 15 cm de diámetro. El silicio policristalino preparado por el procedimiento Siemens puede tener una pureza de 99,99999% ( “nueves siete”, o 7 N) o más. 7N a polisilicio 10N se utiliza sobre todo para las células fotovoltaicas, aunque algunos de polisilicio en este rango de pureza también lo hace en MOSFET y CMOS semiconductores.
barras de polisilicio de una cámara de proceso Siemens. Fuente: Silicio productos Group GmbH
Si bien el proceso de Siemens es el caballo de batalla de polisilicio, tiene sus desventajas. El principal problema es que se trata de un cerdo de energía – mantener las barras de crecimiento policristalino caliente lo suficiente para descomponer la materia prima requiere una gran cantidad de electricidad. Para evitar este problema, un proceso de reactor de lecho fluidizado (FBR) se utiliza a veces. reactor Un FBR tiene la forma de una torre alta, las paredes de los cuales se alinean con un tubo de cuarzo. gas silano, o bien el triclorosilano familiarizado o monosilano, que es sólo un átomo de silicio rodeado por cuatro átomos de hidrógeno, se inyecta en la cámara. de silicio en polvo se deja caer en la cámara de reacción desde la parte superior, mientras que se inyecta gas de hidrógeno calentado en la parte inferior de la cámara a través de una serie de boquillas. El flujo de gas mantiene el polvo de silicio caliente fluidizado, permitiendo que se mezcle con el gas silano y descomponen. Como en el proceso Siemens, el silicio acrece sobre las partículas de semillas, que eventualmente se quedan demasiado grande para el lecho fluidizado para apoyar. Las perlas de silicio policristalino caen al fondo de la cámara, donde pueden ser recogidos.
Aparte de ahorro de energía – hasta 90% menos cuando se utiliza monosilano como materia prima – principal ventaja del método de FBR es que es un proceso continuo, ya que las perlas acabadas simplemente pueden ser bombeados fuera de la cámara. El proceso de Siemens es más de un proceso por lotes, ya que la cámara de reactor tiene que ser abierto para retirar las barras de polisilicio cuando haya terminado. Dicho esto, FBR polisilicio no ha tenido tanto éxito, en parte debido a la gestión de la dinámica de fluidos dentro de la cámara de reacción puede ser difícil. pero la razón principal es que el proceso Siemens es tan fácil, y siempre que las fábricas pueden estar ubicados cerca de una fuente de bajo costo de la electricidad, es simplemente más fácil de usar el método de fuerza bruta.
producción de polisilicio por el proceso Siemens y reactor de lecho fluidizado. Fuente: Investigación Bernreuter
Sólo un cristal, por favor
El uso de cualquiera de estos métodos, el silicio policristalino puede ser llevado a una pureza extremadamente alta, hasta 11N. pero la pureza no es la única métrica para el silicio; a veces, la naturaleza de la estructura cristalina en el producto final es tan importante como la pureza. El siguiente paso en la producción de silicio es la creación de silicio monocristalino, donde todo el lingote de silicio es un monocristal.
El crecimiento de un solo cristal de silicio ultra puro a un tamaño que es industrialmente útil no es poca cosa, y se basa en algunos trucos descubiertos en 1916 por el químico polaco Jan Czochralski. Hemos cubierto el método Czochralski en profundidad antes, pero el silicio brevemente, policristalino se funde en un crisol de cuarzo en una atmósfera inerte. Una varilla de extractor de cojinetes de un único cristal de silicio ultra-pura que está orientado de manera muy precisa se baja en el silicio fundido. El cristal de siembra causa de silicio para condensar, continuando la estructura cristalina como la varilla de tracción se retira lentamente del horno mientras gira. lingotes de un solo cristal de hasta 450 mm de diámetro son posibles con el método de Czochralski.
Otro método para silicio monocristalino productos es el método de zona flotante, que utiliza una varilla de silicio policristalino como material de partida. dentro de una cámara de reacción con una atmósfera de gas inerte, una señal de radiofrecuencia se hace pasar a través de una bobina que rodea la varilla. La señal de RF calienta el polisilicio, creando una zona de fusión confinado. monocristales de silicio ultra-pura se añaden a la zona de fusión, que hace que el silicio fundido para cristalizar alrededor de ella. La bobina de RF se mueve lentamente hacia arriba la varilla, moviendo la zona de calentamiento hasta que todo el vástago es de un único cristal de silicio. Float-zona de silicio monocristalino tiene la ventaja de no estar nunca en contacto con las paredes de cuarzo del método Czochralski crisol, y así tendrá menos contaminación de oxígeno y otras impurezas.