ne serait-ce pas pour la gaine mince de l’eau et la vie à base de carbone recouvrant, notre planète serait peut-être mieux connu comme le « Silicon Monde « . plus d’un quart de la masse de la croûte terrestre est du silicium, et en même temps que l’oxygène, les minéraux de silicate forment environ 90% de la coque mince de roche qui flotte sur le manteau de la Terre. Le silicium est le fondement de notre monde, et il est littéralement aussi commun que la saleté.

Mais juste parce que nous avons beaucoup de cela ne signifie pas que nous avons beaucoup de celui-ci dans sa forme pure. et il est seulement dans sa forme la plus pure de silicium qui devient la substance qui a amené notre monde dans l’ère de l’information. Le silicium élémentaire est très rare, cependant, et ainsi obtenir des quantités appréciables de métalloïde qui est suffisamment pur pour être utile nécessite une assez d’énergie et l’exploitation minière et de raffinage de ressources. Ces opérations utilisent une chimie assez intéressant et quelques trucs soignées, et quand à l’échelle à l’échelle industrielle, ils posent des défis uniques qui nécessitent une ingénierie assez intelligent pour traiter.

Dur comme le roc

La matière première pour la production de silicium le plus est le quartzite minérale. Quartzite provient des dépôts anciens de sables de quartz qui ont formé des dépôts sédimentaires. Au fil du temps et avec de la chaleur et de la pression, ces grès de quartz ont été transformés dans la quartzite de roches métamorphiques, qui est au moins 80% en volume de quartz.

Quartzite. Source: Geology.com
Quartzite est une roche très dure, et où il pousse au-dessus de la surface, il forme des crêtes qui résistent fortement aux intempéries. formations importantes de quartzite sont éparpillés un peu partout dans le monde, mais il y a relativement peu d’endroits où il est logique financière de la carrière de la roche pour la production de silicium, étant donné que les formations doivent être facilement accessibles et relativement proche des autres matières premières et l’approvisionnement en énergie nécessaire .

quartzite brut est principalement le dioxyde de silicium (SiO2), et le processus de raffinage commence par une réaction de réduction pour se débarrasser de l’oxygène. Pilée quartzite est mélangé avec du carbone sous forme de coke (charbon qui a été chauffé en l’absence d’oxygène). Les copeaux de bois sont ajoutés à la charge aussi bien; ils servent à la fois en tant que source de carbone et d’un agent gonflant physique qui permet à des gaz et de la chaleur pour faire circuler mieux dans le four.

Les fours à arc pour la fusion de silicium sont énormes installations avec des électrodes de carbone substantielles. Les électrodes sont consommées lors de la fusion, de sorte que de nouvelles électrodes sont vissés sur les sommets des électrodes de courant pour vous assurer que le processus ne soit pas interrompu. Le four à arc nécessite d’énormes quantités d’électricité pour maintenir la température de 2000 ° C nécessaire, de sorte que les raffineries de silicium sont généralement situés où l’électricité est peu coûteuse et abondante.

Les réactions de réduction à l’intérieur de la zone de fusion sont en fait assez compliqué, mais peut se résumer à deux réactions principales:

Dans les deux réactions, l’oxygène de l’oxyde de silicium se combine avec le carbone pour former le produit principal des déchets, du monoxyde de carbone. Une réaction secondaire qui se produit dans une partie de la zone à l’état fondu à l’intérieur du four produit de carbure de silicium (SiC), qui est un sous-produit indésirable (au moins lorsque le but est de purifier le silicium, le carbure de silicium est lui-même un abrasif industriel utile). En faisant en sorte que le dioxyde de silicium est présent en excès dans le four, la deuxième réaction où le SiC agit en tant que source de carbone pour la réduction du dioxyde de silicium est favorisée, et de silicium contenant jusqu’à 99% de pureté peut être prélevée au bas de la fourneau.

Le silicium produit par ce procédé est désigné par le silicium métallurgique. Pour presque toutes les utilisations industrielles, ce silicium hautement purifié est assez bon. environ 70% de silicium métallurgique va à la fabrication d’alliages métalliques tels que le ferrosilicium, ainsi que de l’aluminium-silicium, un alliage de contrats minimale lors du refroidissement et est donc utilisé pour des blocs-moteurs en fonte d’aluminium et articles similaires.

plus Nines

Monosilane est l’équivalent de silicium de méthane. Dans le trichlorosilane, trois des atomes d’hydrogène sont remplacés par les atomes de chlore. Source: WebElements
Aussi utile que le silicium métallurgique est, même à 99% pure, il est même proche de la pureté nécessaire pour les applications semi-conducteurs et photovoltaïques. Les étapes suivantes de purification ont le silicium au niveau de pureté qui est nécessaire pour la fabrication de semi-conducteurs. La purification commence par mélange de silicium métallurgique en poudre avec de l’acide chlorhydrique à chaud, gazeux. Cette réaction produit des silanes, qui sont des composés ayant un atome de silicium central entouré de quatre pièces jointes, dans ce cas trois atomes de chlore et un atome d’hydrogène. Ce trichlorosilane est un gaz à la température à l’intérieur de la chambre de réaction, ce qui le rend plus facile à manipuler et à purifier par distillation fractionnée.

Lorsque le gaz de trichlorosilane a été suffisamment purifié, la production de silicium polycristallin peut commencer. Le procédé Siemens est la principale méthode ici, et est une forme de dépôt chimique en phase vapeur. Une grande chambre de réaction en forme de cloche comporte plusieurs minces thlit de silicium hautement purifié, qui sont chauffées à 1150 ° C en faisant passer un courant électrique à travers eux. Un mélange de trichlorosilane gazeux et l’hydrogène circule dans la chambre; le gaz se décompose en laissant l’électrode chaude derrière le silicium, qui accumule dans les tiges qui sont environ 15 cm de diamètre. silicium polycristallin obtenu par le procédé Siemens peut avoir une pureté de 99,99999% ( « sept neuf », ou 7N) ou plus. 7N à polysilicium 10N est principalement utilisé pour les cellules photovoltaïques, bien que certains de silicium polycristallin dans cette gamme de pureté fait aussi dans les semi-conducteurs MOSFET et CMOS.

des tiges de silicium polycristallin à partir d’une chambre de traitement Siemens. Source: produits Silicon Group GmbH
Alors que le processus Siemens est le cheval de bataille de silicium polycristallin, elle a ses inconvénients. Le principal problème est que c’est un porc d’énergie – en gardant assez chaud les tiges polycristallins de plus en plus pour décomposer la matière première nécessite beaucoup d’électricité. Pour contourner ce problème, un procédé de réacteur à lit fluidisé (FBR) est parfois utilisé. Un réacteur FBR est en forme de tour de hauteur, dont les parois sont revêtues d’un tube de quartz. gaz de silane, soit le trichlorosilane familier ou monosilane, qui est juste un atome de silicium entouré par quatre atomes d’hydrogène, est injecté dans la chambre. le silicium en poudre est déposé dans la chambre de réaction par le haut, tandis que l’hydrogène gazeux chauffé est injecté dans la partie inférieure de la chambre à travers une série de buses. Le flux de gaz maintient la poudre de silicium chaud fluidisé, ce qui lui permet de se mélanger avec le gaz de silane et le décomposent. Comme dans le procédé Siemens, le silicium accrétion sur les particules de semence, qui finissent par être trop grande pour le lit fluidisé à l’appui. Les perles de silicium polycristallin tombent au fond de la chambre, où ils peuvent être recueillis.

Mis à part les économies d’énergie – jusqu’à 90% de moins pour l’utilisation de monosilane comme matière première – le principal avantage de la méthode FBR est qu’il est un procédé continu, étant donné que les perles finies peuvent simplement être pompé hors de la chambre. Le procédé Siemens est plus d’un procédé discontinu, étant donné que la chambre de réacteur doit être ouvert pour retirer les tiges de silicium polycristallin quand ils sont finis. Cela dit, polysilicium FBR n’a pas vraiment décollé, en partie parce que la gestion de la dynamique des fluides à l’intérieur de la chambre de réaction peut être difficile. mais la raison principale est que le processus Siemens est si facile, et aussi longtemps que les usines peuvent être situées à proximité d’une source d’électricité à faible coût, il est juste plus facile d’utiliser la méthode de la force brute.

la production de silicium polycristallin par le procédé Siemens et réacteur à lit fluidisé. Source: Bernreuter recherche
Un seul cristal, S’il vous plaît

En utilisant l’une de ces méthodes, le silicium polycristallin peut être amené à la pureté extrêmement élevée, jusqu’à 11N. mais la pureté est pas la seule métrique de silicium; parfois, la nature de la structure cristalline sur le produit final est tout aussi important que la pureté. La prochaine étape dans la production de silicium est la création de silicium monocristallin, où l’ensemble du lingot de silicium est un monocristal.

Faire croître un monocristal de silicium ultra-pur à une taille qui est utile industriellement est pas un mince exploit, et repose sur quelques trucs découverts en 1916 par le chimiste polonais Jan Czochralski. Nous avons abordé la méthode Czochralski en profondeur avant, mais brièvement, le silicium polycristallin est fondu dans un creuset de quartz dans une atmosphère inerte. Une tige de traction portant un seul ultra-pure cristal de silicium qui est orienté de façon très précise est abaissée dans le silicium fondu. Le germe cristallin de silicium provoque à condenser, la poursuite de la structure cristalline que la tige de traction est retiré lentement du four tout en tournant. lingots monocristallins jusqu’à 450 mm de diamètre sont possibles avec le procédé Czochralski.

Un autre procédé pour produire du silicium monocristallin est le procédé de zone flottante, qui utilise une tige de silicium polycristallin en tant que matériau de départ. l’intérieur d’une chambre de réaction avec une atmosphère de gaz inerte, un signal de fréquence radio est passé à travers une bobine qui entoure la tige. Le signal RF chauffe le polysilicium, la création d’une zone à l’état fondu confiné. monocristaux de silicium ultra-pure sont ajoutés à la zone de fusion, ce qui provoque le silicium fondu à cristalliser autour d’elle. La bobine RF est lentement déplacée vers le haut de la tige, le déplacement de la zone de chauffage jusqu’à ce que la tige entière est un monocristal de silicium. silicium monocristallin Float-zone présente l’avantage de n’être jamais en contact avec les parois du creuset en quartz de la méthode Czochralski, et ainsi aura moins de contamination de l’oxygène et d’autres impuretés.