Добыча и переработка: чистый кремний и невероятные усилия, необходимые для его получения

Если бы не тонкая оболочка воды и углеродной жизни, покрывающая ее, наша родная планета, возможно, была бы наиболее известна как «Кремниевый мир». Более четверти массы земной коры составляет кремний, а вместе с кислородом силикатные минералы образуют около 90% тонкой оболочки горной породы, плавающей на мантии Земли. Кремний — это основа нашего мира, и он буквально так же распространен, как грязь.

Но то, что у нас его много, не означает, что у нас его много в чистом виде. И только в своей самой чистой форме кремний становится тем материалом, который привел наш мир в век информации. Однако элементарный кремний очень редок, и поэтому для получения значительных количеств металлоида, достаточно чистого, чтобы его можно было использовать, требуются довольно энерго- и ресурсоемкие операции по добыче и переработке. В этих операциях используются довольно интересные химические процессы и несколько хитрых приемов, а при масштабировании до промышленного уровня они создают уникальные проблемы, для решения которых требуются довольно умные инженеры.

Сырьем для большей части производства кремния является минерал кварцит. Кварцит происходит из древних месторождений кварцевых песков, образовавших осадочные отложения. Со временем, под действием тепла и давления эти кварцевые песчаники превратились в метаморфическую породу кварцит, которая по меньшей мере на 80% состоит из кварца.

Кварцит — невероятно прочная порода, и там, где он выступает над поверхностью, он образует гребни, которые сильно сопротивляются выветриванию. Значительные пласты кварцита разбросаны по всему миру, но существует относительно мало мест, где имеет финансовый смысл добывать породу для производства кремния, поскольку пласты должны быть легко доступны и относительно близки к другому необходимому сырью и энергоснабжению. .

Сырой кварцит состоит в основном из диоксида кремния (SiO2), и процесс очистки начинается с реакции восстановления, позволяющей избавиться от кислорода. Дробленый кварцит смешивается с углеродом в виде кокса (угля, нагретого в отсутствие кислорода). В шихту также добавляется древесная щепа; они служат одновременно источником углерода и физическим наполнителем, который позволяет газам и теплу лучше циркулировать в печи.

Дуговые печи для выплавки кремния представляют собой массивные установки с огромными угольными электродами. Электроды расходуются во время плавки, поэтому новые электроды навинчиваются на вершины текущих электродов, чтобы процесс не прерывался. Дуговая печь требует огромного количества электроэнергии для поддержания необходимой температуры в 2000°C, поэтому заводы по переработке кремния часто расположены там, где электричество дешево и в изобилии.

Реакции восстановления внутри зоны плавления на самом деле довольно сложны, но их можно свести к двум основным реакциям:

В обеих реакциях кислород диоксида кремния соединяется с углеродом, образуя основной побочный продукт — окись углерода. Побочная реакция, происходящая в части зоны плавления внутри печи, приводит к образованию карбида кремния (SiC), который является нежелательным побочным продуктом (по крайней мере, когда целью является очистка кремния; карбид кремния сам по себе является полезным промышленным абразивом). Убедившись, что диоксид кремния в печи находится в избытке, благоприятствует вторая реакция, в которой SiC действует как источник углерода для восстановления диоксида кремния, и кремний с чистотой до 99% может быть отлит из нижней части печи. печь.

Кремний, полученный этим процессом, называется металлургическим кремнием. Этот высокоочищенный кремний подходит практически для всех промышленных целей. Около 70% металлургического кремния идет на производство металлических сплавов, таких как ферросилиций, а также алюминиево-кремниевый сплав, который минимально сжимается при охлаждении и поэтому используется для литья алюминиевых блоков двигателей и подобных изделий.

Каким бы полезным ни был металлургический кремний, даже при чистоте 99% он даже близко не соответствует чистоте, необходимой для полупроводниковых и фотоэлектрических применений. Следующие этапы очистки доведут кремний до уровня чистоты, необходимого для производства полупроводников. Очистка начинается со смешивания порошкообразного металлургического кремния с горячей газообразной соляной кислотой. В результате этой реакции образуются силаны, которые представляют собой соединения, в которых центральный атом кремния окружен четырьмя присоединениями, в данном случае тремя атомами хлора и одним атомом водорода. Этот трихлорсилан представляет собой газ при температуре внутри реакционной камеры, что облегчает обращение с ним и его очистку путем фракционной перегонки.