Как получают кремний промышленным способом

Кремний

Кремний является элементом (неметаллом), находящимся в главной подгруппе четвёртой группы, третьем периоде. Имеет четырнадцатый атомный номер. А также имеет свой собственный символ — Si (Silicium).

В начале восемнадцатого века французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак и его коллега Луи Жак Тенар получили кремний в чистом виде. Позже, шведский учёный Йёнс Якоб Берцелиус также вывел элементарный кремний и назвал его «силиций» (в переводе с латыни silex – кремень). В России официальное название «кремний» ввёл Г.И. Гесс в тридцатых годах 18 века, что в переводе с древнегреческого (κρημνός) означает «гора, утёс».

Свободный кремний образуется при нагреве свыше 400 °С белого песка (SiO₂) с магнием (Mg): [SiO]₂ + 2Mg=2MgO + Si, где кремний представляет собой коричневый порошок.

В металлургической промышленности кремний получают следующим способом:

восстанавливают расплав диоксида кремния при помощи кокса при температуре примерно тысяча восемьсот градусов по Цельсию в рудотермических шахтных печах. После такого процесса чистота кремния бывает 99,9 % (основными примесями являются металл и углерод). В дальнейшем кремний могут снова очистить от примесей.

В лабораториях очистка кремния происходит следующим образом: сперва получают Mg₂Si, потом при помощи уксусной или соляной кислоты из силицида магния делают газообразный SiH₄. Полученный моносилан подвергается чистке, например, сорбционной или же ректификационной, либо другими методами. В завершении SiH₄ разлагают на водород и кремний при температуре примерно в тысячу градусов по Цельсию.

В промышленности кремний очищают с помощью процесса хлорирования. Благодаря этому, появляются два составных соединения — SiCl₃, а также SiCl₄H. Такие хлориды могут производить чистку от примесей различными способами. А самый последний этап — это восстановление чистого водорода — температура при этом должна быть примерно девятьсот или тысяча сто градусов по Цельсию.

Разрабатывают кремниевые очистки, являющиеся более эффективными, чистыми, недорогими. К 2010 году была произведена кремниевая очистка, в которой использовался фтор (хлор поменяли на фтор); были разработаны технологии, которые предусматривают монооксидную кремниевую дистилляцию; были изобретены технологии, которые берут основу на вытравливании примесей, которые, как правило, концентрируются на границах между зёрен (кристаллитов).

В неочищенном состоянии кремниевые примеси имеют массу, сниженную на 10-8 – 10-6 %.

Кремний (технический) изготавливают в некоторых Российских городах, таких как Каменск-Уральский и Шелехов. На Усолье-Сибирском заводе по технологии (хлоридной) кремний доочищенный изготавливает группа — «Nitol Solar».

Технический кремний применяют:

1. В металлургическом производстве как:
— один из компонентов сплава бронзы, силумина;
— раскислитель при выплавке стали и чугуна;
— легирующий элемент, модификатор;
2. Как сырьё для получения поликремния (материал, состоящий из мелких кристаллитов кремния).
3. При изготовлении силанов, а также кремнийорганических материалов.
4. В полевых условиях при производстве водорода.
5. При изготовлении солнечных батарей.
6. В пластмассовой промышленности как антиблок (добавка).

Ещё кремний применяют для того, чтобы произвести пассивные элементы электро-схем, а также для производства монолитных микросхем. Главными компонентами производства солнечных батарей помимо чистого кремния являются его отходы, а также кристаллический кремний.

Кремний монокристаллический используется в производстве электроники и зеркал газовых лазеров.

Силициды (соединения кремния с металлами), часто используются в атомной и электронной промышленности. Они обладают большим количеством полезных свойств, например устойчивостью к окислению, нейтронам и др. Для термоэлектричесва силициды ряда элементов — это один из важнейших материалов.

Кремниевые соединения — это основа в производстве цемента и стекла. Их производством, а также изготовлением керамики и других вещей, произведённых из кирпича, фарфора и др. занимается силикатная промышленность.

В мире очень популярен клей, произведённый из силиката, его используют как «высушиватель» при строительстве и в пиротехническом производстве, чтобы приклеивать бумагу.

Источник

Кремний

Введение

Будучи студентом одного из московских вузов с специальностью «Наноматериалы», я хотел познакомить тебя, дорогой читатель, с самыми важными химическими элементами нашей планеты. Я долго выбирал с чего начать, углерод или кремний, и все таки решил остановиться именно на Si, потому что сердце любого современного гаджета основано именно на нем, если можно так выразиться конечно. Излагать мысли постараюсь предельно просто и доступно, написав этот материал я рассчитывал, в основном на новичков, но и более продвинутые люди смогут почерпнуть что-то интересное, так же хотелось бы сказать, что статья написана исключительно для расширения кругозора заинтересовавшихся. Итак, приступим.

Silicium

Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086.
В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%).
Плотность (при н.у.) 2,33 г/см³
Температура плавления 1688 K

Порошковый Si

Историческая справка

Соединения Кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния — оксид SiO2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF4, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка

Распространение Кремния в природе

По распространенности в земной коре Кремний — второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.

Физические свойства Кремния

Думаю тут останавливаться особо не стоит, все физические свойства имеются в свободном доступе, а я же перечислю самые основные.
Температура кипения 2600 °С
Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей
Диэлектрическая проницаемость 11,7
Твердость Кремния по Моосу 7,0
Хотелось бы сказать, что кремний хрупкий материал, заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
Кремний — полупроводник, именно поэтому он находит большое применение. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от примесей.

Химические свойства Кремния

Тут много конечно можно сказать, но остановлюсь на самом интересном. В соединениях Si (аналогично углероду) 4-валентен.
На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.
Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот, легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода.
Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, а так же для производства огнеупоров. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12).

Получение Кремния

Я думаю это самая интересная часть, тут остановимся поподробнее.
В зависимости от предназначения различают:
1. Кремний электронного качества (т. н. «электронный кремний») — наиболее качественный кремний с содержанием кремния свыше 99,999 % по весу, удельное электрическое сопротивление кремния электронного качества может находиться в интервале примерно от 0,001 до 150 Ом•см, но при этом величина сопротивления должна быть обеспечена исключительно заданной примесью т. е. попадание в кристалл других примесей, хотя бы и обеспечивающих заданное удельное электрическое сопротивление, как правило, недопустимо.
2. Кремний солнечного качества (т. н. «солнечный кремний») — кремний с содержанием кремния свыше 99,99 % по весу, используемый для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей).

3. Технический кремний — блоки кремния поликристаллической структуры, полученного методом карботермического восстановления из чистого кварцевого песка; содержит 98 % кремния, основная примесь — углерод, отличается высоким содержанием легирующих элементов — бора, фосфора, алюминия; в основном используется для получения поликристаллического кремния.

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Поликристаллический кремний («поликремний») — наиболее чистая форма промышленно производимого кремния — полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiI4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния — метод Чохральского).

Тут можно увидеть процесс выращивания кремния, методом Чохральского.

Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Применение Кремния

Специально легированный кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, а так же много всякой всячины).
Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Si
используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления).
Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов.
Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость.
Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие кремний.
Кремнезем перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и другими отраслями промышленности.
Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (например процессор твоего компьютера) и однокристальных микросхем.
Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Сверхчистый кремний и продукт его производства

Кремний в организме

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях — известковые илы с низким содержанием кремния. Среди наземных растений много кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание — силикоз.

Источник

6 Этапы производства кремния

2.1. Этапы производства кремния

Технология получения монокристаллов полупроводникового кремния включает следующие основные этапы:

§ получение технического (металлургического) кремния,

§ превращение технического кремния в газообразное соединение, его очистка,

§ получение поликристаллического кремния методом водородного восстановления,

Получение технического кремния

Производственная цепочка получения кремния начинается с диоксида кремния (кремнезема) SiO₂. Кремнезем широко распространен в природе в виде песка, кварца и глины.

Рекомендуемые файлы

Восстановление кремния из SiO₂ ведется карботермическим процессом за счет взаимодействия диоксида кремния с углеродом при температуре около 1800°С.

SiO₂ (тв) + 2C (тв) = Si (тв) + 2CO (газ)

Исходное сырье вносится в состав шихты в виде кварцита – кварцевого песка, содержащего не менее 98% SiO₂.

Углерод получается из древесного угля, кокса, сажи, древесной щепы.

Процесс ведется в дуговых электропечах огромной мощности — от 8 до 25 МегаВольт-Ампер (МВА). Подача энергии осуществляется с помощью одного, двух или трех графитовых электродов, при этом сила тока составляет 40-80 кА.

Рис. Схема получения металлургического поликремния

Рис. 3. Дуговая печь для получения металлургического поликремния

а – схема дуговой печи, б – одноэлектродная печь, в – и трехэлектродная печь

Кремний выпускается из плавильной печи в чугунные изложницы, футерованные угольными блоками, при температуре 1500-1600°С. Масса слитков достигает 1200 кг. Далее он дробится на куски с размерами около 100мм.

Чистота технического (металлургического) кремния — 98-99% Si, его стоимость — 1,5-2 доллара за килограмм. За рубежом такой кремний обозначается как MG-Si (Metallurgical grade silicon).

Получение и очистка трихлорсилана

Для последующей очистки кремний превращают в газообразное соединение: его хлорируют до получения газообразного трихлорсилана (ТХС) SiHCl3:

Si (тв) + 3HCl (газ) → SiHCl₃(газ) + Н₂(газ)

Газообразный ТХС пропускается через циклоны и фильтры для выделения твердых частиц. Далее парогазовая смесь поступает на конденсацию, дистилляционное разделение и многократную обработку в ректификационных колоннах.

Рис. 4. Схема получения и очистки трихлорсилана

Ректификат ТХС содержит суммарное количество примесей не более 10-6 %, а отдельных, например бора, до 10-9 %.

Получение поликремния методом водородного восстановления

Очищенный ТХС является основным сырьем для получения чистого поликремния. Для этого чаще всего применяется процесс и реактор фирмы Сименс (Siemens). Сименс-процесс — это процесс химического осаждения поликремния из газовой фазы (chemical vapore deposition, CVD).

Газообразный ТХС и водород подаются в реактор, в котором размещены стержни-затравки из кремния высокой чистоты (рис. 5, а).

Прутки нагреты до температуры 1200-1300° С, поэтому именно на их поверхности ТХС реагирует с водородом, разлагается и высаживается в виде поликремния :

2SiHCl₃ (газ) + 2Н₂ (газ) →2Si (тв) + 6HCl (газ)

Рис. 5. Получение поликристаллического кремния

а – схема реактора фирмы Сименс, б – компоновка реактора, в, г – поликристаллические слитки

Компоновка современных реакторов позволяет наращивать одновременно несколько поликристаллических заготовок (рис. 5, б), размеры и форма которых определяются конфигурацией и размерами исходных стержней — затравок (рис. 5, в).

Для легирования получаемого поликремния в ректор совместно с ТХС и водородом подаются также легирующие примеси, чаще всего в виде газообразных AsH₃ или PH₃.

Применяемый в современном производстве поликремний, в зависимости от назначения, может иметь разную степень чистоты. Так, предназначенный для производства элементов солнечных батарей (Solar Grade Silicon — SoG—Si) имеет чистоту 99.9999 -99.999999 %. Это часто обозначается как (6…8) девяток. Количество примесей: бор (B) -6 ), фосфор (P) 3 )

Источник