Ảnh hưởng của hàm lượng tạp chất đến hiệu suất của silicon kim loại

kim loại siliccác loại được đặc trưng bởi "mã số" đại diện cho hàm lượng tối đa cho phép (tính bằng phần mười nghìn) của sắt (Fe), nhôm (Al) và canxi (Ca). Cơ sở tương ứng và tiêu chuẩn của các loại cốt lõi như sau (tham khảo GB/T 2881-2014 và ASTM E478-22):

Ghi chú:ppm là phần triệu, 1%=10000ppm; các loại quốc tế (chẳng hạn như ASTM) có cách biểu thị hơi khác nhau, nhưng logic mã hóa tạp chất là nhất quán.

(1) Sắt (Fe): Ảnh hưởng cốt lõi đến tính chất điện và độ bền của hợp kim

Cơ chế:Sắt tạo thành các hợp chất liên kim loại như FeSi₂ và Fe₃Si trong silicon kim loại. Các hợp chất này là pha bán dẫn hoặc pha dẫn, sẽ phá hủy tính nguyên vẹn của mạng tinh thể silicon, dẫn đến điện trở suất tăng đáng kể (ví dụ khi hàm lượng Fe tăng từ 100ppm lên 500ppm thì điện trở suất của kim loại silicon tăng từ 2000Ω・cm lên hơn 8000Ω・cm). Sự khác biệt về khả năng thích ứng của ngành:

Chất bán dẫn/Trường quang điện:Fe cần được kiểm soát dưới 100ppm (ví dụ:Silicon kim loại lớp 1101), nếu không, nó sẽ dẫn đến tuổi thọ của chất mang trong tấm silicon bị rút ngắn và hiệu suất chuyển đổi tế bào quang điện giảm 0,5%-1%;

Lĩnh vực hợp kim nhôm:Một lượng Fe thích hợp (300-500ppm) có thể tạo thành pha tăng cường phân tán, cải thiện độ bền của hợp kim, nhưng vượt quá 800ppm sẽ tạo ra pha FeAl₃ thô, dẫn đến độ bền của hợp kim giảm 20%-30% và dễ bị nứt trong quá trình xử lý.

(2) Nhôm (Al): Cân bằng các yêu cầu về hiệu suất và độ dẫn điện của hợp kim

Cơ chế tác động:Nhôm tạo thành dung dịch rắn Al{0}}Si với silicon, cải thiện tính lưu động và độ bền của vật đúc của hợp kim. Tuy nhiên, bán kính nguyên tử của nhôm khác biệt đáng kể so với silicon và dung dịch rắn sẽ gây biến dạng mạng tinh thể, làm giảm độ dẫn điện. Sự khác biệt về khả năng tương thích của ngành:
Hợp kim nhôm ô tô (ví dụ: hợp kim 6061 cho bánh xe): Lớp 441 Silicon kim loại(Al Nhỏ hơn hoặc bằng 400ppm) được chọn. Al và Si phối hợp tối ưu hóa hiệu suất đúc, tăng tỷ lệ chất lượng tạo hình bánh xe lên 10% -15%.
Hợp kim nhôm điện (ví dụ: hợp kim 1350 dùng cho dây và cáp):Điểm dưới đây2202 Silicon kim loại(Al Nhỏ hơn hoặc bằng 200ppm) phải được chọn; mặt khác, độ dẫn điện giảm từ 62% IACS xuống dưới 58% IACS, không đáp ứng được yêu cầu về hiệu suất truyền tải điện.

(3) Canxi (Ca): Ảnh hưởng đến độ ổn định hóa học và khả năng tương thích của quá trình.

Cơ chế tác động:Canxi tồn tại trong kim loại silicon ở dạng CaSi₂, thể hiện khả năng phản ứng hóa học mạnh và dễ dàng phản ứng với oxy, lưu huỳnh và các nguyên tố khác để tạo thành các hợp chất có điểm nóng chảy-{1}}thấp (ví dụ: CaO・SiO₂, điểm nóng chảy 1464 độ ). Sự khác biệt về khả năng tương thích của ngành:
Tổng hợp organosilicon:Hàm lượng Ca phải được kiểm soát dưới 30 ppm (ví dụ:Lớp kim loại silicon 3303), nếu không nó sẽ xúc tác cho các phản ứng phụ, dẫn đến sự phân bố trọng lượng phân tử không đồng đều của polyme organosilicon và độ bền kéo giảm 15%-20%.
Khử oxy trong luyện thép:Lượng Ca thích hợp (100-300 ppm) có thể cải thiện tính lưu động của thép nóng chảy và tăng tốc độ khử lưu huỳnh lên 10% -15%, nhưng mức vượt quá 500 ppm sẽ tạo ra pha cứng và giòn CaC₂, làm giảm độ bền va đập của thép.

(4) Tạp chất dạng vết (Phốt pho, Boron): "Tác động chết người" ở trường-cao cấp

Phốt pho và boron được coi là "tạp chất vi lượng quan trọng" trong silicon kim loại. Ngay cả ở nồng độ dưới 1 ppm, chúng có thể làm thay đổi đáng kể hiệu suất:
Trong lĩnh vực bán dẫn:Boron là chất pha tạp loại P{0}} và boron là chất pha tạp loại N-. Các tạp chất dạng vết có thể gây ra độ dẫn điện không kiểm soát được của tấm silicon, làm giảm hiệu suất chip hơn 30%. Chúng phải được kiểm soát dưới 0,1 ppm (tiêu chuẩn silicon kim loại cấp điện tử).
Trong lĩnh vực quang điện:Nồng độ P và boron vượt quá 0,5 ppm có thể hình thành các trung tâm tái hợp, làm giảm tuổi thọ của chất mang quang sinh. Phải sử dụng silicon kim loại cấp quang điện-(P nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 ppm, B nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 ppm).

(1) Quy trình kiểm soát cốt lõi

Làm sạch nguyên liệu thô:

Cát thạch anh có độ tinh khiết cao-(SiO₂ Lớn hơn hoặc bằng 99,9%) và chất khử tạp chất-thấp (tro than cốc dầu mỏ Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5%) được chọn để giảm lượng tạp chất đưa vào từ nguồn;

Kiểm soát luyện kim:

Một quy trình tinh chế lò hồ quang chìm được áp dụng. Bằng cách điều chỉnh vị trí điện cực và môi trường lò, phản ứng và tách tạp chất với xỉ được thúc đẩy. Tỷ lệ loại bỏ Fe và Al có thể đạt 60% -70%;

Thanh lọc sau{0}}điều trị:

Silicon kim loại-cao cấp (chẳng hạn như loại điện tử) cần được rửa sạch bằng axit- (hỗn hợp axit clohydric + axit flohydric) và nấu chảy trong chân không. Tỷ lệ loại bỏ tạp chất dạng vết lớn hơn hoặc bằng 99%.

(2) Các phương pháp phát hiện chính thức

Các tạp chất thường gặp (Fe, Al, Ca):

ICP-OES (Máy quang phổ phát xạ quang plasma ghép nối cảm ứng) được sử dụng với giới hạn phát hiện là 1 ppm và sai số Nhỏ hơn hoặc bằng 5%;

Tạp chất dạng vết (P, B):

ICP-MS (Máy quang phổ khối plasma kết hợp cảm ứng) được sử dụng với giới hạn phát hiện là 0,01 ppm, đáp ứng các yêu cầu về cấp độ bán dẫn-;

Phát hiện nhanh chóng tại-trang web:

Phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) được sử dụng, hoàn thành việc sàng lọc hàm lượng tạp chất chính trong vòng 10 phút, phù hợp cho việc kiểm tra chất lượng sản xuất công nghiệp.

(1) Công nghiệp bán dẫn/điện tử
 Yêu cầu lựa chọn:Sử dụng độ tinh khiết cấp 1101 trở lên, Fe Nhỏ hơn hoặc bằng 100ppm, Al Nhỏ hơn hoặc bằng 100ppm, Ca Nhỏ hơn hoặc bằng 10ppm, P Nhỏ hơn hoặc bằng 0,1ppm, B Nhỏ hơn hoặc bằng 0,1ppm;
 Yêu cầu cốt lõi:Đảm bảo tính toàn vẹn của mạng và ổn định hiệu suất điện, tránh hỏng hóc thiết bị do tạp chất.

(2) Công nghiệp quang điện
 Yêu cầu lựa chọn:Sử dụng loại đặc biệt cấp 2202 hoặc quang điện-, Fe Nhỏ hơn hoặc bằng 200ppm, Al Nhỏ hơn hoặc bằng 200ppm, Ca Nhỏ hơn hoặc bằng 20ppm, P Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3ppm, B Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3ppm;
 Yêu cầu cốt lõi:Cân bằng hiệu quả chuyển đổi và chi phí; hàm lượng tạp chất phải phù hợp với quy trình cắt tấm wafer silicon và sản xuất pin.

(3) Công nghiệp silicon hữu cơ
 Yêu cầu lựa chọn:Sử dụng loại 3303 hoặc 441, Fe Nhỏ hơn hoặc bằng 400ppm, Al Nhỏ hơn hoặc bằng 400ppm, Ca Nhỏ hơn hoặc bằng 30ppm;
 Yêu cầu cốt lõi:Tránh các phản ứng phụ được xúc tác bởi tạp chất-và đảm bảo hiệu suất ổn định của các sản phẩm organosilicon.

(4) Hợp kim nhôm/Công nghiệp luyện kim
 Yêu cầu lựa chọn:Sử dụngKim loại silicon loại 553(Fe Nhỏ hơn hoặc bằng 500ppm, Al Nhỏ hơn hoặc bằng 500ppm, Ca Nhỏ hơn hoặc bằng 300ppm) để xây dựng hợp kim nhôm vàLớp silicon 441đối với hợp kim nhôm ô tô;