Produksi silikon kemurnian tinggi (misalnya, tingkat surya atau elektronik) membutuhkan pemurnian silikon tingkat metalurgi (MG-Si, ~ 98-99% kemurnian) melalui proses pemurnian lanjutan. Metode utama meliputi:
1. Pemurnian hidrometalurgi (pencucian asam)
Proses:
Mg-Si yang dihancurkan diperlakukan dengan campuran asam (misalnya, HCL, HF, atau H₂SO₄) untuk melarutkan kotoran (Fe, Al, CA, dll.).
Reaktor yang tahan asam digunakan untuk menghindari kontaminasi.
Reaksi:
Fe +2 hcl → fecl 2+ h2 ↑ fe +2 hcl → feCl2+h2 ↑
Hasil:Menghapus ~ 90% dari kotoran logam, meningkatkan kemurnian menjadi ~ 99,9%.
2. Solidifikasi terarah
Prinsip:Kotoran berkonsentrasi dalam fase cair selama pendinginan terkontrol.
Proses:
Silikon cair perlahan didinginkan dari satu ujung, memaksa kotoran untuk bermigrasi ke atas atau tepi.
Bagian pusat yang dimurnikan dipotong dan digunakan kembali.
Efisiensi:Mengurangi pengotor boron (b) dan fosfor (P) ke tingkat bagian per juta (ppm).
3. Pemurnian vakum
Proses:
Silikon cair dipanaskan di bawah vakum untuk menguapkan kotoran yang mudah menguap (misalnya, Al, CA, MG).
Volatile oksida (misalnya, SIO) juga dapat membentuk dan melarikan diri.
Aplikasi:Efektif untuk menghilangkan logam dan gas ringan.
4. Refining Zone (Metode Float Zone)
Prinsip:Zona cair lokal bergerak melalui batang silikon, membawa kotoran dengannya.
Proses:
Batang silikon polikristalin purburnal tinggi dipanaskan menggunakan kumparan frekuensi radio (RF).
Pass berulang membuat silikon monokristalin yang sangat murni.
Kemurnian: Achieves >99.9999% (6n hingga 11n kemurnian untuk semikonduktor).
5. Proses Siemens (Deposisi Uap Kimia, CVD)
Tujuan:Menghasilkan polisilikon untuk sel surya dan elektronik.
Tangga:
Klorinasi:Mg-Si bereaksi dengan HCl untuk membentuk trichlorosilane (Sihcl₃):
Si +3 hcl → sihcl 3+ h2si +3 hcl → sihcl3+h2
Distilasi:SIHCL₃ dimurnikan melalui distilasi fraksional.
Penguraian:SIHCL₃ dengan kemurnian tinggi didekomposisi pada batang silikon yang dipanaskan (~ 1.100 derajat):
2SIHCL3 → 2SI +2 hcl+cl22sihcl3 → 2si +2 hcl+cl2
Keluaran:Polysilicon ultra-murni (99,9999999%, 9n).
6. Elektrorefining
Proses:
Silikon yang tidak murni digunakan sebagai anoda dalam elektrolit garam cair (misalnya, CaCl₂).
Endapan silikon murni pada katoda melalui elektrolisis.
Keuntungan:Efektif untuk menghilangkan boron dan fosfor.
7. Perawatan terak
Proses:Silikon cair dicampur dengan terak (misalnya, cao-sio₂) untuk menyerap kotoran.
Mekanisme:Partisi pengotor (misalnya, B, P) ke dalam fase terak karena afinitas kimia.
Tantangan utama dalam pemurnian silikon:
Penghapusan Boron dan Fosfor:Elemen -elemen ini aktif secara elektrik dan menurunkan kinerja semikonduktor.
Intensitas Energi:Proses seperti metode Siemens membutuhkan energi yang signifikan dan infrastruktur yang mahal.
Biaya vs. Purity Trade-Off:Kemurnian yang lebih tinggi (misalnya, tingkat elektronik) menuntut lebih banyak sumber daya secara eksponensial.
Aplikasi berdasarkan tingkat kemurnian:
| Nilai | Kemurnian | Aplikasi |
|---|---|---|
| Metalurgi (MG-Si) | 98–99% | Paduan aluminium, silikon, bahan kimia |
| Tingkat surya (sog-si) | 99.9999% (6N) | Sel surya fotovoltaik |
| Elektronik grade (misalnya) | 99.9999999% (9N) | Semikonduktor, microchip |
Pertimbangan Lingkungan:
Pencucian asam menghasilkan limbah berbahaya (misalnya, HF), yang membutuhkan netralisasi dan pembuangan yang aman.
Proses Siemens menghasilkan produk sampingan klorin, memerlukan sistem daur ulang loop tertutup.
Inovasi:
Reaktor bed fluidized (FBR):Alternatif berbiaya lebih rendah untuk proses Siemens untuk silikon tingkat matahari.
Silikon metalurgi yang ditingkatkan (UMG-Si):Menggabungkan pencucian, slagging, dan solidifikasi terarah untuk aplikasi surya dengan biaya yang dikurangi.
