طحن السيليكون عالي النقاء

فئات
BY Edmund Sinnott | يوليو 31, 2023 | دراسة حالة , الأغذية والكيميائية والمعدنية
 
Silicon grinding machine

In this case study, we explore the use of MPE’s precision particle size reduction equipment for grinding silicon granules into seed for Fluidized Bed Reactors (FBRs). This process is key to producing an extremely pure silicon at a fraction of the energy when compared to other refining methods.

An IMD 79 Gran-U-Lizer engineered specifically for use in silicon particle size reduction.

تتفوق سيارة Gran-U-Lizer المصممة خصيصا من طراز MPE مع لفات سيراميك خاصة وأسطح ملامسة للمنتجات غير الحديدية المستخدمة في عملية تقليل حجم السيليكون في استخدامها لسببين:

  1. يقوم بتقليل أحجام حبيبات السيليكون إلى توزيعات ضيقة لحجم الجسيمات (بنطاق يتراوح من 200 إلى 450 ميكرومتر) مثالية لبذور السيليكون. هذا هو أحد المتغيرات المهمة للحفاظ على عملية FBR المستمرة.
  2. يحافظ على نقاء تيار المنتج. ومن شأن تكنولوجيا تخفيض الحجم العادي أن تنقل مستويات غير مقبولة من الملوثات الحديدية و/أو غيرها من العناصر غير السيليكونية. تنقل Gran-U-Lizers من MPE ملوثات أقل بكثير من أي تقنية أخرى لتقليل الحجم. يترجم هذا الاختلاف إلى سيليكون عالي النقاء ، مما يؤدي إلى زيادة الربحية للشركة المصنعة.

Process Flow of Converting Silica to End Products, and Where MPE Fits in It

Process Flow of converting silica into silicon end products, and where MPE grinders sit in the process
A simplified process flow of converting silica into silicon end products.

تتم معالجة السيليكا غير المكررة (الكوارتز عادة) أولا إلى سيليكون معدني (MG-Si). ثم تتم معالجة MG-Si إلى غاز سيلان. ثم تجمع مفاعلات الطبقة المميعة (FBRs) ، بمساعدة محبيبات MPE ، بين غاز السيلان وبذور السيليكون والهيدروجين لإنتاج قطع سيليكون فائقة النقاء. ثم يتم صهر قطع السيليكون إلى سبائك وتقطيعها إلى رقائق. ينتهي الأمر بهذه الرقائق في العديد من المنتجات مثل الخلايا الشمسية وأجهزة استشعار الكاميرا ورقائق الكمبيوتر.

What are FBRs?

FBRs هي تقنية تكرير أحدث نسبيا تحول غاز سيلان (SiH4) وبذور السيليكون (Si) إلى حبيبات سيليكون نقية (أو أكبر) بنسبة 99.9999٪. ثم يقوم المنتجون بصهر حبيبات السيليكون التي تم إخراجها من عملية FBR إلى سبائك. يقوم مصنعو رقائق الكمبيوتر ووحدات المعالجة المركزية وأجهزة استشعار الصور والخلايا الكهروضوئية بتقطيع هذه السبائك إلى رقائق لإنشاء منتجاتهم.

Manufacturers cut silicon ingots into Czochralski wafers to make CPUs, chips, image sensors, and photovoltaic (PV) cells, among other things depending on their purity.

تعد FBRs بديلا واعدا لطريقة Siemens (يشار إليها أيضا باسم عملية Siemens) ، وهي تقنية تصنيع أكثر شيوعا لإنتاج السيليكون المكرر لصنع السبائك منه. طريقة Siemens هي تقنية ناضجة نسبيا ، بينما يتم استخدام FBRs مؤخرا على نطاق واسع.

أحد العوامل الرئيسية التي تميز هاتين التقنيتين عن غيرها هو استخدامهما للطاقة. تستهلك طريقة سيمنز كميات هائلة من الطاقة ، وبالتالي فإن هذه الأنواع من المرافق مربحة فقط عندما تكون الكهرباء وفيرة وغير مكلفة. على النقيض من ذلك ، تستخدم FBRs طاقة أقل بنسبة 90٪ لإنتاج نفس الكمية من السيليكون مقارنة بطريقة Siemens. يعني انخفاض استهلاك الكهرباء أنه يمكن تشغيل FBRs بشكل مربح في العديد من البلدان والمناطق التي لن يكون العمل فيها مربحا لولا ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، تحقق FBRs العديد من الفوائد البيئية أيضا.

Why would producers choose the Siemens method over FBRs?

من الصعب توسيع نطاق FBRs وتشغيلها. بدأ مهندسو المصانع مؤخرا فقط في التغلب على تحديات توسيع نطاق FBRs ، والتي تعتمد على ديناميكيات السوائل التي تحدث في عملية مستمرة – وليس عملية مجمعة كما هو الحال في طريقة Siemens. نظرا لأن تقنية FBR جاهزة للسوق مؤخرا فقط وتتطلب استثمارا ضخما مقدما ، في وقت نشر هذا المقال ، تمثل FBRs 5٪ فقط من إنتاج السيليكون.

Source: Wafer Silicon-Based Solar Cells Lecture. No affiliation with MPE.

The Silicon market and importance of purity

جزء من نجاح (أي ربحية) المصافي هو قدرتها على إنتاج نقاء عالي من السيليكون ، إن لم يكن ببساطة أعلى نقاء ممكن. يمكن استخدام السيليكون عالي النقاء ، على سبيل المثال ، للخلايا الشمسية بكفاءة أكبر ، مما ينتج عنه إنتاج كهربائي أكبر وعمر أكبر للمنتج.

الاستخدامات الشائعة للسيليكون المكرر على أساس النقاء هي:

  • السيليكون متعدد الكريستالات هو بشكل عام حد أدنى نقاء ”6N“ (مصطلح صناعي بسبب الأرقام الستة: 99.9999٪). يستخدم هذا بشكل شائع في الخلايا الكهروضوئية ، وبالتالي يمكن الإشارة إليه أيضا باسم السيليكون الشمسي (SiSG).
  • يتطلب السيليكون أحادي البلورية (يشار إليه أيضا باسم السيليكون أحادي البلورة) نطاقات من 9N إلى 11N. يستخدم هذا أيضا بشكل شائع في الخلايا الكهروضوئية (ذات الكفاءة العالية [أي الإخراج الكهربائي] والتي تدوم بشكل عام لفترة أطول). تستخدم أعلى الدرجات مثل 11N أيضا لصنع أشباه الموصلات.

FBRs قادرة على صنع ما يصل إلى 11N من السيليكون النقي. ومع ذلك ، كلما كان السيليكون الناتج أكثر نقاء ، زادت أهمية التلوث عند الحد الأدنى (على سبيل المثال ، أجزاء منخفضة في المليار) أثناء معالجة بذور السيليكون. يعد تقليل حجم الجسيمات بدقة ، والتي تعد MPE هي الرائدة العالمية البارزة فيها ، أمرا بالغ الأهمية لديناميكيات السوائل داخل FBRs. تتمثل إحدى طرق تخيل الجزء الداخلي من FBR في خلق بيئة تتحرك فيها مادة صلبة (بذور السيليكون) وغازات (الهيدروجين والسيلان) معا مثل السائل. لذلك يجب أن يتم تقليل حجم الجسيمات الدقيقة لبذور السيليكون بدقة ، مع أقل قدر ممكن من التلوث ، وبمعدل صناعي لتشغيل FBR بنجاح.

How FBRs Work, and MPE’s Significance Behind FBRs

تعمل FBRs عن طريق ضخ غاز السيلان والهيدروجين في غرفة جنبا إلى جنب مع مادة بذور السيليكون الصغيرة عالية النقاء. داخل FBR ، يتحلل السيلان ، وتترسب ذرات السيليكون على البذور ، والنتيجة هي حبيبات أكبر من السيليكون عالي النقاء (حتى 11 نيوتن).

تخرج حبيبات السيليكون الأكبر حجما من FBR في الأسفل. يتم أخذ معظم هذه الحبيبات بعيدا إلى عملية الصهر. ومع ذلك ، يتم تحويل كمية صغيرة من حبيبات السيليكون من تيار المنتج لتصبح بذرة السيليكون مرة أخرى باستخدام MPE Gran-U-Lizer. هذه العملية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة مقارنة بطرق التكرير الأخرى ، مثل طريقة سيمنز. يتم تحقيق فوائد FBRs بعدة طرق. المزيد من مناطق العالم قادرة على تشغيل محطات تكرير السيليكون ، مما يقلل من تكلفة منتجات المستخدم النهائي القائمة على السيليكون مثل الخلايا الشمسية وأشباه الموصلات ، وتقليل العوامل الخارجية البيئية.

لمعرفة المزيد حول معدات تقليل حجم الجسيمات الهندسية للسيليكون ، اتصل على + 1-773-254-3929 أو أرسل بريدا إلكترونيا إلى solution@mpechicago.com.

شارك هذا المقال