高純度シリコン研削

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BY Edmund Sinnott | 7月 31, 2023 | ケーススタディー , 食品、化学、鉱物
 
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.

MPEが設計したGran-U-Lizerは、特殊なセラミックロールと非鉄製品の接触面をシリコンの小型化プロセスに使用し、次の2つの理由でその使用に優れています。

  1. これは、シリコン顆粒を 狭い 粒度分布(200〜450μmの範囲)にサイズダウンし、シリコンシードに最適です。これは、連続的なFBRプロセスを維持するために重要な変数の1つです。
  2. 製品の流れの純度を維持します。通常のサイズ縮小技術では、許容できないレベルの鉄汚染物質やその他の非シリコン元素が放出されます。MPEのGran-U-Lizersは、他のどのサイズ縮小技術よりも汚染物質が大幅に少なくなります。この違いは、シリコンの純度向上につながり、メーカーにとって収益性の向上につながります。

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.

未精製のシリカ(通常は石英)は、最初に冶金グレードのシリコン(MG-Si)に加工されます。その後、MG-Siをシランガスに加工します。次に、流動床反応器(FBR)は、MPEグラニュライザーの助けを借りて、シランガス、シリコンシード、および水素を組み合わせて超高純度シリコン片を生成します。その後、シリコン片を製錬してインゴットにし、ウェーハにカットします。これらのチップは、太陽電池、カメラセンサー、コンピューターチップなどの多くの製品に搭載されます。

What are FBRs?

FBRは、シランガス(SiH4)とシリコンシード(Si)を純度99.9999%(またはそれ以上)のシリコン顆粒に変える比較的新しい精製技術です。その後、生産者はFBRプロセスから出されたシリコン顆粒をインゴットに製錬します。コンピューターチップ、CPU、イメージセンサー、太陽電池のメーカーは、これらのインゴットをウェーハにカットして製品を作成します。

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

FBRは、インゴットを作るための精製シリコンを製造するためのはるかに一般的な製造技術であるシーメンス法(シーメンスプロセスとも呼ばれる)の有望な代替手段です。シーメンスの方法は比較的成熟した技術ですが、FBRが大規模に使用されるようになったのはごく最近のことです。

これら 2 つのテクノロジーを際立たせる重要な要素の 1 つは、エネルギー使用量です。シーメンス方式は膨大な量のエネルギーを消費するため、この種の施設は、電力が豊富で安価な場合にのみ利益を上げます。対照的に、FBRは、シーメンス法と比較して、同じ量のシリコンを生成するために使用するエネルギーが90%少なくなります。電力消費量が少ないということは、FBRは、他の方法では運用に利益がもたらされない多くの国や地域で収益性の高い運用ができることを意味します。さらに、FBRは多くの環境上の利点ももたらします。

Why would producers choose the Siemens method over FBRs?

FBRは、拡張と運用が困難です。プラントエンジニアは、シーメンス法のようなバッチプロセスではなく、 連続 プロセスで発生する流体力学に依存するFBRのスケーリングの課題を克服し始めたのはごく最近のことです。FBR技術は最近市場に出回ったばかりで、巨額の先行投資が必要なため、 この記事の公開時点では、FBRはシリコン生産の5%しか占めていません。

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

The Silicon market and importance of purity

精製業者の成功(つまり収益性)の一部は、単に可能な限り高い純度ではないにしても、高純度のシリコンを生成する能力にあります。例えば、高純度のシリコンは、より効率の良い太陽電池に使用でき、電気出力と製品寿命が長くなります。

純度に基づく精製シリコンの一般的な用途は次のとおりです。

  • 多結晶シリコンは、一般に最低でも「6N」の純度です(6桁の数字のため、業界用語:99.9999%)。これはPVセルで一般的に使用されているため、ソーラーグレードのシリコン(SiSG)と呼ばれることもあります。
  • 単結晶シリコン(単結晶シリコンとも呼ばれる)には、9Nから11Nの範囲が必要です。これも、PVセル(効率が高く[電気出力]が高く、一般的に長持ちするセル)で一般的に使用されます。11Nのような最高級のものは、半導体の製造にも使用されます。

FBRは、最大11Nの純粋なシリコンを製造することができます。しかし、得られるシリコンの純度が高ければ高いほど、シリコンシードの処理中に汚染が最小限に抑えられる(例えば、10億分の1が低い)ことが重要になります。MPEが世界をリードしている精密な粒子径の縮小は、FBR内部の流体力学にとって極めて重要です。FBRの内部を想像する一つの方法は、固体(シリコンシード)とガス(水素とシラン)が液体のように一緒に移動する環境を作ることです。したがって、シリコンシードの精密な粒度の縮小は、FBRを成功裏に動作させるために、できるだけ汚染を少なくし、工業規模の速度で正確に行う必要があります。

How FBRs Work, and MPE’s Significance Behind FBRs

FBRは、シランガスと水素を、高度に精製された小さなシリコンシード材料とともにチャンバーに送り込むことによって機能します。FBR内では、シランが分解され、シリコン原子がシードに沈着し、その結果、高純度シリコン(最大11N)のより大きな顆粒が得られます。

大きい方のシリコン顆粒は、底部でFBRから出ます。これらの顆粒のほとんどは製錬プロセスに運ばれます。しかし、少量のシリコン顆粒は、MPE Gran-U-Lizerを使用して、製品ストリームから再びシリコンシードになるように転用されます。このプロセスは、シーメンス法などの他の精製方法と比較して、はるかにエネルギー効率が高くなります。FBRの利点はいくつかの方法で実現されます。世界のより多くの地域でシリコン精製プラントを運用できるようになり、太陽電池や半導体などのシリコンベースのエンドユーザー製品のコストが削減され、環境外部性が減少します。

当社のシリコン用精密粒子径縮小装置の詳細については、+1-773-254-3929までお電話いただくか、solution@mpechicago.com まで電子メールでお問い合わせください。

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