高纯度硅研磨

Categories
BY Edmund Sinnott | 31 7 月, 2023 | 个案研究 , 食品、化学和矿物
 
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 设计的 Gran-U-Lizer 具有特殊的陶瓷辊和有色金属产品接触面，用于硅的粉碎工艺，其用途非常出色，原因有两个：

  1. 它将硅颗粒缩小成 狭窄 的粒径分布（范围为 200-450 μm），非常适合用于硅种子;这是维持连续 FBR 过程的重要变量之一。
  2. 它保持 产品流的纯度。 正常的粉碎技术会产生不可接受的黑色金属污染物和/或其他非硅元素水平。MPE 的 Gran-U-Lizers 产生的污染物比任何其他粉碎技术都要少得多。这种差异转化为更高纯度的硅，从而为制造商带来更高的盈利能力。

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.

未精炼的二氧化硅（通常为石英）首先被加工成冶金级硅 （MG-Si）。然后将 MG-Si 加工成硅烷气体。然后，流化床反应器 （FBR） 在 MPE 造粒机的帮助下，将硅烷气体、硅籽和氢气结合，生产超纯硅片。然后硅片被熔炼成锭并切割成晶片。这些芯片最终用于太阳能电池、相机传感器和计算机芯片等许多产品中。

What are FBRs?

FBR 是一种相对较新的精炼技术，可将硅烷气体 （SiH4） 和硅种子 （Si） 转化为纯度为 99.9999%（或更高）的硅颗粒。然后，生产商将从 FBR 工艺中产生的硅颗粒冶炼成锭。计算机芯片、CPU、图像传感器和光伏电池的制造商将这些锭切割成晶片以制造他们的产品。

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 是西门子方法（也称为西门子工艺）的一种很有前途的替代方案，西门子方法是一种更常见的制造技术，用于生产精炼硅以制造铸锭。西门子方法是一项相对成熟的技术，而 FBR 最近才被大规模使用。

使这两种技术与众不同的一个关键因素是它们的能源使用。西门子方法消耗大量能源，因此这些类型的设施只有在电力充足且价格低廉的地方才能盈利。相比之下，与西门子方法相比，FBR 生产相同数量的硅所消耗的能源减少了 90%。较低的电力消耗意味着 FBR 可以在许多国家和地区盈利地运营，否则在这些国家和地区运营不会盈利。此外，FBR 还产生许多环境效益。

Why would producers choose the Siemens method over FBRs?

FBR 难以扩展和作。工厂工程师最近才开始克服 FBR 放大的挑战，FBR 依赖于 连续 过程中发生的流体动力学，而不是像西门子方法那样的批处理过程。由于 FBR 技术最近才进入市场，并且需要大量的前期投资，因此在 本文发表时，FBR 仅占硅产量的 5%。

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

The Silicon market and importance of purity

精炼厂成功（即盈利能力）的部分原因是他们能够生产高纯度的硅，即使不仅仅是尽可能高纯度的硅。例如，更高纯度的硅可用于效率更高的太阳能电池，从而产生更大的电力输出和产品寿命。

基于纯度的精炼硅的常见用途是：

  • 多晶硅通常至少为 “6N” 纯度（一个行业术语，因为六位数字：99.9999%）。这通常用于 PV 电池，因此也可以称为太阳能级硅 （SiSG）。
  • 单晶硅（也称为单晶硅）需要 9N 到 11N 的范围。这也常用于 PV 电池（具有更高的效率 [即电力输出] 并且通常使用寿命更长）。最高等级的 11N 也用于制造半导体。

FBR 能够制造高达 11N 的纯硅。然而，所得硅的纯度越高，在硅种子加工过程中，将重要 污染 保持在最低限度（例如，十亿分之几）就越重要。精确 粒径减小，其中 MPE 是卓越的世界领导者，对 FBR 内部的流体动力学至关重要。想象 FBR 内部的一种方法是创造一个固体（硅种子）和气体（氢和硅烷）像 液体一样一起移动的环境。因此，必须以工业规模的速度准确、尽可能少地减小硅籽的精确粒径，以成功运行 FBR。

How FBRs Work, and MPE’s Significance Behind FBRs

FBR 的工作原理是将硅烷气体和氢气与小型高度纯化的硅种子材料一起泵入腔室。在 FBR 内部，硅烷分解，硅原子沉积在晶种上，结果是更大的高纯度硅颗粒（高达 11N）。

较大的硅颗粒从底部离开 FBR。这些颗粒中的大多数被带到冶炼过程中。然而，使用 MPE Gran-U-Lizer 将少量硅颗粒从产品流中转移出来，再次成为硅种子。与其他精炼方法（例如西门子方法）相比，该工艺的能源效率要高得多。FBR 的好处可以通过多种方式实现;世界上更多的地区能够运营硅精炼厂，从而降低了太阳能电池和半导体等硅基最终用户产品的成本，并减少了环境外部性。

要了解有关我们的硅工程粒度减小设备的更多信息，请致电 +1-773-254-3929 或发送电子邮件至 solution@mpechicago.com。

分享本文