如愁工作坊

 

"Karelin-Process" （卡列林法）－半導體多晶矽生產之新方法
高純度矽是21世紀現代工業和新興工程的主要半導體原料。
其實際使用範圍包括：大型和超大型綜合配置製作、微電子學、電力電子學和太陽能工程。
世界半導體多晶矽的年產量在過去五年中增加了兩倍，達到每年2.4萬噸。
目前超過90%的半導體設備由矽製作而成的，其中包括迅速發展的太陽能設備。
因此，“半導體設備市場”這個詞語也就意味著90%的半導體矽市場或者以矽為基礎的半導體設備市場。
每在矽鋼薄板生產中投入一美元，通過設備生產(“晶片”、微處理器、綜合配置和矩陣設備)就能為廠家至少帶來18-20美元，
如果進一步生產各種電子設備(電腦、電視機、電話、控制部件、感測器、二極體和半導體閘流管等)的儀器結構，
這個數額還可能增加到至少100美元。有必要指出的是，
如果沒有設備市場和半導體設備的基礎半導體多晶矽的生產，就不可能存在半導體原料市場。
在世界範圍內，工業生產的半導體多晶矽是由冶金矽生產而成的。根據氯化技術，
首先使用無水氯氫對碎冶金矽進行氯化，淨化合成氯矽烷中的附帶氯矽烷、多氯矽烷、氧氯矽烷和包含在源冶金矽中各種成分的混合物後，
使用氫對淨化了的氯矽烷進行熱還原(“西門子方法”)或是通過催化劑與甲矽烷進行岐化反應，熱分解(聯合碳化方法)後即生成多晶矽。
科馬特蘇方法通過冶金矽與金屬鎂反應生成矽化鎂，在液態氨環境中，矽化鎂在氯化銨的作用下進行分解，生成甲矽烷。
冶金矽生產半導體多晶矽的方法在技術上比較複雜，生產製作需要大量的資本投入，商業生產的生產費用也頗巨。
而且生產技術，尤其是氯化階段還會產生污染。

俄羅斯專家已開發出另一種更加完美的半導體多晶矽生產的電解法，這種方法被稱為"Karelin- process"（卡列林過程法）。
石英砂或石英礦與含量為97~99.98%，二氧化矽塊在180~200攝氏溫度下乾燥6小時，使最後濕度小於或等於0.1%，
引導乾燥後的矽酸濃縮物與再迴圈氟元素進行氟化反應。
氟化反應分兩個階段進行：首先，源濃縮物進入從第一階段氟化反應的技術氣體中結合大量氟的階段。
之後，這些部分氟化的濃縮物被導入一個噴射反應器中進入氟化階段。
在氣態氟環境下，二氧化矽立即燃燒，反應實際在7-10秒鐘內全部完成。
反應區的溫度達到1500~2000攝氏度，而設備壁的溫度由於經二氧化矽與氟反應的一個絕緣壁流入的水的冷卻作用而保持在150~170攝氏度。
由於基礎反應(1)中釋放出足夠的熱量(Q=168，4 kcal/mole)，
因此不需要從外部加熱。與氟進行(2)和(3)反應後，包括矽酸濃縮物在內的混合物也進行了氟化。
從氟化反應中獲得的技術氣體包括四氟化矽、氧氣、多餘的氟、中等和高揮發性氟混合物、非揮發性氟的粉狀部分和未反應的二氧化矽。
多餘的氟的氣體脫硫發生在源二氧化矽第二階段氟化反應過程中。之後，技術氣體在散熱器中冷卻到100攝氏度，
然後從非揮發性氟的粉狀部分和未發生反應的二氧化矽中進行精密過濾。
收集到的粉狀部分(FeF3、 AlF3、CaF2和SiO2 等)與第一階段氟化反應產生的氟化物渣締合，
並從反應過程中去除出來，作為不含硫磺和磷的助熔劑，以便用於黑色和有色金屬或者水泥工業。
淨化灰塵後，將技術氣體冷卻到零下60攝氏度，以便對中等揮發性的氟化釩、氟化鉬和氟化鉻等進行壓縮。
壓縮後中等揮發性氟化物的氣體精密過濾和從工作迴圈中的去除過程在同樣的溫度下實施。
壓縮氟化物的清除因數不得低於99.99%。淨化所有混合物後，將技術氣體加熱至500攝氏度，
引導從氣體混合物中釋放氧氣，生成高揮發性氟化物，準備電解液，並電解熔化的氟化物，以得到電解純度矽和氣態氟。
氟化鋰(LiF)由於在400～500攝氏度熱量不穩定因此不會生成絡鹽（SiF4）。
在陽極上獲得的氟從電解粉狀部分過濾出來，並導向自我再迴圈與源矽濃縮物發生氟化反應。
從電解池移除後，帶電解質的粉末狀矽的冷卻混合物進行電解質殘餘的矽粉分離和清洗。
清洗後的矽粉在惰性環境下乾燥，清洗後的矽粉在惰性環境下乾燥，
並在粉末表面清洗時浸洗處理或者在夸脫安瓿中再次熔化後導向再實現。
隨著電解氟化鹽在電解池中恢復，清洗氟化物溶液曝露在再生熱量之下。
上述方法生成的多晶矽中包含以下混合物（沒有其他）：
at. sm-3 ppba硼受主混合物濃縮物 (0,2～1,5)*1013 0,04～0,3磷寄主混合物濃縮物　 (0,3～1,5)* 1013 0,06～0,3碳濃縮物　　　　 (7,4～9,9)*1015 150～200混合物容積和表面濃縮物 (0,5～1,3 )*l015 10～25(Al, Fe, Cu, Ni, Cr, Zn Na, K, Li, W, Mo, Ti)
宣佈的多晶半導體矽生產方法有以下優點： 完全避免了向工業廠房和大氣中傾倒有毒化學物質；
 技術方法密封，實際上避免了從外部使用反應物（無反應物技術）； 省去了爆炸過程；
 簡化了非標準設備的生產；  高設備生產能力； 設備具有高防腐蝕性，10－15年內不用大修；
 氟化過程易於實現自動化和電腦化； 設備使用柔韌技術，操作簡單迅速，可用多種原材料定制；
 商業產品成本低廉 資本投入低 目前，專家們已經使用實驗室設備在現實條件下對半導體多晶矽進行合成。
精心製作了試驗工業模組的設計，製作需要花費100萬至150萬美元。
與設計機構一道，正在開展半導體多晶矽年產量達2000噸的工業生產投資可行性研究。
成本核算：每生產一噸多晶矽需要消耗電能十萬千瓦小時(度)，
如果按每一千度電的電價是100歐元計算, 生產多晶矽的直接成本為10162歐元/噸,折合為10歐元/公斤，
直接成本包括原料成本，電能消耗以及三氟化鋁(輔料)的成本。但不包括人員工資，稅收等間接消耗。
技術指標：生產的多晶矽純度可達到99.9999%-99.99999%