Металевий кремнійсорти характеризуються «числовими кодами», що представляють максимально допустимий вміст (у частках на десять тисяч) заліза (Fe), алюмінію (Al) і кальцію (Ca). Відповідність і стандартна основа основних сортів є такими (див. GB/T 2881-2014 та ASTM E478-22):
| Металевий кремній | Fe (Fe) Максимальний вміст | Al (Алюміній) Максимальний вміст | Максимальний вміст кальцію (Ca). | Загальний вміст домішок Максимальний вміст | Застосовні сценарії та основні вимоги |
| 1101 | 0,1% (100 ppm) | 0,1% (100 ppm) | 0,01% (10 ppm) | Менше або дорівнює 0,22% | Висока провідність, низькі дефекти (напівпровідники, фотоелектричні) |
| 2202 | 0,2% (200 ppm) | 0,2% (200 ppm) | 0,02% (20 ppm) | Менше або дорівнює 0,44% | Прецизійна електроніка, високо-силікон |
| 3303 | 0,3% (300 ppm) | 0,3% (300 ppm) | 0,03% (30 ppm) | Менше або дорівнює 0,63% | Високоякісний-силікон, спеціальні сплави |
| 441 | 0,4% (400 ppm) | 0,4% (400 ppm) | 0,1% (100 ppm) | Менше або дорівнює 0,9% | Автомобільні алюмінієві сплави, загальне лиття |
| 553 | 0,5% (500 ppm) | 0,5% (500 ppm) | 0,3% (300 ppm) | Менше або дорівнює 1,3% | Архітектурні алюмінієві сплави, розкислення звичайної сталі |
Примітка:ppm – частки на мільйон, 1%=10000ppm; міжнародні класи (такі як ASTM) мають дещо інші вирази, але логіка кодування домішок узгоджена.
Механізм впливу основних домішок на властивості металевого кремнію
(1) Залізо (Fe): вплив серцевини на електричні властивості та міцність сплаву
Механізм:Залізо утворює інтерметалічні сполуки, такі як FeSi₂ і Fe3Si в металевому кремнії. Ці сполуки є напівпровідниковими або провідними фазами, які руйнують цілісність решітки кремнію, що призводить до значного збільшення питомого опору (наприклад, коли вміст заліза збільшується від 100 ppm до 500 ppm, питомий опір металевого кремнію зростає з 2000 Ом・см до понад 8000 Ом・см). Відмінності в галузі адаптації:
Напівпровідник/фотоелектричне поле:Fe потрібно контролювати нижче 100 ppm (наприклад,Кремній металевий марки 1101), інакше це призведе до скорочення терміну служби носія в кремнієвих пластинах і зниження на 0,5%-1% ефективності перетворення фотоелектричних елементів;
Поле алюмінієвого сплаву:Відповідна кількість Fe (300-500 ppm) може утворити дисперсну зміцнюючу фазу, покращуючи міцність сплаву, але перевищення 800 ppm призведе до утворення грубої фази FeAl₃, що призведе до зниження міцності сплаву на 20-30% і легкого розтріскування під час обробки.
(2) Алюміній (Al): Вимоги до характеристик і провідності балансуючого сплаву
Механізм впливу:Алюміній утворює твердий розчин Al-Si з кремнієм, покращуючи текучість лиття та міцність сплаву. Однак атомний радіус алюмінію суттєво відрізняється від атомного радіуса кремнію, і твердий розчин спричинить спотворення решітки, зменшуючи провідність. Відмінності в галузевій сумісності:
Автомобільні алюмінієві сплави (наприклад, сплав 6061 для коліс): Металевий кремній марки 441(Al Менше або дорівнює 400 ppm). Алюміній і кремній синергетично оптимізують ефективність лиття, підвищуючи рівень кваліфікації формування круга на 10%-15%.
Електротехнічні алюмінієві сплави (наприклад, сплав 1350 для проводів і кабелів):Оцінки нижче2202 Металевий кремній(Al Менше або дорівнює 200 ppm) має бути обрано; інакше провідність падає з 62% IACS до нижче 58% IACS, що не відповідає вимогам ефективності передачі електроенергії.
(3) Кальцій (Ca): впливає на хімічну стабільність і сумісність процесу.
Механізм впливу:Кальцій міститься в металевому кремнії у вигляді CaSi₂, виявляє сильну хімічну реакційну здатність і легко реагує з киснем, сіркою та іншими елементами з утворенням сполук із --температурою плавлення (наприклад, CaO・SiO₂, температура плавлення 1464 градуси). Відмінності в галузевій сумісності:
Кремнійорганічний синтез:Вміст Ca необхідно контролювати нижче 30 ppm (наприклад,Металевий кремній марки 3303), інакше він буде каталізувати побічні реакції, що призведе до нерівномірного розподілу молекулярної маси кремнійорганічного полімеру та зниження міцності на розрив на 15%-20%.
Розкислення сталі:Відповідна кількість Ca (100-300 ppm) може покращити текучість розплавленої сталі та збільшити швидкість десульфурації на 10%-15%, але рівні, що перевищують 500 ppm, утворять тверду та крихку фазу CaC₂, зменшуючи ударну в’язкість сталі.
(4) Мікродомішки (фосфор, бор): «фатальний вплив» у -полях високого класу
Фосфор і бор вважаються «критично слідовими домішками» в металевому кремнії. Навіть у концентраціях нижче 1 ppm вони можуть значно змінити продуктивність:
У галузі напівпровідників:Бор є легуючою добавкою P-типу, а бор є легуючою добавкою N-типу. Сліди домішок можуть спричинити неконтрольовану провідність кремнієвих пластин, зменшуючи вихід мікросхем більш ніж на 30%. Їх слід контролювати нижче 0,1 ppm (стандарт електронного -металевого кремнію).
У фотоелектричному полі:Концентрації P і бору, що перевищують 0,5 ppm, можуть утворювати центри рекомбінації, зменшуючи час життя фотогенерованого носія. Необхідно використовувати фотоелектричний-металевий кремній (P менше або дорівнює 0,3 ppm, B менше або дорівнює 0,3 ppm).
Процес контролю вмісту домішок і методи виявлення
(1) Основний процес контролю
Очищення сировини:
Кварцовий пісок високої{0}}чистоти (SiO₂ більше або дорівнює 99,9%) і низький{2}}відновник домішок (зола нафтового коксу менше або дорівнює 0,5%) вибираються для зменшення введення домішок із джерела;
Контроль плавки:
Застосовується процес рафінування в дуговій печі. Регулювання положення електрода та атмосфери печі сприяє реакції та відділенню домішок із шлаком. Швидкість видалення Fe та Al може досягати 60% -70%;
Очищення після-обробки:
Металевий кремній-вищого класу (наприклад, електронний) потрібно промити кислотою-(суміш соляної та фтористоводневої кислот) і виплавити у вакуумі. Швидкість видалення мікродомішок більше або дорівнює 99%.
(2) Достовірні методи виявлення
Поширені домішки (Fe, Al, Ca):
Використовується ICP-OES (оптичний емісійний спектрометр з індуктивно зв’язаною плазмою) з межею виявлення 1 част./млн. і похибкою Менше або дорівнює 5%;
Мікродомішки (P, B):
Використовується ICP-MS (мас-спектрометр з індуктивно пов’язаною плазмою) з межею виявлення 0,01 ppm, що відповідає вимогам до напівпровідникових-класів;
Швидке виявлення на-сайті:
Використовується рентгенівська флуоресцентна спектрометрія (XRF), яка завершує скринінг основного вмісту домішок протягом 10 хвилин, що підходить для перевірки якості промислового виробництва.
Рекомендації щодо вибору вмісту домішок для різних галузей промисловості
(1) Напівпровідникова/електронна промисловість
Вимоги до вибору:Використовуйте ступінь чистоти 1101 або вище, Fe менше або дорівнює 100 ppm, Al менше або дорівнює 100 ppm, Ca менше або дорівнює 10 ppm, P менше або дорівнює 0,1 ppm, B менше або дорівнює 0,1 ppm;
Основні вимоги:Забезпечте цілісність решітки та стабільність електричних характеристик, уникаючи поломки пристрою через забруднення.
(2) Фотоелектрична промисловість
Вимоги до вибору:Використовуйте 2202 або фотоелектричний-спеціальний клас, Fe менше або дорівнює 200 ppm, Al менше або дорівнює 200 ppm, Ca менше або дорівнює 20 ppm, P менше або дорівнює 0,3 ppm, B менше або дорівнює 0,3 ppm;
Основні вимоги:Збалансуйте ефективність і вартість перетворення; Вміст домішок повинен відповідати процесам різання кремнієвих пластин і виробництва батарей.
(3) Кремнійорганічна промисловість
Вимоги до вибору:Використовуйте марку 3303 або 441, Fe менше або дорівнює 400 ppm, Al менше або дорівнює 400 ppm, Ca менше або дорівнює 30 ppm;
Основні вимоги:Уникайте побічних реакцій,-які каталізуються домішками, і забезпечте постійну ефективність кремнійорганічних продуктів.
(4) Алюмінієвий сплав/металургійна промисловість
Вимоги до вибору:використанняМеталевий кремній марки 553(Fe менше або дорівнює 500 ppm, Al менше або дорівнює 500 ppm, Ca менше або дорівнює 300 ppm) для виготовлення алюмінієвих сплавів таКремній марки 441для автомобільних алюмінієвих сплавів;
