Minería y refinación: silicio puro y el increíble esfuerzo que necesita para llegar allí

Si no fuera por la delgada cuenca de agua y vida basada en carbono que lo cubre, nuestro planeta natal podría haber sido mejor conocido como el "Mundo de Silicona". Más de una cuarta parte de la masa de la corteza terrestre es silicio y, junto con el oxígeno, los minerales de silicato forman aproximadamente el 90% de la delgada corteza de roca que flota sobre el manto terrestre. El silicio es la piedra angular de nuestro mundo y es literalmente tan común como la suciedad.

Pero el hecho de que tengamos mucho no significa que tengamos mucho en su forma pura. Y solo en su forma más pura, el silicio se convierte en lo que llevó a nuestro mundo a la era de la información. Sin embargo, el silicio elemental es muy raro, por lo que la obtención de cantidades considerables del metaloide lo suficientemente limpias para ser útil requiere algunas operaciones de extracción y refinación que consumen mucha energía y recursos. Estas operaciones utilizan una química bastante interesante y algunos trucos ingeniosos, y cuando se amplían a niveles industriales, presentan desafíos únicos que requieren cierta ingeniería de habilidades para lidiar con ellos.

Duro como el rock

La materia prima para la mayor parte de la producción de silicio es el mineral cuarcita. La cuarcita proviene de antiguos depósitos de arenas de cuarzo que formaron depósitos sedimentarios. Con el tiempo y con el calor y la presión, estas areniscas de cuarzo se han transformado en la cuarcita de roca metamórfica, que tiene al menos un 80% de cuarzo en volumen.

Cuarcita. Fuente: Geology.com

La cuarcita es una roca increíblemente dura, y donde alcanza su punto máximo sobre la superficie, forma crestas que resisten fuertemente la intemperie. Las formaciones de cuarcita importantes se encuentran dispersas por todo el mundo, pero hay relativamente pocos lugares donde tiene sentido financiero romper la roca para la producción de silicio, ya que las formaciones deben ser fácilmente accesibles y relativamente cerca de las otras materias primas y el suministro de energía necesarios. .

La cuarcita bruta es principalmente dióxido de silicio (SiO2) y el proceso de refinado comienza con una reacción de reducción para eliminar el oxígeno. La cuarcita triturada se mezcla con carbón en forma de coque (carbón que se ha calentado en ausencia de oxígeno). También se añaden trozos de madera a la carga; sirven como fuente de carbono y como agente de volumen físico que permite que los gases y el calor circulen mejor en el horno.

Los hornos de arco para fundir silicio son instalaciones masivas con enormes electrodos de carbono. Los electrodos se consumen durante la fusión, por lo que se atornillan nuevos electrodos en la parte superior de los electrodos de corriente para garantizar que el proceso no se interrumpa. El horno de arco requiere grandes cantidades de electricidad para mantener la temperatura requerida de 2000 ° C, por lo que las refinerías de silicio se encuentran a menudo donde la electricidad es barata y abundante.

Las reacciones de reducción dentro de la zona de fusión son en realidad bastante complicadas, pero se pueden resumir en dos reacciones principales:

En ambas reacciones, el oxígeno del dióxido de silicio se combina con el carbono para formar el principal residuo, el monóxido de carbono. Una reacción secundaria que ocurre en parte de la zona de fusión dentro del horno produce carburo de silicio (SiC), que es un subproducto no deseado (al menos cuando el propósito es limpiar el silicio; el carburo de silicio en sí mismo es un abrasivo industrial útil). Asegurándose que el dióxido de silicio esté mucho más en el horno, se favorece la segunda reacción en la que el SiC actúa como fuente de carbono para la reducción del dióxido de silicio, y se puede extraer silicio con una pureza de hasta el 99% del fondo del. horno.

El silicio producido por este proceso se conoce como silicio metalúrgico. Para casi todos los usos industriales, este silicio altamente purificado es bastante bueno. Aproximadamente el 70% del silicio metalúrgico se destina a la fabricación de aleaciones metálicas como el ferrosilicio y al silicio de aluminio, una aleación que se contrae mínimamente al enfriarse y, por lo tanto, se utiliza para fundir bloques de motor de aluminio y componentes similares.

Más nueve

El monosilano es el silicio equivalente al metano. En el triclorosilano, tres de los hidrógenos son reemplazados por cloro. Fuente: WebElements

Tan útil como es el silicio metalúrgico, incluso al 99% de pureza, ni siquiera se acerca a la pureza requerida para semiconductores y aplicaciones fotovoltaicas. Los siguientes pasos en la purificación llevan el silicio al nivel de pureza necesario para la fabricación de semiconductores. La purificación comienza mezclando silicio metalúrgico en polvo con ácido clorhídrico gaseoso caliente. Esta reacción produce silanos, que son compuestos con un átomo de silicio central rodeado por cuatro aditivos, en este caso tres átomos de cloro y uno de hidrógeno. Este triclorosilano es un gas a la temperatura dentro de la cámara de reacción, lo que facilita su manipulación y limpieza mediante destilación fraccionada.

Una vez que el gas triclorosilano se ha purificado suficientemente, puede comenzar la producción de silicio policristalino. El proceso de Siemens es el método principal aquí y es una forma de deposición de vapor químico. Una gran cámara de reacción en forma de campana contiene varias hebras delgadas de silicio altamente purificado, que se calientan a 1150 ° C al pasar una corriente eléctrica. Una mezcla de triclorosilano gaseoso e hidrógeno fluye hacia la cámara; el gas se pudre en el electrodo caliente dejando atrás el silicio, que se afila en varillas de unos 15 cm de diámetro. El silicio policristalino elaborado mediante el proceso de Siemens puede tener una pureza del 99,99999% ("siete nueves" o 7N) o más. El polisilicio de 7N a 10N se usa principalmente para células fotovoltaicas, aunque algo de polisilicio en ese rango de limpieza también lo convierte en semiconductores MOSFET y CMOS.

Varillas de polisilicio de la cámara de proceso de Siemens. Fuente: Silicon Products Group GmbH

Si bien el proceso de Siemens es el caballo de batalla del polisilicio, tiene sus desventajas. El principal problema es que es un cerdo enérgico: mantener los palos policristalinos en crecimiento lo suficientemente calientes como para descomponer la materia prima requiere mucha electricidad. Para solucionar este problema, a veces se utiliza un proceso de reactor de lecho fluidizado (FBR). Un reactor FBR tiene la forma de una torre alta, cuyas paredes están cubiertas con un tubo de cuarzo. Silangas, o el conocido triclorosilano o monosilano, que es solo un átomo de silicio rodeado por cuatro hidrógenos, se inyecta en la cámara. El silicio en polvo se deja caer en la cámara de reacción desde la parte superior, mientras que el gas hidrógeno caliente se inyecta en el fondo de la cámara a través de una serie de boquillas. La corriente de gas mantiene fluidizado el polvo de silicio caliente, lo que le permite mezclarse con el gas de ensilaje y descomponerlo. Al igual que en el proceso de Siemens, el silicio se acumula en el material particulado, que luego se vuelve demasiado grande para que el lecho fluidizado lo soporte. Las perlas de silicio policristalino caen al fondo de la cámara, donde pueden recogerse.

Además del ahorro de energía, hasta un 90% menos cuando se usa monosilano como materia prima, la principal ventaja del método FBR es que es un proceso continuo, ya que las perlas preparadas solo se pueden bombear fuera de la cámara. El proceso de Siemens es más un proceso de bateo, ya que la cámara del reactor debe abrirse para quitar las varillas de polisilicio cuando estén terminadas. Dicho esto, el polisilicio FBR realmente no ha despegado, en parte porque la gestión de la dinámica de fluidos dentro de la cámara de reacción puede ser difícil. Pero la razón principal es que el proceso de Siemens es tan fácil, y siempre que las fábricas se puedan ubicar cerca de una fuente de electricidad barata, es simplemente más fácil utilizar el método de fuerza bruta.

Producción de polisilicio por el proceso Siemens y reactor de lecho fluidizado. Fuente: Bernreuter Research

Solo un cristal, por favor

Usando cualquiera de estos métodos, el silicio policristalino se puede llevar a una pureza extremadamente alta, hasta 11N. Pero la limpieza no es la única métrica del silicio; a veces, la naturaleza de la estructura cristalina del producto final es tan importante como la pureza. El siguiente paso en la producción de silicio es la creación de silicio monocristalino, donde todo el lingote de silicio es un solo cristal.

Cultivar un solo cristal de silicio ultrapuro a un tamaño que sea industrialmente útil no es un mal logro, y depende de una serie de trucos descubiertos en 1916 por el químico polaco Jan Czochralski. Anteriormente hemos cubierto en profundidad el método de Czochralski, pero brevemente, el silicio policristalino se fusiona en un crisol de cuarzo en una atmósfera inerte. Una varilla que lleva un único cristal de silicio ultrapuro que está orientado con mucha precisión se baja al silicio fundido. El cristal semilla hace que el silicio se condense, manteniendo la estructura cristalina a medida que la varilla se retira lentamente del horno girando. Con el método Czochralski son posibles lingotes monocristalinos de hasta 450 mm de diámetro.

Otro método para producir silicio monocristalino es el método de la zona de flotación, que utiliza una varilla de silicio policristalino como material de partida. Dentro de una cámara de reacción con una atmósfera de gas inerte, se pasa una señal de radiofrecuencia a través de una bobina que rodea la varilla. La señal de RF calienta el polisilicio, creando una zona de fusión limitada. Se agregan monocristales de silicio ultra puro a la zona de fusión, lo que hace que el silicio fundido cristalice a su alrededor. La bobina de RF se mueve lentamente hacia arriba a lo largo de la varilla, moviendo la zona de calentamiento hasta que toda la varilla es un solo cristal de silicio. El silicio monocristalino de la zona de Flos tiene la ventaja de no estar nunca en contacto con las cuatro paredes del crisol del método de Czochralski y, por lo tanto, tendrá menos contaminación de oxígeno y otras impurezas.

Matías Jiménez
Matías Jiménez

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