"SILICON FROM SAND" – STAGE OF DEVELOPMENT OF SEMICONDUCTOR SILICON TECHNOLOGY: EXPERIENCE AND PROSPECTS

Keywords: quartz sand, polycrystalline silicon, energy efficiency, chlorination

Abstract

On the basis of the analysis of modern methods of obtaining semiconductor silicon, critical factors affecting the prospects of the industry's development are identified – these are the problems of raw material supply and the high energy intensity of production processes. As an alternative solution, a method of obtaining semiconductor-quality silicon directly from quartz sand is proposed, which excludes the use of expensive, scarce quartzites and charcoal. Ensuring the energy efficiency of the method is carried out due to the exclusion from the technology of the multi-tonnage, energy-intensive process of carbothermic reduction of quartzites in ore-thermal furnaces (stage of obtaining metallurgical silicon, temperature up to 2000°С, 12 17 MW∙g/t), exclusion from further technologies of methods of high-energy-consuming operations of distributive condensation of PGS (temperature below 60°C), explosive high-temperature hydrogen chloride synthesis process (temperature up to 2300°C), as well as operations of high-temperature hydrogenation of silicon tetrachloride (temperature ~ 1270°C). The advantage of the new technology is also the possibility of disposal of man-made waste from the abrasive, electrode industry, organic silicon and other silicon-containing waste. Activation of the charge composition in the solid phase ensures its effective low-temperature chlorination in the mine chlorinator. Further stages of the technology are rectification purification of silicon tetrachloride, low-temperature hydrogenation to obtain silanes, gradual separation of PGS components (mixture of silanes, hydrogen chloride, hydrogen). The new technology provides the possibility of further production of polycrystalline silicon rods using the following methods: pyrolysis of monosilane (Dupon process), hydrogen reduction of silicon (CVD process), or granular silicon (pyrolysis of monosilane in a pseudo-liquefied layer of silicon particles – Dassel process). The use of low-energy-intensive processes for the production and purification of silanes, the utilization and reversal of intermediate technological products in the new technology opens up the possibility of variable use of known technologies in relation to the current demands of consumers for the quality of polycrystalline silicon.

References

1. Green New Dealfor Europe (2019) EditionII, предисловие Энн Петтифори Билл Мак Киббен. URL: https://report.gndforeurope.com/
2. Европейский зеленый курс: формирование будущего Восточного Партнерства. Экологическая политика стран Восточного партнерства в условиях ЕЗК. Аналитический документ. Авторский коллектив: Андрусевич Андрей, Андрусевич Наталия, Козак Зоряна, Мищук Зоряна. Ресурсно-аналитический центр «Общество и окружающая среда». 2020. 64 с.
3. Зеленый курс Европы – тревога и неопределенность Украины. Владимир Панченко. 24.03.2021. URL: https://zn.ua/macrolevel/zelenyj-kurs-evropy-trevoha-i-neopredelennost-ukrainy.html
4. Фалькевич Э. С., Пульнер Э. О., Шварцман Л.Я., Червоный И. Ф., Яркин В. Н., Салли И. В. Технология полупроводникового кремния Москва: Металлургия. 1992. 408 с. URL: http://chemteq.ru/library/inorganic/2072.html
5. Яркин В. Н., Кисарин О.А., Критская Т.В. Методы получения трихлорсилана для производства поликристаллического кремния. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 2021. Т. 24. № 1. C. 5–26.
6. Аркадьев Андрей Анатольевич Разработка способов синтеза трихлорсилана при повышенном давлении: Диссертация канд. техн. наук: 05.17.01. 2005. 139 с.
7. Bakay Carl (1976). James Process for making silane. Bakay Carl James. United States Patent 3.968.199, July 6, 1976.
8. Antonio L. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering / Antonio Luque (Editor), Steven Hegedus. John Wiley & Sons, 2011. P. 1162.
9. REC-ASA– REC weiterenAnstieg der Production von Polysilicium in bestehenden Anlagen, 20.09.2006. URL: http://www.recgroup.com/default.asp%3F,
10. REC-ASA-Quebec für künftige Silizium Erweiterung Gew, http://www.presseecho.de/finanzen/NA87331252844.htm 64.Solar.
11. W.C. Brenemann, H.J. Dawson A Comparsion of the Trichlorsilane and Silane Routes in the Purification of Metalurgical Grade Silicon to Semiconductor Quality/ Silicon for the Chemical Industry IV. Geiranger. Norway.June 3-5. 1998. /Ed.: Н.АШуе, H.M. Rong, L. Nygaard, G. Schlussler, J.Kr. Tuzet. Trondheim. Norway. 1998. p.101-112.
12. Червоный И.Ф., Реков Ю.В., Головко О.П., Егоров С.Г., Головко Ю.В., Воляр Р.Н. Основы технологии поликристаллического кремния [Электронный ресурс]. URL: https://www.sworld.com.ua/simpoz1/98.htm
13. Критская Т.В., Колобов Г.А. Рафинирование кремния. (Сообщение 2). Металургия, 2010. Вип 21. С.99-104
14. Борисов В.А., Дьяченко А. Н., Кантаев А. С. Определение оптимальных параметров сублимационой очистки гексафторосиликата аммония от примесей. Известия Томского политехнического университета, 2010. Т.317. №3. C. 73-76.
15. Будівельні матеріали. Пісок кварцовий. Технічні умови ДСТУ Б В.2.7-131:2007. URL: https://dnaop.com/html/59354/doc-ДСТУ_Б_В.2.7-131_2007
16. Брагина Л. Л. Машкин В.В., Яицкий С.Н. Использование кварцевых песков месторождений харьковской области при производстве флоат-стекла. Міжнародна науково-практична студентська конференція магістрантів : тези доп. міжнар. наук.-практ. конф. (м. Харків, 05–08 квіт. 2016 р.). Харків, 2016. Ч. 2. С. 239–240.
17. Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния. Днепропетровск: НМетАУ. 2011. 487 с.
18. Прутцков, Д. В., Криворучко Н. П. Новые технические решения в производстве тетрахлорида кремния. Цветные металлы. 2013. № 11. С. 62–64.
19. Прутцков Д. В., Шварцман Л.Я., Криворучко Н.П. Перспективы интенсификации процесса хлорирования кварцевого песка. Цветные металлы, 2015. №1. С. 57-60.
20. Прутцков Д. В., Криворучко Н.П. Опыт переработки кремнийсодержащих отходов производства органохлорсиланов. Цветные металлы. 2013. № 3. С. 52–56.
21. Прутцков, Д. В., Лебедев В.Н., Криворучко Н.П. Опыт использования брикетированных материалов в электротермии. Цветные металл, 2008. №1. С. 63.
22. Прутцков Д. В., Криворучко Н.П Опыт освоения технологии выплавки кремния с применением SiC-содержащих материалов. Цветные металлы, 2010. №12. С. 53-55.
23. Міжнародний патент WO2015199636A1 Способ получения поликристаллического кремния // Шварцман Л. Я., Прутцков Д. В. , Додонов В. Н., Меркер Р. К. Опубл. 06.03.2014р.
24. Бородуля В. А., Виноградов Л. М., Гребеньков А. Ж., Михайлов А. А. Синтез карбида кремния в электротермическом реакторе с кипящим слоем углеродных частиц. Горение, плазмохимия, 2015. Т.13. №2, С. 92-102.
25. Дрожжев В. И., Ильичев В.А. Переработка титан-кремниевых концентратов методом хлорирования. Металлургия и химия титана, 1968. Т.2. С. 105 – 110.
26. Дрожжев В. И., Ильичев В.А. Хлорирование титан-кремниевых концентратов. II Всесоюзное совещание по хлорной металлургии редких элементов и титана. Гиредмет, 1969.
27. Пат. UA 107606 Спосіб одержання полiкристалiчногокремнiю водневим відновленням трихлорсилану. Опубліковано: 10.06.2016. Автори: Шварцман Л. Я., Баженов Є. В., Троценко Е. А. 28. Шварцман Л.Я., Троценко Э.А., Баженов Е.В., Додонов В.Н. Процесс водородного восстановления трихлорсилана в многостержневых реакторах получения поликристаллического кремния – новые возможности управления для традиционных технологи. Современные проблемы металлургии. Национальная металлургическая Академия : Днепропетровск, 2014. №17. С. 84-92.
29. Шварцман Л. Я., Троценко Э.А., Баженов Е.В., Баженов П.Е. Оценка способов измерения скорости осаждения кремния, как условия обеспечения адекватности модели для управления Siemens-Реактором. Системные технологии. НМетАУ. Днепропетровск, 2015. №4 (99). C. 109 – 120.
30. Электролиз соляной кислоты. Экологически чистое производство хлора. Проспект фирмы Thyssen Krupp Uhde Chlorine Engineers, Германия. URL: http://www.tkisrus.com/assets/pdf/brochures/ru/TKIS-HCL-Electrolysis-ru.pdf
31. Богатырева Е. В. Развитие теории и практики эффективного применения механоактивации в технологии гидрометаллургического вскрытия кислородсодержащего редкометалльного сырья. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов, 2015. 332 с.
Published
2024-05-10
How to Cite
Kritska, T., & Bazhenov, Y. V. (2024). "SILICON FROM SAND" – STAGE OF DEVELOPMENT OF SEMICONDUCTOR SILICON TECHNOLOGY: EXPERIENCE AND PROSPECTS. Scientific Journal "Metallurgy", (2), 95-111. https://doi.org/10.26661/2071-3789-2023-2-12