Кремний кристаллический

Кремний кристаллический — один из ключевых промышленных материалов, востребованный в металлургии, электронике, химической промышленности и солнечной энергетике. Его свойства определяются степенью чистоты и структурой кристаллической решётки: от технического кремния с содержанием Si 96–99 % до сверхчистых монокристаллов для микроэлектроники. Ниже рассмотрены виды, марки, физико-химические характеристики и области применения этого материала.

Общие сведения о кристаллическом кремнии

Кремний (Si, лат. Silicium) — элемент 14-й группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,086. Это второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (около 27,6 % по массе). В свободном виде представляет собой тёмно-серое твёрдое хрупкое вещество с характерным металлическим блеском.

Кристаллический кремний имеет кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза с параметром а = 0,54307 нм. При обычных условиях кремний химически малоактивен благодаря защитной плёнке диоксида кремния (SiO₂) на поверхности. Заметная пластическая деформация начинается лишь при нагревании выше 800 °C. Материал прозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1,1 мкм, что определяет его использование в ИК-оптике.

Физические свойства кремния

Основные физические характеристики кристаллического кремния:

Кремний — непрямозонный полупроводник. Его электрофизические свойства сильно зависят от содержания примесей: введение элементов III группы (бор, алюминий, галлий) обеспечивает дырочную проводимость (p-тип), элементов V группы (фосфор, мышьяк, сурьма) — электронную проводимость (n-тип).

Классификация кристаллического кремния по назначению

Кристаллический кремний различается по степени чистоты и предназначению. В промышленности выделяют три основные категории.

Технический кремний

Технический кремний содержит от 96 до 99 % Si. Его получают карботермическим восстановлением кварцита в руднотермических электропечах при температуре около 1800 °C. Продукт представляет собой блоки поликристаллической структуры. Основные примеси — железо, алюминий и кальций, а также углерод, бор и фосфор. Технический кремний служит сырьём для металлургических производств, синтеза кремнийорганических соединений и дальнейшей очистки до поликристаллического кремния более высокой чистоты.

Кремний солнечного качества

Кремний солнечного качества (SoG-Si — Solar Grade Silicon) — материал с содержанием кремния от 99,999 % (5N) до 99,9999 % (6N). Применяется для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей). Характеризуется средними значениями времени жизни неравновесных носителей заряда и удельного электрического сопротивления. Солнечный кремний получают очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами с последующей перекристаллизацией.

Кремний электронного качества

Кремний электронного качества (EG-Si — Electronic Grade Silicon) — материал наивысшей чистоты. Содержание кремния — не менее 99,9999 % (6N), а для отдельных типов электронных приборов требования достигают 99,9999999 % (9N). Удельное электрическое сопротивление может лежать в диапазоне от 0,001 до 150 Ом·см, но обязательно обеспечивается строго заданной легирующей примесью. Используется для изготовления твердотельных электронных приборов (транзисторов, диодов), интегральных микросхем и фотоприёмников.

Марки технического кремния

Марки и химический состав технического кремния регламентированы стандартом. Массовая доля кремния определяется как разность между 100 % и суммой определяемых примесей.

Дополнительные условия по стандарту:

Для кремния, предназначенного для алюминиево-кремниевых сплавов, допускается массовая доля алюминия до 2,0 % с соответствующим снижением содержания Si. В этом случае к марке добавляется буква А (например, Кр1А). Для кремния, предназначенного для химической промышленности, массовая доля титана — не более 0,2 %.

Виды кристаллического кремния по структуре

По кристаллической структуре различают два основных вида кремния, каждый из которых находит своё применение.

Поликристаллический кремний

Поликристаллический кремний (поликремний) — наиболее химически чистая форма промышленно производимого кремния-полуфабриката. Его получают очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами. Поликремний бывает электронного и солнечного качества. Из него методами направленной кристаллизации или зонной плавки получают монокристаллический кремний и мультикристаллический кремний (мультикремний). Мультикремний широко применяется при изготовлении солнечных элементов, а поликремний электронного качества — для выращивания монокристаллов методом Чохральского или бестигельной зонной плавки.

Монокристаллический кремний

Монокристаллический кремний (монокремний) — кремний с упорядоченной однородной кристаллической структурой по всему объёму слитка. Выращивается методом Чохральского (тигельный) или методом бестигельной зонной плавки. Монокремний тигельный может быть как электронного, так и солнечного качества; бестигельный — только электронного. Применяется в полупроводниковой промышленности для изготовления кремниевых пластин (подложек), на которых формируют интегральные микросхемы, дискретные полупроводниковые приборы, фотоприёмники, а также в оптике — для элементов, работающих в инфракрасном диапазоне, и зеркал газовых лазеров.

Применение технического кристаллического кремния

Технический кремний марок Кр00–Кр3 востребован в нескольких основных направлениях промышленности:

Металлургия и производство сплавов

Кремний — важный легирующий компонент и раскислитель. В чёрной металлургии его применяют для раскисления стали, повышения её предела текучести, ударного сопротивления и упругости. Добавка кремния при выплавке трансформаторных сталей снижает коэрцитивную силу ферромагнитного материала. В цветной металлургии кремний входит в состав алюминиево-кремниевых литейных сплавов (силуминов), улучшая литейные свойства и повышая прочность отливок. Также кремний является компонентом кремнистых бронз, обладающих повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью. Близкое по назначению применение находит ферросилиций — сплав железа с кремнием, используемый как ферросплав в сталеплавильном производстве.

Химическая промышленность и кремнийорганика

Технический кремний служит исходным сырьём для синтеза кремнийорганических мономеров и полимеров (силиконов), которые применяются в производстве герметиков, смазок, покрытий и изоляционных материалов. Также кремний используется для получения силицидов, карбида кремния (SiC) — высокотвёрдого абразивного и огнеупорного материала, а также нитрида кремния (Si₃N₄) — конструкционной керамики, стойкой к окислению и химическим воздействиям.

Электроника и солнечная энергетика

Кристаллический кремний — основной материал полупроводниковой промышленности. Из монокристаллов высокой чистоты изготавливают пластины-подложки для интегральных микросхем, транзисторов, диодов, тиристоров. Мульти- и монокристаллический кремний солнечного качества используется при изготовлении фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей). Активно развивается направление использования кремния в виде тонких плёнок (эпитаксиальных слоёв) кристаллической и аморфной структуры на различных подложках.

Формы поставки кристаллического кремния

Технический кремний поставляется в различных формах в зависимости от требований потребителя:

Кремний упаковывают в деревянные ящики, металлические барабаны или бочки. Допускается транспортировка навалом в открытых вагонах. Упакованный кремний хранят в крытых помещениях; при транспортировке навалом — под навесом или в крытых помещениях. Масса партии — не более 75 т.

Контроль качества и приёмка

Кремний принимают партиями. Каждая партия сопровождается документом о качестве, содержащим марку, номер партии, массу, результаты химического анализа и дату формирования. Для определения массовых долей компонентов отбирают объединённую пробу в количестве не менее 0,1 % массы партии. В каждой партии определяют содержание железа, алюминия и кальция. Поверхность кусков не должна содержать включений шлака, песка и других инородных материалов, видимых невооружённым глазом.

Условия поставки

Поставляем кремний кристаллический требуемой марки и фракционного состава с доставкой по всей России. Форма поставки, объём партии и условия отгрузки — по согласованию. Каждая партия сопровождается документом о качестве. Для получения подробной информации и оформления заявки свяжитесь с нами через контактную форму сайта или по телефону.