金属ケイ素の特性と用途

バランス/テレンス・ベル

シリコン金属は、鋼、太陽電池、およびマイクロチップの製造に使用される灰色で光沢のある半導電性金属です。ケイ素は地殻で 2 番目に豊富な元素 (酸素のみに次ぐ) であり、宇宙で 8 番目に多い元素です。地球の地殻の重量の約 30% はシリコンに起因する可能性があります。

原子番号 14 の元素は、石英や砂岩などの一般的な岩石の主成分であるシリカ、長石、雲母などのケイ酸塩鉱物に自然に存在します。半金属（または メタロイド ）、シリコンは金属と非金属の両方の特性を持っています。

水と同じですが、ほとんどの金属とは異なり、シリコンは液体の状態で収縮し、凝固するにつれて膨張します。比較的高い融点と沸点を持ち、結晶化するとダイヤモンド立方晶構造を形成します。半導体としてのシリコンの役割とエレクトロニクスでの使用にとって重要なのは、シリコンが他の元素と容易に結合できるようにする 4 つの価電子を含む元素の原子構造です。

プロパティ

• 原子記号: はい
• 原子番号: 14
• 要素カテゴリ: メタロイド
• 密度: 2.329g/cm3
• 融点: 2577°F (1414°C)
• 沸点: 5909°F (3265°C)
• モース硬度：7

歴史

スウェーデンの化学者 Jons Jacob Berzerlius は、1823 年に最初にシリコンを分離したとされています。Berzerlius は、坩堝内でフッ化ケイ酸カリウムと一緒に金属カリウム (10 年ほど前に分離されたばかり) を加熱することでこれを達成しました。結果はアモルファスシリコンでした。

しかし、結晶シリコンを作るにはもっと時間がかかりました。結晶シリコンの電解サンプルは、さらに 30 年間は作られませんでした。シリコンの最初の商業化された用途は、フェロシリコンの形でした。

ヘンリー・ベッセマーに続き 製鋼産業の近代化 19 世紀半ばに、大きな関心が寄せられました。 鋼 冶金と製鋼技術の研究。 1880 年代にフェロシリコンの最初の工業生産が行われるまでには、シリコンの重要性は 延性 豚で 鉄 そして脱酸鋼はかなりよく理解されていました。

フェロシリコンの初期の生産は、高炉でシリコン含有鉱石を木炭で還元することによって行われ、その結果、シリコン含有量が最大 20% のフェロシリコンである銀色の銑鉄が得られました。

20 世紀初頭の電気アーク炉の開発により、鉄鋼の生産量が増加しただけでなく、フェロシリコンの生産量も増加しました。 1903 年、合金鉄の製造を専門とするグループ (Compagnie Generated'Electrochimie) がドイツ、フランス、オーストリアで操業を開始し、1907 年には米国で最初の商業用シリコン工場が設立されました。

19 世紀末までに商業化されたケイ素化合物の用途は製鋼だけではありませんでした。 1890 年に人工ダイヤモンドを製造するために、エドワード グッドリッチ アチソンはケイ酸アルミニウムを粉末コークスで加熱し、付随的に炭化ケイ素 (SiC) を製造しました。

3 年後、アチソンは彼の製造方法の特許を取得し、研磨製品の製造と販売を目的として、カーボランダム社 (カーボランダムは当時の炭化ケイ素の一般名) を設立しました。

20 世紀初頭までに、炭化ケイ素の導電特性も実現し、この化合物は初期の船舶無線の検出器として使用されました。シリコン結晶検出器の特許は、1906 年に GW ピカードに付与されました。

1907 年、最初の発光ダイオード (LED) は、炭化ケイ素結晶に電圧を印加することによって作成されました。 1930 年代を通じて、シランやシリコーンなどの新しい化学製品の開発に伴い、シリコンの使用が増加しました。過去 1 世紀にわたるエレクトロニクスの成長は、シリコンとその独自の特性とも密接に関連しています。

1940 年代に最初のトランジスタ (現代のマイクロチップの前身) が作成されたのは、 ゲルマニウム 、より耐久性のある基板半導体材料として、シリコンがメタロイドのいとこに取って代わるまでにそう長くはかかりませんでした。 Bell Labs と Texas Instruments は、1954 年にシリコン ベースのトランジスタの商業生産を開始しました。

最初のシリコン集積回路は 1960 年代に作られ、1970 年代までにシリコンを含むプロセッサが開発されました。シリコンベースの半導体技術が現代のエレクトロニクスとコンピューティングのバックボーンを形成していることを考えると、この業界の活動の中心地を「シリコンバレー」と呼ぶのは当然のことです。

（シリコンバレーとマイクロチップ技術の歴史と発展の詳細については、シリコンバレーと題されたAmerican Experienceのドキュメンタリーを強くお勧めします）.最初のトランジスタを発表して間もなく、ベル研究所のシリコンに関する研究は、1954 年に 2 番目の大きなブレークスルーにつながりました。最初のシリコン光起電力 (太陽電池) セルです。

これ以前は、太陽からのエネルギーを利用して地球上で電力を生み出すという考えは、ほとんどの人が不可能だと信じていました。しかし、わずか 4 年後の 1958 年、シリコン太陽電池を搭載した最初の人工衛星が地球を周回しました。

1970 年代までに、ソーラー技術の商用アプリケーションは、オフショアの石油掘削装置や踏切の照明への電力供給などの地上アプリケーションにまで成長しました。過去 20 年間で、太陽エネルギーの使用は指数関数的に増加しました。今日、シリコンベースの太陽光発電技術は、世界の太陽エネルギー市場の約 90% を占めています。

製造

毎年精製されるシリコンの大部分 (約 80%) は、鉄や鉄に使用するフェロシリコンとして生産されます。 製鋼 .フェロシリコンは、製錬所の要件に応じて、15 ～ 90% のシリコンを含むことができます。

の 合金 還元製錬により、サブマージ型電気アーク炉を使用して鉄とシリコンを製造します。シリカを多く含む鉱石や原料炭（原料炭）などの炭素源を破砕し、鉄くずとともに炉に投入します。

1900 を超える温度で ° C (3450 ° F)、炭素は鉱石中に存在する酸素と反応し、一酸化炭素ガスを形成します。一方、残りの鉄とシリコンは結合して溶融フェロシリコンを生成し、炉の底を軽くたたいて集めることができます。冷却して硬化させたフェロシリコンは、出荷され、鉄鋼製造に直接使用されます。

鉄を含まない同じ方法を使用して、純度 99% を超える冶金グレードのシリコンを製造します。冶金シリコンは、鋼の製錬、アルミニウム鋳造合金およびシラン化学製品の製造にも使用されます。

金属シリコンは、鉄の不純物レベルによって分類されます。 アルミニウム 、および合金に存在するカルシウム。たとえば、553 シリコン メタルには、鉄とアルミニウムがそれぞれ 0.5% 未満、カルシウムが 0.3% 未満含まれています。

世界中で毎年約 800 万トンのフェロシリコンが生産されており、中国はこの合計の約 70% を占めています。大規模な生産者には、Erdos Metallurgy Group、Ningxia Rongsheng Ferroalloy、Group OM Materials、Elkem などがあります。

追加の 260 万トンの冶金シリコン (精製されたシリコン金属全体の約 20%) が毎年生産されています。ここでも、中国はこの生産量の約 80% を占めています。多くの人にとって驚くべきことは、ソーラーおよび電子グレードのシリコンが、すべての精製シリコン生産量のほんのわずか (2% 未満) しか占めていないことです。ソーラー グレードのシリコン金属 (ポリシリコン) にアップグレードするには、純度を 99.9999% (6N) の純粋なシリコン以上に上げる必要があります。これは 3 つの方法のいずれかで行われますが、最も一般的なのはシーメンス プロセスです。

シーメンス プロセスには、トリクロロシランとして知られる揮発性ガスの化学蒸着が含まれます。 1150 時 ° C (2102 ° F) トリクロロシランは、ロッドの端に取り付けられた高純度シリコン シード上に吹き付けられます。それが通過すると、ガスからの高純度シリコンがシード上に堆積します。

流動床反応器 (FBR) およびアップグレードされた冶金グレード (UMG) シリコン技術も、太陽光発電産業に適した金属からポリシリコンへと強化するために使用されます。 2013 年には 23 万トンのポリシリコンが生産されました。主な生産者には、GCL Poly、Wacker-Chemie、OCI などがあります。

最後に、エレクトロニクス グレードのシリコンを半導体産業や特定の太陽光発電技術に適したものにするには、ポリシリコンをチョクラルスキー法によって超高純度の単結晶シリコンに変換する必要があります。これを行うために、ポリシリコンは 1425 の坩堝で溶融されます。 ° C (2597 ° F) 不活性雰囲気中。次に、ロッドに取り付けられた種結晶を溶融金属に浸し、ゆっくりと回転させて取り出し、シリコンが種材料上で成長する時間を与えます。

得られた製品は、99.999999999 (11N) パーセントの純度の単結晶シリコン金属のロッド (またはブール) です。このロッドは、必要に応じて量子力学的特性を微調整するために、必要に応じてホウ素またはリンでドープできます。単結晶ロッドは、そのまま顧客に出荷するか、特定のユーザー向けにウェーハにスライスして研磨またはテクスチャ加工することができます。

アプリケーション

毎年、約 1,000 万トンのフェロシリコンとシリコン金属が精製されていますが、商業的に使用されているシリコンの大部分は実際にはシリコン鉱物の形をしており、セメント、モルタル、セラミックからガラス、ポリマー。

フェロシリコンは、前述のように、最も一般的に使用される金属シリコンの形態です。約 150 年前に初めて使用されて以来、フェロシリコンは、炭素の生産における重要な脱酸素剤であり続けています。 ステンレス鋼 .今日、鉄鋼製錬は依然としてフェロシリコンの最大の消費者です。

ただし、フェロシリコンには製鋼以外にも多くの用途があります。の製造におけるプレアロイです。 マグネシウム フェロシリコン、ダクタイル鉄の製造に使用されるノジュライザー、および高純度マグネシウムを精製するためのピジョンプロセス中に使用されます。フェロシリコンは、熱を作るためにも使用できます。腐食電気モーターおよび変圧器コアの製造に使用される、耐性のある鉄シリコン合金およびシリコン鋼。

冶金シリコンは、製鋼やアルミニウム鋳造の合金化剤として使用できます。アルミニウム-シリコン (Al-Si) の自動車部品は、純粋なアルミニウムから鋳造された部品よりも軽量で強度があります。エンジン ブロックやタイヤ リムなどの自動車部品は、最も一般的な鋳造アルミニウム シリコン部品の一部です。

すべての金属シリコンのほぼ半分は、化学産業でヒュームド シリカ (増粘剤と乾燥剤)、シラン (カップリング剤)、シリコン (シーラント、接着剤、潤滑剤) の製造に使用されています。太陽光発電グレードのポリシリコンは、主にポリシリコン太陽電池の製造に使用されます。 1 メガワットの太陽電池モジュールを作るには、約 5 トンのポリシリコンが必要です。

現在、ポリシリコン太陽電池技術は、世界で生産される太陽エネルギーの半分以上を占めており、モノシリコン技術は約 35% を占めています。合計すると、人間が使用する太陽エネルギーの 90% がシリコンベースの技術によって収集されます。

単結晶シリコンは、現代のエレクトロニクスに見られる重要な半導体材料でもあります。電界効果トランジスタ (FET)、LED、および集積回路の製造に使用される基板材料として、シリコンは事実上すべてのコンピューター、携帯電話、タブレット、テレビ、ラジオ、およびその他の最新の通信デバイスに使用されています。すべての電子デバイスの 3 分の 1 以上にシリコンベースの半導体技術が搭載されていると推定されています。

最後に、硬質合金シリコンカーバイドは、合成ジュエリー、高温半導体、硬質セラミック、切削工具、ブレーキディスク、研磨剤、防弾チョッキ、発熱体など、さまざまな電子および非電子用途で使用されています。

ソース:

鋼の合金化とフェロアロイ製造の簡単な歴史。
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa、Lauri、Seppo Louhenkilpi。

製鋼における合金鉄の役割について。 2013 年 6 月 9 ～ 13 日。第 13 回国際合金鉄会議。 URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf