Silicijeva kovinastopnje so označene s "številčnimi kodami", ki predstavljajo največjo dovoljeno vsebnost (v delih na deset tisoč) železa (Fe), aluminija (Al) in kalcija (Ca). Korespondenca in standardna osnova osnovnih razredov sta naslednji (glej GB/T 2881-2014 in ASTM E478-22):
| Kovinski razred silicij | Največja vsebnost Fe (Fe). | Al (aluminij) največja vsebnost | Največja vsebnost kalcija (Ca). | Največja vsebnost skupnih nečistoč | Veljavni scenariji in temeljne zahteve |
| 1101 | 0,1 % (100 ppm) | 0,1 % (100 ppm) | 0,01 % (10 ppm) | Manj ali enako 0,22 % | Visoka prevodnost, nizke napake (polprevodniki, fotovoltaika) |
| 2202 | 0,2 % (200 ppm) | 0,2 % (200 ppm) | 0,02 % (20 ppm) | Manj ali enako 0,44 % | Natančna elektronika, vrhunski-silikon |
| 3303 | 0,3 % (300 ppm) | 0,3 % (300 ppm) | 0,03 % (30 ppm) | Manj ali enako 0,63 % | Visoko{0}}kakovosten silikon, posebne zlitine |
| 441 | 0,4 % (400 ppm) | 0,4 % (400 ppm) | 0,1 % (100 ppm) | Manj ali enako 0,9 % | Aluminijeve zlitine za avtomobile, splošno litje |
| 553 | 0,5 % (500 ppm) | 0,5 % (500 ppm) | 0,3 % (300 ppm) | Manj ali enako 1,3 % | Arhitekturne aluminijeve zlitine, deoksidacija navadnega jekla |
Opomba:ppm so deli na milijon, 1 %=10000ppm; mednarodni razredi (kot je ASTM) imajo nekoliko drugačne izraze, vendar je logika kodiranja nečistoč dosledna.
Mehanizem vpliva ključnih primesi na lastnosti kovinskega silicija
(1) Železo (Fe): Vpliv jedra na električne lastnosti in žilavost zlitine
Mehanizem:Železo tvori intermetalne spojine, kot sta FeSi₂ in Fe3Si v kovinskem siliciju. Te spojine so polprevodniške ali prevodniške faze, ki bodo uničile celovitost rešetke silicija, kar bo povzročilo znatno povečanje upornosti (npr. ko se vsebnost Fe poveča s 100 ppm na 500 ppm, se upornost kovinskega silicija poveča z 2000 Ω・cm na več kot 8000Ω・cm). Razlike v prilagodljivosti industrije:
Polprevodniško/fotovoltaično polje:Fe je treba nadzorovati pod 100 ppm (npr.Kovinski silicij stopnje 1101), sicer bo povzročilo skrajšano življenjsko dobo nosilca v silicijevih rezinah in zmanjšanje učinkovitosti pretvorbe fotovoltaičnih celic za 0,5 %-1 %;
Polje iz aluminijeve zlitine:Ustrezna količina Fe (300-500 ppm) lahko tvori razpršeno ojačitveno fazo, kar izboljša trdnost zlitine, vendar bo presežek 800 ppm ustvaril grobo fazo FeAl₃, kar povzroči 20-30-odstotno zmanjšanje žilavosti zlitine in enostavno pokanje med obdelavo.
(2) Aluminij (Al): zahteve glede učinkovitosti in prevodnosti zlitine za uravnoteženje
Mehanizem vpliva:Aluminij tvori trdno raztopino Al-Si s silicijem, kar izboljša fluidnost ulivanja in trdnost zlitine. Vendar pa se atomski polmer aluminija bistveno razlikuje od radija silicija in trdna raztopina bo povzročila popačenje mreže, kar bo zmanjšalo prevodnost. Razlike v združljivosti industrije:
Aluminijeve zlitine za avtomobile (npr. zlitina 6061 za platišča): Kovinski silicij razreda 441Izbrano je (Al manj kot ali enako 400 ppm). Al in Si sinergijsko optimizirata zmogljivost litja, s čimer povečata stopnjo kvalifikacije oblikovanja kolesa za 10%-15%.
Električne aluminijeve zlitine (npr. zlitina 1350 za žice in kable):Ocene spodaj2202 Silicijeva kovinaIzbrati je treba (Al manj kot ali enako 200 ppm); v nasprotnem primeru prevodnost pade z 62 % IACS na pod 58 % IACS, kar ne izpolnjuje zahtev glede učinkovitosti prenosa energije.
(3) Kalcij (Ca): Vpliva na kemično stabilnost in združljivost postopkov.
Mehanizem vpliva:Kalcij obstaja v silicijevi kovini kot CaSi₂, ki kaže močno kemično reaktivnost in zlahka reagira s kisikom, žveplom in drugimi elementi, da tvori spojine z nizkim -tališčem- (npr. CaO・SiO₂, tališče 1464 stopinj). Razlike v združljivosti industrije:
Sinteza organosilicija:Vsebnost Ca je treba nadzorovati pod 30 ppm (npr.Kovinski silicij stopnje 3303), sicer bo kataliziral stranske reakcije, kar bo vodilo do neenakomerne porazdelitve molekulske mase organosilikonskega polimera in zmanjšanja natezne trdnosti za 15–20 %.
Deoksidacija pri izdelavi jekla:Ustrezne količine Ca (100–300 ppm) lahko izboljšajo fluidnost staljenega jekla in povečajo stopnjo razžveplanja za 10–15 %, vendar bodo ravni, ki presegajo 500 ppm, ustvarile trdo in krhko fazo CaC₂, kar bo zmanjšalo udarno žilavost jekla.
(4) Nečistoče v sledovih (fosfor, bor): »Usoden učinek« v visokokakovostnih-poljih
Fosfor in bor veljata za "kritične sledove nečistoč" v kovinskem siliciju. Tudi pri koncentracijah pod 1 ppm lahko bistveno spremenijo delovanje:
Na področju polprevodnikov:Bor je dopant tipa P-, bor pa je dopant tipa N-. Nečistoče v sledovih lahko povzročijo nenadzorovano prevodnost silicijevih rezin, kar zmanjša izkoristek čipov za več kot 30 %. Morajo biti nadzorovani pod 0,1 ppm (elektronski standard za kovinski silicij-).
Na področju fotovoltaike:Koncentracije P in bora, ki presegajo 0,5 ppm, lahko tvorijo rekombinacijske centre, kar skrajša življenjsko dobo fotogeneriranega nosilca. Uporabiti je treba fotovoltaični-kovinski silicij (P manj kot ali enako 0,3 ppm, B manj kot ali enako 0,3 ppm).
Postopek za nadzor vsebnosti nečistoč in metode odkrivanja
(1) Osnovni nadzorni proces
Čiščenje surovin:
Kremenov pesek visoke-čistosti (SiO₂ večji ali enak 99,9 %) in nizko{2}}sredstvo za zmanjšanje nečistoč (pepel naftnega koksa manj kot ali enako 0,5 %) sta izbrana za zmanjšanje vnosa nečistoč iz vira;
Nadzor taljenja:
Sprejet je postopek rafiniranja v potopljeni obločni peči. S prilagoditvijo položaja elektrode in atmosfere peči se spodbuja reakcija in ločevanje nečistoč z žlindro. Stopnja odstranitve Fe in Al lahko doseže 60% -70%;
Čiščenje po -zdravljenju:
Kovinski-silicij višjega cenovnega razreda (kot je elektronski) je treba -sprati s kislino (zmes klorovodikove kisline in fluorovodikove kisline) in vakuumsko taliti. Stopnja odstranitve sledi nečistoč je večja ali enaka 99 %.
(2) Merodajne metode odkrivanja
Pogoste nečistoče (Fe, Al, Ca):
Uporablja se ICP-OES (spektrometer optičnih emisij z induktivno sklopljeno plazmo) z mejo zaznave 1 ppm in napako, manjšo ali enako 5 %;
Nečistoče v sledovih (P, B):
Uporablja se ICP-MS (induktivno sklopljeni plazma masni spektrometer) z mejo zaznavnosti 0,01 ppm, ki izpolnjuje zahteve za-razred polprevodnikov;
Hitro zaznavanje na-mestu:
Uporablja se rentgenska fluorescenčna spektrometrija (XRF), ki zaključi presejanje vsebnosti večjih nečistoč v 10 minutah, kar je primerno za pregled kakovosti industrijske proizvodnje.
Smernice za izbiro vsebnosti nečistoč za različne industrije
(1) Polprevodniška/elektronska industrija
Izbirne zahteve:Uporabite stopnjo čistosti 1101 ali višjo, Fe manj kot ali enako 100 ppm, Al manj kot ali enako 100 ppm, Ca manj kot ali enako 10 ppm, P manj kot ali enako 0,1 ppm, B manj kot ali enako 0,1 ppm;
Osnovne zahteve:Zagotovite celovitost rešetke in stabilnost električnega delovanja ter se izognite okvaram naprave zaradi nečistoč.
(2) Fotovoltaična industrija
Izbirne zahteve:Uporabite 2202 ali fotovoltaični-posebni razred, Fe manj kot ali enako 200 ppm, Al manj kot ali enako 200 ppm, Ca manj kot ali enako 20 ppm, P manj kot ali enako 0,3 ppm, B manj kot ali enako 0,3 ppm;
Osnovne zahteve:Uravnotežite učinkovitost pretvorbe in stroške; vsebnost nečistoč se mora ujemati s postopkoma rezanja silicijevih rezin in izdelave baterij.
(3) Industrija organosilicija
Izbirne zahteve:Uporabite stopnjo 3303 ali 441, Fe manj kot ali enako 400 ppm, Al manj kot ali enako 400 ppm, Ca manj kot ali enako 30 ppm;
Osnovne zahteve:Izogibajte se stranskim reakcijam-, ki jih katalizirajo nečistoče, in zagotovite dosledno delovanje organosilicijevih izdelkov.
(4) Aluminijeve zlitine/metalurška industrija
Izbirne zahteve:UporabaKovinski silicij razreda 553(Fe manj kot ali enako 500 ppm, Al manj kot ali enako 500 ppm, Ca manj kot ali enako 300 ppm) za izdelavo aluminijevih zlitin inSilicij stopnje 441za avtomobilske aluminijeve zlitine;
