מתכת סיליקוןדרגות מאופיינות ב"קודים מספריים" המייצגים את התכולה המקסימלית המותרת (בחלקים לעשרת אלפים) של ברזל (Fe), אלומיניום (Al) וסידן (Ca). ההתכתבות והבסיס הסטנדרטי של ציוני הליבה הם כדלקמן (עיין GB/T 2881-2014 ו-ASTM E478-22):
| דרגת מתכת סיליקון | Fe (Fe) תוכן מקסימלי | אל (אלומיניום) תוכן מקסימלי | סידן (Ca) תכולה מקסימלית | סה"כ זיהומים תוכן מקסימלי | תרחישים ישימים ודרישות ליבה |
| 1101 | 0.1% (100 עמודים לדקה) | 0.1% (100 עמודים לדקה) | 0.01% (10 עמודים לדקה) | פחות או שווה ל-0.22% | מוליכות גבוהה, פגמים נמוכים (מוליכים למחצה, פוטו-וולטאים) |
| 2202 | 0.2% (200 עמודים לדקה) | 0.2% (200 עמודים לדקה) | 0.02%(20ppm) | פחות או שווה ל-0.44% | אלקטרוניקה מדויקת,-סיליקון ברמה גבוהה |
| 3303 | 0.3% (300 עמודים לדקה) | 0.3% (300 עמודים לדקה) | 0.03%(30ppm) | פחות או שווה ל-0.63% | סיליקון-איכותי, סגסוגות מיוחדות |
| 441 | 0.4% (400 עמודים לדקה) | 0.4% (400 עמודים לדקה) | 0.1% (100 עמודים לדקה) | פחות או שווה ל-0.9% | סגסוגות אלומיניום לרכב, יציקה כללית |
| 553 | 0.5% (500 עמודים לדקה) | 0.5% (500 עמודים לדקה) | 0.3% (300 עמודים לדקה) | פחות או שווה ל-1.3% | סגסוגות אלומיניום אדריכליות, הסרת חמצון של פלדה רגילה |
פֶּתֶק:ppm הוא חלקים למיליון, 1%=10000ppm; לציונים בינלאומיים (כגון ASTM) יש ביטויים מעט שונים, אך ההיגיון של קידוד הטומאה עקבי.
מנגנון ההשפעה של זיהומים מרכזיים על תכונות מתכת הסיליקון
(1) ברזל (Fe): השפעת ליבה על מאפיינים חשמליים וקשיחות סגסוגת
מַנגָנוֹן:ברזל יוצר תרכובות בין-מתכתיות כמו FeSi₂ ו-Fe₃Si בסיליקון מתכתי. תרכובות אלו הן שלבי מוליכים למחצה או מוליכים, אשר יהרוס את שלמות הסריג של סיליקון, מה שיוביל לעלייה משמעותית בהתנגדות (למשל, כאשר תכולת Fe גדלה מ-100ppm ל-500ppm, ההתנגדות של מתכת סיליקון עולה מ-2000Ω・cm ליותר מ-8000 ס"מ). הבדלי הסתגלות בתעשייה:
שדה מוליכים למחצה/פוטו-וולטאיים:יש לשלוט על Fe מתחת ל-100ppm (למשל,מתכת סיליקון כיתה 1101), אחרת זה יוביל לקיצור חיי הנשא בפרוסות סיליקון ולירידה של 0.5%-1% ביעילות ההמרה של תאים פוטו-וולטאיים;
שדה סגסוגת אלומיניום:כמות מתאימה של Fe (300-500ppm) יכולה ליצור שלב חיזוק מפוזר, לשפר את חוזק הסגסוגת, אך מעבר ל-800ppm תיצור שלב FeAl₃ גס, וכתוצאה מכך ירידה של 20%-30% בקשיחות הסגסוגת ופיצוח קל במהלך העיבוד.
(2) אלומיניום (אל): איזון ביצועי סגסוגת ודרישות מוליכות
מנגנון משפיע:אלומיניום יוצר תמיסה מוצקה Al-Si עם סיליקון, משפר את נזילות היציקה וחוזק הסגסוגת. עם זאת, הרדיוס האטומי של אלומיניום שונה באופן משמעותי מזה של סיליקון, ותמיסה מוצקה תגרום לעיוות סריג, להפחתת מוליכות. הבדלי תאימות לתעשייה:
סגסוגות אלומיניום לרכב (למשל, סגסוגת 6061 לגלגלים): מתכת סיליקון דרגה 441(Al פחות או שווה ל-400ppm) נבחר. Al ו-Si מייעלים באופן סינרגטי את ביצועי היציקה, ומגדילים את שיעור ההסמכה ליצירת גלגל ב-10%-15%.
סגסוגות אלומיניום חשמליות (למשל, סגסוגת 1350 עבור חוטים וכבלים):ציונים למטה2202 מתכת סיליקון(Al פחות או שווה ל-200ppm) יש לבחור; אחרת, המוליכות יורדת מ-62% IACS אל מתחת ל-58% IACS, ולא עומדת בדרישות יעילות העברת הכוח.
(3) סידן (Ca): משפיע על יציבות כימית ותאימות תהליכים.
מנגנון השפעה:סידן קיים במתכת סיליקון כ-CaSi₂, מפגין תגובתיות כימית חזקה ומגיב בקלות עם חמצן, גופרית ויסודות אחרים ליצירת תרכובות בנקודת -התכה- נמוכה (למשל CaO・SiO₂, נקודת התכה 1464 מעלות). הבדלי תאימות לתעשייה:
סינתזה אורגנוסיליקון:יש לשלוט על תוכן Ca מתחת ל-30 עמודים לדקה (למשל,מתכת סיליקון כיתה 3303), אחרת הוא יזרז תגובות לוואי, שיוביל לפיזור משקל מולקולרי לא אחיד של פולימר הסיליקון האורגני ולירידה של 15%-20% בחוזק המתיחה.
הסרת חמצון בייצור פלדה:כמויות מתאימות של Ca (100-300 ppm) יכולות לשפר את הנזילות של פלדה מותכת ולהגדיל את קצב הסרת הגופרית ב-10%-15%, אך רמות העולות על 500 ppm ייצרו את השלב הקשה והשביר של CaC₂, ויפחיתו את קשיחות ההשפעה של הפלדה.
(4) זיהומי עקבות (זרחן, בורון): "השפעה קטלנית" בשדות-מתקדמים
זרחן ובור נחשבים ל"זיהומים קורטיים קריטיים" בסיליקון מתכתי. אפילו בריכוזים מתחת ל-1 ppm, הם יכולים לשנות באופן משמעותי את הביצועים:
בתחום המוליכים למחצה:בורון הוא דופן מסוג P-, ובורון הוא דונט מסוג N-. זיהומים עקבים עלולים לגרום למוליכות בלתי מבוקרת של פרוסות סיליקון, ולהפחית את תפוקת השבבים ביותר מ-30%. יש לשלוט עליהם מתחת ל-0.1 ppm (תקן סיליקון מתכתי בדרגה אלקטרונית).
בתחום הפוטו-וולטאי:ריכוזי P ובור העולה על 0.5 ppm יכולים ליצור מרכזי רקומבינציה, להפחית את חיי הנשא הנוצר בפוטו. יש להשתמש בסיליקון מתכתי בדרגה פוטו-וולטאית (P פחות או שווה ל-0.3 ppm, B פחות או שווה ל-0.3 ppm).
תהליך בקרת תוכן טומאה ושיטות איתור
(1) תהליך בקרת ליבה
טיהור חומר גלם:
חול קוורץ בטוהר- גבוה (SiO₂ גדול או שווה ל-99.9%) וחומר להפחתת טומאה-נמוכה (אפר קוק של נפט פחות או שווה ל-0.5%) נבחרים כדי להפחית את החדרת זיהומים מהמקור;
בקרת התכה:
תהליך זיקוק של תנור קשת שקוע מאומץ. על ידי התאמת מיקום האלקטרודה ואווירת התנור, מקדמים את התגובה וההפרדה של זיהומים עם סיגים. שיעור ההסרה של Fe ו-Al יכול להגיע ל-60%-70%;
טיהור לאחר-טיפול:
יש לשטוף-סיליקון מתכתי ברמה גבוהה (כגון כיתה אלקטרונית) בחומצה (חומצה הידרוכלורית + תערובת חומצה הידרופלואורית) ולהמיס בוואקום. שיעור ההסרה של זיהומים עקבות גדול או שווה ל-99%.
(2) שיטות זיהוי סמכותיות
זיהומים נפוצים (Fe, Al, Ca):
נעשה שימוש ב-ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer), עם מגבלת זיהוי של 1 ppm ושגיאה של פחות או שווה ל-5%;
עקבות זיהומים (P, B):
משתמשים ב-ICP-MS (ספקטרומטר פלזמה מסה אינדוקטיבית מזווגת) עם מגבלת זיהוי של 0.01 ppm, העומד בדרישות דרגת מוליכים למחצה-;
זיהוי מהיר באתר-:
נעשה שימוש בספקטרומטריית קרני רנטגן (XRF), המשלימה את ההקרנה של תכולת הזיהומים העיקריים בתוך 10 דקות, המתאימה לבדיקת איכות ייצור תעשייתית.
הנחיות לבחירת תוכן טומאה עבור תעשיות שונות
(1) תעשיית מוליכים למחצה/אלקטרוניקה
דרישות בחירה:השתמש בדרגה 1101 או יותר בטוהר, Fe פחות או שווה ל-100ppm, Al פחות או שווה ל-100ppm, Ca פחות או שווה ל-10ppm, P פחות או שווה ל-0.1ppm, B פחות או שווה ל-0.1ppm;
דרישות ליבה:ודא שלמות הסריג ויציבות הביצועים החשמליים, הימנעות מכשל במכשיר שנגרם על ידי זיהומים.
(2) תעשייה פוטו-וולטאית
דרישות בחירה:השתמש בדרגה מיוחדת של 2202 או בדרגה פוטו-וולטאית-, Fe פחות או שווה ל-200ppm, Al פחות או שווה ל-200ppm, Ca פחות או שווה ל-20ppm, P פחות או שווה ל-0.3ppm, B פחות או שווה ל-0.3ppm;
דרישות ליבה:איזון יעילות המרה ועלות; תכולת הטומאה חייבת להתאים לתהליכי חיתוך פרוסות סיליקון ותהליכי ייצור הסוללות.
(3) תעשיית הסיליקון האורגני
דרישות בחירה:השתמש בדרגות 3303 או 441, Fe פחות או שווה ל-400ppm, Al פחות או שווה ל-400ppm, Ca פחות או שווה ל-30ppm;
דרישות ליבה:הימנע מתגובות לוואי המזורזות-לזיה והבטח ביצועים עקביים של מוצרי סיליקון אורגנו.
(4) סגסוגת אלומיניום/תעשיית מתכות
דרישות בחירה:לְהִשְׁתַמֵשׁמתכת סיליקון בדרגה 553(Fe פחות או שווה ל-500ppm, Al פחות או שווה ל-500ppm, Ca פחות או שווה ל-300ppm) לבניית סגסוגות אלומיניום, וכןסיליקון 441 כיתהעבור סגסוגות אלומיניום לרכב;
