金属シリコンは、鉄鋼、太陽電池、マイクロチップの製造に使用される灰色の光沢のある半導体金属です。 ケイ素は、地球の地殻で 2 番目に豊富な元素 (酸素のみに次ぐ) であり、宇宙では 8 番目に多い元素です。 地球の地殻の重量のほぼ 30% がシリコンに起因する可能性があります。
原子番号 14 のこの元素は、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）であるシリコンは、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、凝固すると膨張します。 融点と沸点が比較的高く、結晶化するとダイヤモンド立方晶構造を形成します。 シリコンが他の元素と容易に結合できるようにする 4 つの価電子を含むシリコンの原子構造は、半導体としての機能とエレクトロニクスでの使用にとって重要です。
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 度 F (1414 度)
沸点: 5909 度 F (3265 度)
モース硬度：7
製造
毎年精製されるシリコンの大部分、約 80% は、鉄鋼の製造に使用されるフェロシリコンとして生産されます。 フェロシリコンは、ファウンドリのニーズに応じて、15 ～ 90% のシリコンを含むことができます。
鉄-シリコン合金は、還元製錬を使用してサブマージ電気アーク炉で製造されます。 シリカを多く含む鉱石と原料炭（原料炭）などの炭素源を破砕し、スクラップとともに炉に投入します。
1900 度 (3450 度 F) を超える温度では、炭素は鉱物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形成し、炉の底を叩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、出荷して鉄鋼の製造に直接使用することができます。
鉄を含まない同じ方法を使用して、純度が 99% を超える冶金グレードのシリコンを製造します。 冶金用シリコンは、鋳造アルミニウム合金やシラン化学薬品の製造だけでなく、鋼の鋳造にも使用されます。
金属シリコンは、合金中に存在する鉄、アルミニウム、およびカルシウムの不純物レベルによって分類されます。 例えば、金属シリコン５５３は、鉄およびアルミニウムの各金属を{{１}}.５パーセント未満、およびカルシウムを{{３}}.３パーセント未満しか含まない。
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。 主な生産者には、Erdos Metallurgy Group、Ningxia Rongsheng Ferroalloy、Group OM Materials、Elkem などがあります。
さらに、年間 260 万トンの金属シリコンが生産されています。これは、精製された金属シリコン全体の約 20% に相当します。 ここでも、中国はこの生産の約 80% を占めています。 多くの人にとって驚くべきことは、太陽電池および電子シリコン グレードが、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 グレードの金属シリコン (ポリシリコン) に移行するには、純度を 99.9999 パーセント (6N) の純粋なシリコンよりも高くする必要があります。 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。
シーメンスのプロセスには、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。 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に 1150 度 (2102 度 F) で吹き付けられます。 その上を通過すると、ガス中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) および強化冶金グレード (UMG) シリコン技術も、金属を太陽光発電産業に適したポリシリコンにアップグレードするために使用されます。 2013 年には、230.000 トンのポリシリコンが生産されました。 主な生産者は、GCL Poly、Wacker-Chemie、および OCI です。
最後に、電子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での使用に適したものにするには、チョクラルスキー法を使用してポリシリコンを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、ポリシリコンはるつぼ内で 1425 度 (2597 度 F) の不活性雰囲気で溶解されます。 次に、ロッドに取り付けられた種結晶が溶融金属に浸漬され、ゆっくりと回転して除去され、シリコンが種材料内で成長する時間が与えられます。
得られた製品は、99.999999999 (11N) パーセントの純度に達することができる単結晶シリコン金属のロッド (またはブール) です。 このロッドには、必要に応じてホウ素またはリンをドープして、量子力学的特性を変更できます。 単結晶ロッドは、そのまま顧客に出荷することも、特定のユーザー向けにウェーハに切断して研磨またはテクスチャ加工することもできます。
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金属シリコンが精製されていますが、商業的に使用されるシリコンのほとんどはシリコン鉱石の形をしており、セメント、モルタル、セラミックからガラス、ポリマーまで、あらゆるものの製造に使用されています。
前述のように、フェロシリコンは、金属シリコンの最も広く使用されている形態です。 約 150 年前に初めて使用されて以来、フェロシリコンは、炭素およびステンレス鋼の製造において重要な脱酸剤であり続けています。 今日、鉄鋼鋳造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、鋼を作る以外にも用途があります。 これは、マグネシウム フェロシリコンの製造、ダクタイル鉄の製造に使用されるペレタイザー、および高純度マグネシウムを精製するピジョン プロセスにおけるプレアロイです。 フェロシリコンは、電気モーターや変圧器のコアの製造に使用されるシリコン鋼と同様に、耐熱性と耐腐食性の鉄シリコン合金の製造にも使用できます。
冶金シリコンは、鉄鋼業界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) 自動車部品は、純アルミニウムの鋳造品よりも軽量で強度があります。 エンジン ブロックやリムなどの自動車部品は、最も広く鋳造されたアルミニウム シリコン部品の一部です。
金属シリコンのほぼ半分は、化学工業でヒュームド シリカ (増粘剤および乾燥剤)、シラン (カップリング剤)、およびシリコン (シーラント、接着剤、および潤滑剤) を製造するために使用されます。 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いますが、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の基本的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最新のコンピューター、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 以上がシリコンベースの半導体技術を搭載していると推定されています。
最後に、硬質合金炭化ケイ素は、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、研磨剤など、防弾ベストや発熱体など、さまざまな電子および非電子用途で使用されています。
