Процесс производства карбида кремния


2905181.jpg

Процесс производства карбида кремния
 

Процесс получения карбида кремния, применяемого в качестве одного из основных материалов в современных абразивных инструментах, назван в честь его изобретателя американского химика Эдварда Гудрича Ачесона (Edward Goodrich Acheson) - процессом Ачесона.

Эдвард Ачесон (9 марта 1856 г. - 6 июля 1931 г.) родился в Вашингтоне, на юго-западе штата Пенсильвания, где расположены обширные угольные месторождения. Он покинул школу в возрасте 16 лет, чтобы помогать семье после смерти отца, и работал помощником геодезиста на Южной железной дороге города Питтсбурга.

Он посвящал свои вечера научным занятиям - прежде всего экспериментам с электричеством. В 1880 году он отважился попытаться продать батарею собственного изобретения Томасу Эдисону, в результате чего Эдисон нанял его на работу в лабораторию в городе Менло-Парк, штат Нью-Джерси. Ачесон экспериментировал с угольными проводниками, которые Эдисон использовал в своих электрических лампах. Спустя год Ачесона отправили в Европу для установки системы электрического освещения в общественных местах, таких как отель De Ville в Антверпене и театр Ла Скала в Милане.

В 1884 году Ачесон покинул лабораторию Эдисона и возглавил завод по производству электрических ламп. В 1890 году он начал работу над методами производства искусственных алмазов в электрической печи. После нагревания смеси глины и угля в железном тигле при помощи электрической дуги он обнаружил блестящие гексагональные кристаллы карбида кремния на поверхности угольного электрода. Он назвал эти кристаллы "карборунд".

Позднее Ачесон разработал эффективную электрическую печь, работающую на принципе резистивного нагрева, конструкция которой является основой большинства производств карбида кремния и сегодня. В печи электрический ток пропускался через графитовый сердечник, окруженный смесью кремнезема или кварцевого песка, солью и углеродом. Электрический ток нагревал графит и другие материалы, позволяя им вступать в реакцию, создавая слой карбида кремния вокруг графитового сердечника. В ходе реакции выделялся монооксид углерода. Четыре основные химические реакции в процессе получения карбида кремния (SiC):

C + SiO2 → SiO + CO

SiO2 + CO → SiO + CO2

C + CO2 → 2CO

2C + SiO → SiC + CO

28 февраля 1893 года Ачесон получил патент на этот высокоэффективный абразив, а в 1896 на процесс его производства. Всего Ачесон получил 70 патентов, связанных с абразивами, графитовыми изделиями и огнеупорами. Он стал первым лауреатом премии Ачесона, названной в его честь Электрохимическим обществом США в 1931 году.

Первый коммерческий завод для производства карбида кремния с использованием процесса Ачесона был построен изобретателем недалеко от Ниагарского водопада в штате Нью-Йорк, где близлежащие гидроэлектростанции могли дешево производить необходимую энергию для энергоемкого процесса. К 1896 году компания Carborundum произвела более 500 тонн "карборунда". Многие современные установки для производства карбида кремния используют ту же основную конструкцию, что и первый завод Ачесона. На первом заводе к песку добавляли древесные опилки и соль для повышения чистоты получаемого продукта. Добавлять соль перестали в 1960-х годах из-за коррозии стальных конструкций печей. Опилки перестали добавлять на заводах для сокращения вредных выбросов в атмосферу.

Карбид кремния широко применялся в ювелирном деле, благодаря его абразивным свойствам и это было первым коммерческим применением карбида кремния. Первые светодиоды также были получены с использованием карбида кремния из процесса Ачесона. Применение карбида кремния в качестве полупроводника в 1955 году привело к созданию процесса Лили (Jan Anthony Lely из компании Philips Electronics), который был основан на процессе Ачесона, но позволил контролировать чистоту кристаллов карбида кремния для последующего их применения в полупроводниковых устройствах.

Побочным продуктом процесса является получение чистого графита. При изготовлении синтетического графита процесс Ачесона протекает в течение примерно 20 часов с токами порядка 200 А и напряжениями 40 000-50 000 В (потребляя 8-10 МВт энергии). Чистота графита, достигаемая при использовании процесса, составляет 99,5%.

2905182.jpg

В 1953 году Комиссия по истории и музеям Пенсильвании установила исторический знак рядом с домом, где родился Ачесон, отметив историческую важность его достижений, а сам дом является национальным историческим памятником. В 1997 году Ачесон был введен в Зал славы национальных изобретателей США.