DD240730A1 - PROCESS FOR OBTAINING PURE SILICON POWDER - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Silizium aus metallurgischen Siliziumpulvern. Sie hat insbesondere Bedeutung fuer die Herstellung von Grundmaterial fuer Siliziumnitrid und -carbid bzw. als Zuschlagstoff fuer Aluminiumlegierungen. Ziel der Erfindung ist es, aus metallurgischem Silizium auf relativ einfachem Wege, insbesondere unter Verringerung der energieintensiven Prozessen, reines Silizium zu gewinnen. Aufgabe der Erfindung ist es, metallurgisches Si-Pulver durch einfach handhabbare Prozessstufen in einen Reinheitsgrad zu ueberfuehren, der die Weiterverarbeitung zum reinen Grundmaterial fuer die Herstellung von Siliziumnitrid und -carbid sowie als Legierungsmaterial fuer Konstruktionswerkstoffe gestattet. Ueberraschenderweise wurde nun gefunden, dass alle nach den ueblichen Verfahren hergestellten metallurgischen Siliziumqualitaeten sich in ihrer Reinheit erfindungsgemaess dadurch erhoehen lassen, dass das metallurgische Silizium chemisch oder mechanisch aktiviert, mit Wasser und Mineralsaeure gewaschen und einer Fluoridionenbehandlung unterzogen wird. Nach sorgfaeltigem Waschen mit Wasser verbleibt nach dem Trocknen ein Siliziumpulver hoher Reinheit.The invention relates to a method for obtaining pure silicon from metallurgical silicon powders. It has particular importance for the production of base material for silicon nitride and carbide or as an additive for aluminum alloys. The aim of the invention is to obtain pure silicon from metallurgical silicon in a relatively simple way, in particular by reducing the energy-intensive processes. The object of the invention is to bring metallurgical Si powder through easily manageable process stages in a degree of purity, which allows further processing to pure base material for the production of silicon nitride and carbide and as alloy material for construction materials. Surprisingly, it has now been found that all the metallurgical silicon qualities produced by the usual methods can be increased in their purity according to the invention by activating the metallurgical silicon chemically or mechanically, washing them with water and mineral acid and subjecting them to a fluoride ion treatment. After careful washing with water remains after drying a silicon powder of high purity.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Silizium aus metallurgischen Siliziumpulvern. Sie hat insbesondere Bedeutung für die Herstellung von Grundmaterial für Siliziumnitrid und -carbid bzw. als Zuschlagstoff für Aluminiumlegierungen.The invention relates to a method for obtaining pure silicon from metallurgical silicon powders. It has particular significance for the production of base material for silicon nitride and carbide or as an additive for aluminum alloys.
Neben seiner Bedeutung für die Halbleiterindustrie hat sich reines metallisches Siliziumpulver auch als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Siliziumcarbid und -nitrid sowie als Legierungsmaterial für korrosionsbeständige feste Aluminiumwerkstoffe gegenüber anderen siliziumhaltigen Ausgangsmaterialien durchgesetzt. Technisches Silizium mit einem Siliziumgehalt kleiner 99 Ma.-°/o ist für diese Einsatzgebiete nicht geeignet. Reinere Siliziumprodukte werden auf verschiedenen u. a. aus [Aulich, H. A.; Schulze, F.-W.; Grabmeier, J. G.; Chem. Ing. Techn. 56 (1984) 9, S. 667-673] bekannten Wegen gewonnen.In addition to its importance to the semiconductor industry, pure metallic silicon powder has also become established as the starting material for the production of silicon carbide and nitride as well as an alloy material for corrosion-resistant solid aluminum materials over other silicon-containing starting materials. Technical silicon with a silicon content of less than 99 Ma ° / o is not suitable for these applications. Reiner silicon products are used on various u. a. from [Aulich, H. A .; Schulze, F.-W .; Grabmeier, J. G .; Chem. Ing. Techn. 56 (1984) 9, pp. 667-673].
Für die Produktion von halbleiterreinem Silizium hat sich das Trichlorsilan-Wasserstoff-Reduktionsverfahren durchgesetzt. Das so gewonnene Silizium ist sehr rein aber gleichzeitig auch sehr teuer infolge des technologisch aufwendigen Prozesses.For the production of semiconductor-grade silicon, the trichlorosilane hydrogen reduction process has become established. The silicon thus obtained is very pure but at the same time very expensive due to the technologically complex process.
Daneben werden auch Verfahren zur Herstellung von Silizium durch Reduktion bzw. Zersetzung von Siliziumtetrachlorid (SiCI4), Dichlorsilan (SiH2CI2), Monosilan (SiH4), aus Siliziumtetrafluorid (SiF4) bzw. Hexafluorid-Kieselsäure (H2SiF6) vorgeschlagen.In addition, methods for producing silicon by reduction or decomposition of silicon tetrachloride (SiCl 4 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), monosilane (SiH 4 ), silicon tetrafluoride (SiF 4 ) or hexafluoride-silica (H 2 SiF 6 ) proposed.
Im Zusammenhang mit der großtechnischen Nutzung von Si für Solarzellen erhöhten sich die Anstrengungen zur Billigherstellung des Si, wobei insbesondere versucht wird, die energieintensiven Stufen des Gesamtprozesses zu umgehen.In the context of the large-scale use of Si for solar cells, the efforts to cheaply produce the Si increased, in particular trying to circumvent the energy-intensive stages of the overall process.
So wurde versucht, Reinstsilizium direkt aus technischem Si durch Einsatz ausgewählter reiner Rohstoffe (üuarzkiesel mit Kohlenstoffträger) und nachfolgendem Zonenschmelzen der aus der Schmelze des erhaltenen technischen Si gezogenen Stäbe herzustellen.For example, it was attempted to produce pure silicon directly from technical grade Si by using selected pure raw materials (carbonaceous silica pellets) and subsequent zone melting of the rods drawn from the melt of the technical Si obtained.
Nach anderen Verfahren sollen die störenden Verunreinigungen aus der Schmelze durch Frischen mit Sauerstoff oder Chiorgas, durch Zuschlag von Erdalkalioxiden, Mischschmelzen mit Aluminium, zielgerichtetes Erstarren und selektive Weiterverarbeitung des Materials eliminiert werden.According to other methods, the interfering impurities from the melt are to be eliminated by refining with oxygen or chlorine gas, by addition of alkaline earth oxides, mixed melts with aluminum, targeted solidification and selective further processing of the material.
Beim bekannten sogenannten „Silgrain-Verfahren" (DE-OS 2 122 029) geht man von grobstückigem technischen Si aus, das durch eine wäßrige FeCI3-Lösung bei ständiger Chlorzugabe gelaugt und zerkleinert wird. Der gesamte Prozeß wird durch Wärmezufuhr bei etwa 1100C gehalten. Bei diesem mehrstufigen Verfahren fallen neben dem gereinigten Silizium vor allem wasserstoffhaltige Abgase an, die bis zu 0,5% des hochtoxischen Phosphins enthalten. Die damit auftretenden sicherheitstechnischen und Umweltschutzprobleme sind nur mit hohem zusätzlichen Aufwand befriedigend zu lösen.In the known so-called "Silgrain® method" (DE-OS 2,122,029) starts from coarse pieces of technical Si, which is leached with an aqueous FeCI 3 solution with constant addition of chlorine and crushed. The entire process is by application of heat at about 110 0 In this multistage process, in addition to the purified silicon, mainly hydrogen-containing exhaust gases containing up to 0.5% of the highly toxic phosphine are obtained, and the associated safety and environmental problems can only be satisfactorily resolved with considerable additional outlay.
Allen genannten Verfahren ist gemeinsam, daß entweder die erreichbare Reinheit des Si für die Weiterverarbeitung zu gering oder daß das erzeugte Si zu teuer ist.All these methods have in common that either the achievable purity of the Si for further processing is too low or that the Si produced is too expensive.
Nachteilig ist weiterhin, daß das so hergestellte Silizium für die Verarbeitung zu keramischen Werkstoffen (Nitrid, Carbid) zu grob ist und daher aufgemahlen werden muß, was zu einer zusätzlichen Verunreinigung bis zu 0,3% führt.A further disadvantage is that the silicon thus produced is too coarse for processing into ceramic materials (nitride, carbide) and therefore has to be ground, which leads to an additional contamination of up to 0.3%.
Ziel der Erfindung ist es, aus metallurgischem Silizium auf relativ einfachem Wege, insbesondere unter Verringerung der energieintensiven Prozesse, reines Silizium zu gewinnen.The aim of the invention is to obtain pure silicon from metallurgical silicon in a relatively simple way, in particular by reducing the energy-intensive processes.
Aufgabe der Erfindung ist es, metallurgisches Si-Pulver durch einfach handhabbare Prozeßstufen in einen Reinheitsgrad zu überführen, der die Weiterverarbeitung zum reinen Grundmaterial für die Herstellung von Siliziumnitrid und -carbid sowie als Legierungsmaterial für Konstruktionswerkstoffe gestattet.The object of the invention is to convert metallurgical Si powder by easily manageable process stages in a degree of purity, which allows further processing to pure base material for the production of silicon nitride and carbide and as alloy material for construction materials.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß alle nach den üblichen Verfahren hergestellten metallurgischen Siliziumqualitäten sich in ihrer Reinheit erfindungsgemäß dadurch erhöhen lassen, daß das metallurgische Silizium chemisch oder mechanisch aktiviert, mit Wasser und Mineralsäure gewaschen und einer Fluoridionenbehandlung unterzogen wird.Surprisingly, it has now been found that all metallurgical silicon qualities produced by the conventional processes can be increased in their purity according to the invention in that the metallurgical silicon is activated chemically or mechanically, washed with water and mineral acid and subjected to a fluoride ion treatment.
Nach sorgfältigem Waschen mit Wasser verbleibt nach dem Trocknen ein Siliziumpulver hoher Reinheit.After thorough washing with water, a high purity silicon powder remains after drying.
In der Tabelle sind einige durchschnittliche Analysenwerte von Siliziumprodukten (Kornfraktion < 100 μητι) in Gew.-% zusammengestellt.The table shows some average analytical values of silicon products (grain fraction <100 μm) in% by weight.
FE Al CaFE Al Ca
0,03 0,1 0,150.03 0.1 0.15
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Aktivierung des metallurgischen Siliziums auf chemischem Wege durch partielle Umsetzung mit Halogenen, Halogenwasserstoffen oder Organohalogeniden im Rahmen einer entsprechenden Silansynthese erfolgt, aus der das aktivierte Pulver in Form von Flugstaub entnommen wird.An advantageous embodiment of the invention is that the activation of the metallurgical silicon takes place chemically by partial reaction with halogens, hydrogen halides or organohalides in the context of a corresponding silane synthesis, from which the activated powder is taken in the form of fly ash.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit der bereits großtechnisch eingesetzten Chlorsilan- bzw. Alkylchlorsilansynthese koppeln, indem der dort als Abprodukt anfallende sehr feinkörnige aktivierte Flugstaub den weiteren Verfahrensschritten unterworfen wird. Damit kann das dort eingesetzte metallurgische Silizium praktisch fast vollständig und umweltfreundlich zu hochwertigen Produkten umgesetzt werden.The process according to the invention can be coupled particularly advantageously with the chlorosilane or alkylchlorosilane synthesis already used on an industrial scale by subjecting the very fine-grained activated flue dust produced there as a by-product to the further process steps. Thus, the metallurgical silicon used there can be practically almost completely and environmentally friendly converted into high-quality products.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die der eigentlichen Reinigung vorausgehende Aktivierung des metallurgischen Siliziums auf mechanischem Wege durch eine Feinmahlung auf weniger als '/0 der Ausgangskorngröße, mindestens jedoch auf Korngrößen < 40 μηη erfolgt.A further advantageous embodiment of the invention is that the preliminary cleaning of the actual activation of the metallurgical silicon mechanically by a fine grinding to less than '/ 0 of the starting grain size, but μηη carried out at least to particle sizes <40th
Ebenso können Schneidschlämme und Schleifpulver aus dem Bereich der Fertigung von Halbleitersilizium, welche in ihrer anfallenden Form bereits mechanisch aktiviert sind, mit entsprechend geringem Aufwand mit gereinigt werden.Likewise, cutting sludge and abrasive powder from the field of semiconductor silicon production, which are already mechanically activated in their resulting form, can be cleaned with correspondingly little effort.
Insgesamt ergibt sich noch ein Zusatzvorteil beim Einsatz des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Siliziumpulvers insbesondere für die Fertigung keramischer Werkstoffe. Bei der Verwendung von nach dem Stand der Technik gereinigtem metallurgischem Si mußte für die Herstellung der Keramiken von einem zwar sauberen, aber sehr harten und grobkörnigen Produkt ausgegangen werden, das erst nach erfolgtem Brechen einer Grobzerkleinerung und Feinmahlung unterworfen werden konnte. Dabei traten nachträgliche Verunreinigungen bis zu 0,3% auf. Demgegenüber kann das nach der Erfindung hergestellte reine Siliziumpulver ohne nachträgliche Zerkleinerung weiterverarbeitet und damit eine Verunreinigung ausgeschlossen werden.Overall, there is an additional advantage when using the silicon powder produced by the process according to the invention, in particular for the production of ceramic materials. When using metallurgical Si purified according to the state of the art, it had to be assumed that the ceramics were produced from a clean, but very hard and coarse-grained product, which could only be subjected to coarse comminution and fine grinding after fracture had occurred. In this case, subsequent impurities occurred up to 0.3%. In contrast, the pure silicon powder produced according to the invention can be further processed without subsequent comminution and thus contamination can be excluded.
Ausführungsbeispielembodiment
Im folgenden soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.In the following, the invention will be explained in more detail by exemplary embodiments.
1 kg metallurgisches Si (etwa 96% Si-Gehalt) in Pulverform werden in einem Wirbelbettreaktor mit Chlorwasserstoff zur Reaktion gebracht, wobei etwa 30% des eingesetzten Pulvers und die entstehenden Chloride der Verunreinigungselemente im Gasstrom mitgeführt und im nachgeschalteten Filtersystem abgeschieden werden.1 kg of metallurgical Si (about 96% Si content) in powder form are reacted in a fluidized bed reactor with hydrogen chloride, wherein about 30% of the powder used and the resulting chlorides of impurity elements entrained in the gas stream and deposited in the downstream filter system.
Das aus den Filtern entnommene chemisch aktivierte Pulver wird mehrfach mit je 2—3 I destilliertem Wasser und anschließend mit halbkonzentrierter Salzsäure ausgelaugt. Zur Entfernung von oxidischen Bestandteilen wird eine Behandlung mit verdünnter Flußsäure angeschlossen und der Pulverschlamm mit Wasser gewaschen und getrocknet.The chemically activated powder removed from the filters is leached several times with 2-3 l of distilled water and then with half-concentrated hydrochloric acid. To remove oxide constituents, a treatment with dilute hydrofluoric acid is connected and the powder slurry is washed with water and dried.
Dabei werden 206 g reines Siliziumpulver folgender Reinheit erhalten:This gives 206 g of pure silicon powder of the following purity:
Fe Al CaFe Al Ca
0,025 0,11 0,160.025 0.11 0.16
Für den Fall, daß die Korngröße des gewonnenen aktivierten Si-Pulvers für den späteren Verwendungszweck zu groß sein sollte, ist es ohne Verringerung der Reinheit des Endproduktes möglich, einen zusätzlichen Mahlschritt in den Verfahrensablauf vor der Fluoridionenbehandlung einzuschieben.In the event that the grain size of the obtained activated Si powder should be too large for the later use, it is possible to insert an additional grinding step in the process before the fluoride ion treatment without reducing the purity of the final product.
Das erhaltene reine Siliziumpulver kann nun verschiedenen Verwendungen zugeführt werden, für die im folgenden einige Beispiele angeführt werden.The resulting pure silicon powder can now be supplied to various uses, for which some examples are given below.
- 100 g Pulver werden mit 3 g MgO als Sinterhilfsmittel zugegeben und in einer Kugelmühle intensiv vermischt, wobei das MgO auf dem Si-Korn homogen verteilt wird. Aus dem Mahlpulver werden "durch Kaltpressen Rohlinge geformt und bei 1400°C6 h in Stickstoff behandelt. Dabei werden keramische Siliziumnitridkörper erhalten mit weniger als 2% freiem Silizium und etwa 30% Porosität.- 100 g of powder are added with 3 g of MgO as a sintering aid and mixed thoroughly in a ball mill, wherein the MgO is homogeneously distributed on the Si grain. The grinding powder is used to form blanks by cold pressing and to treat them in nitrogen at 1400 ° C. for 6 h to obtain ceramic silicon nitride bodies with less than 2% free silicon and about 30% porosity.
- 84 g Pulver werden mit 36 g Kohlenstoff (Ruß) gemischt und in inerter Gasatmosphäre bei 14000C innerhalb von 4 h zu Siliziumkarbid umgesetzt. Der Reaktionskuchen wird zerkleinert, auf Korngröße um 1 μηη aufgemahlen und zur Weiterverarbeitung dem keramischen Prozeß zugeführt.- 84 g of powder are mixed with 36 g of carbon (soot) and reacted in an inert gas atmosphere at 1400 0 C within 4 h to silicon carbide. The reaction cake is comminuted, ground to grain size by 1 μηη and fed to the ceramic process for further processing.
- Das Pulver wird zu einer Schmelze von Reinaluminium in solchen Anteilen zugesetzt, daß eine Aluminium-Siliziumlegierung mit 5-6% Silizium gebildet wird. Der Eisengehalt dieser Legierung beträgt nicht mehr als 0,1 %. Eine solche Legierung ist sehr korrosionsbeständig und kann für Nahrungsmittelverarbeitungsmaschinen eingesetzt werden.The powder is added to a melt of pure aluminum in such proportions that an aluminum-silicon alloy with 5-6% silicon is formed. The iron content of this alloy is not more than 0.1%. Such an alloy is very resistant to corrosion and can be used for food processing machines.
1 kg metallurgisches Silizium der Korngröße 0,3 mm wird durch Feinmahlung auf Korngrößen von etwa 5 μηη mechanisch aktiviert und unter Erwärmen eingerührt. Nach 3 h Rühren bei 70-900C wird abdekantiert und der Vorgang nochmals wiederholt. Der Bodensatz wird mit etwa 3 I halbkonzentrierter Salzsäure versetzt und 2 h bei erhöhter Temperatur gerührt, dann abdekantiert. Der Prozeß wird wiederholt und anschließend unter kräftigem Rühren in kleinen Portionen etwa 50 g Natriumfluorid zugesetzt. Nach Ende der Gasentwicklung wurde mit Wasser verdünnt, abdekantiert, mehrfach mit destilliertem Wasser gewaschen, filtriert und getrocknet. Die resultierenden 650 g Pulver wurden einer der im Beispiel 1 genannten Verwendung zugeführt.1 kg of metallurgical silicon of grain size 0.3 mm is mechanically activated by grinding to particle sizes of about 5 μηη and stirred with heating. After 3 h stirring at 70-90 0 C is decanted and the process is repeated again. The sediment is mixed with about 3 l of half-concentrated hydrochloric acid and stirred for 2 h at elevated temperature, then decanted. The process is repeated and then added with vigorous stirring in small portions about 50 g of sodium fluoride. After completion of the gas evolution was diluted with water, decanted, washed several times with distilled water, filtered and dried. The resulting 650 g of powder were fed to one of the uses mentioned in Example 1.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD28031685A DD240730A1 (en) | 1985-09-04 | 1985-09-04 | PROCESS FOR OBTAINING PURE SILICON POWDER |
Applications Claiming Priority (1)
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DD28031685A DD240730A1 (en) | 1985-09-04 | 1985-09-04 | PROCESS FOR OBTAINING PURE SILICON POWDER |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DD240730A1 true DD240730A1 (en) | 1986-11-12 |
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ID=5571022
Family Applications (1)
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DD28031685A DD240730A1 (en) | 1985-09-04 | 1985-09-04 | PROCESS FOR OBTAINING PURE SILICON POWDER |
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Country | Link |
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DD (1) | DD240730A1 (en) |
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1985
- 1985-09-04 DD DD28031685A patent/DD240730A1/en not_active IP Right Cessation
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