DE102008010744A1 - Reduction of silica - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Siliziumdioxid zu Silizium. Die Halbleiterindustrie hat einen anhaltenden Bedarf an Siliziummetall hoher Reinheit. Gegenwärtige Verfahren für die Herstellung von Silizium hoher Reinheit schließen die Reduktion von Siliziumhaliden, zum Beispiel von Diliziumtretrachlorid oder -trichlorsilan ein, die Oxidation von Silan und die Reduktion von Siliziumdioxid mit elementarem Kohlenstoff oder Wasserstoff. Ein Nachteil mehrerer dieser Verfahren ist die Produktion von toxischen oder verschmutzenden Nebenprodukten, die Probleme der Entsorgung und/oder der Trennung vom Produkt mit sich bringen. Die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel erfordert äußerste Sorgfalt für den Ausschluss von Sauerstoff, um Explosionen zu vermeiden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen oder mehrere der oben genannten Nachteile im Wesentlichen zu überwinden oder zumindest zu mildern. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Herstellung von Silizium, welches die Reaktion von Siliziumdioxid mit einem Reduktionsgas umfasst, welches Kohlenmonoxid umfasst, wobei das Reduktionsgas keinen elementaren Kohlenstoff enthält.The present invention relates to a process for the reduction of silicon dioxide to silicon. The semiconductor industry has a continuing need for high purity silicon metal. Current methods for the production of high purity silicon include the reduction of silicon halides, for example, dilithium trichloride or trichlorosilane, the oxidation of silane, and the reduction of silica with elemental carbon or hydrogen. A disadvantage of several of these processes is the production of toxic or polluting by-products which cause problems of disposal and / or separation from the product. The use of hydrogen as a reducing agent requires extreme care for the exclusion of oxygen in order to avoid explosions. It is an object of the present invention to substantially overcome or at least alleviate one or more of the above disadvantages. The object is achieved by a method for producing silicon, which comprises the reaction of silicon dioxide with a reducing gas comprising carbon monoxide, wherein the reducing gas contains no elemental carbon.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Siliziumdioxid zu Silizium.The The present invention relates to a method of reducing silica to silicon.
Die Halbleiterindustrie hat einen anhaltenden Bedarf an Siliziummetall hoher Reinheit. Gegenwärtige Verfahren für die Herstellung von Silizium hoher Reinheit schließen die Reduktion von Siliziumhaliden, zum Beispiel von Siliziumtetrachlorid oder -trichlorsilan ein, die Oxidation von Silan und die Reduktion von Siliziumdioxid mit elementarem Kohlenstoff oder Wasserstoff. Ein Nachteil mehrerer dieser Verfahren ist die Produktion von toxischen oder verschmutzenden Nebenprodukten, die Probleme der Entsorgung und/oder der Trennung vom Produkt mit sich bringen. Die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel erfordert äußerste Sorgfalt für den Ausschluss von Sauerstoff, um Explosionen zu vermeiden.The Semiconductor industry has a continued need for silicon metal high purity. Current procedures for the Production of high purity silicon complete the reduction of silicon halides, for example of silicon tetrachloride or trichlorosilane, the oxidation of silane and the reduction of Silica with elemental carbon or hydrogen. One Disadvantage of several of these methods is the production of toxic or polluting by-products, the problems of disposal and / or the separation from the product. The usage of hydrogen as a reducing agent requires utmost Care for the exclusion of oxygen, for explosions to avoid.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen oder mehrere der oben genannten Nachteile im Wesentlichen zu überwinden oder zumindest zu mildern.It An object of the present invention is one or more substantially overcome the above-mentioned disadvantages or at least mitigate it.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Herstellung von Silizium, welches die Reaktion von Siliziumdioxid mit einem Reduktionsgas umfasst, welches Kohlenmonoxid umfasst, wobei das Reduktionsgas keinen elementaren Kohlenstoff enthält.The The object is achieved by a method for the production of silicon, which is the reaction of silica with a Reduction gas comprising carbon monoxide, wherein the Reduction gas contains no elemental carbon.
In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren einen Schritt zur Erzeugung des Kohlenmonoxids durch die Reaktion von elementarem Kohlenstoff mit Sauerstoff. In diesem Fall ist das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff so eingestellt, dass kein elementarer Kohlenstoff im Kohlenmonoxid vorliegt. Das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff ist so eingestellt, dass der gesamte Sauerstoff verbraucht wird. Das Verfahren um fasst das Entfernen des elementaren Kohlenstoffs aus dem Reduktionsgas vor dem Schritt der Reaktion des Siliziumdioxids mit diesem. Die Reaktion des Siliziumdioxids mit dem Reduktionsgas erzeugt Silizium und wandelt das Reduktionsgas in ein Abgas um.In In a further development, the method comprises a step for generating of carbon monoxide by the reaction of elemental carbon with oxygen. In this case, the ratio of carbon set to oxygen so that no elemental carbon present in carbon monoxide. The ratio of carbon Oxygen is adjusted to consume all oxygen becomes. The process involves the removal of elemental carbon from the reducing gas before the step of the reaction of the silica with this. The reaction of the silicon dioxide with the reducing gas generates silicon and converts the reducing gas into an exhaust gas.
Abgase aus dem Verfahren werden vorteilhafterweise verwendet, um einen Rohstoff für das Verfahren vor der Verwendung desselben im Verfahren vorzuwärmen. Das Abgas aus dem Verfahren wird oxidiert, um im Wesentlichen das gesamte darin enthaltene Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umzuwandeln, wodurch oxidiertes Abgas erzeugt wird. Das oxidierte Abgas wird ebenfalls verwendet, um einen Rohstoff für das Verfahren vor der Verwendung desselben im Verfahren vorzuwärmen. Auf diese Weise kann Wärmeenergie, die beim Verfahren durch Oxidationsverfahren erzeugt wird, und/oder Wärme, die dem Verfahren zugeführt wird, recycelt werden, um den Energieverbrauch des Verfahrens zu reduzieren oder zu minimieren und/oder um den energetischen Wirkungsgrad des Verfahrens zu verbessern. Darüber hinaus verringert die Oxidation des Abgases seine Toxizität und macht es geeigneter für die Freisetzung in die Atmosphäre.exhaust from the process are advantageously used to one Raw material for the process before using it to preheat in the process. The exhaust gas from the process will oxidizes to substantially all of the carbon monoxide contained therein convert to carbon dioxide, thereby producing oxidized exhaust gas. The Oxidized exhaust gas is also used to produce a raw material preheat the process before using it in the process. In this way, heat energy can be used during the process Oxidation process is generated, and / or heat, the Process is fed, recycled to energy consumption reduce or minimize the process and / or the energetic To improve the efficiency of the process. Furthermore reduces the oxidation of the exhaust gas its toxicity and makes it more suitable for release to the atmosphere.
Der Schritt der Reaktion des Siliziumdioxids mit Kohlenmonoxid wird in einer erwärmten Reaktionskammer vorgenommen. Die Temperatur der erwärmten Reaktionskammer ist regelbar. Sie kann sowohl auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium als auch auf eine Temperatur unterhalb des Siedepunktes von Silizium und auf eine Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt und dem Siedepunkt von Silizium geregelt werden. Die Temperatur der erwärmten Reaktionskammer liegt im Bereich von zirka 1.400 und zirka 2.300°C. Die Reaktion des Siliziumdioxids mit Kohlenmonoxid wird bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium vorgenommen. Das Silizium kann entgast werden, ehe man es fest werden lässt.Of the Step of the reaction of the silica with carbon monoxide is made in a heated reaction chamber. The temperature the heated reaction chamber is adjustable. She can both to a temperature above the melting point of silicon as also at a temperature below the boiling point of silicon and at a temperature between the melting point and the boiling point be controlled by silicon. The temperature of the heated Reaction chamber is in the range of about 1,400 and about 2,300 ° C. The reaction of the silica with carbon monoxide is at a Temperature made above the melting point of silicon. The silicon can be degassed before it solidifies.
Das im Verfahren verwendete Siliziumdioxid kann eine Reinheit von zumindest zirka 99,9 Gewichtsprozent haben.The Silica used in the process may have a purity of at least have about 99.9 weight percent.
Die Erfindung stellt Silizium bereit, welches durch die erste Ausführungsform hergestellt wird. Das Silizium weist eine Reinheit von zumindest zirka 99,9 Gewichtsprozent auf.The The invention provides silicon obtained by the first embodiment will be produced. The silicon has a purity of at least about 99.9 percent by weight.
Darüber hinaus erfolgt die Lösung der Aufgabe mit einem Reaktor für die Herstellung von Silizium, der die folgenden Merkmale aufweist:
- • eine Kohlenstoffoxidationskammer für die Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff für die Erzeugung eines Reduktionsgases, welches Kohlenmonoxid umfasst, wobei das Reduktionsgas keinen elementaren Kohlenstoff enthält;
- • eine Reaktionskammer für die Reaktion des Reduktionsgases, das keinen elementaren Kohlenstoff enthält, mit Siliziumdioxid, wobei die Reaktionskammer mit der Kohlenstoffoxidationskammer in Verbindung steht;
- • einen Temperaturregler für das Regeln der Temperatur der Reaktionskammer;
- • eine Siliziumdioxideinlassöffnung, die mit der Reaktionskammer in Verbindung steht, um das Siliziumdioxid der Reaktionskammer zuzuführen; und
- • eine Siliziumauslassöffnung, die mit der Reaktionskammer in Verbindung steht, damit das Silizium die Reaktionskammer verlassen kann.
- A carbon oxidation chamber for the reaction of carbon with oxygen to produce a reducing gas comprising carbon monoxide, the reducing gas containing no elemental carbon;
- A reaction chamber for the reaction of the reducing gas containing no elemental carbon with silicon dioxide, the reaction chamber being in communication with the carbon oxidation chamber;
- A temperature controller for controlling the temperature of the reaction chamber;
- A silicon dioxide inlet port communicating with the reaction chamber to supply the silicon dioxide to the reaction chamber; and
- A silicon outlet port communicating with the reaction chamber to allow the silicon to exit the reaction chamber.
Der Reaktor kann ebenfalls einen Entgaser für das Entgasen des Siliziums umfassen, nachdem es die Reaktionskammer verlassen hat. Er kann ebenfalls eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- • einen Siliziumdioxid-Vorwärmer für das Vorwärmen des Siliziumdioxids, ehe das Siliziumdioxid in die Reaktionskammer eintritt,
- • zumindest einen Vorwärmer für das Vorwärmen entweder des Kohlenstoffs oder des Sauerstoffs oder von beiden, und
- • eine Abgasauslassöffnung.
- A silicon dioxide preheater for preheating the silica before the silicon dioxide enters the reaction chamber,
- At least one preheater for preheating either the carbon or the oxygen or both, and
- • an exhaust outlet opening.
Der Reaktor kann eine Rohrleitung für das Leiten von Abgas aus der Reaktionskammer, oder von oxidiertem Abgas, erhalten durch die Oxidation des Abgases, zu zumindest einem der Vorwärmer für das Vorwärmen von zumindest einem der Stoffe, von dem Kohlenstoff, dem Sauerstoff und dem Siliziumdioxid, aufweisen.Of the Reactor can be a pipeline for the conduction of exhaust gas from the reaction chamber, or from oxidized exhaust gas, obtained by the oxidation of the exhaust gas to at least one of the preheaters for preheating at least one of the substances, of the carbon, the oxygen and the silica.
Eine Abgasoxidationskammer kann bereitgestellt werden für das Oxidieren von Kohlenmonoxid im Abgas aus der Reaktionskammer zu Kohlendioxid, um oxidiertes Abgas zu erzeugen. Die Reaktionskammer kann mit der Abgasoxidationskammer über die Abgasauslassöffnung in Verbindung stehen. Durchflussregler können ebenfalls bereitgestellt werden für das Regeln des Durchflusses von einem oder mehr des Kohlenstoffs, des Sauerstoffs und des Siliziumdioxids. Eine Wärmespeichereinheit kann bereitgestellt werden, welche in thermischer Verbindung mit der Reaktionskammer steht.A Exhaust gas oxidation chamber may be provided for the Oxidizing carbon monoxide in the exhaust gas from the reaction chamber too Carbon dioxide to produce oxidized exhaust gas. The reaction chamber can with the exhaust gas oxidation chamber via the exhaust gas outlet keep in touch. Flow regulators can also be provided for controlling the flow of one or more of the carbon, the oxygen and the silicon dioxide. A heat storage unit may be provided which is in thermal communication with the reaction chamber.
Darüber hinaus erfolgt die Lösung der Aufgabe der Erfindung mit einem weiteren Verfahren zur Herstellung von Silizium, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- • Bereitstellen eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung;
- • Zuführen von Sauerstoff und Kohlenstoff zur Kohlenstoffoxidationskammer des Reaktors;
- • Reaktion des Kohlenstoffs mit dem Sauerstoff, um ein Reduktionsgas zu erzeugen, welches Kohlenmonoxid umfasst, wobei das Reduktionsgas keinen elementaren Kohlenstoff enthält;
- • Zuführen des Reduktionsgases und von Siliziumdioxid zur Reaktionskammer; und
- • Reaktion des Reduktionsgases und des Siliziumdioxids für die Herstellung von Silizium und von Abgas.
- Providing a reactor according to the present invention;
- Supplying oxygen and carbon to the carbon oxidation chamber of the reactor;
- Reacting the carbon with the oxygen to produce a reducing gas comprising carbon monoxide, the reducing gas containing no elemental carbon;
- Supplying the reducing gas and silicon dioxide to the reaction chamber; and
- • Reaction of the reducing gas and the silicon dioxide for the production of silicon and exhaust gas.
Das Verfahren umfasst ebenfalls das Oxidieren des Abgases, um oxidiertes Abgas zu erzeugen.The Method also includes oxidizing the exhaust gas to oxidized Generate exhaust gas.
Silizium, das mit diesem Verfahren hergestellt wird, weist eine Reinheit von zumindest zirka 99,9 Gewichtsprozent auf.Silicon, produced by this method has a purity of at least about 99.9 percent by weight.
Bei der vorliegenden Beschreibung ist der Begriff „Silizium” so aufzufassen, dass er sich auf elementares Silizium oder auf Siliziummetall bezieht. Es versteht sich, dass oft der Begriff „Siliziummetall” verwendet wird, obwohl elementares Silizium ein sogenanntes Halbmetall ist und zuweilen auch als ein Metalloid bezeichnet wird.at In the present specification, the term "silicon" is so to understand that it is based on elemental silicon or on silicon metal refers. It is understood that often uses the term "silicon metal" Although elemental silicon is a so-called semi-metal and sometimes also referred to as a metalloid.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren für die Herstellung von Silizium bereit, das die Reaktion von Siliziumdioxid mit einem Reduktionsgas umfasst, welches Kohlenmonoxid umfasst, wobei das Reduktionsgas keinen elementaren Kohlenstoff enthält. Es ist wichtig, dass im Reduktionsgas kein elementarer Kohlenstoff vorliegt, da Kohlenstoff, unter den Reaktionsbedingungen, mit dem Silizium reagieren könnte, um Siliziumkarbid zu erzeugen, welcher das Silizium verschmutzen würde. Somit ist es möglich, den Gehalt von elementarem Kohlenstoff im Reduktionsgas unterhalb von zirka 10 ppm zu halten, oder von weniger als zirka 5, 2, 1, 0,5, 0,2, 0,1, 0,05, 0,02 oder 0,01 ppm auf einer Molbasis relativ zu Kohlenmonoxid, abhängig von dem gewünschten Reinheitsgrad des durch das Verfahren erzeugten Siliziums.The The present invention provides a method for the manufacture of silicon ready, which is the reaction of silica with a Reduction gas comprising carbon monoxide, wherein the Reduction gas contains no elemental carbon. It it is important that in the reducing gas no elemental carbon because carbon, under the reaction conditions, with the Silicon could react to produce silicon carbide, which that would pollute the silicon. Thus, it is possible the content of elemental carbon in the reducing gas below of about 10 ppm, or of less than about 5, 2, 1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02 or 0.01 ppm on a molar basis relative to carbon monoxide, depending on the desired degree of purity of the silicon produced by the process.
Die Reaktion des Siliziumdioxids mit dem Reduktionsgas kann die Reduktion des Siliziumdioxids mit Kohlenmonoxid im Reduktionsgas mit sich bringen. Sie kann ebenfalls die Reduktion des Siliziumdioxids mit einem anderen Bestandteil (zum Beispiel einem Reduktionsbestandteil) des Reduktionsgases mit sich bringen oder nicht. Der Kohlenmonoxidgehalt des Reduktionsgases kann ebenfalls jeder gewünschte Nicht-Null-Wert sein, zum Beispiel von zirka 1 bis zirka 100% auf einer Gewichts-, Volumen- oder Molbasis, oder von zirka 10 bis 100, 25 bis 100, 50 bis 100 oder 80 bis 100, zum Beispiel zirka 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 99, 99,5, 99,9 oder 100%. Das Reduktionsgas kann ebenfalls ein oder mehr andere Gase umfassen, vorzugsweise nicht-oxidierende Gase, optional Reduktionsgase und/oder Inertgase. Das andere Gas/die anderen Gase kann/können zum Beispiel Stickstoff, Kohlendioxid, Helium, Neon, Argon etc. oder ein Gemisch von zwei oder mehr derselben sein. Bei einigen Ausführungsformen enthält das Reduktionsgas keinen Wasserstoff. Das Reduktionsgas kann im Wesentlichen frei sein (zum Beispiel mehr als zirka 95, 96, 97, 98, 99, 99,5 oder 99,9% frei) von anderen Umweltschadstoffen als Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Bei einigen Ausführungsformen besteht das Reduktionsgas nur aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Bei anderen Ausführungsformen besteht das Reduktionsgas nur aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und einem Trägergas. Das Trägergas kann zum Beispiel Stickstoff, Helium, Neon oder Argon sein.The Reaction of the silica with the reducing gas may cause the reduction of the silica with carbon monoxide in the reducing gas with it. It can also reduce the silicon dioxide with another Component (for example, a reducing component) of the reducing gas bring with you or not. The carbon monoxide content of the reducing gas can also be any desired non-zero value, for Example of about 1 to about 100% on a weight, volume or Molbasis, or from about 10 to 100, 25 to 100, 50 to 100 or 80 to 100, for example, approximately 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 99, 99.5, 99.9 or 100%. The reducing gas may also comprise one or more other gases, preferably non-oxidizing gases, optionally reducing gases and / or Inert gases. The other gas (s) may / may for example nitrogen, carbon dioxide, helium, neon, argon etc. or a mixture of two or more thereof. For some Embodiments, the reducing gas contains no Hydrogen. The reducing gas may be substantially free (for Example more than about 95, 96, 97, 98, 99, 99.5 or 99.9% free) from environmental pollutants other than carbon dioxide and carbon monoxide. In some embodiments, the reducing gas is only from carbon dioxide and carbon monoxide. In other embodiments the reducing gas only from carbon dioxide, carbon monoxide and a Carrier gas. The carrier gas may be, for example, nitrogen, Be helium, neon or argon.
Das Verfahren kann ebenfalls den Schritt der Erzeugung des Kohlenmonoxids durch die Reaktion von elementarem Kohlenstoff mit Sauerstoff umfassen. In diesem Fall kann das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff dergestalt sein, dass kein elementarer Kohlenstoff erzeugt wird. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff sollte dergestalt sein, dass der gesamte Sauerstoff verbraucht wird. Das Verhältnis kann von zirka 2:1 bis zirka 1:1 auf einer molaren Basis liegen, oder von zirka 2:1 bis 1,5:1, 2:1 bis 1,8:1, 1,5:1 bis 1:1, 1,3:1 bis 1:1, 1,9:1 bis 1,1:1, 1,9:1 bis 1,5:1, 1,5:1 bis 1,1:1 oder 1,8:1 bis 1,3:1, zum Beispiel zirka 1,1:1, 1,2:1, 1,3:1, 1,4:1, 1,5:1, 1,6:1, 1,7:1, 1,8:1, 1,9:1 oder 2:1. Der Kohlenstoff, der zur Erzeugung des Kohlenmonoxids verwendet wird, sollte eine geeignete Partikelgröße aufweisen, um eine schnelle, vorzugsweise vollständige Reaktion zu Kohlenmonoxid und optional ebenfalls Kohlendioxid zu ermöglichen. Die mittlere, oder die maximale, Partikelgröße des Kohlenstoffs kann im Bereich von zirka 10 Mikrometer bis zirka 5 mm, oder von zirka 1 Mikrometer bis 1 mm, 10 bis 500 Mikrometer, 10 bis 100 Mikrometer, 10 bis 50 Mikrometer und 5 mm, 100 Mikrometer bis 5 mm, 500 Mikrometer bis 5 mm, 1 bis 5 mm, 100 bis 1000 Mikrometer, 100 bis 500 Mikrometer oder 500 bis 1000 Mikrometer, zum Beispiel zirka 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900 oder 950 Mikrometer, oder zirka 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5 oder 5 mm, oder sie kann unter bestimmten Umständen größer als 5 mm sein. Das Verfahren kann den zusätzlichen Schritt der Umwandlung des Kohlenstoffs zu einer geeigneten Partikelgröße vor der Erzeugung des Kohlenmonoxids umfassen. Dies kann das Mahlen, das Pelletieren oder ein anderes geeignetes Verfahren umfassen. Der Kohlenstoff kann Kohlenstoff von hoher Reinheit sein. Er kann zumindest zirka 99% rein sein, oder zumindest zirka 99,5, 99,9, 99,95, 99,99, 99,995 oder 99,999% rein, oder 99,5 bis 100, 99,9 bis 100, 99,95 bis 100, 99,99 bis 100, 99,995 bis 100, 99,999 bis 100, 99,5 bis 99,999, 99,9 bis 99,999, 99,95 bis 99,999, 99,99 bis 99,999 oder 99,995 bis 99,999% rein sein, zum Beispiel zirka 99, 99,1, 99,2, 99,3, 99, 4, 99,5, 99,6, 99,7, 99,8, 99,9, 99,95, 99,99, 99,995, 99,999, 99,9995, 99,9999 oder 100% rein sein.The method may also include the step of generating the carbon monoxide by the reaction of elemental carbon with oxygen. In this case, the ratio of acid carbon to be such that no elemental carbon is generated. The ratio of oxygen to carbon should be such that all oxygen is consumed. The ratio can be from about 2: 1 to about 1: 1 on a molar basis, or from about 2: 1 to 1.5: 1, 2: 1 to 1.8: 1, 1.5: 1 to 1: 1, 1.3: 1 to 1: 1, 1.9: 1 to 1.1: 1, 1.9: 1 to 1.5: 1, 1.5: 1 to 1.1: 1 or 1, 8: 1 to 1.3: 1, for example, about 1.1: 1, 1.2: 1, 1.3: 1, 1.4: 1, 1.5: 1, 1.6: 1, 1 , 7: 1, 1.8: 1, 1.9: 1 or 2: 1. The carbon used to produce the carbon monoxide should have a suitable particle size to allow a rapid, preferably complete reaction to carbon monoxide and optionally also carbon dioxide. The mean, or maximum, particle size of the carbon may range from about 10 microns to about 5 mm, or from about 1 micron to 1 mm, 10 to 500 microns, 10 to 100 microns, 10 to 50 microns, and 5 mm, 100 Micrometers to 5 mm, 500 micrometers to 5 mm, 1 to 5 mm, 100 to 1000 micrometers, 100 to 500 micrometers or 500 to 1000 micrometers, for example approximately 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, or 950 microns, or approximately 1, 1.5, 2, 2 , 5, 3, 3.5, 4, 4.5 or 5 mm, or in certain circumstances may be greater than 5 mm. The method may include the additional step of converting the carbon to a suitable particle size prior to the generation of the carbon monoxide. This may include milling, pelleting or any other suitable method. The carbon can be carbon of high purity. It can be at least about 99% pure, or at least about 99.5, 99.9, 99.95, 99.99, 99.995 or 99.999% pure, or 99.5 to 100, 99.9 to 100, 99.95 to 100, 99.99 to 100, 99.995 to 100, 99.999 to 100, 99.5 to 99.999, 99.9 to 99.999, 99.95 to 99.999, 99.99 to 99.999 or 99.995 to 99.999% pure, for example about 99, 99.1, 99.2, 99.3, 99, 4, 99.5, 99.6, 99.7, 99.8, 99.9, 99.95, 99.99, 99.995, 99.999 , 99.9995, 99.9999 or 100% pure.
Die Kohlenstoffzuführung zur Oxidationskammer wird üblicherweise eine bestimmte Menge an mitgerissenem Gas enthalten. Dies kann Luft sein, oder es kann Sauerstoff, Kohlendioxid oder ein anderes Gas sein, welches verwendet wird, um den Kohlenstoff im Kohlenstofflagerbehälter zu bedecken. Das Gas in dem Kohlenstofflagerbehälter sollte so ausreichend rein sein, dass es keine Unreinheiten in das Produkt Silizium einbringt.The Carbon supply to the oxidation chamber usually becomes contain a certain amount of entrained gas. This can be air be, or it can be oxygen, carbon dioxide or another gas which is used to store the carbon in the carbon storage container to cover. The gas in the carbon storage tank should be be sufficiently pure that there are no impurities in the product Silicon introduces.
Das Reaktionsprodukt des elementaren Kohlenstoffs mit dem Sauerstoff umfasst Kohlenmonoxid, optional zusammen mit Kohlendioxid. Unter bestimmten Bedingungen kann es ebenfalls etwas restlichen elementaren Kohlenstoff umfassen. In diesem Fall kann das Verfahren das Entfernen des elementaren Kohlenstoffs aus dem Reduktionsgas vor dem Schritt der Reaktion des Siliziumdioxids mit diesem umfassen. Dies kann Filtern, Mikrofiltern, Zentrifugieren, Absetzen oder ein anderes geeignetes Verfahren umfassen. Die Vorrichtung für das Entfernen des elementaren Kohlenstoffs sollte in der Lage sein, die Temperatur des Reduktionsgases auszuhalten. Sie kann zum Beispiel eine Fritte aus gesintertem Metall oder aus Keramik (zum Beispiel Metalloxid) oder eine andere Hochtemperatur-Filtervorrichtung umfassen. Nach der Reaktion des Kohlenstoffs und des Sauerstoffs zur Erzeugung des Kohlenmonoxids kann das sich ergebende Gas mit einem Verdünnungsgas vermischt werden, um das Reduktionsgas zu erzeugen. Das Verdünnungsgas sollte kein oxidierendes Gas umfassen, und es kann ein Reduktionsgas umfassen. Geeignete Verdünnungsgase schließen Stickstoff, Kohlendioxid, Helium, Neon, Argon etc. oder Gemische derselben ein. Das Verdünnungsgas kann mit dem Reaktionsprodukt des Kohlenstoffs und des Sauerstoffs in einem Verhältnis von zirka 1 zu zirka 90 Verdünnungsgas zu sich ergebenden Reduktionsgas vermischt werden. Das Verhältnis kann im Bereich von zirka 1 und 50, 1 und 20, 1 und 10, 10 und 90, 50 und 90, 10 und 50 oder 20 und 50%, zum Beispiel zirka 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 oder 90 Volumenprozent liegen. Alternativ kann Kohlenmonoxid aus einem Behälter desselben bereitgestellt werden, zum Beispiel einem handelsüblichen Gaszylinder, und optional mit einem Verdünnungsgas vermischt werden, um das Reduktionsgas zu erzeugen. Die Art und das Verhältnis des Verdünnungsgases kann so sein, wie oben beschrieben ist. Das Kohlenmonoxid aus dem Behälter kann direkt als das Reduktionsgas verwendet werden, ohne Hinzufügung eines Verdünnungsgases.The Reaction product of the elemental carbon with the oxygen includes carbon monoxide, optionally together with carbon dioxide. Under certain Conditions may also be slightly residual elemental carbon include. In this case, the process can be the removal of the elementary Carbon from the reducing gas before the step of the reaction of the silica with this include. This can be filters, microfilters, Centrifuging, settling or other suitable method. The device for the removal of elemental carbon should be able to withstand the temperature of the reducing gas. she For example, a frit made of sintered metal or ceramic (For example, metal oxide) or another high-temperature filter device include. After the reaction of carbon and oxygen to produce of carbon monoxide, the resulting gas may be mixed with a diluent gas are mixed to produce the reducing gas. The diluent gas should not include oxidizing gas and may be a reducing gas include. Close suitable diluent gases Nitrogen, carbon dioxide, helium, neon, argon etc. or mixtures the same one. The diluent gas may be combined with the reaction product of carbon and oxygen in a ratio from about 1 to about 90 diluent gas to yield Reduction gas are mixed. The ratio can be in Range of approximately 1 and 50, 1 and 20, 1 and 10, 10 and 90, 50 and 90, 10 and 50 or 20 and 50%, for example approximately 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 or 90 percent by volume. Alternatively, you can Carbon monoxide provided from a container thereof be used, for example, a commercial gas cylinder, and optionally mixed with a diluent gas, to produce the reducing gas. The kind and the relationship of the diluent gas may be as described above is. The carbon monoxide from the container can directly as the reducing gas can be used without adding a Dilution gas.
Die Bedingungen der Reaktion des Kohlenstoffs und des Sauerstoffs zur Erzeugung von Kohlenmonoxid sollten dergestalt sein, dass keine heftige Verbrennung oder Explosion auftreten. Sie können so sein, dass eine gesteuerte Oxidation des Kohlenstoffs vor sich geht. Die Oxidation kann eine Verbrennung sein, vorzugsweise eine gesteuerte Verbrennung. Die Bedingungen, die angepasst werden sollten, um dieses Ziel zu erreichen, können Temperatur, Druck, Verhältnis (Menge oder Durchflussgeschwindigkeit) von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Partikelgröße des Kohlenstoffs, Vorhandensein und Menge oder Durchflussgeschwindigkeit eines Verdünnungsgases, die Gestaltung der Oxidationskammer usw. einschließen.The Conditions of reaction of carbon and oxygen to Generation of carbon monoxide should be such that no violent combustion or explosion may occur. You can be such that there is a controlled oxidation of the carbon in front of him goes. The oxidation may be a combustion, preferably one controlled combustion. The conditions that should be adjusted To achieve this goal, temperature, pressure, Ratio (amount or flow rate) of carbon to oxygen, particle size of the carbon, Presence and quantity or flow rate of a diluent gas, include the design of the oxidation chamber, etc.
Die Reaktion des Siliziumdioxids mit dem Reduktionsgas erzeugt Silizium und wandelt das Reduktionsgas zu einem Abgas um. Somit stellt die Reaktion eine Reduktion von Siliziumdioxid zu Silizium dar, und stellt eine Oxidation des Reduktionsgases, im Besonderen von Kohlenmonoxid im Reduktionsgas, zu Kohlendioxid im Abgas dar. Das Abgas umfasst Kohlendioxid, und es kann ebenfalls Kohlenmonoxid umfassen, das keiner Reaktion mit dem Siliziumdioxid unterzogen wurde. Der Kohlenmonoxidgehalt des Abgases hängt vom Kohlenmonoxidgehalt des Reduktionsgases ab, vom Verhältnis der Durchflussgeschwindigkeit des Reduktionsgases zur Zuführungsgeschwindigkeit von Siliziumdioxid in den Reaktor, den Bedingungen (Temperatur, Druck, usw.) innerhalb des Reaktors und von anderen Faktoren. Er kann im Bereich von zirka 1 bis zirka 90 liegen oder von zirka 1 bis 80, 1 bis 70, 1 bis 60, 1 bis 50, 1 bis 20, 1 bis 10, 10 bis 90, 50 bis 90, 10 bis 50 oder 20 bis 50 zum Beispiel zirka 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 oder 90 Volumenprozent liegen.The reaction of the silica with the reducing gas generates silicon and converts the reducing gas to an exhaust gas. Thus, the reaction is a reduction of silicon dioxide to silicon, and represents an oxidation of the reducing gas, in particular of carbon monoxide in the reducing gas, to carbon dioxide in the exhaust gas. The exhaust gas comprises carbon dioxide, and it may also Kohlenmo oxide which has not undergone any reaction with the silica. The carbon monoxide content of the exhaust gas depends on the carbon monoxide content of the reducing gas, the ratio of the flow rate of the reducing gas to the feeding rate of silica to the reactor, the conditions (temperature, pressure, etc.) within the reactor and other factors. It can range from about 1 to about 90, or from about 1 to 80, 1 to 70, 1 to 60, 1 to 50, 1 to 20, 1 to 10, 10 to 90, 50 to 90, 10 to 50, or 20 to 50, for example, about 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 or 90 volume percent lie.
Abgase des Verfahrens werden verwendet, um einen Rohstoff für das Verfahren vor der Verwendung desselben im Verfahren vorzuwärmen. Das Vorwärmen durch das Abgas kann ausreichend sein, um den Rohstoff auf die gewünschte Temperatur für das Eintreten in das Verfahren anzuheben, oder auf eine Temperatur unterhalb derselben. Im letzteren Eventualfall kann ein zusätzliches Erwärmen, zum Beispiel ein elektrisches Erwärmen, zum Einsatz kommen, um den Rohstoff auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Das Abgas aus dem Verfahren kann oxidiert werden, zum Beispiel verbrannt werden, um im Wesentlichen das gesamte Kohlenmonoxid in diesem zu Kohlendioxid umzuwandeln, wodurch oxidiertes Abgas erzeugt wird. Das oxidierte Abgas kann geeignet sein für die Freisetzung in die Atmosphäre, das heißt es kann Umweltstandards für Kohlenmonoxidgehalt einhalten. Der Kohlenmonoxidgehalt des oxidierten Abgases kann unterhalb einer toxischen Ebene liegen. Der Kohlenmonoxidgehalt des oxidierten Abgases kann geringer sein als zirka 100 ppm oder geringer als zirka 50, 20 oder 10 ppm, zum Beispiel zirka 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100 ppm.exhaust of the process are used to provide a raw material for preheat the process before using it in the process. The preheating by the exhaust gas may be sufficient to the raw material to the desired temperature for the Entering the process, or at a temperature below the same. In the latter eventual case, an additional Heating, for example electric heating, to use the raw material to the desired To bring temperature. The exhaust gas from the process can be oxidized will be burned, for example, to essentially the entire Carbon monoxide in this convert to carbon dioxide, causing oxidized Exhaust gas is generated. The oxidized exhaust gas may be suitable for the release into the atmosphere, that is it can comply with environmental standards for carbon monoxide content. The carbon monoxide content of the oxidized exhaust gas may be below a toxic level. The carbon monoxide content of the oxidized exhaust gas may be less than about 100 ppm or less than about 50, 20 or 10 ppm, for example, about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 or 100 ppm.
Das oxidierte Abgas kann verwendet werden, um zumindest zum Teil einen oder mehr der Rohstoffe für das Verfahren vor der Verwendung derselben im Verfahren vorzuwärmen.The oxidized exhaust gas can be used, at least in part or more of the raw materials for the process before use to preheat the same in the process.
Die Verwendung des Abgases und/oder des oxidierten Abgases für das Vorwärmen der Rohstoffe verringert die Menge an Energie, welche dem System zugeführt werden muss, um die Rohstoffe auf eine geeignete Reaktionstemperatur entweder für die Erzeugung von Kohlenmonoxid oder für die Reduktion von Siliziumdioxid zu bringen.The Use of the exhaust gas and / or the oxidized exhaust gas for preheating the raw materials reduces the amount of energy which must be supplied to the system to the raw materials to a suitable reaction temperature for either production of carbon monoxide or for the reduction of silica bring to.
Der
Reaktionsschritt des Siliziumdioxids mit Kohlenmonoxid kann in einer
erwärmten Reaktionskammer durchgeführt werden.
Die Temperatur der erwärmten Reaktionskammer ist regelbar.
Sie kann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium
geregelt werden (1.683 K, 1.419°C). Die Temperatur sollte
nicht hoch genug sein, dass das Silizium verdampft. Der Siede-Punkt
von Silizium beträgt 3.173 K (2.900°C) (
Die
Strömungsgeschwindigkeit des Reduktionsgases in die Reaktionskammer
wird so eingestellt, dass das Siliziumdioxid voll ständig
zu Silizium reduziert wird. Das Reduktionsgas kann in einer Menge
(oder bei einer entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit)
verwendet werden, dass das molare Reaktionsverhältnis von
Reduktionsbestandteilen (Kohlenmonoxid und alle anderen Reduktionsbestandteile
des Reduktionsgases) zu Siliziumdioxid zumindest zirka 1,1, oder
zumindest zirka 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 2, 2, 5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5,
6, 7, 8, 9 oder 10, oder zirka 1,1 bis zirka 10, oder zirka 1,1
bis 5, 1,1 bis 2, 1,5 bis 10, 2 bis 10, 3 bis 10, 4 bis 10, 5 bis
10, 1,5 bis 5 oder 2 bis 5 ist, zum Beispiel zirka 1,1, 1,2, 1,3, 1,4,
1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9 oder
10 beträgt, oder es kann unter bestimmten Umständen
mehr als 10 oder von 1 bis 1,1 betragen. Bei der Bestimmung des
oben erwähnten molaren Reaktionsverhältnisses
ist es erforderlich, den Sauerstoffgehalt von Siliziumdioxid zu
berücksichtigen. Somit enthält Siliziumdioxid
(SiO2) zwei Mol Sauerstoff pro Mol Siliziumdioxid.
Dementsprechend wird für Kohlenmonoxid als Reduktionsbestandteil des
Reduktionsgases das tatsächliche molare Verhältnis
zwischen Siliziumdioxid und dem Reduktionsbestandteil das Doppelte
des molaren Reaktionsverhältnisses betragen (um die zwei
Mol Sauerstoff pro Mol Siliziumdioxid zu berücksichtigen),
so dass ein molares Reaktionsverhältnis von 2 ein molares
Verhältnis von 4 repräsentieren würde.
Dies beruht darauf, dass ein Atom Kohlenmonoxid ein Atom Sauerstoff
benötigt, um ein Mol Kohlendioxid zu erzeugen. Dies kann
im Fall von Siliziumdioxid wie folgt gezeigt werden:
Das Silizium kann entgast werden, ehe man es fest werden lässt. Das Verfahren des Entgasens kann das Aufbringen eines zumindest teilweisen Vakuums auf das geschmolzene Silizium umfassen. Das zumindest teilweise Vakuum kann einen absoluten Druck von weniger als zirka 500 mbar haben oder weniger als zirka 400, 300, 200, 100, 50, 20, 10, 5, 2 oder 1 mbar, oder von zirka 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 oder 500 mbar. Das Entgasen kann das Pumpen des geschmolzenen Siliziums umfassen, zum Beispiel um es aus dem Reaktor zu entfernen, wobei die Pumpe, die für das Pumpen verwendet wird, von einer Art ist, die ein zumindest teilweises Vakuum auf die Flüssigkeit aufbringt, die gepumpt wird.The Silicon can be degassed before it solidifies. The method of degassing may include applying at least one include partial vacuum on the molten silicon. That, at least partial vacuum can have an absolute pressure of less than about 500 mbar or less than approximately 400, 300, 200, 100, 50, 20, 10, 5, 2 or 1 mbar, or of approximately 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 or 500 mbar. Degassing can be the pumping of the molten silicon include, for example, to remove it from the reactor, wherein the pump used for pumping is one Kind is that an at least partial vacuum on the liquid who is pumped.
Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für die Herstellung von Siliziummetall hoher Reinheit, zum Beispiel für die Verwendung in der Halbleiterindustrie. Um dies zu erreichen, ist die Verwendung von Reagenzien hoher Reinheit erforderlich. Im Besonderen ist es erforderlich, dass das Siliziumdioxid von hoher Reinheit ist. So ist es möglich hochreines Siliziumdioxid durch Umwandlung des Siliziumdioxids zu einer hydrolysierbaren Siliziumart, zum Beispiel Siliziumtetrafluoridgas, durch das Reinigen der hydrolysierbaren Siliziumart und das Hydrolysieren der gereinigten hydrolysierbaren Siliziumart zur Erzeugung von gereinigtem Siliziumdioxid herzustellen. Das beim Verfahren verwendete Siliziumdioxid kann eine Reinheit von zumindest zirka 99,9 Gewichtsprozent haben, oder es kann zumindest 99,95, 99,99, 99,995 oder 99,999% rein sein, und es kann zirka 99,9, 99,91, 99,92, 99,93, 99,94, 99,95, 99,96, 99,97, 99,98, 99,99, 99,991, 99,992, 99,993, 99,994, 99,995, 99,996, 99,997, 99,998, 99,999, 99,9995 oder 99,9999% rein sein. Zusätzlich sollten die Bedingungen der Reduktion des Siliziumdioxid zu Silizium (Temperatur, CO-Konzentration des Reduktionsgases, Strömungsgeschwindigkeit des Reduktionsgases, Zuführungsgeschwindigkeit des Siliziumdioxids, Partikelgröße des Siliziumdioxids usw.) ausreichend sein, um eine vollständige Reduktion des Siliziumdioxid zu Silizium zu gewährleisten.The present invention is particularly suitable for the production of silicon metal of high purity, for example for the Use in the semiconductor industry. To achieve this is the use of high purity reagents is required. In particular It is necessary that the silica of high purity is. So it is possible high-purity silicon dioxide through Conversion of the silicon dioxide to a hydrolyzable type of silicon, for Example silicon tetrafluoride gas, by purifying the hydrolyzable Silicon type and hydrolyzing the purified hydrolyzable Silicon type to produce purified silica. The silica used in the process may be of a purity of at least about 99.9 weight percent, or at least 99.95, 99.99, 99.995 or 99.999% pure, and it can be around 99.9, 99.91, 99.92, 99.93, 99.94, 99.95, 99.96, 99.97, 99.98, 99.99, 99.991, 99,992, 99,993, 99,994, 99,995, 99,996, 99,997, 99,998, 99,999, 99.9995 or 99.9999% pure. In addition, the should Conditions of reduction of silicon dioxide to silicon (temperature, CO concentration of the reducing gas, flow velocity the reducing gas, feeding rate of the silica, Particle size of the silica, etc.) is sufficient to be a complete reduction of the silica to ensure silicon.
Somit kann ein geeignetes Verfahren für die Herstellung von Siliziumdioxid hoher Reinheit für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung umfassen:
- a) Umwandlung des Siliziumdioxids zu Siliziumtetrafluorid;
- b) Reinigung des Siliziumtetrafluorids; und
- c) Hydrolysieren des Siliziumtetrafluorids für die Herstellung von gereinigtem Siliziumdioxid, optional bei einer Temperatur, bei der Siliziumfluorsäure instabil ist.
- a) conversion of the silicon dioxide to silicon tetrafluoride;
- b) purification of the silicon tetrafluoride; and
- c) hydrolyzing the silicon tetrafluoride to produce purified silica, optionally at a temperature at which silicon fluoric acid is unstable.
Schritt a) kann die Reaktion des Siliziumdioxids mit einem Gemisch von Fluorwasserstoffsäure und Siliziumfluorsäure umfassen, um es zu Siliziumtetrafluorid umzuwandeln. Schritt b) kann das Inkontaktbringen des Siliziumtetrafluorids mit einem Reinigungsmittel umfassen. Dies kann in einer Vielzahl von Schritten in einer Gegenstromweise erfolgen. Das Reinigungsmittel kann Siliziumfluorsäure umfassen.step a) the reaction of the silica with a mixture of hydrofluoric acid and Silicon fluoric acid to silicon tetrafluoride convert. Step b) may involve contacting the silicon tetrafluoride with a detergent. This can be done in a variety of ways Steps in a countercurrent manner. The cleaning agent may include silicon fluoric acid.
Das Verfahren kann zusätzlich umfassen:
- d) Hydrolysieren eines Teils des Siliziumtetrafluorids aus Schritt b) zur Herstellung von Siliziumfluorsäure und Siliziumdioxid, und Verwendung der Siliziumfluorsäure beim Schritt b). Das Siliziumdioxid aus den Schritten c) und d) kann kombiniert werden, um das gereinigte Siliziumdioxidprodukt bereitzustellen.
- d) hydrolyzing a portion of the silicon tetrafluoride from step b) to produce silicon fluoric acid and silica, and using the silicon fluoric acid in step b). The silica from steps c) and d) may be combined to provide the purified silica product.
Unreinheiten können aus dem Reinigungsmittel nach dem Schritt des Inkontaktbringens des Siliziumtetrafluorids mit dem Reinigungsmittel entfernt werden. Das Reinigungsmittel kann Siliziumfluorsäure umfassen und, nach dem Schritt des Inkontaktbringens des Siliziumtetrafluorids mit der Siliziumfluorsäure, kann die Siliziumfluorsäure in Wasserstofffluorid und Siliziumtetrafluorid umgewandelt werden, wodurch das Wasserstofffluorid beim Schritt a) genutzt wird. Das Siliziumtetrafluorid kann entweder genutzt werden, um Siliziumfluorsäure für die Verwendung beim Schritt a) zu erzeugen oder um die hydrolysierbare Siliziumart, die in Schritt a) erzeugt wird, zu ergänzen oder für beides. Schritt c) nutzt vorzugsweise Dampf hoher Reinheit.impurities may be removed from the detergent after the contacting step of the silicon tetrafluoride are removed with the cleaning agent. The cleaning agent may comprise silicon fluoric acid and, after the step of contacting the silicon tetrafluoride with the silicon fluoric acid, the silicon fluoric acid converted into hydrogen fluoride and silicon tetrafluoride, whereby the hydrogen fluoride is used in step a). The Silicon tetrafluoride can either be used to silicon fluoric acid for use in step a) the hydrolyzable silicon species generated in step a) to supplement or for both. Step c) uses preferably high purity steam.
Das Verfahren kann zusätzlich einen oder beide der folgenden Schritte umfassen:
- e) Waschen des gereinigten Siliziumdioxids; und
- f) Trocknen des gereinigten Siliziumdioxids.
- e) washing the purified silica; and
- f) drying the purified silica.
Beim Schritt c) kann gereinigtes Siliziumdioxid einer Hochtemperatur-Hydrolysevorrichtung hinzugefügt werden, in welcher Schritt c) durchgeführt wird. Das Siliziumdioxid kann vor dem Schritt a) des Verfahrens getrocknet werden.At the Step c) may be purified silica of a high temperature hydrolysis apparatus be added, in which step c) is performed. The silica may be dried prior to step a) of the process become.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens für die Herstellung von gereinigtem Siliziumdioxid für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung kann daher
- i) Schritt a) die Verwendung eines Gemisches aus Fluorwasserstoffsäure und Siliziumfluorsäure umfassen;
- ii) Schritt b) das Inkontaktbringen des Siliziumtetrafluorids mit der Siliziumfluorsäure umfassen;
- iii) Schritt c) das Hydrolysieren eines ersten Teils des Siliziumtetrafluorids aus Schritt b) unter Nutzung von Dampf für das Herstellen von gereinigtem Siliziumdioxid umfassen; und
- iv) das Verfahren kann zusätzlich umfassen:
- • das Hydrolysieren eines zweiten Teils des Siliziumtetrafluorids aus Schritt b) zur Erzeugung von Siliziumfluorsäure und gereinigtem Siliziumdioxid, wobei die Siliziumfluorsäure beim Schritt b) genutzt wird, und
- • Umwandlung der Siliziumfluorsäure aus Schritt b) zu Wasserstofffluorid und Siliziumtetrafluorid und Trocknen des Wasserstofffluorids und des Siliziumtetrafluorids, wobei das Wasserstofffluorid genutzt wird, um die bei Schritt a) genutzte Fluorwasserstoffsäure zu erzeugen, und das Siliziumtetrafluorid genutzt wird, entweder um Siliziumtetrafluorid für die Verwendung beim Schritt a) zu erzeugen oder um das bei Schritt a) erzeugte Siliziumtetrafluorid zu ergänzen, oder für beides.
- i) step a) comprise the use of a mixture of hydrofluoric acid and silicon fluoric acid;
- ii) step b) comprising contacting the silicon tetrafluoride with the silicon fluoric acid;
- iii) step c) hydrolyzing a first part the silicon tetrafluoride from step b) using steam to produce purified silica; and
- iv) the method may additionally include:
- Hydrolyzing a second part of the silicon tetrafluoride from step b) to produce silicon fluoric acid and purified silicon dioxide, the silicon fluoric acid being used in step b), and
- Conversion of the silicon fluoric acid from step b) to hydrogen fluoride and silicon tetrafluoride and drying the hydrogen fluoride and silicon tetrafluoride, wherein the hydrogen fluoride is utilized to generate the hydrofluoric acid used in step a) and the silicon tetrafluoride is used, either silicon tetrafluoride for use in the Step a) or to supplement the silicon tetrafluoride produced in step a), or both.
Die Partikelgröße des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Siliziumdioxids liegt gemeinhin im Durchmesserbereich von zirka 10 bis zirka 2.000 Mikrometer. Gewöhnlich sind Siliziumdioxidpartikel nicht sphärisch. Somit kann in diesem Kontext „Durchmesser” auf eine maximale Partikel-Querausdehnung oder auf eine minimale Partikel-Querausdehnung oder auf eine mittlere Partikel-Querausdehnung oder auf einen hydrodynamischen Durchmesser verweisen. Der Durchmesser kann im Bereich von zirka 10 bis zirka 2.000 Mikrometer liegen, oder von zirka 10 bis 1.000, 10 bis 500, 10 bis 200, 10 bis 100, 10 bis 50, 10 bis 20, 50 bis 2.000, 100 bis 2.000, 500 bis 2.000, 1.000 bis 2.000, 1.500 bis 2.000, 50 bis 1.000, 50 bis 500, 50 bis 200, 100 bis 1.000, 100 bis 500 oder 500 bis 1.000 Mikrometer, zum Beispiel zirka 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1.000, 1.100, 1.200, 1.300, 1.400, 1.500, 1.600, 1.700, 1.800, 1.900 oder 2.000 Mikrometer, oder er kann größer als zirka 2.000 Mikrometer sein. Der hier beschriebene Durchmesser kann für einen mittleren (Zifferndurchschnitt oder Gewichtsdurchschnitt) Durchesser oder einen maximalen Durchmesser stehen.The Particle size of the present invention used silicon dioxide is commonly in the diameter range from about 10 to about 2,000 microns. Usually are Silica particles not spherical. Thus, in this Context "diameter" to a maximum cross-section of particles or to a minimum transverse particle size or to a middle particle size Particle transverse extent or to a hydrodynamic diameter refer. The diameter can be in the range of about 10 to about 2,000 microns, or from about 10 to 1,000, 10 to 500, 10 to 200, 10 to 100, 10 to 50, 10 to 20, 50 to 2,000, 100 to 2,000, 500 to 2,000, 1,000 to 2,000, 1,500 to 2,000, 50 to 1,000, 50 to 500, 50 to 200, 100 to 1,000, 100 to 500 or 500 up to 1,000 microns, for example, about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 1,100, 1,200, 1,300, 1,400, 1,500, 1,600, 1,700, 1,800, 1,900 or 2,000 microns, or he can get bigger be about 2,000 microns. The diameter described here may be for a medium (number average or weight average) diameter or a maximum diameter.
Die Siliziumdioxidzuführung zur Reaktionskammer wird gewöhnlich etwas mitgerissenes Gas enthalten, welches das Gas sein wird, das genutzt wird, um das Siliziumdioxid im Siliziumdi oxidlagerbehälter abzudecken. Es ist vorzuziehen, dass dieses Gas ein nicht-oxidierendes Gas ist, da das Vorhandensein eines oxidierenden Gases eine Extramenge an Reduktionsgas während der Reduktion des Siliziumdioxids verbrauchen würde. Somit kann der Siliziumdioxidlagerbehälter mit einem nicht-oxidierenden Gas, optional einem Reduktionsgas, abgedeckt sein, zum Beispiel Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Argon, Helium oder einer Kombination derselben. Wenn das Siliziumdioxid vor Ort hergestellt wird und als produziertes Siliziumdioxid anstatt als gelagertes Siliziumdioxid verwendet wird, kann jedes der oben erwähnten nicht-oxidierenden Gase, optional Reduktionsgase, dafür genutzt werden, das Siliziumdioxid zur Reaktionskammer zu befördern.The Silica feed to the reaction chamber usually becomes contain some entrained gas, which will be the gas that is used to the silicon dioxide in Siliziumdi oxide storage tank cover. It is preferable that this gas is a non-oxidizing Gas is an extra amount because of the presence of an oxidizing gas Reduction gas during the reduction of the silicon dioxide would consume. Thus, the silicon dioxide storage container with a non-oxidizing gas, optionally a reducing gas, be covered, for example nitrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, Argon, helium or a combination thereof. If the silicon dioxide produced locally and as produced silicon dioxide instead As stored silica is used, any of the above mentioned non-oxidizing gases, optionally reducing gases, be used for the silicon dioxide to the reaction chamber to transport.
Die Erfindung stellt ebenfalls Silizium bereit, das gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt wird. Das Silizium kann eine Reinheit von zumindest 99,9 Gewichtsprozent haben. Die Reinheit kann zumindest bei zirka 99,9 Gewichtsprozent liegen, oder es kann zumindest 99,95, 99,99, 99,995 oder 99,999% rein sein, und die Reinheit kann bei zirka 99,9, 99,91, 99,92, 99,93, 99,94, 99,95, 99,96, 99,97, 99,98, 99,99, 99,991, 99,992, 99,993, 99,994, 99,995, 99,996, 99,997, 99,998, 99,999, 99,9995 oder 99,9999% liegen. Es kann von einer ausreichend hohen Reinheit für die Verwendung in der Halbleiterindustrie sein. Um diese Reinheit zu erreichen, ist es nicht nur notwendig zu gewährleisten, dass das Siliziumdioxid von ausreichend hoher Reinheit ist, sondern auch, dass der Reaktor für die Herstellung des Siliziums aus Materialien hergestellt ist, die das Silizium, wenn es hergestellt worden ist, nicht verschmutzen. Diese Materialien können Metalle einschließen, zum Beispiel Stahl, rostfreien Stahl, Titan etc., welche das vom Raktor produzierte Silizium nicht verschmutzen. Die Materialien können vorbehandelt werden, zum Beispiel gewaschen, erwärmt etc. werden, um potenzielle Verschmutzungsstoffe zu entfernen oder zu reduzieren.The The invention also provides silicon prepared according to the Method of the invention is produced. The silicon can be one Have purity of at least 99.9 weight percent. The purity can be at least about 99.9 percent by weight, or it can at least 99.95, 99.99, 99.995 or 99.999% pure, and purity can be at about 99.9, 99.91, 99.92, 99.93, 99.94, 99.95, 99.96, 99.97, 99.98, 99.99, 99.991, 99.992, 99.993, 99.994, 99.995, 99.996, 99.997, 99.998, 99.999, 99.9995 or 99.9999%. It may be sufficient of one high purity for use in the semiconductor industry be. Not only is it necessary to achieve this purity to ensure that the silica of sufficient high purity, but also that the reactor for The production of silicon is made from materials that the silicon, once it has been produced, does not pollute it. These materials can include metals, For example, steel, stainless steel, titanium, etc., which the from Raktor does not pollute silicon. The materials can be pretreated, for example washed, heated etc. be used to remove or contaminate potential pollutants to reduce.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls einen Reaktor bereit, der für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung geeignet ist. Der Reaktor umfasst eine Kohlenstoffoxidationskammer und eine Reaktionskammer, die mit der Kohlenstoffoxidationskammer in Verbindung steht. Die Reaktionskammer ist ausgestattet mit einem Temperaturregler für das Regeln der Temperatur innerhalb der Reaktionskammer, und sie hat eine Siliziumdioxideinlassöffnung und eine Siliziumauslassöffnung.The The present invention also provides a reactor which for carrying out the process of the invention suitable is. The reactor comprises a carbon oxidation chamber and a reaction chamber connected to the carbon oxidation chamber communicates. The reaction chamber is equipped with a Temperature controller for regulating the temperature inside the reaction chamber, and it has a silicon dioxide inlet and a silicon outlet opening.
Die Kohlenstoffoxidationskammer umfasst eine Einlassöffnung für die Aufnahme von Kohlenstoff und/oder Sauerstoff, und sie kann separate Einlassöffnungen für Kohlenstoff und für Sauerstoff haben. Sie kann ebenfalls eine Einlassöffnung oder eine andere Vorrichtung für die Aufnahme eines Verdünnungsgases in die Kohlenstoffoxidationskammer umfassen. Alternativ kann die Einlassöffnung für das Verdünnungsgas, falls vorhanden, so angeordnet werden, dass das Verdünnungsgas mit dem Oxidationsprodukt kombiniert werden kann, welches aus dem Kohlenstoff und dem Sauerstoff in der Kohlenstoffoxidationskammer erhalten wird. Die Kohlenstoffoxidationskammer kann erwärmt werden, um die Umwandlung von darin befindlichem Kohlenstoff und Siliziumdioxid zu Kohlenmonoxid zu ermöglichen. Somit kann der Reaktor eine Heizvorrichtung für das Erwärmen der Kohlenstoffoxidationskammer umfassen. Er kann einen Regler für das Regeln der Temperatur der Kohlenstoffoxidationskammer umfassen. Bei einigen Ausführungsformen umgibt die Kohlenstoffoxidationskammer zumindest zum Teil die Reaktionskammer. Bei dieser Gestaltungsform kann Wärme, welche in der Oxidationskammer durch die teilweise Oxidation von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid erzeugt wird, genutzt werden, um die Reaktionskammer zu erwärmen, optional mit Hilfe eines zwischengeschaltetes Wärmespeichermate rials, wie zum Beispiel Graphit. Ein Vorteil von Graphit als Wärmespeichermaterial ist, dass er einen hohen Schmelzpunkt aufweist und eine hohe Heizkapazität und eine mit zunehmender Temperatur zunehmende Heizkapazität hat. Es versteht sich, dass andere Materialien mit einer hohen Heizkapazität ebenfalls zum Einsatz kommen können. Es wird bevorzugt, dass die Außenseite der Oxidationskammer gut zu isolieren ist, um Wärmeverlust durch Strahlung zu minimieren. Dies verbessert ebenfalls die Sicherheit des Reaktors. Eine geeignete Gestaltungsform involviert eine Oxidationskammer mit einem ringförmigen Querschnitt, die eine Reaktionskammer im Kern der Ringform umgibt. Somit kann die Oxidationskammer ein Zylinder mit einem hohlen Kern sein, welcher die Reaktionskammer enthält. Es versteht sich, dass der Querschnitt der Oxidationskammer eine quadratische, rechteckige, fünfeckige, sechseckige usw. Form haben kann, mit einem Kernbereich für die Reaktionskammer.The carbon oxidation chamber includes an inlet port for receiving carbon and / or oxygen, and may have separate carbon and oxygen inlet ports. It may also include an inlet port or other device for receiving a diluent gas into the carbon oxidation chamber. Alternatively, the diluent gas inlet port, if present, may be arranged so that the diluent gas may be combined with the oxidation product obtained from the carbon and oxygen in the carbon oxidation chamber. The carbon oxidation chamber may be heated to facilitate the conversion of carbon and silica therein to carbon monoxide. Thus, the reactor may be a heater for the Heating the carbon oxidation chamber. It may include a regulator for controlling the temperature of the carbon oxidation chamber. In some embodiments, the carbon oxidation chamber at least partially surrounds the reaction chamber. In this design, heat generated in the oxidation chamber by the partial oxidation of carbon to carbon monoxide can be used to heat the reaction chamber, optionally with the aid of an intermediate heat storage material, such as graphite. An advantage of graphite as a heat storage material is that it has a high melting point and high heating capacity and increasing heating capacity with increasing temperature. It is understood that other materials with a high heating capacity can also be used. It is preferred that the outside of the oxidation chamber be well insulated to minimize heat loss by radiation. This also improves the safety of the reactor. A suitable design involves an oxidation chamber having an annular cross-section surrounding a reaction chamber in the core of the ring mold. Thus, the oxidation chamber may be a cylinder having a hollow core containing the reaction chamber. It is understood that the cross section of the oxidation chamber may have a square, rectangular, pentagonal, hexagonal, etc. shape with a core region for the reaction chamber.
Der Temperaturregler für das Regeln der Temperatur der Kohlenstoffoxidationskammer kann der gleiche sein wie derjenige für das Regeln der Temperatur im Inneren der Reaktionskammer. Die Reaktionskammer kann sich innerhalb oder zum Teil innerhalb eines Heizblockes befinden. Die Kohlenstoffoxidationskammer kann sich innerhalb oder zum Teil innerhalb eines Heizblockes befinden, welcher der gleiche oder anders sein kann als der Heizblock, in dem sich die Reaktionskammer befindet. Somit befinden sich bei einer Ausführungsform sowohl die Reaktionskammer als auch die Kohlenstoffoxidationskammer innerhalb eines Heizblockes. Der Heizblock kann einen Temperaturregler für das Regeln der Temperatur des Heizblockes und damit für das Regeln der Temperatur innerhalb der Reaktionskammer und innerhalb der Kohlenstoffoxidationskammer aufweisen. Die Temperatur des Heizblockes kann durch einen Heizblockregler geregelt werden, welcher zum Beispiel einen Thermostat, ein elektrisches Heiz element, eine nicht-elektrische Heizvorrichtung und/oder andere Komponenten umfassen kann. Der Heizblock kann zweckmäßigerweise Kohlenstoff, zum Beispiel Graphit, als ein Wärmespeichermedium umfassen.Of the Temperature controller for controlling the temperature of the carbon oxidation chamber can be the same as the one for regulating the temperature inside the reaction chamber. The reaction chamber can be inside or partly within a heating block. The carbon oxidation chamber may be inside or partly within a heating block, which may be the same or different than the heating block, in the reaction chamber is located. Thus are with a Embodiment, both the reaction chamber and the Carbon oxidation chamber within a heating block. The heating block can a temperature controller for regulating the temperature of the Heating block and thus for the regulation of the temperature within the reaction chamber and within the carbon oxidation chamber exhibit. The temperature of the heating block can be controlled by a heating block regulator which, for example, a thermostat, an electric Heating element, a non-electric heater and / or others Components may include. The heating block can expediently Carbon, for example graphite, as a heat storage medium.
Der Reaktor kann ein Siliziumdioxidzuführungssystem für die Bereitstellung von Siliziumdioxid an die Reaktionskammer umfassen. Das Siliziumdioxidzuführungssystem kann mit der Siliziumdioxideinlassöffnung der Reaktionskammer in Verbindung stehen. Das Siliziumdioxidzuführungssystem kann einen Siliziumdioxidlagerbehälter oder einen Siliziumdioxiderzeuger umfassen, zum Beispiel einen Erzeuger von Siliziumdioxid hoher Reinheit oder einen Siliziumdioxidreiniger. Das Siliziumdioxidzuführungssystem kann optional eine Vorrichtung für das Reduzieren der Partikelgröße umfassen (zum Beispiel einen Zerkleinerer, ein Brechwerk, ein Mahlwerk usw.), für das Verringern der Partikelgröße des Siliziumdioxids auf eine Größe, die geeignet für eine Zuführung für das Verfahren ist. Das Siliziumdioxidzuführungssystem kann ebenfalls einen Siliziumdioxidvorwärmer umfassen. Energie für den Vorwärmer kann bereitgestellt werden durch heißes Abgas aus der Reaktionskammer oder durch heißes oxidiertes Abgas aus der Abgas-Oxidationskammer oder durch beide. Das Siliziumdioxidzuführungssystem kann ebenfalls eine oder mehr geeignete Förderanlagen, falls erforderlich, für den Transport des Siliziumdioxids von der Siliziumdioxidquelle zum Siliziumdioxidvorwärmer und vom Siliziumdioxidvorwärmer zur Reaktionskammer umfassen. Die Förderanlagen können geeignete Rohre, Schläuche und Fördervorrichtungen umfassen. Förderanlagen können Förderbänder, Schneckenförderer und/oder andere geeignete Vorrichtungen umfassen.Of the Reactor may be a silica feed system for comprise the provision of silicon dioxide to the reaction chamber. The silica delivery system may communicate with the silica inlet port the reaction chamber communicate. The silica delivery system may be a silicon dioxide storage container or a silicon dioxide generator include, for example, a generator of high purity silica or a silicon dioxide cleaner. The silica delivery system Optionally, a device for reducing the particle size include (for example, a crusher, a crusher, a grinder etc.), for reducing the particle size of the silica to a size suitable for a feeder for the process is. The silica delivery system can also a silicon dioxide preheater. Energy for the preheater can be provided by hot Exhaust gas from the reaction chamber or by hot oxidized Exhaust gas from the exhaust gas oxidation chamber or both. The silica delivery system may also have one or more suitable conveyors, if necessary, for the transport of silicon dioxide from the silica source to the silicon dioxide preheater and from the silicon dioxide preheater to the reaction chamber. The conveyors can be suitable pipes, hoses and conveying devices. conveyors can conveyers, screw conveyors and / or other suitable devices.
Die Siliziumauslassöffnung der Reaktionskammer kann mit einer Siliziumsammelkammer für das Sammeln des Siliziums, das in der Reaktionskammer erzeugt, in Verbindung stehen. Zweckmäßigerweise befindet sich die Siliziumauslassöffnung am oder nahe dem Boden der Reaktionskammer, und die Siliziumsammelkammer befindet sich unterhalb der Siliziumauslassöffnung, so dass in der Reaktionskammer erzeugtes geschmolzenes Silizium mittels Schwerkraft durch die Siliziumauslassöffnung zur Siliziumsammelkammer passieren kann. Die Siliziumsammelkammer kann ebenfalls bei einer Temperatur des Schmelzpunktes von Silizium oder oberhalb desselben gehalten werden, um das Silizium im geschmolzenen oder flüssigen Zustand zu halten. Sie kann mit einer Heizvorrichtung und/oder einer geeigneten Isolierung ausgestattet sein, um sie auf dieser Temperatur zu halten.The Silicon outlet opening of the reaction chamber can with a Silicon storage chamber for collecting silicon, the generated in the reaction chamber, communicate. Conveniently, the silicon outlet is at or near the silicon outlet Bottom of the reaction chamber, and the silicon collection chamber is located extending below the silicon outlet opening so that in the Reaction chamber produced molten silicon by gravity through the silicon outlet opening to the silicon collection chamber can happen. The silicon collecting chamber can also be at a Temperature of the melting point of silicon or above it held to the silicon in molten or liquid To maintain state. It can with a heater and / or a be equipped with suitable insulation to keep them at that temperature to keep.
Der Reaktor kann ebenfalls einen Entgaser für das Entgasen des Siliziums, nachdem es die Reaktionskammer verlassen hat, umfassen. Der Entgaser kann an der Siliziumsammelkammer angebracht werden, so dass das Silizium entgast wird, während es sich im flüssigen Zustand befindet. Der Entgaser kann zweckmäßigerweise eine Pumpe umfassen, welche den Druck auf das flüssige Silizium beim Vorgang von dessen Übertragung von der Siliziumsammelkammer, zum Beispiel zu einer Erstarrungsvorrichtung, für die Umwandlung des entgasten geschmolzenen Siliziums zu festem Silizium verringert.The reactor may also include a degasser for degassing the silicon after it leaves the reaction chamber. The degasifier may be attached to the silicon collection chamber so that the silicon is degassed while in the liquid state. The degasser may conveniently comprise a pump which controls the pressure on the liquid silicon in the process of its transfer from the silicon collection chamber, for example to a solidification device, for the conversion of the degassed ge reduced silicon to solid silicon.
Der Reaktor kann ebenfalls einen Siliziumdioxidvorwärmer für das Vorwärmen des Siliziumdioxids umfassen, ehe das Siliziumdioxid in die Reaktionskammer eintritt, und/oder zumindest einen Vorwärmer für das Vorwärmen von entweder dem Kohlenstoff oder dem Sauerstoff oder von beiden. Einer der Vorwärmer oder beide Vorwärmer können einen Wärmetauscher für die Übertragung von Wärme vom Abgas und/oder dem oxidierten Abgas auf das Siliziumdioxid und/oder auf den Kohlenstoff und/oder auf den Sauerstoff umfassen. Der Reaktor kann eine geeignete Rohrleitung für das Leiten von Abgas aus der Reaktionskammer oder von oxidiertem Abgas, welches durch Oxidation des Abgases erhalten wurde, zu zumindest einem dieser Vorwärmer umfassen. Der Vorwärmer für das Vorwärmen des Sauerstoffs kann geeignet sein für das Erwärmen des Sauerstoffs auf eine geeignete Temperatur für die Oxidation von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid oder auf eine Temperatur unterhalb der Oxidationstemperatur für Kohlenstoff. Er kann den Sauerstoff auf eine Temperatur von zirka 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 oder mehr als zirka 100°C unterhalb der Oxidationstemperatur für Kohlenstoff erwärmen. In ähnlicher Weise kann der Vorwärmer für das Vorwärmen des Kohlenstoffs geeignet sein für das Erwärmen des Kohlenstoffs auf eine geeignete Temperatur für die Oxidation von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid oder auf eine Temperatur unterhalb der Oxidationstemperatur für Kohlenstoff. Er kann den Kohlenstoff auf eine Temperatur von zirka 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 oder mehr als zirka 100°C unterhalb der Oxidationstemperatur für Kohlenstoff erwärmen. Der Vorwärmer für das Vorwärmen des Siliziumdioxids kann geeignet sein für das Vorwärmen des Siliziumdioxids auf eine Temperatur von zirka derjenigen, die für die Reaktion des Siliziumdioxids mit Kohlenmonoxid für die Erzeugung des Siliziums erforderlich ist, oder auf eine Temperatur von zirka 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 oder mehr als zirka 100°C unterhalb jener Temperatur.Of the Reactor may also have a silicon dioxide preheater for preheating the silica before the silicon dioxide enters the reaction chamber, and / or at least one preheater for preheating either the carbon or the oxygen or both. One of the preheaters or both preheaters can have a heat exchanger for the transfer of heat from the exhaust gas and / or the oxidized exhaust gas to the silica and / or on include the carbon and / or the oxygen. The reactor can be a suitable conduit for the discharge of exhaust gas from the reaction chamber or from oxidized exhaust gas passing through Oxidation of the exhaust gas was obtained, at least one of these Include preheater. The preheater for the preheating of the oxygen may be suitable for heating the oxygen to a suitable temperature for the oxidation of carbon to carbon monoxide or to a temperature below the oxidation temperature for carbon. He can bring the oxygen to a temperature of about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 or more than about 100 ° C below to heat the oxidation temperature for carbon. Similarly, the preheater for the preheating of the carbon be suitable for heating the carbon to a suitable temperature for the oxidation of carbon to carbon monoxide or on a temperature below the oxidation temperature for Carbon. He can bring the carbon to a temperature of about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 or more than about 100 ° C Heat below the oxidation temperature for carbon. The preheater for preheating the silicon dioxide can be suitable for preheating the silicon dioxide to a temperature of about the one responsible for the reaction of silica with carbon monoxide for generation of the silicon is required, or to a temperature of about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 or more than about 100 ° C below that temperature.
Eine Abgas-Oxidationskammer kann bereitgestellt werden für das Oxidieren von Kohlenmonoxid in Abgas aus der Reaktionskammer zu Kohlendioxid, um oxidiertes Abgas zu erzeugen. Durchflussregler können ebenfalls für das Regeln des Durchflusses von einem oder mehr des Kohlenstoffs, des Sauerstoffs und des Siliziumdioxids bereitgestellt werden. Eine Wärmespeichereinheit kann bereitgestellt werden, die in thermischer Verbindung mit der Reaktionskammer steht.A Exhaust gas oxidation chamber may be provided for the Oxidizing carbon monoxide in exhaust gas from the reaction chamber too Carbon dioxide to produce oxidized exhaust gas. Flow Controllers can also for regulating the flow one or more of the carbon, the oxygen and the silicon dioxide to be provided. A heat storage unit may be provided which is in thermal communication with the reaction chamber.
Durch die Verwendung von Siliziumdioxid und Kohlenstoff, beide mit einem sehr hohen Reinheitsgrad, ist es möglich, durch direkte Reduktion bei zirka der Schmelztemperatur von Silizium, Siliziummetall mit einem vergleichbar hohen Reinheitsgrad zu produzieren.By the use of silica and carbon, both with one very high degree of purity, it is possible by direct Reduction at about the melting temperature of silicon, silicon metal to produce with a comparably high degree of purity.
Demgemäß kann ein Reaktor für die Herstellung von Siliziumdioxid gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich ein System für das Reinigen von Siliziumdioxid umfassen. Somit kann er ein System für das Reinigen von Siliziumdioxid umfassen, welches umfasst:
- a) einen Reaktor für die Umwandlung des Siliziumdioxids in Siliziumtetraf1uorid;
- b) einen ersten Reiniger für das Reinigen des Siliziumtetrafluorids unter Nutzung eines Reinigungsmittels; und
- c) eine Hydrolysevorrichtung (zum Beispiel eine Hochtemperaturhydrolysevorrichtung) für das Hydrolysieren des Siliziumtetrafluorids zur Herstellung von gereinigtem Siliziumdioxid, optional bei einer Temperatur, bei der Siliziumfluorsäure instabil ist.
- a) a reactor for the conversion of silicon dioxide into Siliciumtetraf1uorid;
- b) a first cleaner for purifying the silicon tetrafluoride using a cleaning agent; and
- c) a hydrolysis device (for example, a high temperature hydrolysis device) for hydrolyzing the silicon tetrafluoride to produce purified silica, optionally at a temperature at which silicon fluoric acid is unstable.
Das System kann zusätzlich umfassen:
- d) eine Niedrigtemperaturhydrolysevorrichtung für das Hydrolysieren eines Teils der gereinigten hydrolysierbaren Siliziumart vom ersten Reiniger, für die Herstellung des Reinigungsmittels und des Siliziumdioxids und
- e) eine Ablenkvorrichtung für das Ablenken des Teils der gereinigten hydrolysierbaren Siliziumart zur Niedrigtemperaturhydrolysevorrichtung.
- d) a low temperature hydrolysis apparatus for hydrolyzing a portion of the purified hydrolyzable silicon species from the first cleaner, for the preparation of the detergent and the silica, and
- e) a deflector for deflecting the portion of the purified hydrolyzable silicon species to the low temperature hydrolysis apparatus.
Der erste Reiniger kann ein Mehrstufen-Gegenstromreiniger sein. Das System kann ebenfalls einen zweiten Reiniger umfassen, zum Beispiel ein Destilliergerät, für das Entfernen von Verunreinigungen aus dem Reinigungsmittel. Der zweite Reiniger kann ebenfalls einen Wasserentferner umfassen. Ein Reiniger-Recyclingsystem kann ebenfalls bereitgestellt werden, um gereinigte Ausgabe aus dem zweiten Reiniger zum Reaktor zu leiten. Das System kann zusätzlich einen Erzeuger von Dampf hoher Reinheit für das Erzeugen von Dampf hoher Reinheit umfassen, wobei der Erzeuger von Dampf hoher Reinheit mit der Hochtemperaturhydrolysevorrichtung für die Bereitstellung von Dampf hoher Reinheit an die Hochtemperaturhydrolysevorrichtung in Verbindung steht. Es kann weiterhin ein Reinigungsmittelzuführungssystem für das Leiten des Reinigungsmittels von der zweiten Hydrolysevorrichtung zum ersten Reiniger umfassen.Of the first cleaner can be a multi-stage countercurrent cleaner. The System may also include a second cleaner, for example a distiller, for the removal of impurities from the detergent. The second cleaner can also have one Include water remover. A cleaner recycling system can also be provided to purified issue from the second cleaner to lead to the reactor. The system can also have one Producer of high purity steam for generating High purity steam, wherein the producer of steam is high Purity with the high temperature hydrolysis apparatus for the provision of high purity steam to the high temperature hydrolysis apparatus communicates. It may also be a detergent delivery system for passing the detergent from the second hydrolysis device to the first cleaner.
Das System kann zusätzlich eines oder beides der folgenden umfassen:
- f) eine Waschvorrichtung für das Waschen des gereinigten Siliziumdioxids; und
- g) ein Trockengerät für das Trocknen des gereinigten Siliziumdioxids.
- f) a washing device for washing the purified silica; and
- g) a drying device for drying the purified silica.
Die Hochtemperaturhydrolysevorrichtung kann eine Siliziumdioxideinlassöffnung umfassen. Ein Vortrockner kann bereitgestellt werden für das Vortrocknen des Siliziumdioxids, ehe das Siliziumdioxid in den Reaktor eintritt. Das System kann zusätzlich umfassen:
- • eine Niedrigtemperaturhydrolysevorrichtung für das Hydrolysieren eines zweiten Teils des gereinigten Siliziumtetrafluorids aus dem ersten Reiniger, um Siliziumfluorsäure und Siliziumdioxid herzustellen;
- • eine Ablenkvorrichtung für das Ablenken des Teils des gereinigten Siliziumtetrafluorids zur Niedrigtemperaturhydrolysevorrichtung;
- • ein Destilliergerät für das Entfernen von Verunreinigungen aus der Siliziumfluorsäure vom ersten Reiniger und für das Umwandeln der Siliziumfluorsäure zu Wasserstofffluorid und Siliziumtetrafluorid;
- • ein Trockengerät für das Entfernen von Wasser aus dem Wasserstofffluorid und dem Siliziumtetrafluorid aus dem Destilliergerät; und
- • ein Reiniger-Recyclingsystem für das Leiten von Wasserstofffluorid und Siliziumtetrafluorid vom Trockengerät zum Reaktor.
- A low temperature hydrolysis device for hydrolyzing a second portion of the purified silicon tetrafluoride from the first purifier to produce silicon fluoric acid and silica;
- A deflector for deflecting the portion of the purified silicon tetrafluoride to the low temperature hydrolysis apparatus;
- A distiller for removing impurities from the silicon fluoric acid from the first purifier and for converting the silicon fluoric acid to hydrogen fluoride and silicon tetrafluoride;
- A drying device for removing water from the hydrogen fluoride and silicon tetrafluoride from the distiller; and
- A cleaner recycling system for passing hydrogen fluoride and silicon tetrafluoride from the dryer to the reactor.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden, lediglich beispielhaft, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.A preferred embodiment of the present invention in the following, by way of example only, with reference to the accompanying drawings described.
Es zeigt:It shows:
Ein
geeigneter Reaktor
Der
Reaktor
Der
Reaktor
Der
Reaktor
Erscheinungsformen einer Ausführungsform der Erfindung sind wie folgt:
- 1) Anthrazitkohle kann zu extrem hohen Graden der
Reinheit veredelt werden. Unter der Voraussetzung, dass es in Reinsystemen
gehandhabt und gelagert wird, kann sie beim Reduktionsverfahren
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Sie kann im Kohlenstofflagerbehälter
160 gelagert werden. - 2) Es ist möglich, Trocken-Siliziumkristalle von extrem
hoher Reinheit verfügbar zu haben. Da diese Kristalle scheuernd
sind, müssen die Lagerung und die Handhabung mit Sorgfalt
erfolgen. Das reine Siliziumdioxid wird wird im Siliziumdioxidlagerbehälter
125 gelagert. Das Siliziumdioxid kann unter Einsatz des Verfahrens der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Reinigung von Siliziumdioxid” erzeugt werden. - 3) Der Siliziumdioxidvorwärmer
130 kann mit Siliziumkarbid oder mit einem anderen geeigneten temperaturbeständigen Material ausgekleidet sein. Der Vorwärmer130 kann mit Hilfe der Verbrennung von Abgasen aus der Reaktionskammer30 erwärmt werden, um das reine Siliziumdioxid für die Injektion in die Reaktionskammer30 vorzuwärmen. - 4) Der Sauerstoffvorwärmer
200 ist eine Wärmeaustauscheinheit, die für das Vorwärmen des benötigten Verbrennungssauerstoffes ausgelegt ist. Es kann zweckmäßigerweise durch Abgase erwärmt werden, welche die Reaktionskammer30 verlassen. - 5) Der Kohlenstoffvorwärmer
170 ist ein Wärmespeichersystem, das mit glattem Siliziumkarbid oder mit einem anderen wärmbeständigen Material ausgekleidet ist und durch die Verbrennungsabwärme von der Oxidation des Abgases aus der Reaktionskammer30 erwärmt wird. Der Vorwärmer170 ist ausgelegt für das Vorwärmen des reinen Kohlenstoffmaterials vor dessen Injektion in die Oxidationskammer20 . - 6) Die Oxidationskammer
20 ist ein wichtiger Teil des Systems, in welchem das Gleichgewicht zwischen dem vorgewärmten Kohlenstoff und dem vorgewärmten Sauerstoffgas geregelt wird, um zu gewährleisten, dass keine genügende Menge an Sauerstoff für das Erzeugen von CO2 sowie kein freier Kohlenstoff im Verbrennungszyklus vorhanden sind. Die Oxidationskammer20 umgibt die Reaktionskammer30 und leitet ihre Wärme zum Wärmespeichermaterial zwischen der Verbrennungskammer und der Reaktorkammer. Somit kann die Oxidationskammer30 ringförmig sein, oder sie kann eine ähnliche Form haben, jedoch mit einem rechteckigen, quadratischen, fünfeckigen, sechseckigen oder einem ähnlichen Querschnitt. - 7) Die Reaktionskammer
30 wird durch ein Wärmespeichersystem auf eine Temperatur von zirka 1.410°C geregelt. In der Reak torkammer30 umfasst das Reduktionsgas CO. Das CO reagiert, um O2 aus dem SiO2 zu entfernen, wodurch CO2 erzeugt wird, welches das Silizium frei in hoher Reinheit läßt, um als eine Flüssigkeit in die Sammelkammer90 über die Auslassöffnung75 zu fallen. - 8) Für die Regelung der Temperatur in der Reaktionskammer
30 auf der korrekten Temperatur für die Reaktion wird eine Graphit-Wärmespeichereinheit220 verwendet. Diese Einheit wird durch die Oxidation des Kohlenstoffs durch Sauerstoff zu CO in der Oxidationskammer20 erwärmt, und ihre Wärme wird genau durch den Temperaturregler50 geregelt. - 9) Um die Wärme zurückzuhalten, ist eine Außenfläche
230 , welche die Oxidationskammer20 umgibt, stark isoliert. - 10) Das im Verfahren erzeugte Silizium wird in der Sammelkammer
90 unterhalb der Reaktionskammer30 gesammelt. - 11) Da in der Struktur des Siliziums etwas CO oder CO2 vorliegen kann, werden ein Zwischenpumpen, und eine Vakuumgasextraktion eingesetzt, um alle Gase zu entfernen.
- 12) Da das Verfahren der Erfindung auf der Grundlage von reinem
Hochtemperatur-Kohlenmonoxid beruht, das mit dem Siliziumdioxid
reagiert, wird ein Überschuss an Kohlenmonoxid im CO2 vorliegen, welches aus der Reaktionskammer
30 austritt. In der Kammer210 (mit Wärmetauscherfunktion) wird zusätzliche Luft oder Sauerstoff hinzugefügt, die mit dem CO reagiert, um CO2 auszubilden und gleichzeitig dem oxidierten Abgas Wärme hinzufügt, die dann für das Vorwärmen des Siliziumdioxids/Kohlenstoffs/Sauerstoffs, die im Verfahren verwendet werden, genutzt werden kann. - 13) Der Temperaturregler
50 ist ein wärmegeregeltes System, das thermisch mit der Reaktionskammer30 verbunden ist und ei ne verfügbare Wasserkühlung hat, die nach Bedarf durch die Leitungen55 und60 verläuft. - 14) Um ein reines Produkt aus dem Verfahren zu erzeugen, ist
die Innenauskleidung der Oxidationskammer
20 , der Reaktionskammer30 und der Sammelkammer90 mit Hochqualitäts-Oberflächen-Siliziumkarbid ausgekleidet, das hohe Wärmeübertragungsmerkmale aufweist und so konstruiert werden muss, um sich mit der Wärmespeichereinheit220 zu verbinden, um eine wirksame Wärmeübertragung zu ermöglichen.
- 1) Anthracite coal can be upgraded to extremely high levels of purity. Provided that it is handled and stored in pure systems, it can be used in the reduction process of the present invention. It can in carbon storage tank
160 be stored. - 2) It is possible to have dry silicon crystals of extremely high purity available. This one Crystals are scouring, storage and handling must be done with care. The pure silica will be in the silicon dioxide storage tank
125 stored. The silica may be produced using the method of co-pending application entitled "Purification of Silica". - 3) The silicon dioxide preheater
130 may be lined with silicon carbide or another suitable temperature resistant material. The preheater130 can with the help of the combustion of exhaust gases from the reaction chamber30 are heated to the pure silica for injection into the reaction chamber30 preheat. - 4) The oxygen preheater
200. is a heat exchange unit designed to preheat the required combustion oxygen. It may conveniently be heated by exhaust gases containing the reaction chamber30 leave. - 5) The carbon preheater
170 is a heat storage system lined with smooth silicon carbide or other heat resistant material and by the waste heat of combustion from the oxidation of the exhaust gas from the reaction chamber30 is heated. The preheater170 is designed for preheating the pure carbon material prior to its injection into the oxidation chamber20 , - 6) The oxidation chamber
20 is an important part of the system in which the balance between the preheated carbon and the preheated oxygen gas is controlled to ensure that there is not enough oxygen to produce CO 2 and no free carbon in the combustion cycle. The oxidation chamber20 surrounds the reaction chamber30 and directs its heat to the heat storage material between the combustion chamber and the reactor chamber. Thus, the oxidation chamber30 be annular, or they may have a similar shape, but with a rectangular, square, pentagonal, hexagonal or a similar cross-section. - 7) The reaction chamber
30 is controlled by a heat storage system to a temperature of about 1,410 ° C. In the reactor chamber30 For example, the reducing gas comprises CO. The CO responds to remove O 2 from the SiO 2, thereby producing CO 2, which can be the silicon-free in high purity to as a liquid into the collection chamber90 over the outlet opening75 to fall. - 8) For regulating the temperature in the reaction chamber
30 at the correct temperature for the reaction becomes a graphite heat storage unit220 used. This unit becomes CO in the oxidation chamber due to the oxidation of carbon by oxygen20 heated, and their heat is precisely through the temperature controller50 regulated. - 9) To retain the heat is an outer surface
230 which the oxidation chamber20 surrounds, strong isolated. - 10) The silicon generated in the process is in the collection chamber
90 below the reaction chamber30 collected. - 11) As there may be some CO or CO 2 in the structure of the silicon, an intermediate pumping and a vacuum gas extraction are used to remove all the gases.
- 12) Since the process of the invention is based on pure high temperature carbon monoxide which reacts with the silica, there will be an excess of carbon monoxide in the CO 2 coming from the reaction chamber
30 exit. In the chamber210 (with heat exchanger function) additional air or oxygen is added which reacts with the CO to form CO 2 and at the same time adds heat to the oxidized exhaust which can then be used for the preheating of the silica / carbon / oxygen used in the process , - 13) The temperature controller
50 is a thermoregulated system that works thermally with the reaction chamber30 is connected and has any available water cooling, as needed through the pipes55 and60 runs. - 14) To produce a pure product from the process, the inner lining of the oxidation chamber
20 , the reaction chamber30 and the collection chamber90 lined with high quality surface silicon carbide, which has high heat transfer characteristics and must be designed to interact with the heat storage unit220 connect to allow for efficient heat transfer.
Der
Reaktor von
Siliziumdioxid
hoher Reinheit wird im Behälter
Wenn
das Reduktionsgas das Siliziumdioxid zu Silizium reduziert, wird
es selbst oxidiert, wobei Kohlendioxid erzeugt wird. Somit enthält
das Abgas, welches aus der Kammer
- 1010
- Reaktorreactor
- 2020
- KohlenstoffoxidationskammerCarbon oxidation chamber
- 3030
- Reaktionskammerreaction chamber
- 3535
- SauerstoffeinlassöffnungOxygen inlet port
- 4040
- KohlenstoffeinlassöffnungCarbon inlet port
- 5050
- Temperaturreglerthermostat
- 5555
- Einlassleitunginlet line
- 6060
- Auslassleitungoutlet pipe
- 7070
- SiliziumdioxideinlassöffnungSiliziumdioxideinlassöffnung
- 7575
- SiliziumauslassöffnungSiliziumauslassöffnung
- 8080
- Abgasauslassöffnungexhaust port
- 9090
- SiliziumsammelkammerSilicon collection chamber
- 100100
- Pumpe (Vakuumgasextraktion)pump (Vacuum gas extraction)
- 110110
- Heizblockheating block
- 120120
- SiliziumdioxidzuführungssystemSiliziumdioxidzuführungssystem
- 125125
- SiliziumdioxidlagerbehälterSiliziumdioxidlagerbehälter
- 130130
- SiliziumdioxidvorwärmerSiliziumdioxidvorwärmer
- 135135
- Fördervorrichtungconveyor
- 140140
- Fördervorrichtungenconveyors
- 150150
- KohlenstoffzuführungssystemCarbon feed system
- 160160
- KohlenstofflagerbehälterCarbon storage containers
- 170170
- KohlenstoffvorwärmerKohlenstoffvorwärmer
- 180180
- SauerstoffzuführungssystemOxygen supply system
- 190190
- Sauerstoffquelleoxygen source
- 200200
- SauerstoffvorwärmerSauerstoffvorwärmer
- 210210
- AbgasoxidationskammerExhaust gas oxidation chamber
- 220220
- Graphit-WärmespeichereinheitGraphite heat storage unit
- 230230
- Außenflächeouter surface
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