DE102008044688B4

DE102008044688B4 - Kompaktierung von Silizium

Info

Publication number: DE102008044688B4
Application number: DE102008044688A
Authority: DE
Inventors: Frank Asbeck; Armin Prof. Dr. Müller; Stefan Thomas
Original assignee: Sunicon AG
Current assignee: SolarWorld Industries Sachsen GmbH
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: DE102008064660B4; WO2010000347A3; DE102008064660A1; DE202008017603U1; CN102076449A; US20110113924A1; WO2010000347A2; DE102008044688A1; DE102008044689A1

Abstract

Vorrichtung zur Formgebung eines Formlings aus einem Pulver umfassend
a. mindestens eine Form-Kammer (28) zur Aufnahme eines Pulvers mit
i. einer Längs-Achse (20) und
ii. einem sich senkrecht zu dieser erstreckenden Querschnitt und
b. eine Verdichtungs-Einrichtung (2) zur uniaxialen Verdichtung des Pulvers in der mindestens einen Form-Kammer (28) in Richtung der Längs-Achse (20),
dadurch gekennzeichnet, dass
c. die Form-Kammer (28) gasdicht verschließbar ist. 2,

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Formlingen aus einem Pulver, insbesondere aus Silizium.
Um beispielsweise das aus Monosilan in einem Abscheideprozess hergestellte Siliziumpulver weiterverarbeiten zu können, ist eine Erhöhung der Materialdichte und eine Formbildung von Vorteil. Hierzu wird üblicherweise ein Walzenkompaktierungs-Verfahren verwendet. Ein Problem hierbei ist die Kontaminierung des Siliziumpulvers bei der Aufbereitung, insbesondere bei der Verdichtung. Um eine solche zu vermeiden, sind spezielle, nur aufwendig herstellbare Walzen notwendig. Aufgrund der mikrokristallinen Struktur und der Oberflächenbeschaffenheit der Kristallite kann das feinteilige Silizium, wie es zum Beispiel bei der pyrolytischen Zersetzung von Monosilan anfällt, nicht durch simple mechanische Verdichtung zu einem verarbeitungsfähigen Material umgesetzt werden.
Aus der JP 08-142023 A und aus der DE 295 09 116 U1 sind eine Vorrichtung zur Formgebung eines Formlings aus einem Pulver mit einer Form-Kammer zur Aufnahme eines Pulvers und einer Verdichtungs-Einrichtung zur uniaxialen Verdichtung des Pulvers in der Form-Kammer in Richtung einer Längs-Achse bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Formgebung eines Formlings aus einem Pulver weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, Pulver in einer Form-Kammer mittels einer uniaxialen Presse zu verdichten. Überraschenderweise wurde gefunden, dass vorkompaktiertes Pulver, beispielsweise hochreines Siliziumpulver, mittels uniaxialen Pressens zu geeigneten Formlingen gepresst werden konnte, sofern die Form-Kammer gasdicht verschließbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht der Vorrichtung während des Press-Vorgangs, und
2 eine Seitenansicht der Vorrichtung mit hochgefahrenem Stempel.
Eine Vorrichtung zur Formgebung eines Formlings aus einem Pulver, insbesondere einem Siliziumpulver, insbesondere hochreinem Siliziumpulver, umfasst eine Zuführ-Einrichtung 1 und eine Verdichtungs-Einrichtung 2.
Die Zuführ-Einrichtung 1 umfasst einen Einfüll-Trichter 3, ein Förder-Element 4 sowie eine Vorkompaktier-Einheit 5. Die Vorkompaktier-Einheit 5 ihrerseits weist ein drehbar, insbesondere drehantreibbar gelagertes Schaufelrad 6 auf. Alternativ hierzu kann die Vorkompaktier-Einheit 5 auch einen Schnecken-Förderer aufweisen. Die Vorkompaktier-Einheit 5 hat eine Auslassöffnung 7, welche oberhalb eines Auflage-Tisches 8 angeordnet ist.
Auf dem Auflage-Tisch 8 ist eine von einer Verschiebe-Einrichtung 9 verschiebbare Zuführ-Kammer 10 horizontal verschiebbar angeordnet. Die Zuführ-Kammer 10 weist eine obere Öffnung 13 und eine untere Öffnung 14 auf. Sie ist mittels der Zuführ-Einrichtung 1 mit dem zu kompaktierenden Pulver befüllbar.
Die Verschiebe-Einrichtung 9 weist eine mit einer Seitenwand 11 der Zuführ-Kammer 10 verbundene Verschiebe-Stange 12 auf. Die Verschiebe-Stange 12 kann beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch verschiebbar sein. Mittels der Verschiebe-Einrichtung 9 ist die Zuführ-Kammer 10 in die Verdichtungs-Einrichtung 2 ein- bzw. aus dieser ausschiebbar. Zum Einführen in die Verdichtungs-Einrichtung 2 liegt die Zuführ-Kammer 10 auf einem Pressen-Tisch 15 auf. Der Pressen-Tisch 15 weist mittig einen sich entlang der Mittel-Längs-Achse 20 erstreckenden Hohlraum auf, der von unten von einem unteren Stempel 16 gasdicht verschließbar ist. Die Form des Hohlraums ist hierfür exakt an die äußeren Abmessungen des unteren Stempels 16 angepasst. Der Hohlraum, welcher seitlich vom Pressen-Tisch 15 und von unten vom unteren Stempel 16 begrenzt wird, bildet eine nach oben offene Form-Kammer 28.
Der Pressen-Tisch 15 ist von vier vertikal angeordneten Führungs-Stangen 18 geführt entlang einer Vertikalen 19 verschiebbar. Der untere Stempel 16 weist eine Mittel-Längs-Achse 20 auf. Die Mittel-Längs-Achse 20 verläuft parallel zur Vertikalen 19. Der untere Stempel 16 ist gegenüber einem festen Boden 17 abgestützt. An seiner der Form-Kammer 28 zugewandten Innenseite weist der Pressen-Tisch 15 einen gasdurchlässigen Filter-Einsatz 26 auf. Der Filter-Einsatz 26 ist aus einem keramischen Material. Er weist insbesondere einen Anteil an Silizium auf. Als Material für den Filter-Einsatz 26 ist insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder eine Verbindung dieser Materialien vorgesehen. An den Filter-Einsatz 26 ist eine Evakuierungs-Einrichtung 27 mit einem Steuerventil 29 gekoppelt.
Des Weiteren umfasst die Verdichtungs-Einrichtung 2 ein Oberteil 21, in welchem ein oberer Stempel 22 parallel zur Vertikalen 19 verschiebbar geführt gelagert ist. An seiner Unterseite weist der obere Stempel 22 eine Stempel-Platte 25 auf. Zumindest die Stempel-Platte 25, ist aus einem keramischen Material. Sie weist insbesondere einen Anteil an Silizium auf. Als Materialien für die Stempel-Platte 25 sind insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid vorgesehen. Die Stempel-Platte 25 hat einen Querschnitt senkrecht zur Mittel-Längs-Achse 20, welcher an den Querschnitt der Form-Kammer 28 angepasst ist. Der untere Stempel 6 ist entsprechend ausgebildet.
Die Form-Kammer 28 weist einen quadratischen Querschnitt auf. Sie hat eine Kantenlänge im Bereich von 40 mm bis 500 mm, insbesondere im Bereich von 100 mm bis 350 mm. Alternativ hierzu kann die Form-Kammer 28 einen runden Querschnitt mit einem entsprechenden Durchmesser aufweisen. Der Querschnitt der Form-Kammer 28 ist in Richtung der Mittel-Längs-Achse 20 konstant. In Richtung der Mittel-Längs-Achse 20 hat die Form-Kammer 28 eine Höhe im Bereich von 20 mm bis 500 mm, insbesondere im Bereich von 30 mm bis 100 mm, insbesondere im Bereich von 40 mm bis 50 mm.
Die Form-Kammer 28 ist mittels der Stempel-Platte 25 an ihrem oberen Ende gasdicht verschließbar. Des Weiteren ist die Form-Kammer 28 mittels der auch als Unterdruck-Einrichtung bezeichneten Evakuierungs-Einrichtung 27 über den Filter-Einsatz 26 mit Unterdruck im Bereich von weniger als 30.000 Pa, insbesondere von weniger als 20.000 Pa, vorzugsweise von weniger als 10.000 Pa beaufschlagbar.
Der obere Stempel 22 ist mittels vier kraftübertragenden Verschiebe-Elementen 23 in kraftübertragenden Weise an eine in den Figuren nur schematisch dargestellte Druck-Erzeugungs-Einrichtung 24 gekoppelt. Die Druck-Erzeugungs-Einrichtung 24 kann mechanisch ausgebildet sein. Sie umfasst insbesondere ein Untersetzungsgetriebe. Als Verschiebe-Elementen 23' sind beispielsweise Zahnradstangen vorgesehen. Alternativ hierzu kann die Druck-Erzeugungs-Einrichtung 24 auch hydraulisch mit als Hydraulik-Kolbenstangen ausgebildeten Verschiebe-Elementen 23 ausgebildet sein. Das Volumen der Form-Kammer 28 ist durch Verschieben des oberen Stempels 22 mittels der Verschiebe-Elemente 23 veränderbar. Die Verdichtungs-Einrichtung 2 ist somit als Presse ausgebildet. Der von der Druck-Erzeugungs-Einrichtung 24 über die Stempel-Platte 25 auf die Form-Kammer 28 ausübbare Druck liegt im Bereich von 1 bis 100 kN/cm², insbesondere im Bereich von 5 bis 15 kN/cm².
Vorzugsweise ist die gesamte Vorrichtung in einem gasdicht geschlossenen Reaktions-Raum angeordnet, wobei eine in den Figuren nicht dargestellten Inertgas-Einrichtung zum Ersetzen des im Reaktions-Raum enthaltenen Sauerstoffs durch ein Inertgas vorgesehen ist. Als Inertgas dient hierbei insbesondere Stickstoff, Argon oder ein anderes Inertgas.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung von Formlingen beschrieben. Zunächst wird die Zuführ-Kammer 10 mittels der Zuführ-Einrichtung 1 mit einem Pulver, insbesondere Siliziumpulver, befüllt. Das zu verdichtende Siliziumpulver hat eine Dichte im Bereich von 2 bis 500 g/dm³. Die makroskopischen Teilchen des zu verdichtenden Siliziumpulvers haben einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,01 μm bis 100 μm, insbesondere im Bereich von 0,1 μm bis 20 μm. Das Siliziumpulver weist eine Reinheit von mindestens 99,9%, insbesondere 99,999%, insbesondere mindestens 99,9999999% auf. Das Pulver wird in der Vorkompaktier-Einheit 5 auf eine Schüttdichte im Bereich von 100 bis 500 g/dm³, insbesondere im Bereich von 300 bis 450 g/dm³, vorverdichtet.
Sodann wird die Zuführ-Kammer 10 mit Hilfe der Verschiebe-Einrichtung in die Verdichtungs-Einrichtung 2 geschoben, bis ihre untere Öffnung 14 mit dem Hohlraum im Pressen-Tisch 15 fluchtet. Das Pulver gelangt so in die Form-Kammer 28, welche von unten von dem unteren Stempel 16 begrenzt wird. Nach Befüllen der Form-Kammer 28 mit dem Pulver wird die Zuführ-Kammer 10 wieder mittels der Verschiebe-Einrichtung 9 aus der Verdichtungs-Einrichtung 2 herausgezogen. Sodann wird der obere Stempel 22 mittels der Verschiebe-Elemente 23 entlang der Mittel-Längs-Achse 20 nach unten geführt, bis die Stempel-Platte 25 die Form-Kammer 28 an deren oberen Ende gasdicht abschließt.
Anschließend wird die Form-Kammer 28 mit Hilfe der Evakuierungs-Einrichtung 27 mit Unterdruck beaufschlagt. Der Druck in der Form-Kammer 28 wird hierbei auf bis zu 7.000 Pa reduziert. Die Entgasung dauert zwischen 10 sec und 60 sec, insbesondere zwischen 30 sec und 45 sec.
Sodann wird mittels der Druck-Erzeugungs-Einrichtung 24 Druck auf dem oberen Stempel 22 mit der Stempel-Platte 25 aufgebaut, um das Pulver in der Form-Kammer 28 uniaxial zu kompaktieren. Der von der Druck-Erzeugungs-Einrichtung 24 über die Stempel-Platte 25 auf die Form-Kammer 28 ausgeübte Druck liegt im Bereich von 1 bis 100 kN/cm², insbesondere im Bereich von 5 bis 15 kN/cm². Der Pressvorgang dauert zwischen 5 und 60 sec, insbesondere zwischen 10 und 15 sec. Anschließend wird der obere Stempel 22 wieder in die obere Ausgangslage zurückgeführt.
Nach Absenken des Pressen-Tisches 15 um wenigstens einen Betrag, welcher der Höhe der Form-Kammer 28 beim Pressen des Formlings entspricht, wird letzterer frei zugänglich. Selbstverständlich kann anstelle der Absenkung des Pressen-Tisches 15 auch ein Anheben des unteren Stempels 16 vorgesehen sein.
Der derart hergestellte Formling hat eine Dichte im Bereich von 100 g/dm³ bis 2000 g/dm³, insbesondere von mehr als 1000 g/dm³. Er hat eine Reinheit von mindestens 99,9%, insbesondere von mindestens 99,999%, insbesondere von mindestens 99,999999%. Der absorbierte Sauerstoffanteil beträgt maximal 2.000 ppm, insbesondere maximal 1.000 ppm. Das Kompaktat weist einen Feinanteil unterhalb von 5%, insbesondere unterhalb von 1% des eingesetzten Silizium-Pulvers bei einer Verunreinigung hinsichtlich Metalle um weniger als 1 ppm, insbesondere weniger als 0,1 ppm auf. Es weist eine Homogenität im Bereich von 90% bis 100% auf. Das Silizium-Kompaktat ist ferner durch eine innere Oberfläche im Bereich von 5 m²/g bis 15 m²/g, insbesondere im Bereich von 10 m²/g bis 13 m²/g gekennzeichnet. Die innere Struktur des Kompaktats ist durch Aggregate und/oder Agglomerate von Silizium-Partikeln gekennzeichnet und kann wie folgt beschrieben werden: Silizium-Partikel mit einer teilkohärenten Kristallstruktur bilden eine Primärstruktur von 25 bis 100 nm Größe. Sekundärstrukturen aus mikroskopisch identifizierbaren Cluster von Silizium-Primärpartikeln weisen Dimensionen von bis zu 1 μm auf. Agglomerierte Silizium-Sekundärpartikel setzen sich zu Terziärstrukturen von bis zu 100 μm zusammen, welche die makroskopischen Produkteigenschaften bestimmen. Diese sind insbesondere durch eine problemlose Stapel- und/oder Fließfähigkeit und eine für die technischen Belange ausreichend hohe Abriebfestigkeit gekennzeichnet, welche insbesondere für die Weiterverwendung des Kompaktats zur Herstellung einer Silizium-Schmelze von Vorteil sind. Es hat sich gezeigt, dass der derart hergestellte Formling bei einer Temperatur von höchstens 1500°C zu einer homogenen Siliziumschmelze aufschmelzbar ist.

Claims

Vorrichtung zur Formgebung eines Formlings aus einem Pulver umfassend a. mindestens eine Form-Kammer (28) zur Aufnahme eines Pulvers mit i. einer Längs-Achse (20) und ii. einem sich senkrecht zu dieser erstreckenden Querschnitt und b. eine Verdichtungs-Einrichtung (2) zur uniaxialen Verdichtung des Pulvers in der mindestens einen Form-Kammer (28) in Richtung der Längs-Achse (20), dadurch gekennzeichnet, dass c. die Form-Kammer (28) gasdicht verschließbar ist. 2,
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungs-Einrichtung (2) als Presse mit einem entlang der Längs-Achse (20) verschiebbaren Stempel (22, 25) ausgebildet ist..
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (22, 25) senkrecht zur Längs-Achse (20) an seinem unteren Ende einen Querschnitt aufweist, welcher an den Querschnitt der Form-Kammer (28) angepasst ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (25) zumindest teilweise aus einem keramischen Material und/oder Silizium und/oder aus einer Silizium-Verbindung ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form-Kammer (28) einen runden oder rechteckigen, insbesondere einen quadratischen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Form-Kammer (28) in Richtung der Längs-Achse (20) konstant ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form-Kammer (28) einen Durchmesser bzw. eine Kantenlänge im Bereich von 40 mm bis 500 mm aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Verdichtungs-Einrichtung (2) auf die Form-Kammer (28) ausübbare Druck im Bereich von 1 bis 100 kN/cm², vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 kN/cm² liegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Unterdruck-Einrichtung (27) zur Beaufschlagung der Form-Kammer (28) mit Unterdruck vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem gasdicht geschlossenen Reaktions-Raum angeordnet ist, wobei eine Inertgas-Einrichtung zum Ersetzen des im Reaktions-Raum erhaltenen Sauerstoffs durch ein Inert-Gas vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung von Formlingen aus einem Pulver umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Form-Kammer (28) zur Aufnahme eines Pulvers, – Befüllen der mindestens einen Form-Kammer (28) mit einem Pulver, – Verdichten des Pulvers in der Form-Kammer (28), – wobei das Pulver in der Form-Kammer (28) zum Verdichten uniaxial gepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichten bis 360 sec. dauert.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Form-Kammer (28) vor dem Verdichten des Pulvers mit Unterdruck im Bereich von weniger als 30.000 Pa, insbesondere von weniger als 20.000 Pa, vorzugsweise von weniger als 10.000 Pa beaufschlagt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten 10 bis 60 sec, vorzugsweise weniger als 20 sec dauert.
Silizium, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Silizium in Form eines homogenen, verpressten Formlings aus einem verdichteten Pulver vorliegt, b. das Silizium eine Reinheit von mindestens 99,9% aufweist, c. der Formling eine mittlere Schüttdichte im Bereich von 100 g/dm³ bis 2000 g/dm³ aufweist, d. der Formling bei einer Temperatur von höchstens 1500°C zu einer homogenen Siliziumschmelze aufschmelzbar ist.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu verdichtenden Pulver um Siliziumpulver handelt.