DE102009035041B3

DE102009035041B3 - Anlage zur Herstellung von Silizium-Granulat

Info

Publication number: DE102009035041B3
Application number: DE200910035041
Authority: DE
Inventors: Armin Prof.Dr. Müller; Silvio Dr. Stute
Original assignee: Sunicon AG
Current assignee: Sunicon GmbH
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-07-29

Abstract

Anlage (1) zur Herstellung von Silizium-Granulat umfassend eine Granulier-Vorrichtung (3) zum Granulieren von pulverförmigem Silizium mit einer sich entlang einer Strömungs-Richtung (5) erstreckenden Agglomerations-Einrichtung (6) zur Agglomeration von Silizium-Partikeln (27) und einer sich in Strömungs-Richtung (5) an diese anschließende Schmelz-Einrichtung (7) zum Schmelzen der agglomerierten Silizium-Partikel (27).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Silizium-Granulat. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Granulat.
Zur Herstellung von pulverförmigen Silizium-Partikeln wird beispielsweise die thermische Zersetzung eines Silizium enthaltenden Gases in einem Abscheide-Reaktor genutzt. Das derartig hergestellte Siliziumpulver zeichnet sich durch eine hohe Homogenität aus. Allerdings ist es aufgrund seiner hohen spezifischen Oberfläche nur schwer einschmelzbar. Ein mechanisches Verdichten des Siliziumpulvers wie beispielsweise aus der DE 10 2004 027 563 A1 bekannt, zur Verbesserung des Einschmelzverhaltens ist sehr aufwändig. Außerdem besteht die Gefahr, dass hochreine Silizium zu verunreinigen.
Aus der DE 10 2007 035 757 A1 ist ein Reaktor zur Herstellung von Silizium bekannt. Aus der US 4 357 987 A ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Silizium bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Silizium-Granulat zu vereinfachen. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, verbessertes Silizium-Granulat bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, die pulverförmigen Silizium-Partikel zur Agglomerierung in einer Agglomerations-Einrichtung zumindest teilweise anzuschmelzen. Hierbei kommt es zur kohesiven Vereinigung mehrerer Partikel zu größeren und schwereren Aggregaten. Außerdem wird die spezifische Oberfläche reduziert. Durch die Agglomeration erlangen sie die notwendige Sedimentationsfähigkeit, um ohne zusätzliche Fördertechnik und energiesparend der Schmelz-Einrichtung zugeführt werden zu können.
Vorzugsweise schließt sich die erfindungsgemäße Granulier-Vorrichtung direkt auslassseitig an einen Abscheide-Reaktor zur thermischen Zersetzung von Silizium enthaltenden Gasen an. Hierdurch wird einerseits ein aufwändiges Aufbewahrungs- und/oder Transport-Verfahren vermieden, andererseits wird die Gefahr der Verunreinigung der Silizium-Partikel, insbesondere durch atmosphärischen Sauerstoff, reduziert.
Die Agglomerations-Einrichtung umfasst vorzugsweise eine Induktions-Spule, mittels welcher Wirbelströme in den Silizium-Partikeln in der Agglomerations-Einrichtung induzierbar sind. Dies führt zu einem zumindest teilweisen Anschmelzen der Silizium-Partikel, welches sehr einfach und präzise über die Amplitude und Frequenz des von der Induktionsspule erzeugten Magnetfelds steuerbar ist.
Durch ein Trägergas kann die Transportbewegung der Silizium-Partikel in Strömungs-Richtung unterstützt und/oder gesteuert werden. Vorteilhafterweise ist für das Trägergas ein geschlossener Kreislauf vorgesehen. Hierdurch wird die Menge des benötigten Trägergases reduziert. Außerdem wird eine Verunreinigung der Silizium-Partikel hierdurch vermieden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Anlage gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Eine Anlage 1 zur Herstellung von Silizium-Granulat umfasst einen Abscheide-Reaktor 2, eine Granulier-Vorrichtung 3 und eine Abkühl-Einrichtung 4. Der Abscheide-Reaktor 2, die Granulier-Vorrichtung 3 und die Abkühl-Einrichtung 4 sind in einer Strömungs-Richtung 5 aufeinanderfolgend angeordnet.
Der Abscheide-Reaktor 2 dient der thermischen Zersetzung von Silizium enthaltenden Gasen, insbesondere Silanen, vorzugsweise Monosilan. Der Abscheide-Reaktor 2 umfasst eine Reaktionskammer, welche auf Temperaturen von über 800°C erwärmt werden kann. Bezüglich weiterer Details des Abscheide-Reaktors 2 sei auf die DE 10 2004 027 563 A1 verwiesen.
An den Abscheide-Reaktor 2 schließt sich auslassseitig direkt die Granulier-Vorrichtung 3 an. Die Granulier-Vorrichtung 3 umfasst eine sich entlang der Strömungs-Richtung 5 erstreckende Agglomerations-Einrichtung 6 und eine sich in Strömungs-Richtung 5 an diese anschließende Schmelz-Einrichtung 7.
Die Agglomerations-Einrichtung 6 weist ihrerseits drei in Strömungs-Richtung 5 aneinander angrenzende Abschnitte 8, 9 und 10 mit zunehmend kleinerem Querschnitt auf, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsrichtung 5 im Betrieb zunimmt. Im Bereich des ersten Abschnitts 8 ist auf der Außenseite der Agglomerations-Einrichtung 6 eine als Induktions-Spule 11 ausgebildete Heiz-Einrichtung vorgesehen. Beim ersten Abschnitt 8 handelt es sich somit um einen Heiz-Abschnitt.
Die Induktions-Spule 11 weist N Windungen auf. Sie ist an eine nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen. Mittels der Induktions-Spule 11 ist im ersten Abschnitt 8 der Agglomerations-Einrichtung 6 zumindest bereichsweise ein Wechsel-Magnetfeld einer bestimmten Amplitude und Frequenz erzeugbar.
Im dritten Abschnitt 10 ist ein Trägergas-Einlass 12 vorgesehen. Der Trägergas-Einlass 12 umgibt den dritten Abschnitt 10 ringförmig. Es ist jedoch ebenso möglich, den Trägergas-Einlass 12 als seitliche Einmündung in den dritten Abschnitt 10 auszubilden. Der Trägergas-Einlass dient der Zuführung eines Trägergases zur Unterstützung einer Strömung der Silizium-Partikel in Strömungs-Richtung 5. Als Trägergas ist vorzugsweise Wasserstoff, Helium oder Argon vorgesehen. Der Trägergas-Einlass 12 ist Teil eines Gas-Kreislaufs 13 zwischen der Schmelz-Einrichtung 7 und der Agglomerations-Einrichtung 6. Der Gas-Kreislauf 13 umfasst des Weiteren vorzugsweise ein regelbares Einlass-Ventil 14, eine Pumpe 15 und ein Trägergas-Reservoir 16, welches über ein regelbares Reservoir-Ventil 17 an den Gas-Kreislauf 13 angekoppelt werden kann. Der Gas-Kreislauf 13 ist insbesondere als geschlossener Kreislauf ausgebildet.
Die Agglomerations-Einrichtung 6 weist eine Wand 18 aus Graphit, Keramik, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, inerten metallischen Werkstoffen oder Quarzen auf. Die Wand 18 kann nach außen isoliert und/oder extern beheizt sein. Die Agglomerations-Einrichtung 6 weist somit einen zumindest im Wesentlichen isothermen Innenraum 19 auf.
In der Agglomerations-Einrichtung 6 herrscht ein Druck, welcher mit dem in Abscheide-Reaktor 2 im Wesentlichen übereinstimmt. Der Druck liegt vorzugsweise im Bereich von 150 mbar bis 1500 mbar.
Die Agglomerations-Einrichtung 6 mündet in Strömungs-Richtung 5 auslassseitig in die Schmelz-Einrichtung 7. Die Agglomerations-Einrichtung 6 ist somit zwischen dem Abscheide-Reaktor 2 und der Schmelz-Einrichtung 7 angeordnet. Die Schmelz-Einrichtung 7 umfasst einen nach außen abgeschlossenen Schmelz-Raum 20 zur Aufnahme einer Silizium-Schmelze 21. Der Schmelz-Raum 20 ist von einer Wandung 22 aus Graphit, Keramik, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, einem inerten metallischen Werkstoff oder Quarzmaterial umgeben. Die Wandung 22 ist vorzugsweise aus demselben Material wie die Wand 18 der Agglomerations-Einrichtung 6. Prinzipiell können die Agglomerations-Einrichtung 6 und die Schmelz-Einrichtung 7 auch einteilig ausgebildet sein.
Die Schmelz-Einrichtung 7 umfasst mehrere an der Außenseite des Schmelz-Raums 20 angeordnete Heiz-Elemente 23. Bei den Heiz-Elementen handelt es sich um elektrische Heiz-Elemente. Induktive Heiz-Elemente sind jedoch ebenso möglich. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Seiten- und Decken-Heiz-Elemente vorgesehen.
Die den Schmelz-Raum 20 umgebende Wandung 22 weist deckenseitig einen Gas-Auslass 24 auf. Der Gas-Auslass 24 kann ringförmig ausgebildet sein. Eine einfache Gas-Auslass-Leitung ist jedoch ebenso möglich. Der Gas-Auslass 24 ist ein Teil des Gas-Kreislaufs 13. Am Gas-Auslass 24 kann ein Heizelement angeordnet sein.
Außerdem weist die Schmelz-Einrichtung 7 einen bodenseitig angeordneten Auslass 25 auf. Der bodenseitige Auslass 25 ist kontrolliert zu öffnen und schließbar. Er mündet in die Abkühl-Einrichtung 4. Über dem bodenseitigen Auslass 25 können somit geschmolzene Silizium-Tropfen 26 in kontrollierbarer Weise aus der Schmelz-Einrichtung 7 der Abkühl-Einrichtung 4 zugeführt werden.
Als Abkühl-Einrichtung 4 ist beispielsweise ein vertikal angeordneter Fall-Turm vorgesehen. Je nachdem mit welchem Gas der Fall-Turm gefüllt ist, sowie welche Temperatur und welcher Druck im Inneren des Fall-Turms herrschen, weist dieser eine Höhe im Bereich von 1 m bis 20 m auf. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass bei einem mit Wasserstoff gefüllten Fall-Turm eine Höhe von ca. 3 m bis 5 m zur Erstarrung der Silizium-Tropfen 26 ausreichend ist, während bei einem mit Helium und/oder Argon gefüllten Fall-Turm eine Fallhöhe von ca. 15 m zur Erstarrung der Silizium-Tropfen 26 notwendig war.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Anlage 1 beschrieben. Zur Herstellung von Silizium-Granulat werden pulverförmige Silizium-Partikel 27 durch thermische Zersetzung mindestens eines Silizium enthaltenden Gases in dem Abscheide-Reaktor 2 hergestellt. Als Gas kommen insbesondere Silane, beispielsweise Monosilan oder Halogen-Silane in Frage. Die derart hergestellten Silizium-Partikel 27 weisen beim Übergang vom Abscheide-Reaktor 2 in die Agglomerations-Einrichtung 6 der Granulier-Vorrichtung 3 eine Masse im Bereich von 0,15 μg bis 160 μg, insbesondere im Bereich von 1 μg bis 50 μg auf. Die Masse der Silizium-Partikel 27 lässt sich durch die physikalischen Bedingungen im Abscheide-Reaktor 2 einstellen. Die Silizium-Partikel 27 sind kernlos und weisen eine kompakte, massive Struktur auf. Sie weisen ferner keine störenden Gaseinflüsse auf. Sie weisen insbesondere keine Siliziumdioxidverbindungen auf.
Beim Eintritt in die Agglomerations-Einrichtung 6 weisen die Silizium-Partikel 27 eine Temperatur im Bereich von 1350°C bis 1450°C auf. Bei diesen Temperaturen haben die Silizium-Partikel 27 eine vergleichsweise hohe Leitfähigkeit. Mittels der Induktions-Spule 11 lassen sich daher Wirbelströme in den Silizium-Partikeln 27 induzieren. Das von der Induktions-Spule 11 erzeugte Magnetfeld weist eine Frequenz im Bereich von 50 Hz bis 5000 kHz, insbesondere im Bereich von 50 Hz bis 3000 kHz, insbesondere im Bereich von 50 Hz bis 2000 kHz auf. Aufgrund des Ohm'schen Widerstandes der Silizium-Partikel 27 führen die mittels der Induktions-Spule 11 in den Silizium-Partikeln 27 induzierten Wirbelströme zu einer Temperaturerhöhung der Silizium-Partikel 27. Die Parameter des mittels der Induktions-Spule 11 im ersten Abschnitt 8 der Agglomerations-Einrichtung 6 erzeugten Magnetfeldes sind gerade so eingestellt, dass die Silizium-Partikel 27 partiell anschmelzen. Hierbei kommt es zu einer kohäsiven Vereinigung mehrerer Silizium-Partikel 27 und somit zur Bildung von größeren und schwereren Aggregaten. Dies führt gleichzeitig zu einer Verringerung der spezifischen Oberfläche des Siliziums in der Agglomerations-Einrichtung 6. In der Agglomerations-Einrichtung 6 werden die Silizium-Partikel 27 somit durch induktive Erwärmung gesintert und/oder angeschmolzen. Hierdurch erlangen die Silizium-Partikel 27 die notwendige Sedimentationsfähigkeit, ohne zusätzliche Fördertechnik und energiesparend der Schmelz-Einrichtung 7 der Granulier-Vorrichtung zugeführt werden zu können.
Beim Durchströmen der Agglomerations-Einrichtung 6 behalten die Silizium-Partikel 27 im Wesentlichen dieselbe Temperatur bei. Sie behalten beim Zuführen zur Schmelz-Einrichtung 7 insbesondere eine Temperatur von mindestens 1000°C, insbesondere mindestens 1200°C, vorzugsweise mindestens 1350°C bei. Hierdurch wird ein Schmelzen der Silizium-Partikel 27 in der Schmelz-Einrichtung 7 erleichtert. Dies führt zu einer besonders energiesparenden Verfahrensanordnung.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Silizium-Partikel 27 somit aus dem Abscheide-Reaktor 2 durch die Agglomerations-Einrichtung 6 direkt der Schmelz-Einrichtung 7 zugeführt. Die Zuführung vom Abscheide-Reaktor 2 zur Schmelz-Einrichtung 7 geschieht insbesondere im Wesentlichen isotherm.
Aus der Silizium-Schmelze 21 im Schmelz-Raum 20 der Schmelz-Einrichtung 7 wird über den bodenseitigen Auslass 25 Silizium in Form von Silizium-Tropfen 26 in kontrollierbarer Weise zur Erstarrung in die Abkühl-Einrichtung 4 ausgelassen. Durch die erfindungsgemäße Anlagenanordnung lässt sich daher auf einfache Weise Silizium-Granulat mit definierten Eigenschaften herstellen. Das erfindungsgemäß hergestellte Silizium-Granulat weist eine Korngrößenverteilung zwischen 0,05 mm und 5 mm auf. Der Feinanteil unter 0,1 mm liegt bei unter 1%. Das Silizium-Granulat ist homogen. Es weist einen Konzentrationsgradienten an metallischen Bestandteilen von höchstens 5%, insbesondere weniger als 1%, insbesondere weniger als 1‰ auf. Der Konzentrationsgradient von Nichtmetallen beträgt höchstens 1%, insbesondere höchstens 1‰. Unter Konzentrationsgradient wird die räumliche Verteilung der Konzentration innerhalb des Granulats, das heißt des Kernbereichs gegenüber dem Außenbereich, verstanden.

Claims

Anlage (1) zur Herstellung von Silizium-Granulat umfassend a. eine Granulier-Vorrichtung (3) zum Granulieren von pulverförmigen Silizium-Partikeln (27) mit i. einer sich entlang eine Strömungs-Richtung (5) erstreckenden Agglomerations-Einrichtung (6) zur Agglomeration von Silizium-Partikeln (27) und ii. einer sich in Strömungs-Richtung (5) an diese anschließende Schmelz-Einrichtung (7) zum Schmelzen der agglomerierten Silizium-Partikel (27), und b. eine sich an die Schmelz-Einrichtung (7) anschließende Abkühl-Einrichtung (4) zur Erstarrung geschmolzener Silizium-Tropfen (26), dadurch gekennzeichnet, dass c. die Agglomerations-Einrichtung (6) mindestens drei, in Strömungs-Richtung (5) aneinander angrenzende Abschnitte (8, 9, 10) mit zunehmend kleinerem Querschnitt aufweist.
Anlage (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Silizium-Partikel (27) für die Granulier-Vorrichtung (3) ein Abscheide-Reaktor (2) zur thermischen Zersetzung von Silizium enthaltenden Gasen vorgesehen ist.
Anlage (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerations-Einrichtung (6) zwischen dem Abscheide-Reaktor (2) und der Schmelz-Einrichtung (7) angeordnet ist, wobei sich die Agglomerations-Einrichtung (6) insbesondere direkt auslassseitig an den Abscheide-Reaktor (2) anschließt.
Anlage (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerations-Einrichtung (6) mindestens ein Heiz-Element (11), insbesondere ein induktives Heiz-Element (11) aufweist.
Anlage (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des induktiven Heiz-Elements (11) in der Agglomerations-Einrichtung (6) zumindest bereichsweise ein Magnetfeld, insbesondere ein Wechsel-Magnetfeld erzeugbar ist.
Anlage (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulier-Vorrichtung (3) nach außen gasdicht verschließbar ist.
Anlage (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerations-Einrichtung (6) einen Trägergas-Einlass (12) zur Unterstützung einer Strömung der Silizium-Partikel (27) in Strömungs-Richtung (5) aufweist.
Anlage (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägergas-Einlass (12) Teil eines Gas-Kreislaufs (13), insbesondere eines geschlossenen Gas-Kreislaufs (13), zwischen der Schmelz-Einrichtung (7) und der Agglomerations-Einrichtung (6) ist.
Anlage (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelz-Einrichtung (7) einen Auslass (25), insbesondere einen bodenseitig angeordneten Auslass (25) aufweist.
Anlage (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Auslass (25) eine Abkühl-Einrichtung (4), insbesondere ein vertikal ausgerichteter Fallturm, zur Erstarrung des in der Schmelz-Einrichtung (7) geschmolzenen Siliziums (21) anschließt.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerations-Einrichtung (6) eine Wand (18) aus Graphit, Keramik, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, inerten metallischen Werkstoffen oder Quarzen aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Silizium-Granulat umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen pulverförmiger Silizium-Partikel (27) und Zuführen derselben zu einer Agglomerations-Einrichtung (6), – Zumindest teilweises Anschmelzen der Silizium-Partikel (27) in der Agglomerations-Einrichtung (6) zur Agglomerierung derselben, – Zuführen der agglomerierten Silizium-Partikel (27) von der Agglomerations-Einrichtung (6) zu einer Schmelz-Einrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass – die Agglomerations-Einrichtung (6) mindestens drei, in Strömungs-Richtung (5) aneinander angrenzende Abschnitte (8, 9, 10) mit zunehmend kleinerem Querschnitt aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmigen Silizium-Partikel (27) durch thermische Zersetzung mindestens eines Silizium enthaltenden Gases in einem Abscheide-Reaktor (2) hergestellt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Partikel (27) aus dem Abscheide-Reaktor (2) durch die Agglomerations-Einrichtung (6) direkt der Schmelz-Einrichtung (7) zugeführt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Partikel (27) beim Eintritt in die Agglomerations-Einrichtung (6) eine Temperatur im Bereich von 1350°C bis 1450°C aufweisen und beim Zuführen zur Schmelz-Einrichtung (7) eine Temperatur von mindestens 1000°C, insbesondere mindestens 1200°C, vorzugsweise mindestens 1350°C beibehalten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Agglomerations-Einrichtung (6) ein Druck im Bereich von 150 mbar bis 1500 mbar herrscht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die agglomerierten Silizium-Partikel (27) beim Zuführen zur Schmelz-Einrichtung (7) Massen im Bereich von 0,15 μg bis 160 μg, insbesondere im Bereich von 1 μg bis 50 μg aufweisen.