DE102011112662A1 - Process for treating metallurgical silicon - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Erzeugen von Partikeln aus metallurgischem Silizium mit folgenden Schritten: Schmelzen von metallurgischem Silizium oder Silizium mit gezielten Beimengungen, wie beispielsweise mit einem Kupfergehalt zwischen 0,01 bis 2 Gew.-%; Einleiten des geschmolzenen Siliziums in eine Prozesskammer, wobei das geschmolzene Silizium beim Einleiten in die Prozesskammer über eine Gasströmung zerstäubt wird, und anschließend zum Boden der Prozesskammer oder eines daran befestigten Auffangbehälters fällt, wobei die Prozessbedingungen in der Prozesskammer, insbesondere die Gasströmung zum Zerstäuben des Siliziums oder der Legierung, so eingestellt werden, dass sich das zerstäubte Silizium während des freien Falls wenigstens teilweise verfestigt und im Wesentlichen sphärische Siliziumpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von 20 μm bis 425 μm entstehen.Method for producing particles from metallurgical silicon with the following steps: melting metallurgical silicon or silicon with specific additions, for example with a copper content between 0.01 and 2% by weight; Introducing the molten silicon into a process chamber, the molten silicon being atomized by a gas flow when it is introduced into the process chamber, and then falling to the bottom of the process chamber or a collecting container attached to it, the process conditions in the process chamber, in particular the gas flow for atomizing the silicon or the alloy, can be set such that the atomized silicon at least partially solidifies during free fall and essentially spherical silicon particles with an average particle size of 20 μm to 425 μm are formed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von metallurgischem Silizium.The present invention relates to a method of treating metallurgical silicon.
Silizium ist ein weit verbreiteter Werkstoff in unterschiedlichen Technologien, wie beispielsweise der Halbleitertechnik oder der Photovoltaik. Während in der Halbleitertechnik hochreine Siliziumeinkristalle zum Einsatz kommen, wird in der Photovoltaik überwiegend hochreines polykristallines Silizium eingesetzt.Silicon is a widely used material in various technologies, such as semiconductor technology or photovoltaics. While high-purity silicon monocrystals are used in semiconductor technology, in photovoltaics predominantly high-purity polycrystalline silicon is used.
Silizium, sowohl für die Halbleitertechnik als auch die Photovoltaik, wird in der Regel über das sogenannte Siemensverfahren auf einen Reinheitsgrad von ungefähr 99,9999% (6N) oder höher gebracht. Jedoch muss das Silizium schon für die Verwendung im Siemensverfahren aufbereitet sein, um hier eingesetzt werden zu können.Silicon, both for semiconductor technology and for photovoltaics, is usually brought to a purity level of about 99.9999% (6N) or higher via the so-called Siemens process. However, the silicon must already be prepared for use in the Siemens process in order to be used here.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbereiten von metallurgischem Silizium vorzusehen, sowie spezielle Siliziumpartikel, die für eine Weiterbehandlung, insbesondere für eine Trichlorsilansynthese geeignet sind. Dabei beschreibt der Begriff metallurgisches Silizium ein Material mit einem Siliziumanteil von wenigstens ungefähr 98% bis ungefähr 99%.The present invention is therefore based on the object to provide a method for processing of metallurgical silicon, as well as special silicon particles, which are suitable for further treatment, in particular for a Trichlorsilansynthese. The term metallurgical silicon describes a material having a silicon content of at least about 98% to about 99%.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, sowie Partikel aus metallurgischem Silizium nach Anspruch 24 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a method according to claim 1 or 2, and particles of metallurgical silicon according to
Ein erstes Verfahren zum Behandeln von metallurgischem Silizium weist insbesondere die folgenden Schritte auf: Schmelzen des metallurgischen Siliziums oder Silizium mit gezielten Beimengungen, wie beispielsweise mit einem Kupfergehalt zwischen 0,01 bis 2 Gew.-%, einer metallurgischen Silizium-Kupferlegierung mit einem Kupfergehalt zwischen 0,01 bis 2 Gew.-%; Einleiten des geschmolzenen Siliziums in eine Prozesskammer, wobei das geschmolzene Silizium beim Einleiten in die Prozesskammer über eine Gasströmung zerstäubt wird, und anschließend zum Boden der Prozesskammer oder eines daran befestigten Auffangbehälters fällt, wobei die Prozessbedingungen in der Prozesskammer, insbesondere die Gasströmung zum Zerstäuben des Siliziums, so eingestellt werden, dass sich das zerstäubte Silizium während des freien Falls wenigstens teilweise verfestigt und im Wesentlichen sphärische Siliziumpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von 20 μm bis 425 μm entstehen.In particular, a first method of treating metallurgical silicon comprises the steps of: melting the metallurgical silicon or silicon with targeted admixtures, such as with a copper content between 0.01 to 2 wt.%, Of a metallurgical silicon-copper alloy with a copper content between From 0.01% to 2% by weight; Introducing the molten silicon into a process chamber, wherein the molten silicon is atomized as it flows into the process chamber via a gas flow, and then to the bottom of the process chamber or a collecting container attached thereto, the process conditions in the process chamber, in particular the gas flow for atomizing the silicon be set so that the atomized silicon at least partially solidified during the free fall and substantially spherical silicon particles having an average particle size of 20 microns to 425 microns arise.
Ein zweites Verfahren zum Erzeugen von Partikeln aus metallurgischem Silizium weist insbesondere die folgenden Schritte auf: Schmelzen von metallurgischem Silizium oder Silizium mit gezielten Beimengungen, wie beispielsweise mit einem Kupfergehalt zwischen 0,01 bis 5 Gew.-%, Einleiten des geschmolzenen Siliziums in eine Prozesskammer, wobei das geschmolzene Silizium beim Einleiten in die Prozesskammer über eine Gasströmung zerstäubt wird, und anschließend in einen Auffangbehälter transportiert wird, wobei die Prozessbedingungen in der Prozesskammer, insbesondere die Gasströmung zum Zerstäuben des Siliziums und/oder zum Transport des geschmolzenen Siliziums, so eingestellt werden, dass sich das zerstäubte Silizium nach der Zerstäubung auf dem Weg zum Auffangbehälter wenigstens teilweise verfestigt und im Wesentlichen sphärische Siliziumpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von 20 μm bis 425 μm entstehen. Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem obigen, insbesondere hinsichtlich der möglichen Zusammensetzung und dahingehend dass eine Verfestigung nicht nur während des Fallens in der Prozesskammer gesteuert werden kann sondern auch während einer Förderung zu einem entfernt oder zum Beispiel seitlich angebrachten Auffangbehälter. Eine entsprechende Gasströmung zum Transport des Siliziums in einen Auffangbehälter kann wenigstens teilweise die Gasströmung zum Zerstäuben des geschmolzenen Siliziums sein, sie kann aber auch eine vollständig andere sein.In particular, a second method for producing particles of metallurgical silicon comprises the steps of: melting metallurgical silicon or silicon with targeted admixtures, such as with a copper content between 0.01 to 5 wt.%, Introducing the molten silicon into a process chamber wherein the molten silicon is atomized on introduction into the process chamber via a gas flow, and then transported into a collecting container, wherein the process conditions in the process chamber, in particular the gas flow for atomizing the silicon and / or for transporting the molten silicon, so adjusted in that the sputtered silicon at least partially solidifies on the way to the collecting container after sputtering and substantially spherical silicon particles having an average particle size of 20 μm to 425 μm are formed. This method differs from the above, in particular with regard to the possible composition, and in that solidification can be controlled not only during the fall in the process chamber but also during conveyance to a remotely mounted or, for example, side-mounted receptacle. A corresponding gas flow for transporting the silicon into a catch tank may be at least partially the gas flow for atomizing the molten silicon, but it may also be a completely different one.
Das obige Verfahren ermöglicht die Herstellung feiner Siliziumpartikel mit einer gleichmäßigen Oberflächenstruktur, die als Ausgangsmaterial für nachfolgende Prozesse vorteilhaft sein können. insbesondere können die Partikel eine hoch aktivierte Oberfläche für nachfolgende Prozesse besitzen, insbesondere für eine Trichlorsilan (TCS) Synthese bei einer Hydrochlorierung von Silizium oder einer einem direkten Chlorierungsprozess. Darüber hinaus besitzen die Partikel gute Fließ- bzw. Schütteigenschaften und lassen sich somit nachfolgenden Prozessen gleichmäßig und kontrolliert bei geringer Staubbildung zuführen. Bei Verwendung von metallurgischem Silizium mit -Kupfer oder allgemein Silizium mit Kupfer als gezielter Beimischung kann das Kupfer als Katalysator dienen. Vorzugsweise sollte der Kupfergehalt zwischen 0,01 bis 2 Gew.-% bei metallurgischem Silizium liegen und kann als gezielte Beimischung bis zu 5% betragen. Vorzugsweise sollte der Kupfergehalt aber bei ungefähr 0.05 bis 2 Gew.-% liegen. Statt des Kupfers kann das metallurgische Silizium auch einen anderen Stoff enthalten, der als Katalysator für zum Beispiel eine TCS Synthese dienen kann. Ein solcher anderer Katalysator würde wiederum in einer Größenordnung von zwischen 0,01 bis 2 Gew.-% und insbesondere zwischen 0.05 bis 1 Gew.-% liegen. Ein Katalysator ist insbesondere vom Vorteil wenn die TCS-Synthese über eine Hydrochlorierung erfolgt. Bei einer direkten Chlorierung kann ein Katalysator aber auch Vorteile bringen. Der Begriff Silizium mit gezielter Beimischung soll insbesondere auch eine Legierung aus Silizium mit der Beimischungskomponente umfasst sein. Der Begriff Legierung wird nachfolgend auch so gebraucht, dass er Silizium mit gezielten Beimischungen umfasst.The above method enables the production of fine silicon particles having a uniform surface structure, which may be advantageous as a starting material for subsequent processes. In particular, the particles may have a highly activated surface for subsequent processes, in particular for a trichlorosilane (TCS) synthesis in a hydrochlorination of silicon or a direct chlorination process. In addition, the particles have good flow or pouring properties and can thus be supplied to subsequent processes evenly and in a controlled way with little dust formation. When using metallurgical silicon with copper or generally silicon with copper as a targeted admixture, the copper can serve as a catalyst. Preferably, the copper content should be between 0.01 to 2 wt .-% for metallurgical silicon and may be up to 5% as a targeted admixture. Preferably, however, the copper content should be about 0.05 to 2 wt .-%. Instead of the copper, the metallurgical silicon may also contain another substance that can serve as a catalyst for, for example, a TCS synthesis. Such another catalyst would in turn be on the order of between 0.01 to 2% by weight, and more preferably between 0.05 to 1% by weight. A catalyst is particularly advantageous when TCS synthesis is via hydrochlorination. In a direct chlorination, however, a catalyst can also bring benefits. The term silicon with targeted admixture should In particular, an alloy of silicon with the admixture component may be included. The term alloy is also used below to include silicon with specific admixtures.
Vorzugsweise wird während des Einleitens des geschmolzenen Siliziums oder der Legierung innerhalb der Prozesskammer eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre aufrechterhalten, und die Gasströmung zum Zerstäuben des geschmolzenen Siliziums oder der Legierung wird aus einem inerten Gas erzeugt. Hierdurch kann beispielsweise eine Oxidation der Oberfläche der gebildeten Partikel innerhalb der Prozesskammer verringert werden. Insbesondere können die so gebildeten Partikel eine geringere SiO2 Oberflächenschicht gegenüber herkömmlichen Partikeln, insbesondere gebrochenen Partikeln aufweisen, sodass eine TCS Synthese rascher erfolgen kann. Dies kann den Durchsatz der TCS Synthese erhöhen und Betriebskosten einer entsprechenden Anlage reduzieren. Insbesondere kann die Zerstäubung über eine Argon- und/oder Stickstoffgasströmung erzeugt werden.Preferably, during the introduction of the molten silicon or alloy within the process chamber, a substantially inert gas atmosphere is maintained, and the gas flow for atomizing the molten silicon or alloy is generated from an inert gas. As a result, for example, an oxidation of the surface of the particles formed within the process chamber can be reduced. In particular, the particles thus formed may have a lower SiO 2 surface layer compared to conventional particles, in particular broken particles, so that TCS synthesis can take place more rapidly. This can increase the throughput of the TCS synthesis and reduce operating costs of a corresponding plant. In particular, the atomization can be generated via an argon and / or nitrogen gas flow.
Es ist aber auch möglich innerhalb der Prozesskammer eine reaktive Gasatmosphäre aufrecht zu erhalten, welche mit Verunreinigungen im geschmolzenen Silizium oder der Legierung reagiert, um diese aus dem geschmolzenen Silizium oder der Legierung zu entfernen, wobei insbesondere auch die Gasströmung zum Zerstäuben des geschmolzenen Silizium aus einem reaktiven Prozessgas bestehen kann. Hierdurch kann während der Partikelbildung gleichzeitig eine Reinigung desselben erfolgen. Für eine Reinigung von metallurgischem Silizium werden beispielsweise SiCl4, Chlor, HCl, Silane, Halogenide und/oder Mischungen derselben in Betracht gezogen.However, it is also possible to maintain within the process chamber a reactive gas atmosphere which reacts with impurities in the molten silicon or alloy to remove them from the molten silicon or alloy, in particular also the gas flow for atomizing the molten silicon from a can consist of reactive process gas. This can be done during the same particle cleaning during the same time. For purification of metallurgical silicon, for example SiCl 4 , chlorine, HCl, silanes, halides and / or mixtures thereof are contemplated.
Vorteilhafterweise wird das geschmolzene Silizium oder die Legierung vor dem Einleiten in die Prozesskammer wenigstens einem der folgenden Aufbereitungsschritte unterworfen: Halten des geschmolzenen Siliziums oder der Legierung in einer Sauerstoff, Luft und/oder N2 Gasatmosphäre oder Leiten eines solchen Gases durch das geschmolzene Silizium, insbesondere um Kohlenstoff aus dem geschmolzenen Silizium oder der Legierung zu entfernen; Einbringen von Silikat als Schlackebildner oder eines anderen schlackebildenden Materials in das geschmolzene Silizium oder die Legierung; Halten des geschmolzenen Silizium oder der Legierung im Vakuum, um insbesondere Phosphor aus dem geschmolzenen Silizium oder der Legierung zu entfernen; Leiten eines reaktiven Gases durch das geschmolzene Silizium oder die Legierung, welches mit Verunreinigungen in dem geschmolzenem Silizium oder der Legierung reagiert, um sie hieraus zu entfernen; Leiten eines reaktiven Gases durch das geschmolzene Silizium oder die Legierung, um eine gute Durchmischung hiervon zu erreichen; Einbringen von Legierungskomponenten, insbesondere Kupfer in das geschmolzene Silizium, um eine Legierung zu erhalten.Advantageously, prior to introduction into the process chamber, the molten silicon or alloy is subjected to at least one of the following treatment steps: maintaining the molten silicon or alloy in an oxygen, air and / or N 2 gas atmosphere or passing such gas through the molten silicon, in particular to remove carbon from the molten silicon or alloy; Introducing silicate as a slag former or other slag-forming material into the molten silicon or alloy; Holding the molten silicon or alloy in vacuum, in particular to remove phosphorus from the molten silicon or alloy; Passing a reactive gas through the molten silicon or alloy which reacts with impurities in the molten silicon or alloy to remove them therefrom; Passing a reactive gas through the molten silicon or alloy to achieve a thorough intermixing thereof; Introducing alloy components, especially copper, into the molten silicon to obtain an alloy.
Hierdurch lässt sich die Zusammensetzung der Partikel verbessern. Insbesondere können durch die Verfahren unerwünschte Verunreinigungen wenigstens teilweise entfernt werden und/oder eine gewünschte Legierung in situ erzeugen.This can improve the composition of the particles. In particular, the processes can at least partially remove unwanted impurities and / or produce a desired alloy in situ.
Bei einer Ausführungsform wird innerhalb der Prozesskammer eine wenigstens teilweise nach oben gerichtete, eine kreisförmiger und/oder eine spiralförmige Gasströmung erzeugt. Hierdurch kann die freie Fallzeit in der Prozesskammer verlängert werden, was unter anderem den Einsatz einer Prozesskammer mit geringerer Höhe ermöglicht. Über die Fallzeit kann aber auch gegebenenfalls die Struktur der Partikel Kristalin/Amorph beeinflusst werden.In one embodiment, an at least partially upwardly directed, circular and / or helical gas flow is created within the process chamber. As a result, the free fall time can be extended in the process chamber, which among other things allows the use of a process chamber with a lower height. However, the structure of the particles crystallin / amorphous may also be influenced over the fall time.
Vorzugsweise ist die Gasströmung zum Zerstäuben des geschmolzenen Siliziums oder der Legierung eine Überschallgasströmung, um eine ausreichend feine Zerstäubung erreichen zu können. Die Zerstäubung kann dadurch unterstützt werden, dass das geschmolzene Silizium oder die Legierung vor dem Zerstäuben mit Ultra- oder Megaschall beaufschlagt wird.Preferably, the gas flow for atomizing the molten silicon or alloy is a supersonic gas flow to achieve sufficiently fine atomization. The sputtering can be assisted by applying ultrasound or megasonic to the molten silicon or alloy prior to sputtering.
Um Ressourcen zu schonen kann Gas aus der Prozesskammer abgesaugt, gereinigt und wenigstens teilweise für die Zerstäubung des geschmolzenen Siliziums oder der Legierung in die Prozesskammer rezirkuliert werden. Dabei kann die Reinigung eine Destillation und/oder chemische Absorption aufweisen, um im Gas befindliche Verunreinigungen zu entfernen. Dies gilt insbesondere beim Einsatz eines reaktiven Gases. Eine Absaugung von Gas kann auch zum Einstellen des Drucks in der Kammer eingesetzt werden. Bei der Absaugung werden in der Regel auch kleine Siliziumpartikel mit dem Gasstrom abgesaugt, die über einen Feinstaubabscheider aus dem Gasstrom getrennt werden können. Diese Partikel besitzen in der Regel einen kleineren mittleren Durchmesser als die, die sich am Boden der Prozesskammer sammeln. Diese Partikel könnten dem geschmolzenen Silizium zugeführt werden, um sie zu recyceln. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Partikel aber auch bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise zwischen 900 und 1350°C mit SiCl4 reagiert werden, um SiCl2 zu erzeugen. Bei dieser Reaktion würde sich eine Schicht aus amorphem Silizium auf der Oberfläche des Siliziums abscheiden, was für eine nachfolgende TCS-Synthese von Vorteil wäre. Diese SiCl2 Partikel könnten dann den am Boden der Prozesskammer gesammelten sphärischen Siliziumpartikeln zugeführt und mit ihnen vermischt werden.To conserve resources, gas may be extracted from the process chamber, cleaned, and at least partially recirculated into the process chamber for atomization of the molten silicon or alloy. In this case, the purification may have a distillation and / or chemical absorption in order to remove impurities present in the gas. This is especially true when using a reactive gas. Extraction of gas can also be used to adjust the pressure in the chamber. In the extraction, small silicon particles are usually sucked with the gas stream, which can be separated from the gas stream via a Feinstaubabscheider. These particles are typically smaller in average diameter than those collected at the bottom of the process chamber. These particles could be added to the molten silicon to recycle. However, in one embodiment of the invention, the particles may also be reacted with SiCl 4 at an elevated temperature of, for example, between 900 and 1350 ° C to produce SiCl 2 . In this reaction, a layer of amorphous silicon would deposit on the surface of the silicon, which would be beneficial for subsequent TCS synthesis. These SiCl 2 particles could then be fed to and mixed with the spherical silicon particles collected at the bottom of the process chamber.
Vorzugsweise werden die Prozessbedingungen so eingestellt, dass wenigstens ein überwiegender Teil der Partikel im Zentrum eine kristalline Struktur mit einer amorphen Oberflächenschicht erhält, wobei die amorphe Oberflächenschicht vorzugsweise auf eine Tiefe von 10 μm begrenzt ist. Preferably, the process conditions are adjusted so that at least a majority of the particles in the center receive a crystalline structure with an amorphous surface layer, wherein the amorphous surface layer is preferably limited to a depth of 10 μm.
Um die Zerstäubung zu Steuern kann das geschmolzene Silizium oder die Legierung beispielsweise über eine Düse mit einer Induktionsspule eingeleitet werden, die eine Strömung des geschmolzenen Siliziums oder der Legierung über die Induktionsspule räumlich begrenzt. Hierdurch kann insbesondere die Dicke der Strömung eingestellt werden, was einen Einfluss auf die Zerstäubung und somit die Partikelgröße besitzt.For example, to control atomization, the molten silicon or alloy may be introduced via a nozzle having an induction coil that confines a flow of the molten silicon or alloy across the induction coil. In this way, in particular, the thickness of the flow can be adjusted, which has an influence on the atomization and thus the particle size.
Die Partikel können nach dem Verfestigen einem Unterdruck und/oder einem reaktiven Gas, das mit Verunreinigungen in dem geschmolzenen Silizium reagiert, um diese aus dem geschmolzenen Silizium zu entfernen, ausgesetzt werden. Hierdurch können die Partikel weiter gereinigt werden. Insbesondere könnte über den Unterdruck Phosphor aus den Partikeln gezogen werden, wobei die kleine Größe der Partikel hierbei hilfreich ist. Die kleinen sphärischen Partikel bieten einem reaktiven Gas eine große Angriffsfläche. Insbesondere können die Partikel einem Unterdruck von < 10–3 mbar, insbesondere < 10–4 mbar ausgesetzt werden, um Phosphor herauszuziehen.The particles, after solidification, may be exposed to a vacuum and / or a reactive gas that reacts with impurities in the molten silicon to remove them from the molten silicon. This allows the particles to be further purified. In particular, phosphorus could be drawn out of the particles via the negative pressure, the small size of the particles being helpful in this case. The small spherical particles provide a reactive gas with a large attack surface. In particular, the particles can be exposed to a reduced pressure of <10 -3 mbar, in particular <10 -4 mbar, in order to extract phosphorus.
Eine erhöhte Temperatur ist hierbei hilfreich um die Ausdiffusion zu fördern. Vorteilhaft könnten die Partikel abwechselnd dem Unterdruck und einem reaktiven Gas mit einem höheren Druck als dem Unterdruck ausgesetzt werden. Bei einer Ausführungsform werden die Partikel Außerhalb der Prozesskammer oder in einem Haltebereich der Prozesskammer, der zuvor gegenüber dem Rest der Prozesskammer isoliert wurde, dem Unterdruck und/oder der reaktiven Gasatmosphäre ausgesetzt.An elevated temperature is helpful here to promote the outdiffusion. Advantageously, the particles could be exposed alternately to the negative pressure and a reactive gas having a higher pressure than the negative pressure. In one embodiment, the particles are exposed outside the process chamber or in a holding region of the process chamber that has been previously isolated from the rest of the process chamber, the negative pressure and / or the reactive gas atmosphere.
Die Erfindung betrifft auch Partikel aus metallurgischem Silizium, die mittels Gaszerstäubung hergestellt sind und eine im Wesentlichen sphärische Form mit einer mittleren Partikelgröße von 20 μm bis 425 μm besitzen. Solche Partikel besitzen die schon oben genannten Vorteile. Vorzugsweise besitzen die Partikel einen Kupferanteil zwischen 0,01 bis 2 Gew.-%, wobei Kupfer insbesondere als Katalysator für eine TCS Synthese dienen kann.The invention also relates to particles of metallurgical silicon, which are produced by gas atomization and have a substantially spherical shape with an average particle size of 20 microns to 425 microns. Such particles have the advantages already mentioned above. Preferably, the particles have a copper content between 0.01 to 2 wt .-%, wherein copper can serve in particular as a catalyst for a TCS synthesis.
Bei einer Ausführungsform besitzen die Partikel im Zentrum eine kristalline Struktur mit einer amorphen Oberflächenschicht, wobei die amorphe Oberflächenschicht vorzugsweise auf eine Tiefe von 10 μm begrenzt ist. Insbesondere die amorphe Siliziumstruktur besitzt eine hohe Anzahl nicht abgesättigter Bindungsstellen oder auch dangling bonds, die mit Kupfer Atomen in Verbindung stehen können um Ansatzpunkte für katalytische Reaktionen insbesondere bei der TCS Synthese zu bilden. Dadurch, dass die amorphe Oberflächenschicht hinsichtlich der Dicke reduziert ist, kann sich der vorgenannte Effekt insbesondere an der Oberfläche ausbilden. Die nicht abgesättigten Bindungsstellen oder auch dangling bonds können aber auch frei sein und allein dadurch eine hoch aktivierte Oberfläche für einen weiteren Prozess insbesondere eine TCS Synthese vorsehen. Die Partikel können aber auch eine im Wesentlichen reine kristalline oder amorphe Struktur besitzen.In one embodiment, the particles in the center have a crystalline structure with an amorphous surface layer, the amorphous surface layer being preferably limited to a depth of 10 μm. In particular, the amorphous silicon structure has a high number of non-saturated binding sites or dangling bonds, which can be associated with copper atoms in order to form starting points for catalytic reactions, especially in TCS synthesis. Due to the fact that the amorphous surface layer is reduced in thickness, the aforementioned effect can be formed especially on the surface. However, the non-saturated binding sites or even dangling bonds can also be free and alone provide a highly activated surface for a further process, in particular a TCS synthesis. However, the particles may also have a substantially pure crystalline or amorphous structure.
Für eine nachfolgende TCS Synthese weisen die Partikel vorzugsweise die folgende Zusammensetzung auf: wenigstens 98 Gew.-% Silizium, 0,01 bis 2 Gew.-% Kupfer, nicht mehr als 1,0 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 0,3 Gew.-% Aluminium, nicht mehr als. 0,02 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,005 Gew.-% Kalzium, andere metallische Verunreinigungen von weniger als 0,5 Gew.-%, Kohlenstoff in einer Konzentration von < 400 ppm., vorzugsweise < 50 ppm., Bohr in einer Konzentration von max. 15 ppm., und Phosphor in einer Konzentration von max. 15 ppm. vorzugsweise < 5 ppm.For a subsequent TCS synthesis, the particles preferably have the following composition: at least 98% by weight of silicon, 0.01 to 2% by weight of copper, not more than 1.0% by weight, preferably not more than 0, 3% by weight of aluminum, not more than. 0.02% by weight, preferably less than 0.005% by weight of calcium, other metallic impurities of less than 0.5% by weight, carbon in a concentration of <400 ppm, preferably <50 ppm., Bohr in a concentration of max. 15 ppm., And phosphorus in a concentration of max. 15 ppm. preferably <5 ppm.
Die geringen Mengen an Phosphor und Bor verringern den Abgasstrom bei Polysiliziumprozessen. Der geringe Kohlenstoffanteil verhindert die Bildung von schädlichem CCl4 bei nachfolgenden Prozessen, insbesondere einer TCS Synthese.The small amounts of phosphorus and boron reduce the exhaust gas flow in polysilicon processes. The low carbon content prevents the formation of harmful CCl 4 in subsequent processes, in particular a TCS synthesis.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten relativen Begriffe, wie zum Beispiel links, rechts, über und unter beziehen sich auf die Zeichnungen und sollen die Anmeldung in keiner Weise einschränken, auch wenn sie sich auf bevorzugte Anordnungen beziehen können.The relative terms used in the following description, such as left, right, over and under, refer to the drawings and are not intended to limit the application in any way, even though they may refer to preferred arrangements.
Die Schmelzeinheit
Das Gehäuse
Die Schmelztiegeleinheit
Der Schmelztiegel
Das Leitungselement
Die Heizeinheit
Im Bereich des Schmelztiegels kann optional eine nicht dargestellte Einheit zum Einleiten von Legierungskomponenten, insbesondere Kupfer vorgesehen sein. Ferner kann eine nicht dargestellte Gaszuleitung vorgesehen sein, die das Einleiten eines Gases in den Schmelztiegel zulässt, um beispielsweise eine gute Durchmischung des Inhalts des Schmelztiegels insbesondere von Legierungskomponenten vorzusehen. Darüber hinaus kann das eingeleitete Gas auch ein reaktives Gas sein, um hierüber Verunreinigungen aus der Siliziumschmelze zu entfernen.In the region of the crucible may optionally be provided a unit, not shown, for introducing alloy components, in particular copper. Furthermore, a gas supply, not shown, may be provided, which allows the introduction of a gas into the crucible, for example, to provide a good mixing of the contents of the crucible, in particular alloy components. In addition, the introduced gas may also be a reactive gas to remove impurities from the silicon melt.
Die Prozesskammereinheit
Die Seitenwand
In der Seitenwand
Am unteren Ende der umlaufenden Seitenwand
Der Auffangbehälter
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann wenigstens eine Heiz-/Kühleinheit vorgesehen sein, um die Prozesskammer auf eine vorgegebene Temperatur zu temperieren.Although not shown, at least one heating / cooling unit may be provided to temper the process chamber to a predetermined temperature.
Die Gas-Zirkulationseinheit
Der Feinstaubabscheider
Die erste Pumpe
In der Gasaufbereitungseinheit
Obwohl dies nicht näher dargestellt ist, kann die Gasaufbereitungseinheit
Die Gasaufbereitungseinheit
Die erste Einlasseinheit
Ausgehend von der Ringleitung
Der schräge Abschnitt der Auslassleitung
Optional kann in dem Gehäuse
Die Gasaufbereitungseinheit
Die Ringleitung
Nachfolgend wird der Betrieb der Vorrichtung
Zunächst befindet sich die Vorrichtung
Wenn geschmolzenes Silizium an dem Leitungselement
Durch das Leitungselement
Über die Pumpe
Wenn die Schmelze komplett oder auch nur teilweise in der obigen Weise in die Prozesskammer eingeleitet wurde, kann der Prozess beendet werden, und im Auffangbehälter
Optional kann während wenigstens eines Teilabschnitts des obigen Prozesses auch ein Gas durch die Schmelze im Schmelztiegel geleitet werden, um schon dort eine teilweise Reinigung vorzusehen. Diese kann gegebenenfalls durch Erzeugen eines Unterdrucks im Gehäuse
Vorzugsweise kann der Betrieb auch kontinuierlich sein, beispielsweise durch fortlaufendes Befüllen der Schmelzeinheit
Der oben beschriebene Prozess sieht somit eine Möglichkeit vor im Wesentlichen sphärische Partikel aus metallurgischem Silizium mit einem vorbestimmten Durchmesser vorzusehen, die gute Eigenschaften für nachfolgende Prozesse, insbesondere eine TCS-Synthese aufweisen.The process described above thus provides a possibility of providing substantially spherical particles of metallurgical silicon having a predetermined diameter, which have good properties for subsequent processes, in particular a TCS synthesis.
Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformung der Erfindung näher erläutert, ohne auf diese konkrete Ausführungsform beschränkt zu sein. Insbesondere ist die zweite Gas-Einlasseinheit
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