DE102014007354B4 - Process for processing residues from the mechanical treatment of silicon products - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Aufbereiten von Rückständen aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten für eine nachfolgende Silan Synthese, wobei die Rückstände wenigstens Silizium, Kohlenstoff enthaltende Partikel und metallische Bestandteile aufweisen, mit folgenden Schritten:Kontaktieren der Rückstände mit einer Ätzflüssigkeit, die metallische Bestandteile auflöst nicht aber Silizium oder die Kohlenstoff enthaltenden Partikel;wenigstens teilweises Trennen der Ätzflüssigkeit mit darin gelösten Metallen von ungelösten Partikeln aus wenigstens Silizium und Kohlenstoff enthaltenden Partikeln;wenigstens teilweises Trennen von Silizium Partikeln und Kohlenstoff enthaltende Partikeln unter Verwendung einer Schwerflüssigkeit mit ZnBrin Wasser und/oder Alkohol;wenigstens teilweises Entfernen von Oxiden von der Oberfläche der Silizium Partikel;Schmelzen der Siliziumpartikel;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.A method for treating residues from the mechanical processing of silicon products for a subsequent silane synthesis, the residues comprising at least silicon, carbon-containing particles and metallic constituents, comprising the steps of: contacting the residues with an etching liquid which dissolves metallic constituents but not silicon or at least partially separating the etching liquid with metals dissolved therein from undissolved particles of at least silicon and carbon-containing particles; at least partially separating particles containing silicon and carbon using a heavy liquid with ZnBrin water and / or alcohol; at least partially removing of oxides from the surface of the silicon particles; melting the silicon particles; introducing the molten silicon into a process chamber, wherein the molten silicon is injected upon introduction i n the process chamber is atomized by a gas flow, and then falls to the bottom of the process chamber or a collecting container attached thereto, wherein the process conditions in the process chamber, in particular the gas flow for atomizing the silicon are adjusted so that the atomized silicon during the free fall at least partially solidified.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbereiten von Rückständen aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten, insbesondere für eine nachfolgende Silansynthese, wobei die Rückstände wenigstens Silizium, Kohlenstoff enthaltende Partikel, wie zum Beispiel Siliziumcarbid und/oder Diamant, und metallische Bestandteile aufweisen. Der Begriff der Silansynthese, wie er hier verwendet wird, soll die unterschiedlichsten Synthesen umfassen, insbesondere zu Methylsilan, Monosilan, Chlorsilan, Methylchlorsilan.The present invention relates to a method for processing residues from the mechanical processing of silicon products, in particular for a subsequent silane synthesis, wherein the residues comprise at least silicon, carbon-containing particles, such as silicon carbide and / or diamond, and metallic constituents. The term silane synthesis as used herein is intended to encompass a wide variety of syntheses, in particular to methyl silane, monosilane, chlorosilane, methylchlorosilane.
Für die Herstellung von Halbleiterbauelementen und Solarzellen wird heute in großem Volumen (über 200000 t/Jahr) Silizium als Basismaterial verwendet. Das Silizium wird zunächst aus Quarz gewonnen und in einem carbothermischen Schmelzverfahren zu sogenanntem metallurgischem Silizium (mg-Si) weiterverarbeitet. Die dabei aus der Schmelze gewonnenen Siliziumblöcke werden zu kleinen Partikeln gemahlen und dienen als Ausgangsmaterial für den nächsten Schritt, die Herstellung von Polysilizium. Diese Herstellung kann zum Beispiel eine Silan Synthese mit einer anschließenden Zersetzung in hochreines Silizium aufweisen, wie zum Beispiel beim Siemens-Verfahren. Hierbei wird für die Herstellung von Polysilizium aus metallurgischem Silizium eine Reaktion des Silizium mit Chlorwasserstoff zur Bildung von Trichlorsilan sowie anderen Produkten bewirkt. Das Trichlorsilan wird nach einer Destillation und Trennung von den anderen Produkten an beheizten Reinstsiliziumstäben in Silizium und andere Produkte zersetzt, wobei sich das Silizium an den Reinstsiliziumstäben niederschlägt. Obwohl hier die Trichlorsilansynthese genannt ist, ist die Herstellung von Polysilizium auch auf anderem Wege bekannt, welche eine andere Form der Silansynthese einsetzen.For the production of semiconductor devices and solar cells, silicon is currently used as a base material in large volumes (over 200,000 t / year). The silicon is first obtained from quartz and further processed in a carbothermic melting process to form so-called metallurgical silicon (mg-Si). The silicon blocks obtained from the melt are ground to small particles and serve as starting material for the next step, the production of polysilicon. This preparation may, for example, have a silane synthesis followed by decomposition into high purity silicon, such as the Siemens process. In this case, a reaction of the silicon with hydrogen chloride to form trichlorosilane and other products is effected for the production of polysilicon from metallurgical silicon. The trichlorosilane is decomposed into silicon and other products after distillation and separation from the other products on heated ultra-pure silicon rods, with the silicon precipitating on the high-purity silicon rods. Although trichlorosilane synthesis is mentioned here, the production of polysilicon is also known in other ways, which use a different form of silane synthesis.
Während mg-Si metallische und sonstige Verunreinigungen im Bereich von ca. 1% bis 2% enthält, lassen sich bei der Herstellung von Polysilizium Reinheitsgrade von 6N bis 10N erreichen. Diese hohen Reinheitsgrade sind die Grundlage für den Einsatz des Grundstoffs Silizium als Halbleiter für Anwendungen in der Halbleiterindustrie und in der Photovoltaik. Auf der Basis dieser Reinheit können die elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials Silizium durch gezielte Zugabe von sogenannten Dotierstoffen in äußerst kleinen Mengen sehr kontrolliert verändert werden, was dann erst die Herstellung von elektronischen Bauelementen wie Halbleiterchips und Solarzellen ermöglicht.While mg-Si contains metallic and other impurities in the range of about 1% to 2%, purity levels of 6N to 10N can be achieved in the production of polysilicon. These high levels of purity are the basis for the use of the basic silicon as semiconductor for applications in the semiconductor industry and in photovoltaics. On the basis of this purity, the electrical properties of the semiconductor material silicon can be changed very controlled by the targeted addition of so-called dopants in extremely small amounts, which then enables the production of electronic components such as semiconductor chips and solar cells.
In einer industriellen Fertigung solcher Bauelemente sind den eigentlichen Halbleiter-Prozessierungsschritten allerdings noch folgende Verfahrensschritte vorgeschaltet: Das hochreine Polysilizium wird zunächst wieder aufgeschmolzen und zu sogenannten Ingots weiterverarbeitet. Im sog. Multi-Verfahren wird dabei Polysilizium in einem Tiegel aufgeschmolzen und als einen quaderförmigen Block (Multi-Ingot) durch Abkühlung kristallisiert. Dieses Verfahren wird in der Photovoltaik eingesetzt. Im sogenannten Mono-Verfahren werden Einkristalle aus einer Schmelze gezogen. Dieses Verfahren liefert ein hochqualitativeres Material und wird sowohl in der Halbleiterindustrie als auch in der Photovoltaik angewendet. In beiden Fällen werden durch das Abtrennen von Randstücken dann sogenannte Bricks hergestellt, aus denen dann Siliziumscheiben mit einer Dicke von 180 - 210 µm (in der Photovoltaik) und 650-750 µm (bei der Halbleiterindustrie) gefertigt werden. Die Erfindung bezieht sich auf die Siliziummaterial-Verluste, die beim Herstellen dieser Siliziumscheiben, zum Beispiel durch Sägen der Bricks, entstehen. Eine Wiederverwendung ist wirtschaftlich äußerst interessant, da jährlich sehr große Mengen (über 70000 t/Jahr) an hochreinem Material in diesem Verfahrensschritt verlorengehen. Bisher beschriebene Verfahren sind meist in einem industriellen Fertigungsmaßstab nicht praktisch umsetzbar oder nicht wirtschaftlich anwendbar und werden deswegen in der Praxis nicht eingesetzt.In an industrial production of such components, the actual semiconductor processing steps, however, are preceded by the following process steps: The high-purity polysilicon is first melted again and further processed to form so-called ingots. In the so-called multi-process polysilicon is melted in a crucible and crystallized as a block-shaped block (multi-ingot) by cooling. This process is used in photovoltaics. In the so-called mono-process single crystals are pulled from a melt. This process provides a higher quality material and is used in both the semiconductor and photovoltaic industries. In both cases, the removal of edge pieces then produces so-called bricks, from which silicon wafers with a thickness of 180-210 μm (in photovoltaics) and 650-750 μm (in the semiconductor industry) are produced. The invention relates to the silicon material losses incurred in making these silicon wafers, for example by sawing the bricks. Reuse is economically very interesting, since annually very large quantities (over 70,000 t / year) are lost to high-purity material in this process step. Previously described methods are usually not practicable or economically viable in an industrial production scale and are therefore not used in practice.
Ein wichtiger Schlüsselprozess bei der Herstellung der Siliziumscheiben für die Halbleiterindustrie und die Photovoltaik ist das Drahtsägen, welches vorgenannte Bricks als Ausgangsmaterial nutzt. Beim Drahtsägeverfahren wird dabei zum überwiegenden Teil mit Metalldrähten und einer Siliziumkarbid-Suspension (Slurry), typischerweise basierend auf Siliziumkarbid (eg. SiC F600) und Polyethylenglykol (PEG200), gesägt. Hierbei wird insbesondere beim Herstellen von Siliziumscheiben in der Photovoltaik ein sehr hoher Prozentsatz (bis zu 45%) des hochreinen Siliziummaterials mechanisch erodiert und findet sich nachfolgend in der gebrauchten Sägesuspension wieder. Für die Rückgewinnung von Siliziumkarbid originärer Körnung und der Flüssigkeit (PEG) sind heute bereits unterschiedliche technische Verfahren im Einsatz, welche sich hauptsächlich auf eine Aufbreitung der Slurry beziehen.An important key process in the production of silicon wafers for the semiconductor industry and photovoltaics is wire sawing, which uses the aforementioned bricks as the starting material. In the case of the wire sawing process, the majority of these are sawn with metal wires and a silicon carbide suspension (slurry), typically based on silicon carbide (eg SiC F600) and polyethylene glycol (PEG200). Here, in particular when producing silicon wafers in photovoltaics, a very high percentage (up to 45%) of the high-purity silicon material is mechanically eroded and is subsequently found again in the used sawing suspension. For the recovery of silicon carbide of original grain size and the liquid (PEG), different technical processes are already in use today, which mainly relate to a spreading of the slurry.
Es bleibt eine wenigstens teilentwässerte Mischung aus Silizium und Siliziumkarbid mit weiteren Verunreinigungen, insbesondere metallischen Verunreinigungen, zurück, die üblicherweise nicht mehr in der Halbleiterindustrie oder der Photovoltaik Verwendung findet. Eine solche Mischung wird im Folgenden als „Rückstand aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten“ bezeichnet und stellt ein konkretes mögliches Ausgangsmaterial für das nachfolgend beschriebene Verfahren dar. Neben den Rückständen aus Sägeprozessen entstehen weiterhin noch andere siliziumhaltige Rückstände aus anderen Schleif- und Schneide-Prozessen innerhalb der Halbleiterindustrie, wie auch in der kristallinen Photovoltaik. Diese Rückstände sind je nach Ihrer Herkunft unterschiedlich stark mit verschiedenen Verunreinigungen kontaminiert. Um sie wiederverwenden zu können, müssen diese Verunreinigungen auf ein von der Weiterverwendung abhängiges Maß verringert werden. Auch diese Schleif- und Schneiderückstände können als ein Rückstand aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten bezeichnet werden, der als Ausgangsmaterial für das beschriebene Verfahren dienen kann. Durch die Entfernung einer Flüssigphase aus gebrauchten Schneid- bzw. Kühlflüssigkeiten entstehen auch beim Diamantdrahtsägen vergleichbare Mischungen. Die in diesem Abschnitt erläuterten Rückstände werden im Folgenden zusammenfassend als „Rückstände aus der mechanischen Silizium-Bearbeitung“ bezeichnet und ihnen ist gemeinsam, dass sie Silizium, Kohlenstoff enthaltende Partikel, wie zum Beispiel Siliziumcarbid und/oder Diamant, und metallische Bestandteile aufweisen.It remains an at least partially dewatered mixture of silicon and silicon carbide with other impurities, especially metallic impurities, back, which is usually no longer used in the semiconductor industry or photovoltaic use. Such a mixture is hereinafter referred to as "residue from the mechanical processing of silicon products" and represents a concrete possible starting material for the method described below. In addition to the residues from sawing still arise other silicon-containing residues from other grinding and cutting processes within the semiconductor industry, as well as in the crystalline Photovoltaics. Depending on their origin, these residues are contaminated to different degrees with varying degrees of contamination. In order to be able to reuse them, these impurities must be reduced to a degree that depends on the re-use. These grinding and cutting residues can also be referred to as a residue from the mechanical processing of silicon products, which can serve as starting material for the process described. The removal of a liquid phase from used cutting or cooling liquids also produces comparable mixtures in diamond wire sawing. The residues discussed in this section are collectively referred to herein as "mechanical silicon machining residues" and have in common that they contain silicon carbonaceous particles, such as silicon carbide and / or diamond, and metallic constituents.
Ein solcher Rückstand enthält, wenn er zum Beispiel dem Slurry-Sägen entstammt, typischerweise 25-35% Restfeuchte, 20-30% SiC, 34-50% Silizium, 8-12% Eisen, 1-3% Kohlenstoff (vorwiegend als PEG), 10-15% SiO2. Daneben können noch Kupfer und Zink, sowie Diamant, das als Abrasiv genutzt wurde und Nickel, das häufig zur Bindung der Diamanten dient, enthalten sein. Die Partikelgröße liegt für gewöhnlich bei 0-5µm, wobei insbesondere aber auch größere SiC Partikel bis 15µm vorkommen.Such residue, for example, when derived from slurry sawing, typically contains 25-35% residual moisture, 20-30% SiC, 34-50% silicon, 8-12% iron, 1-3% carbon (predominantly PEG). , 10-15% SiO 2 . In addition, copper and zinc, as well as diamond, which was used as abrasive and nickel, which often serves to bond the diamonds may be included. The particle size is usually 0-5μm, but in particular larger SiC particles up to 15μm occur.
In der Patentliteratur sind einige Ansätze zur Wiederverwendung von Silizium, meist aus gebrauchter Sägesuspension, beschrieben. In der
Ein weiteres Verfahren, welches sich auf eine Aufarbeitung einer gebrauchten Sägesuspension bezieht, ist in der
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J Air Waste Manag Assoc. 2013 May; 63(5):521-7. Tsai TH, Shih YP, Wu YF - 2)
Yen-Chih Lin, Teng-Yu Wang, Chung-Wen Lan, Clifford Y. Tai, Recovery of silicon powder from kerf loss slurry by centrifugation, Powder Technology 200 (2010) 216-223 - 3)
US 2010 02 84 885 A1 - 4) Final Report on EC Project, RE-Si- CLE, „Recycling of Silicon Waste from PV Production Cycle“, Project funded by the European Community under the „Competitive and Sustainable Growth Programme“, 2002 to 2004, Project No. NNE5-2001-00175: In dem Bericht wurde darauf hingewiesen, dass bei der Aufbereitung von Siliziumrückständen zwar Fortschritte bei der Reduzierung von Eisen unter <0,1% gemacht wurden, aber eine Abtrennung von insbesondere kleinen SiC Partikeln mit einer Größe von <1um noch nicht gelöst ist.
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J Air Waste Manag Assoc. 2013 May; 63 (5): 521-7. Tsai TH, Shih YP, Wu YF - 2)
Yen-Chih Lin, Teng-Yu Wang, Chung-Wen Lan, Clifford Y. Tai, Recovery of silicon powder from slurry slurry, Powder Technology 200 (2010) 216-223 - 3)
US 2010 02 84 885 A1 - 4) Final Report on EC Project, RE-SICLE, "Recycling of Silicon Waste from PV Production Cycle", Project funded by the European Community under the "Competitive and Sustainable Growth Program", 2002 to 2004, Project no. NNE5-2001-00175: The report noted that, while the processing of silicon residues made progress in reducing iron below <0.1%, separation of small SiC particles as small as <1 μm still occurred is not solved.
Eine Aufbereitung von Sägerückständen für ein direktes Siliziumrecycling für einen Ingoting Prozess konnte sich daher bisher nicht durchsetzen. Bisher werden solche wie im Patent
Die Patentanmeldungen
Ein weiteres Problem, dass sich bei der Aufbereitung von Sägerückständen ergibt, aber nicht von allen Veröffentlichungen hierzu aufgegriffen wird ist, ist die Oxidbildung bei Siliziumstäuben, welche eine sinnvolle weitere Verwendung verhindern kann. Das am meisten verbreitete Verfahren zur Oxidentfernung ist eine Ätzung der Siliziumstäube mit Flusssäure (HF). Die ist beispielsweise auch in der
Ferner ist auf die
Ferner zeigt die
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzusehen, die wenigstens eines der oben genannten Probleme überwindet. Insbesondere soll ein effizientes Recycling von Silizium aus Rückständen der mechanischen Silizium-Bearbeitung vorgesehen werden. Alternativ oder auch zusätzlich sollen auch umweltschädliche Abfallprodukte bei einer Oxidentfernung von Siliziumoberflächen reduziert oder verhindert werden.The present invention is therefore based on the object of providing a method and a device which overcomes at least one of the above-mentioned problems. In particular, an efficient recycling of silicon from residues of mechanical silicon processing should be provided. Alternatively or additionally, even environmentally harmful waste products should be reduced or prevented in an oxide removal of silicon surfaces.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufbereiten von Rückständen aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich unter Anderem aus den Unteransprüchen.According to the invention the above object is achieved by a method for processing residues from the mechanical processing of silicon products according to
Bei einem Verfahren zum Aufbereiten von Rückständen aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten für eine nachfolgende Silan Synthese, enthalten die Rückstände wenigstens Silizium, Kohlenstoff enthaltende Partikel und metallische Bestandteile und es sind die folgenden Schritte vorgesehen: Kontaktieren der Rückstände mit einer Ätzflüssigkeit, die metallische Bestandteile auflöst nicht aber Silizium oder die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wenigstens teilweises Trennen der Ätzflüssigkeit mit darin gelösten Metallen von ungelösten Partikeln aus wenigstens Silizium und Kohlenstoff enthaltenden Partikeln, wenigstens teilweises Trennen von Silizium Partikeln und Kohlenstoff enthaltende Partikeln, wenigstens teilweises Entfernen von Oxiden von der Oberfläche der Silizium Partikel, Schmelzen der Siliziumpartikel, 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. Für das wenigstens teilweise Trennen von Silizium Partikeln und Kohlenstoff enthaltende Partikeln wird eine Schwerflüssigkeit mit ZnBr2 in Wasser und/oder Alkohol eingesetzt. Diese ermöglicht zum Beispiel eine Sink-Schwimm Trennung mit guter Trennung der Partikel bei Einsatz eine Schwerflüssigkeit die weniger Umweltschädlich ist als die üblich verwendeten.In a method for processing residues from the mechanical working of silicon products for a subsequent silane synthesis, the residues contain at least silicon, carbon-containing particles and metallic constituents and the following steps are provided: contacting the residues with an etching liquid which dissolves metallic constituents but not silicon or the carbon-containing particles, at least partially separating the etchant with dissolved metals from undissolved particles of at least silicon and carbon-containing particles, at least partially separating silicon particles and carbon-containing particles, at least partially removing oxides from the surface of the silicon Particles, melting the silicon particles, introducing the molten silicon into a process chamber, wherein the molten silicon when introducing into the process chamber via a gas flow ze is then dusted, and then falls to the bottom of the process chamber or a collecting container attached thereto, wherein the process conditions in the process chamber, in particular the gas flow for atomizing the silicon are adjusted so that the atomized silicon at least partially solidified during the free fall. For the at least partial separation of silicon particles and carbon-containing particles, a heavy liquid with ZnBr 2 in water and / or alcohol is used. This allows, for example, a sink-float separation with good separation of the particles when using a heavy liquid that is less harmful to the environment than the commonly used.
Ein solches Verfahren sieht insgesamt ein industriell einsetzbares Verfahren vor, welches Silizium aus den Rückständen aus der mechanischen Silizium-Bearbeitung heraustrennt und in eine geeignete Form für eine Silansynthese bringt. Insbesondere ist ohne übermäßigen Einsatz möglich die hierfür erforderliche Reinheit des Siliziums zu gewährleisten, welche es ermöglicht, den Rohstoff Silizium wieder in die Wertschöpfungskette der Produktion zurückzuführen, wobei gleichzeitig in geeigneter Weise für eine Silansynthese handhabbare Siliziumkügelchen geformt werden.All in all, such a method provides an industrially usable method which separates silicon from the residues from mechanical silicon processing and brings it into a suitable form for silane synthesis. In particular, it is possible to ensure the necessary purity of the silicon without excessive use, which makes it possible to return the raw material silicon back into the value-added chain of production, at the same time being formed in a suitable manner for silane synthesis manageable silicon spheres.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden bei die Entfernung von Oxiden von der Oberfläche der Siliziumpartikel die Siliziumpartikel im Unterdruck auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Siliziumpartikel auf wenigstens 800°C, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 1000 bis 1100°C erwärmt, wobei der Unterdruck und die Temperatur so abgestimmt sind, dass Siliziumoxide von den Siliziumpartikeln sublimieren und abgeleitet werden können. Hierdurch wird eine Chemiefreie Oxidentfernung ermöglicht. Die Ableitung kann automatisch über eine angeschlossene Vakuumpumpe erfolgen, die bevorzugt auf einen Druck kleiner als der Dampfdruck von Siliziumoxid bei der Temperatur eingestellt ist. Da die so gereinigten Partikel gleich dem Aufschmelzen zugeführt werden können, ist das Verfahren auch energetisch günstig. Bevorzugt sollte die Überführung von der Oxidentfernung zur Schmelze so ausgeführt sein, dass eine maximale Abkühlung von 100°C zwischen der Oxidentfernung und dem Zuführen zum Schmelzvorgang auftritt.In a preferred embodiment, the removal of oxides from the Surface of the silicon particles, the silicon particles in the vacuum to a temperature below the melting point of the silicon particles to at least 800 ° C, in particular heated to a temperature in the range of 1000 to 1100 ° C, wherein the negative pressure and the temperature are adjusted so that silicon oxides of the silicon particles sublimate and can be derived. This allows a chemical-free oxide removal. The discharge can be carried out automatically via a connected vacuum pump, which is preferably set to a pressure less than the vapor pressure of silicon oxide at the temperature. Since the particles thus cleaned can be fed to the same melting, the process is also energetically favorable. Preferably, the transfer from the oxide removal to the melt should be carried out so that a maximum cooling of 100 ° C occurs between the oxide removal and the feeding to the melting process.
Bevorzugt ist eine mehrstufige Erwärmung mit abnehmendem Druck vorgesehen, wodurch zunächst eine Entfernung der Restfeuchte und anschließend eine Oxidentfernung ermöglicht werden. Durch getrennte Absaugungen bei den unterschiedlichen Temperaturbereichen ist eine Trennung der entfernten Stoffe möglich.Preference is given to a multi-stage heating with decreasing pressure, whereby first a removal of the residual moisture and then an oxide removal are made possible. By separate suction at the different temperature ranges, a separation of the removed substances is possible.
Für einen im Wesentlichen kontinuierlicher Betrieb und eine möglichst direkte Zuführung in die Schmelze werden die Partikel bei einer Ausführungsform während der Erwärmung in Bewegung gehalten und insbesondere durch einen langgestreckten Prozessraum hindurch gefördert werden.For an essentially continuous operation and as direct as possible a feed into the melt, in one embodiment the particles are kept in motion during the heating and in particular are conveyed through an elongated process space.
Eine größenabhängige Trennung der Partikel kann zusätzlich oder auch alternativ auch durch eine entsprechende Filterung erreicht werden.A size-dependent separation of the particles can be achieved additionally or alternatively also by a corresponding filtering.
Um zusätzlich ohne Einsatz von Chemie SiC Partikel aus dem Prozess zu entnehmen ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass das geschmolzene Silizium vor dem Einleiten in die Prozesskammer mit einem Element, das aus SiC besteht oder eine SiC Beschichtung aufweist, in Kontakt gebracht wird, um in der Schmelze enthaltendes SiC wenigstens teilweise an dem Element aufzunehmen. Bevorzugt werden das Element und die Schmelze aus Silizium während des Kontakts relativ zueinander bewegt.In order additionally to remove SiC particles from the process without the use of chemicals, it is provided in one embodiment that the molten silicon is brought into contact with an element which consists of SiC or has an SiC coating before being introduced into the process chamber at least partially incorporating the melt-containing SiC to the element. Preferably, the element and the melt of silicon are moved relative to each other during the contact.
Für eine Silansynthese werden die Prozessbedingungen in der Prozesskammer, insbesondere die Gasströmung zum Zerstäuben der Schmelze so eingestellt, dass im Wesentlichen sphärische Siliziumpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von 20 µm bis 600 µm entstehen. Solche Siliziumkügelchen sind besonders für eine nachfolgende Trichlorsilansynthese geeignet.For silane synthesis, the process conditions in the process chamber, in particular the gas flow for atomizing the melt, are adjusted so that essentially spherical silicon particles having an average particle size of 20 μm to 600 μm are formed. Such silicon spheres are particularly suitable for subsequent trichlorosilane synthesis.
Das in der Erfindung beschriebene Verfahren kombiniert mehrere zum Teil bekannte Verfahrensschritte in einer neuen Prozesssequenz, die ein Recycling von Silizium aus Rückständen der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten erlaubt. Hierbei werden Siliziumkügelchen mit einer reproduzierbaren gleichmäßigen Größenverteilung erzeugt, welche als Ersatz für gemahlenes metallurgisches Silizium als Ausgangsmaterial für eine Silansynthese im Rahmen der eingangs beschriebenen Polysiliziumproduktion oder zum Beispiel auch eine Müller-Rochow-Synthese eingesetzt werden können. Der für diese Anwendungen erlaubte Restgehalt an Metall, Siliziumkarbid, Siliziumoxid und sonstigen Verunreinigungen ist hoch genug, so dass die beschriebene Prozesssequenz ohne besondere Maßnahmen mit vergleichsweise einfachen Prozessschritten im industriellen Maßstabe realisierbar ist.The process described in the invention combines several process steps, some of which are known, in a new process sequence which allows recycling of silicon from residues of mechanical processing of silicon products. Here, silicon spheres are produced with a reproducible uniform size distribution, which can be used as a replacement for ground metallurgical silicon as a starting material for a silane synthesis in the context of polysilicon production described above or, for example, a Müller-Rochow synthesis. The residual content of metal, silicon carbide, silicon oxide and other impurities permitted for these applications is high enough so that the described process sequence can be implemented on an industrial scale without any special measures with comparatively simple process steps.
Das Verfahren ist anwendbar für verschiedenste Rückstände aus der mechanischen Siliziumbearbeitung, vor allem für Sägereste aus Slurry- und Diamant-Sägeprozess. Es erlaubt ein sinnvolles Silliziumrecycling und bietet in der Polysiliziumproduktion im Vergleich zur Verwendung von gemahlenem metallurgischen Silizium als Ausgangsmaterial den Vorteil, dass der Prozess reproduzierbarer ist, da die Eingangsstoffe Siliziumkügelchen eine gleichmäßige und einstellbare Größenverteilung besitzen. Da die Rückstände aus hochreinen Siliziumprodukten stammen sind Verunreinigungen wie Bor, Phosphor oder Aluminium nicht zu erwarten. Ferner erlaubt das Verfahren einen gezielten Einbau eines Katalysators zum Beispiel im Bereich des Aufschmelzens und vor dem Zerstäuben, wie es in der Technik bekannt ist. Das Verfahren vermeidet Schwierigkeiten bei der Handhabung kleinster Siliziumpartikel zum Beispiel bezüglich Fördertechnik, Sicherheitsproblemen (Staubexplosion) und starker Oxidationsneigung, die bei bisherigen Aufbereitungsverfahren zum Teil ungelöst waren.The process is applicable to various residues from mechanical silicon processing, especially for sawing residues from slurry and diamond sawing processes. It allows a meaningful silicon recycling and offers the advantage in polysilicon production compared to the use of ground metallurgical silicon as a starting material, that the process is reproducible, since the input materials silicon balls have a uniform and adjustable size distribution. Since the residues come from high-purity silicon products, impurities such as boron, phosphorus or aluminum are not to be expected. Further, the method allows for targeted incorporation of a catalyst, for example, in the area of reflow and before sputtering, as is known in the art. The method avoids difficulties in the handling of very small silicon particles, for example with regard to conveying technology, safety problems (dust explosion) and strong tendency to oxidation, which were in some cases unresolved in previous preparation processes.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert, in den Zeichnungen zeigt:
-
1 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbereiten von Rückständen aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten anhand eines spezifischen Beispiels von Sägerückständen; -
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Entfernen von Oxiden von der Oberfläche von Siliziumpartikeln; -
3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung zum Entfernen von Oxiden von der Oberfläche von Siliziumpartikeln; -
4 eine schematische Darstellung eine Vorrichtung zum Umformen von Siliziumpartikeln, wie sie in dem Verfahren zum Aufbereiten von Rückständen aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten eingesetzt werden kann.
-
1 a flow chart of a method according to the invention for the treatment of residues from the mechanical processing of silicon products based on a specific example of sawing residues; -
2 a schematic representation of an apparatus for removing oxides from the surface of silicon particles; -
3 a schematic representation of an alternative embodiment of a device for removing oxides from the surface of silicon particles; -
4 a schematic representation of an apparatus for forming silicon particles, as it can be used in the method for processing residues from the mechanical processing of silicon products.
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.
Der Hauptstrang des Flussdiagramms kann in die Bereiche Entfernung von Metallen/Flüssigbestandteilen, Trennung der Feststoffe, Entfernung von Flüssigkeitsresten/Oxiden und das Umformen von Siliziumpartikeln eingeteilt werden, die nachfolgend noch näher erläutert werden.The main strand of the flowchart can be classified into the areas of removal of metals / liquid components, separation of solids, removal of liquid residues / oxides and the transformation of silicon particles, which will be explained in more detail below.
Im Block
Der Rückstand kann in fester oder pastöser Form vorliegen und enthält in der Regel als Hauptbestandteile Si/SiO2 Partikel und SiC Partikel und als Nebenbestandteile Fe, sowie (nicht abgetrenntes) PEG
Entfernung von Metallen/FlüssigbestandteilenRemoval of metals / liquid components
Der Rückstand wird zunächst einer Ätzung in einer geeigneten Säure zugeführt, wie durch den Block
Die Metallionen, insbesondere Eisen, gehen hierbei in Lösung, was durch Erhitzen und Zufügen von Komplexbildnern zusätzlich unterstützt werden kann. Sind ein Großteil oder gar sämtliche Metalle in Lösung wird der verbleibende Feststoff über eine Filterpresse oder besser eine Zentrifuge oder einen Dekanter, der auch als Dekantierzentrifuge bekannt ist, von der Säure getrennt. Durch Waschen in einer Schubzentrifuge oder Schälzentrifuge und/oder mehrmaliges Resuspendieren in frischer Säure und nachfolgendes abziehen derselben, können letzte Reste von Metallionen entfernt werden, wenn dies erwünscht ist. Es ist ohne besondere zusätzliche Maßnahmen möglich den Bestandteil an Metallen auf <0,3 Gewicht% der verbleibenden Feststoffe zu erreichen. Insbesondere können die Metallbestandteile auf den Bereich von 0,1 bis 0,3 Gewicht% reduziert werden. Während solche verbleibenden Metallbestandteile bei Verfahren, die auf eine direkte Zuführung der gewonnenen Feststoffe in einen Ingoting-Prozess abzielen, als störend angesehen werden könnten, ist dies bei dem vorliegenden Verfahren nicht der Fall. Vielmehr könnten Metallkontaminationen im Bereich von 1 bis 5%, insbesondere im Bereich von 1 bis 2% als akzeptabel hingenommen werden. Dies ist der Fall, da das zurückgewonnene Silizium nicht einem Ingoting-Prozess sondern einer Silansynthese zugeführt werden soll, bei der Metallbestandteile in dieser Größenordnung nicht schädlich sind, sondern eher als Katalysator dienen kann, wie es in der Technik bekannt ist. Dementsprechend kann der Prozess so eingestellt werden, dass die Säureätzung nicht vollständig sein muss, wodurch zum Beispiel der Chemikalieneinsatz verringert und/oder die Prozesszeit reduziert werden kann. Es ist aber auch möglich eine mehr oder weniger vollständige Entfernung der Metallbestandteile anzustreben, was die Prozesssteuerung vereinfachen könnte. Tenside können die Benetzbarkeit und damit die Reinigungswirkung verbessern.The metal ions, especially iron, go into solution, which can be additionally supported by heating and adding complexing agents. If a large part or even all of the metals are in solution, the remaining solid is separated from the acid via a filter press or better a centrifuge or a decanter, which is also known as a decanter centrifuge. By washing in a pusher centrifuge or peeler centrifuge and / or re-suspending it several times in fresh acid and subsequently stripping it off, final residues of metal ions can be removed, if desired. It is possible without special additional measures to reach the component of metals to <0.3% by weight of the remaining solids. In particular, the metal components can be reduced to the range of 0.1 to 0.3% by weight. While such residual metal constituents could be considered as interfering with processes aimed at direct delivery of the recovered solids to an ingot process, this is not the case with the present process. Rather, could Metal contamination in the range of 1 to 5%, in particular in the range of 1 to 2% accepted as acceptable. This is because the recovered silicon is not to be added to an ingot process but to a silane synthesis in which metal components on this scale are not detrimental, but rather can serve as a catalyst, as known in the art. Accordingly, the process can be adjusted so that the acid etch does not have to be complete, for example, reducing the use of chemicals and / or reducing process time. But it is also possible to strive for a more or less complete removal of the metal components, which could simplify the process control. Surfactants can improve the wettability and thus the cleaning effect.
Die wenigstens teilweise abgetrennte Säure kann in bekannter Weise konditioniert werden und die aufgenommenen und gelösten Bestandteile können abgetrennt und gegebenenfalls als feste Produkte wiedergewonnen werden, wie durch die Blöcke
Nach der Säureätzung werden die abgezogenen Feststoffe, die nun im Wesentlichen Si/SiO2 Partikel sowie SiC Partikel und/oder Diamantpartikel enthalten mit entsprechend verbleibenden Flüssigkeitsrückständen einer Spülung und partiellen Entwässerung zugeführt, die Im Block
Trennung der FeststoffeSeparation of solids
Der teilentwässerte Feststoff wird bei dem dargestellten Flussdiagramm in einer Trennlösung resuspendiert, wie durch den Block
Es wird daher bevorzugt die Verwendung von Zinkhalogeniden (z.B. ZnBr2) in Wasser vorgeschlagen. Mit ihnen lässt sich eine ausreichende Dichte erhalten, bei gleichzeitig mäßigem Gefährdungspotential und akzeptablen Kosten. Zusätze wie Tenside können die Verteilung des Feststoffs in der Lösung verbessern und Komplexbildner können die Lösung stabilisieren.It is therefore preferred to use the use of zinc halides (eg ZnBr 2 ) in water. With them, a sufficient density can be obtained, at the same time moderate risk potential and acceptable costs. Additives such as surfactants can improve the distribution of the solid in the solution, and chelants can stabilize the solution.
Die Lösung sollte zunächst konstant umgewälzt werden um unerwünschte Absetzvorgänge zu diesem Zeitpunkt zu vermeiden.The solution should first be constantly circulated to avoid unwanted sedimentation at this time.
Die Suspension wird anschließend im Block
Die abgetrennten Feststoffe können jeweils separat einer Spülung unterzogen werden, wie durch die Blöcke
Die jeweiligen Spülflüssigkeiten, die verdünnte Trennlösung enthalten können aufbereitet werden und ebenfalls einem Recycling zugeführt werden. Insbesondere zeigt hierfür der Block
Das im Block
Obwohl die Darstellung gemäß
Als alternatives Lösungsmittel könnte für die Trennlösung auch Ethanol oder andere geeignete Lösungen eingesetzt werden.As an alternative solvent, ethanol or other suitable solutions could be used for the separation solution.
Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, kann die Trennung der Feststoffe auch auf andere Weise erfolgen.As will be explained in more detail below, the separation of the solids can also take place in other ways.
Entfernung von Flüssigkeitsresten/OxidenRemoval of liquid residues / oxides
Der primär Si/SiO2 enthaltende, gespülte und teilentwässerte Feststoff (Block
In einer weiteren, bevorzugt räumlich getrennten Zone wird die Temperatur weiter gesteigert und der Druck abgesenkt. Dabei wird die Temperatur auf wenigstens 800°C jedoch unterhalb des Schmelzpunktes von Si, insbesondere auf eine Temperatur unter 1200°C, erhöht. Der Druck wird entsprechend auf einen Wert abgesenkt, der bevorzugt unter dem des Dampfdrucks von SiO bei der eingestellten Temperatur liegt. Die untere Temperatur für die Oxidentfernung ist gewählt, um einen ausreichenden Dampfdruck zu erzeugen, während die obere Temperatur gewählt ist, um ein Sintern der Si Partikel zu vermeiden. Bevorzugt sollte die Temperatur zwischen 950°C und 1150°C, insbesondere zwischen 1000°C und 1100°C liegen. Bei 1000°C, also deutlich unter dem Schmelzpunkt des Si von 1414°C, kann bereits ein Dampfdruck von 10-2 mbar an SiO beobachtet werden, das durch eine Gleichgewichtsreaktion aus SiO2 fortlaufend nachgeliefert wird, bis letzteres weitestgehend entfernt ist, was durch kontinuierliches Abpumpen auf den gewünschten Druck erreicht wird.In a further, preferably spatially separated zone, the temperature is further increased and the pressure is lowered. In this case, the temperature is increased to at least 800 ° C but below the melting point of Si, in particular to a temperature below 1200 ° C. The pressure is correspondingly lowered to a value which is preferably below that of the vapor pressure of SiO at the set temperature. The lower temperature for the oxide removal is selected to provide sufficient vapor pressure while the upper temperature is selected to avoid sintering of the Si particles. Preferably, the temperature should be between 950 ° C and 1150 ° C, in particular between 1000 ° C and 1100 ° C. At 1000 ° C, well below the melting point of the Si of 1414 ° C, a vapor pressure of 10 -2 mbar can already be observed on SiO, which is replenished continuously by an equilibrium reaction of SiO 2 until the latter is largely removed, which by continuous pumping to the desired pressure is achieved.
Aus dem Abgasstrom kann eine Mischung aus Silizium und Siliziumdioxid bei Abkühlung auskondensiert werden. Bei Zugabe von Sauerstoff in den Abgasstrom kann pyrogenes Silica gewonnen werden, das ein gesuchtes Industrieprodukt darstellt.From the exhaust gas stream, a mixture of silicon and silicon dioxide can be condensed out on cooling. When oxygen is added to the exhaust stream, fumed silica can be obtained, which is a sought after industrial product.
Diese Art der Oxidentfernung, die auch mit Vorteil losgelöst von den übrigen Verfahrensschritten einsetzbar ist, kann bevorzugt in einem kontinuierlichen Prozess erfolgen. Hierzu kann beispielsweise eine Vorrichtung eingesetzt werden, wie sie nachfolgen unter Bezugnahme auf die
Alternativ zu dem oben beschriebenen Verfahren zur Oxidentfernung können auch andere geeignete Verfahren eingesetzt werden, wie eine nasschemische Entfernung von SiO2. Wie aus der Halbleiterindustrie bekannt ist, lässt sich SiO2 durch Ätzen mit HF entfernen. Eine nachfolgende Spülung und Entwässerung, wie sie zur Entfernung der Trennlösung beschrieben ist, wäre auch hier erforderlich. Die Nutzung von Flusssäure ist für Beschaffung und Entsorgung mit deutlichen Kosten verbunden und sollte jedoch möglichst vermieden werden, weshalb das obige Verfahren bevorzugt wird. Umwelttechnische Betrachtungen unterstützen diese Ansicht.As an alternative to the oxide removal process described above, other suitable processes can be used, such as wet-chemical removal of SiO 2 . As is known in the semiconductor industry, SiO 2 can be removed by etching with HF. Subsequent flushing and dewatering, as described for removal of the separation solution, would also be required here. The use of hydrofluoric acid is associated with significant costs for procurement and disposal and should, however, be avoided as much as possible, which is why the above method is preferred. Environmental considerations support this view.
Umformen von SiliziumpartikelnForming silicon particles
Das bereits aufgeheizte, getrocknete und an Sauerstoff abgereicherte Silizium wird durch weitere Zuführung von Energie schließlich aufgeschmolzen. Dies geschieht vorzugweise in einem sogenannten „Cold Crucible“ (Tiegel), bei dem es zu keinem Kontakt des geschmolzenen Siliziums mit dem Tiegelmaterial kommt und somit eine Kontamination eingeschränkt werden kann. In der Schmelze sind gegebenenfalls noch vorhandene SiC Partikel als Festkörper vorhanden. Diese können optional unter Ausnutzung der Benetzungseigenschaften von SiC in der Schmelze gegenüber einem in die Schmelze eingebrachten SIC Element entfernt oder mengenmäßig reduziert werden, wie durch den Block
Für ein weiteres Umformen (Block
Die entstehenden Partikel (Block
Das oben beschriebene Verfahren kombiniert mehrere zum Teil bekannte Verfahrensschritte in einer bestimmten neuen Prozesssequenz. Die Verfahrensschritte können in zum Teil herkömmlich erwerbbaren Anlagen, in Kombination mit einer bevorzugten, neuartigen Vorrichtung zur Oxidentfernung und einer speziell angepassten Zerstäubungsanlage realisiert werden, die beide nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem langgestreckten Grundkörper
Der langgestreckte Grundkörper
An dem Grundkörper
Bevorzugt sind die Stichleitungen
In dem Transportraum
In der Darstellung gemäß
Die Eingangsöffnung steht bevorzugt mit einer Quelle von Siliziumpartikel, insbesondere Siliziumstäuben, wie sie durch das oben beschriebene Verfahren aus Rückständen gewonnen wurden in Verbindung. Die Ausgangsöffnung steht bevorzugt mit einem Schmelztiegel in Verbindung, sodass aus der Vorrichtung
Alle der oben beschriebenen Elemente der Vorrichtung
Nachfolgend wird der Betrieb der Vorrichtung
Die Heizeinrichtung ist ferner so eingestellt, dass im Bereich der zweiten Heizspule die Siliziumpartikel auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Siliziumpartikel von mindestens 800°C bis 1200°C, insbesondere auf ungefähr 1100°C aufgeheizt werden. In diesem Bereich wird der Druck über die zweite Stichleitung und die damit verbundene Unterdruckquelle auf maximal 10-2 mbar eingestellt. Insbesondere wird der Druck so eingestellt, dass er kleiner ist als der Dampfdruck von SiO bei der eingestellten Temperatur. Die untere Temperatur für die Oxidentfernung ist gewählt, um einen ausreichenden Dampfdruck zu erzeugen, während die obere Temperatur gewählt ist, um ein Sintern der Si Partikel zu vermeiden. Bevorzugt sollte die Temperatur zwischen 950°C und 1150°C, insbesondere zwischen 1000°C und 1100°C liegen. Bei 1000°C, also deutlich unter dem Schmelzpunkt des Si von 1414°C, kann bereits ein Dampfdruck von 10-2mbar an SiO beobachtet werden, das durch eine Gleichgewichtsreaktion aus SiO2 fortlaufend nachgeliefert wird, bis letzteres weitestgehend entfernt ist, was durch kontinuierliches Abpumpen auf den gewünschten Druck erreicht wird. Somit wird in dem zweiten Bereich primär eine Oxidentfernung von den Siliziumpartikeln erreicht.The heating device is further adjusted so that in the region of the second heating coil Silicon particles to a temperature below the melting temperature of the silicon particles of at least 800 ° C to 1200 ° C, in particular heated to about 1100 ° C. In this area, the pressure is set to a maximum of 10 -2 mbar via the second stub line and the associated vacuum source. In particular, the pressure is set to be smaller than the vapor pressure of SiO at the set temperature. The lower temperature for the oxide removal is selected to provide sufficient vapor pressure while the upper temperature is selected to avoid sintering of the Si particles. Preferably, the temperature should be between 950 ° C and 1150 ° C, in particular between 1000 ° C and 1100 ° C. At 1000 ° C, well below the melting point of the Si of 1414 ° C, a vapor pressure of 10 -2 mbar can already be observed on SiO, which is replenished continuously by an equilibrium reaction of SiO 2 until the latter is largely removed, which by continuous pumping to the desired pressure is achieved. Thus, in the second region, primarily oxide removal from the silicon particles is achieved.
Die Siliziumpartikel werden durch die Förderschnecke
Bei einer weiteren Ausführung kann der Grundkörper
Bei der obigen Darstellung sind zwei Vakuumanschlüsse vorgesehen, es wäre aber auch möglich eine feinere Unterteilung von Bereichen mit mehr Vakuumanschlüssen und gegebenenfalls entsprechenden Heizelementen vorzusehen. Es wäre aber auch möglich auf eine Unterteilung in Bereiche zu verzichten und nur einen Vakuumanschluss im Hochtemperaturbereich vorzusehen, wobei eine entsprechende Heizeinrichtung mit nur einem Heizelement eine kontinuierliche Aufheizung vom Eingang zum Ausgang vorsehen könnte. Bevorzugt werden aber eher mehr Vakuumanschlüsse, die vorzugsweise gegen die Bewegungsrichtung des Materials geneigt, sind und sich in der horizontalen bzw. geneigten Variante auf der Oberseite befinden. Hierüber lässt sich besser ein abfallender Druck erreichen, wobei auch dieser über die den Transportraum hinweg im Wesentlichen gleichmäßig sein könnte.In the above illustration, two vacuum ports are provided, but it would also be possible to provide a finer subdivision of areas with more vacuum ports and, where appropriate, corresponding heating elements. It would also be possible to dispense with a subdivision into areas and provide only a vacuum connection in the high temperature range, with a corresponding heater with only one heating element could provide continuous heating from the input to the output. But rather more vacuum connections are preferred, which are preferably inclined to the direction of movement of the material, and are in the horizontal or inclined variant on the top. This can be better achieved a declining pressure, which could also be substantially uniform over the transport space away.
Innerhalb des Transportraumes wird das Material vorzugweise mehrfach quer zur Bewegungsrichtung durchmengt um einen besseren Gasaustritt zu gewährleisten. Eine solche Durchmengung kann insbesondere durch eine Förderschnecke, wie dargestellt erreicht werden, oder aber auch durch andere aktive oder passive Elemente. Bei einer geneigten Anordnung könnte eine Vielzahl von Schrägflächen im Transportraum vorgesehen sein, über die die Partikel abrutschen und an deren Enden die Partikel frei herabfallen.Within the transport space, the material is preferably durchmgt multiple transverse to the direction of movement to ensure a better gas outlet. Such a mixing can be achieved in particular by a screw conveyor, as shown, or else by other active or passive elements. In an inclined arrangement, a plurality of inclined surfaces could be provided in the transport space over which the particles slip and at the ends of the particles fall freely.
Maßnahmen, die eine Kondensation der flüchtigen Bestandteile an unerwünschter Stelle vermeiden können in geeigneter Weise vorgesehen werden, wie zum Beispiel Filter, Abscheider, beheizte Leitungen und ähnliches. Durch gezielte Zudosierung von Sauerstoff oder Wasser in den aus dem zweiten Bereich stammenden Abgasstrom lässt sich das absublimierte SiO in pyrogene Kieselsäure überführen, die abgeschieden und verkauft werden kann.Measures to prevent undesired site condensation of volatiles may be conveniently provided, such as filters, separators, heated lines, and the like. By deliberately metering oxygen or water into the exhaust gas stream from the second region, the sublimed SiO 2 can be converted into fumed silica, which can be separated off and sold.
Die Vorrichtung zum Umformen von Siliziumpartikeln, die nachfolgend als Zerstäubungsanlage
Die Schmelzeinheit
Die Schmelztiegeleinheit
Die Schmelztiegeleinheit weist ein in den Schmelztiegel hineinragendes Element
Das Gehäuse
Am unteren Ende der Schmelztiegeleinheit
Die Prozesskammereinheit
In der Seitenwand ist im sich vertikal erstreckenden Bereich eine Auslassöffnung
Am unteren Ende der umlaufenden Seitenwand ist ein Befestigungsflansch vorgesehen, der mit einem Befestigungsflansch des Auffangbehälters
Der Auffangbehälter
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann wenigstens eine Heizeinheit vorgesehen sein, um die Prozesskammer auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen.Although not shown, at least one heating unit may be provided to heat the process chamber to a predetermined temperature.
Die Gas-Zirkulationseinheit
Der jeweiligen Elemente sind für auftretenden bestehenden Temperaturen geeignet und aus Materialien (wenigstens an der Oberfläche) welche keine Verunreinigungen in den Prozess einbringen. Die Pumpe
Die erste Einlasseinheit
Die zweite Einlasseinheit
Nachfolgend wird der Betrieb der Vorrichtung
Wenn geschmolzenes Silizium an dem Leitungselement
Die an sich bekannte Zerstäubungsvorrichtung wurde hinsichtlich des Schmelztiegels in der bevorzugten Form eines Cold-Crucibles, der Siliziumzuführung über die eine Vorheizung vornehmende Oxidentfernungsvorrichtung und das SiC-Element, das als Reinigungseinheit dient, modifiziert.The conventional sputtering apparatus was modified with respect to the crucible in the preferred form of cold crucible, the silicon feed via the preheating oxide removal device, and the SiC element serving as a purifying unit.
Obwohl die Erfindung anhand eines spezifischen Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf das konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere im Bereich der Trennung der Feststoffe werden alternative Verfahren in Betracht gezogen. Hier wäre es zum Beispiel möglich auf eine spezielle Trennlösung, die als Schwerflüssigkeit ausgebildet ist und eine Dichteabhängige Trennung ermöglicht, zu verzichten. In einer Alternative könnte zum Beispiel ein auf einem Magnetfeld basierende Trennung vorgenommen werden, wie sie in der
Diese Vorrichtungen können das Prinzip einer partiellen Sedimentation der beispielsweise in Di-Wasser (oder eine anderen geeigneten Flüssigkeit, die keine Schwerflüssigkeit ist) suspendierten Feststoffe nutzen und somit eine wenigstens teilweise Trennung der Feststoffe erreichen. Die großen, schwereren Partikel (SiC) sedimentieren schneller, während die kleineren, und leichteren Si/SiO2 länger suspendiert bleiben und mit der Flüssigkeit ausgetragen werden können. Die Absetzgeschwindigkeit der Partikel in der Suspension ist abhängig vom Quadrat der Partikelgröße und dem Dichteunterschied zum Fluid. Der Effekt kann durch entsprechende Erhöhung der Zentrifugalkräfte und durch ein Absenken der dynamischen Viskosität der Suspensionsflüssigkeit erhöht werden, was den Einsatz von Di-Wasser oder Alkanen nahelegt. Auch die Form der Feststoffe kann in die Sedimentationsgeschwindigkeit eingehen, was aber bei den vorhandenen Feststoffen als vernachlässigbar angesehen wird. Eine solche partielle Sedimentation könnte auch außerhalb eines Dekanters eingesetzt werden. Obwohl diese alternativen Trennverfahren, die auch kombiniert werden können, in der Regel schlechtere Trennergebnisse vorsehen, als eine Trennung in einer Schwerflüssigkeit und insbesondere einen höheren Anteil der kleineren SiC Partikel in den gewonnenen Si/SiO2 Partikeln mit sich bringt, stellt dies bei dem vorliegenden Verfahren kein Problem dar. Die SiC Partikel können - wenigstens teilweise - optional noch durch die SiC Nachreinigung in der Schmelze entfernt werden. Darüber hinaus können sie aber auch einfach in den Zerstäuber mitgeführt werden und in die gebildeten Partikel aufgenommen werden. In einer nachfolgenden Silansynthese stellen die SiC Partikel keine Verunreinigung dar, und sie würden durch den Syntheseprozess abgetrennt und dann ausgefiltert werden. Als einzig verbleibende Partikel könnten sie vielmehr einen Reinigungseffekt haben.These devices may utilize the principle of partial sedimentation of the solids suspended in, for example, di-water (or other suitable liquid which is not a heavy liquid) and thus achieve at least partial separation of the solids. The larger, heavier particles (SiC) sediment faster, while the smaller, and lighter Si / SiO 2 remain suspended longer and can be discharged with the liquid. The settling speed of the particles in the suspension depends on the square of the particle size and the density difference to the fluid. The effect can be increased by a corresponding increase in the centrifugal forces and by a lowering of the dynamic viscosity of the suspension liquid, which suggests the use of di-water or alkanes. The form of the solids can also enter the sedimentation rate, but this is considered to be negligible for the solids present. Such partial sedimentation could also be used outside a decanter. Although these alternative separation processes, which can also be combined, usually provide poorer separation results than a separation in a heavy liquid and in particular a higher proportion of smaller SiC particles in the recovered Si / SiO 2 particles entails, this is in the present Process no problem. The SiC particles can - at least partially - optionally still be removed by the SiC post-purification in the melt. In addition, they can also be easily carried in the atomizer and included in the formed particles. In a subsequent silane synthesis, the SiC particles are not contaminants and would be separated by the synthesis process and then filtered out. The only remaining particles could have a cleaning effect.
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