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Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterfilter aus polykristallinem Silicium, dessen Verwendungen, auf einen Wirbelschichtreaktor zur Herstellung von polykristallinem Siliciumgranulat, enthaltend einen solchen Sinterfilter sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterfilters.
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Polykristallines Silicium dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung von einkristallinem Silicium für Halbleiter nach dem Czochralski(CZ)- oder Zonenschmelz(FZ)-Verfahren, sowie zur Herstellung von ein- oder multikristallinem Silicium nach verschiedenen Zieh- und Gieß-Verfahren zur Produktion von Solarzellen für die Photovoltaik.
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Polykristallines Siliciumgranulat wird in einem Wirbelschichtreaktor produziert. Dies geschieht durch Fluidisierung von Siliciumpartikeln mittels einer Gasströmung in einer Wirbelschicht, wobei diese über eine Heizvorrichtung auf hohe Temperaturen aufgeheizt wird. Durch Zugabe eines siliciumhaltigen Reaktionsgases erfolgt eine thermochemische Reaktion, wobei sich elementares Silicium an der heißen Partikeloberfläche abscheidet. Die einzelnen Partikel wachsen im Durchmesser an. Durch den regelmäßigen Abzug von angewachsenen Partikeln und Zugabe kleinerer Siliciumkeimpartikel kann das Verfahren kontinuierlich mit allen damit verbundenen Vorteilen betrieben werden. Als siliciumhaltiges Eduktgas sind Silicium-Halogenverbindungen (z. B. Chlorsilane oder Bromsilane), Monosilan (SiH4), sowie Mischungen dieser Gase mit Wasserstoff beschrieben. Derartige Abscheideverfahren und Vorrichtungen hierzu sind beispielsweise aus
US 4786477 A bekannt.
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Für die Herstellung von hochreinem polykristallinem Siliciumgranulat müssen der Wirbelschicht das siliciumhaltige Reaktionsgas und das zur Aufrechterhaltung der Partikelfluidisierung erforderliche Gas dem Wirbelschichtreaktor zugeführt werden. Das Fluidisierungsgas kann der Wirbelschicht über Einzeldüsen oder Lochböden oder Sinterböden zugeführt werden. Gleiches gilt für das siliciumhaltige Reaktionsgas. Wesentlich für eine funktionierende Wirbelschicht ist die Gasverteilung von Fluidisierungsgas und Reaktionsgas. Zu diesem Zweck werden üblicherweise Blenden, Düsen oder Regelorgane eingesetzt.
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WO 98/25685 A1 bezieht sich auf einen hochtemperaturbeständigen Filter für Flüssigkeiten, bestehend aus einer Trägerschicht und einer Beschichtung. Die Partikel der Trägerschicht werden durch Reaktionssintern verbunden.
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CN 201776030 U beschreibt einen metallischen Sinterfilter, welcher bei der Herstellung von polykristallinem Silicium zur Reinigung von Gasen, z. B. zur Entfernung von Partikeln, eingesetzt wird.
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JP 11104422 A offenbart die Herstellung von Sintermaterial mit Mischungen aus metallischem Siliciumpulver und Kohlenstoffpulver sowie die Anwendung des Sinterkörpers zur Entfernung schädlicher Stoffe aus Flüssigkeiten mittels Adsorption.
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US 2004/0101706 A1 schlägt vor, auf einen bestehenden porösen Grundkörper eine ein sinteraktives Pulver enthaltende Suspension/Dispersion aufzubringen, zu trocknen und zu sintern. Es können Metalle wie Ni, Cu, Fe oder Al verarbeitet werden.
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Bei der Herstellung von hochreinem polykristallinem Siliciumgranulat ist ein metallischer Filter zum Filtern der Reaktionsgase allerdings ungeeignet, da metallische Verunreinigungen an Reaktionsgase und das Granulat abgegeben werden können.
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Aus dieser Problematik ergab sich die Aufgabenstellung der Erfindung.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Sinterfilter aus polykristallinem Silicium, umfassend aggregierte Partikel aus polykristallinem Siliciumgranulat.
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Unter aggregiert ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass Primärpartikel zu Aggregaten zusammengewachsen sind.
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Bei den Primärpartikeln handelt es sich um polykristallines Siliciumgranulat.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Primärpartikel eine Partikelgröße von 150–4000 μm auf.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weisen die Primärpartikel eine Partikelgröße von 300–2000 μm auf.
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Die Erfindung sieht die Verwendung eines solchen Sinterfilters, der einen definierten Durchlassgrad aufweist, zur gleichmäßigen Verteilung von Eduktgas in den Reaktionsraum bei einem Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium vor.
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Außerdem ist die Verwendung eines solchen Sinterfilters zur Filtrierung von nicht mit Silicium reagierenden Gasen oder Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich von –100°C bis +1200°C beansprucht.
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Ein solcher Sinterfilter wird zudem auch als Rückstromsperre für Feststoffpartikel verwendet.
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Das Zusammenwachsen der Primärpartikel erfolgt, in dem sich zwischen den Primärpartikeln Sinterhälse oder Brücken bilden.
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Diese Verbindungen zwischen den Primärpartikeln entstehen in einer Ausführungsform der Erfindung durch Reaktionssintern von polykristallinem Siliciumgranulat.
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Daher betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sinterfilters durch Reaktionssintern von polykristallinem Siliciumgranulat bei einer Temperatur von 600–1400°C mit Hilfe eines Silicium enthaltenden Gases.
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Beim Silicium enthaltenden Gas handelt es sich in einer Ausführungsform der Erfindung um Silicium-Halogenverbindungen, beispielsweise Chlorsilane oder Bromsilane, oder um eine Mischung einer solchen Silicium-Halogenverbindung mit Wasserstoff.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich beim Silicium enthaltenden Gas um Monosilan (SiH4) oder um eine Mischung von Monosilan mit Wasserstoff.
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Das Verfahren wird vorzugweise bei einem Druck von 1 bis 20 bar absolut durchgeführt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren bei einem Druck von 1 bis 6 bar absolut durchgeführt.
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Zur Sinterung bedarf es keiner zusätzlichen mechanischen Presskräfte (Kompression) auf bzw. zwischen den Partikeln.
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In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Reaktionssintern bei einer Temperatur von 800–1200°C.
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Das Silicium enthaltende Gas spaltet Silicium ab, das sich auf den Partikeln des polykristallinen Siliciumgranulats abscheidet und zwischen den Granulatpartikeln Brücken bildet, so dass eine feste Verbindung entsteht.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Wirbelschichtreaktor zur Herstellung von polykristallinem Siliciumgranulat, umfassend einen Behälter mit einem Innen-Reaktorrohr für eine Wirbelschicht aus polykristallinem Siliciumgranulat und einem Reaktorboden, eine Heizvorrichtung zum Heizen der Wirbelschicht im Innen-Reaktorrohr, wenigstens eine Öffnung im Reaktorboden zur Zuführung von Fluidisierungsgas sowie wenigstens eine Öffnung im Reaktorboden zur Zuführung von Reaktionsgas, eine Vorrichtung zum Abführen von Reaktorabgas, eine Zuführeinrichtung, um Siliciumkeimpartikel zuzuführen sowie eine Entnahmeleitung für polykristallines Siliciumgranulat, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Öffnungen im Reaktorboden mit einem Sinterfilter aus polykristallinem Silicium ausgestattet ist.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei der wenigstens einen Öffnung um eine Düse zum Einbringen von Reaktionsgas, der außerhalb des Reaktors ein Sinterfilter vorgelagert ist.
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Der Wirbelschichtreaktor kann einen Gasverteiler mit mehreren Öffnungen bzw. Düsen für Reaktionsgas aufweisen. In einer Ausführungsform sind diese Öffnungen jeweils mit einem Sinterfilter gemäß Erfindung ausgestattet.
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Zudem kann der Wirbelschichtreaktor einen Sinterboden aufweisen. Der Reaktorboden umfasst in diesem Fall einen erfindungsgemäßen Sinterfilter, der mit Ausnahme der Öffnungen für Reaktionsgas oder für einen innenliegenden Gasverteiler, den Reaktorbodenquerschnitt vollständig bedeckt. In einer Ausführungsform ist dem Sinterboden eine Gaskammer für Fluidisierungsgas vorgelagert.
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Im Stand der Technik wurden Sinterfilter hauptsächlich aus metallischen oder keramischen Werkstoffen hergestellt.
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Die Erfindung sieht Sinterfilter aus polykristallinem Silicium vor, die aus polykristallinem Siliciumgranulat hergestellt werden.
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Im Rahmen der Herstellung von polykristallinem Silicium, beispielsweise in einem zuvor erwähnten Wirbelschichtreaktor, erfolgt bei Verwendung von solchen Sinterfiltern aus polykristallinem Silicium keine Kontamination von Reaktionsgasen und/oder dem Polysiliciumprodukt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Verfahren zur Herstellung des Sinterfilters durch Reaktionssintern parallel mit einem Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Siliciumgranulat, nämlich im Rahmen eines Wirbelschichtverfahrens in einem Wirbelschichtreaktor.
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Der Durchlassgrad der Sinterfilter kann gesteuert werden, indem die Zeit der Sinterung, die Ausgangspartikelgröße, die Partikelform und die Partikelgrößenverteilung gezielt eingestellt werden.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass auch bei sehr inhomogener und breiter Partikelgrößenverteilung sehr gute Sinterergebnisse erzielt werden. Die beschriebenen Sinterfilter können sowohl in einem eigenen Herstellungsprozess, als auch als Nebenprodukt in einem Wirbelschichtprozess zur Herstellung von polykristallinem Siliciumgranulat produziert werden.
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Als Anwendungsgebiet von Sinterfiltern mit inhomogenerer Porenverteilung und somit unterschiedlichem Durchlassgrad bietet sich u. a. der Bereich der Feststoffrückflusssperren an.
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Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale können entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Erzeugnis übertragen werden. Umgekehrt können die bezüglich der vorstehend ausgeführten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Erzeugnisses angegebenen Merkmale entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und in den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Sinterscheibe aus polykristallinem Silicium.
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2 zeigt eine Sinterscheibe aus polykristallinem Silicium.
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3 zeigt einen Wirbelschichtreaktor umfassend einen Sinterfilter.
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4 zeigt einen Wirbelschichtreaktor umfassend einen Sinterboden.
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5 zeigt einen Wirbelschichtreaktor umfassend Sinterfilter/Sinterboden.
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6 zeigt einen Wirbelschichtreaktor umfassend Sinterfilter/Sinterboden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wirbelschichtreaktor
- 2
- Düse
- 3
- Sinterfilter/Sinterboden
- 4
- Reaktionsgas
- 5
- Abgas
- 6
- Fluidisierungsgas
- 7
- Verteilerkammer
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Sinterfilter und Sinterböden sind mit demselben Bezugszeichen 3 versehen. Es handelt sich bei beiden Ausführungen um das erfindungsgemäße Sintermaterial aus polykristallinem Silicium, beispielsweise in Form von Sinterscheiben unterschiedlicher Größe.
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1 zeigt eine Sinterscheibe aus polykristallinem Silicium, die aus Primärpartikeln aus polykristallinem Siliciumgranulat der Größe 200–500 μm hergestellt wurde. Neben der Verwendung als Filter ist eine solche Sinterscheibe geeignet, um definierte Durchflusskennwerte einzustellen.
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2 zeigt eine Sinterscheibe aus polykristallinem Silicium, die aus Primärpartikeln aus polykristallinem Siliciumgranulat der Größe 500–4000 μm hergestellt wurde. Eine solche Sinterscheibe eignet sich insbesondere als gas- und flüssigkeitsdurchlässige Rückflusssperre für Feststoffe.
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3 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 1 mit einer einzelnen Düse 2 und einem der Düse 2 vorgelagerten Sinterfilter 3. Über Düse 2 wird Reaktionsgas 4 in den Wirbelschichtreaktor 1 eingebracht. Fluidisierungsgas 6 und Abgas 5 werden über weitere Öffnungen des Wirbelschichtreaktors 1 diesem zugeführt bzw. aus diesem abgeführt.
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4 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 1 mit einer einzelnen Düse 2 und einem Sinterboden 3. Dem Sinterboden 3 ist eine Gaskammer für das Fluidisierungsgas 6 vorgelagert.
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5 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 1 mit mehreren Öffnungen für Fluidisierungsgas 6 bzw. Reaktionsgas 4. Jede Düse 2 für Reaktionsgas 4 ist mit einem integrierten Sinterfilter 3 ausgestattet. Zudem ist ein Sinterboden 3 mit vorgelagerter Gaskammer für das Fluidisierungsgas 6 vorhanden.
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6 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 1 mit einer innenliegenden Gasverteilungsvorrichtung umfassend eine Verteilerkammer 7 und mehrere Öffnungen für Reaktionsgas 4, wobei jede Öffnung einen Sinterfilter 3 umfasst. Zudem ist ein Sinterboden 3 mit vorgelagerter Gaskammer für das Fluidisierungsgas 6 vorhanden.
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Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Erzeugnisse und ihrer Verwendungen, der offenbarten Vorrichtungen und der in der Beschreibung dargestellten Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen sowie Äquivalente durch den Schutzbereich der Ansprüche abgedeckt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4786477 A [0003]
- WO 98/25685 A1 [0005]
- CN 201776030 U [0006]
- JP 11104422 A [0007]
- US 2004/0101706 A1 [0008]
