DE1064486B - Process for cleaning silicon - Google Patents

Process for cleaning silicon

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DE1064486B
DE1064486B DEP19591A DEP0019591A DE1064486B DE 1064486 B DE1064486 B DE 1064486B DE P19591 A DEP19591 A DE P19591A DE P0019591 A DEP0019591 A DE P0019591A DE 1064486 B DE1064486 B DE 1064486B
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DE
Germany
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silicon
ladle
flame
furnace
oxidizing
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Pending
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DEP19591A
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German (de)
Inventor
Andre Castex
Henri Schmitt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pechiney SA
Original Assignee
Pechiney SA
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    • C01B33/02Silicon
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    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Description

33/02-33 / 02-

P 195911 Va/12 iP 195911 Va / 12 i

ANM ELDETAG: 4. NOVEMBER 1957ANM ELDETAG: NOVEMBER 4, 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 3. SEPTEMBER 1959
NOTICE
THE REGISTRATION
AND ISSUE OF THE
EDITORIAL: SEPTEMBER 3, 1959

Silicium von einem Reinheitsgrad von mehr als 95% wird hergestellt durch Reduktion von Kieselsäure mittels Kohle im elektrischen Ofen. Mit Rücksicht auf gewisse technische Anwendungsmöglichkeiten, für welche ein Silicium von besonders hohem Reinheitsgehalt verlangt wird, ist man neuerdings gezwungen, von sehr reinen Ausgangsstoffen auszugehen, die nicht immer verfügbar sind.Silicon with a purity of more than 95% is produced by reducing silica using coal in an electric furnace. With regard to certain technical application possibilities, for which a silicon of particularly high purity is required, one has recently been forced to start from very pure raw materials that are not always available.

Andererseits führte bei der Siliciumgewinnung der Übergang zu Dreiphasenöfen an Stelle der früher verwendeten Einphasenöfen mit leitender Sohle zu einer Senkung der Gestehungskosten und einem merklichen Rückgang der Siliciumverluste durch Verflüchtigung. Damit erhöht sich aber gleichzeitig die Menge der im Rohsilicium noch anwesenden flüchtigen Verunreinigungen, insbesondere der Aluminium- und Calciumgehalt. On the other hand, in silicon production, the transition to three-phase furnaces instead of those previously used Single phase furnace with conductive sole at a lower cost and a noticeable Decrease in silicon losses due to volatilization. However, this also increases the amount of im Raw silicon still present volatile impurities, especially the aluminum and calcium content.

Behandelt man beispielsweise gleiche Ausgangsstoffe in öfen verschiedenen Typs, so kommt man zu folgenden Ergebnissen:If, for example, the same starting materials are treated in different types of ovens, one arrives at following results:

Einphasenofen
mit leitender
Sohle
Single phase furnace
with senior
sole
DreiphasenofenThree phase furnace
Unlöslich Insoluble 0,10%
0,05%
0,60%
0,40%
0,20%
98,65 %
0.10%
0.05%
0.60%
0.40%
0.20%
98.65%
0,12%
0,06%
0,50%
0,65 %
0,65%
98,02%
0.12%
0.06%
0.50%
0.65%
0.65%
98.02%
Titan titanium Eiseniron Aluminiumaluminum Calcium Calcium Silicium Silicon

Bei gewissen Leichtmetallegierungen darf aber der Calciumgehalt des zugesetzten Siliciums 0,30°/o nicht übersteigen, und auch bei Siliciumblechen darf der Gehalt an Ti, Ci und Al zusammen nicht mehr als 0,5 °/o betragen, weshalb das im Dreiphasenofen erzeugte Silicium nicht ohne vorherige Reinigung für derartige Zwecke verwendbar ist.In the case of certain light metal alloys, however, the calcium content of the added silicon must not be 0.30% and in the case of silicon sheets, too, the combined Ti, Ci and Al content must not exceed 0.5% amount, which is why the silicon produced in the three-phase furnace not without prior purification for such Purposes is usable.

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Reinigungsverfahren für Rohsilicium, das insbesondere dann von Vorteil ist, wenn man von verhältnismäßig unreinen Ausgangsstoffen ausgeht und diese zwecks Senkung der Gestehungskosten im Dreiphasen-Hochleistungsofen behandelt. The invention relates to a novel cleaning method for raw silicon, which is then in particular of The advantage is if you start from relatively impure starting materials and use them for the purpose of lowering them of the prime costs in the three-phase high-performance furnace.

Erfindungsgemäß unterwirft man das aus dem Ofen anfallende Rohsilicium in flüssigem Zustand der Einwirkung eines Oxydationsgases, wodurch in der Schmelze der größte Teil des Calciums und Aluminiums in die Oxyde übergeführt wird, die an die Oberfläche des Bades steigen und sich als Schlacke abziehen lassen.According to the invention, the crude silicon obtained from the furnace is subjected to the action in the liquid state an oxidizing gas, whereby most of the calcium and aluminum in the melt is converted into the oxides, which rise to the surface of the bath and pull off as slag permit.

Für das Verfahren kann man auch festes Silicium oder verunreinigtes Ferrosilicium mit beliebigem Si-Verfahren zum Reinigen von SiliciumSolid silicon or contaminated ferrosilicon can also be used for the process using any Si process for cleaning silicon

Anmelder:Applicant:

PECHINEY Compagnie de ProduitsPECHINEY Company de Produits

Chimiques et Electrometallurgiques,Chimiques et Electrometallurgiques,

ParisParis

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. PulsRepresentative: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Pulse

und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,and Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Bad luck man,

Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2Patent Attorneys, Munich 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 5. November 1956
Claimed priority:
France 5 November 1956

Andre Castex, Edea (Kamerun),
und Henri Schmitt, Sabart, Tarascon-sur-Ariege
Andre Castex, Edea (Cameroon),
and Henri Schmitt, Sabart, Tarascon-sur-Ariege

(Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden
(France),
have been named as inventors

Gehalt vorher einschmelzen, jedoch ist es aus ökonomischen Gründen vorzuziehen, unmittelbar das aus dem Ofen anfallende Rohsilicium im flüssigen Zustand zu verwenden.Melt down the salary beforehand, but for economic reasons it is preferable to stop this immediately to use the crude silicon obtained in the furnace in the liquid state.

Es ist bereits bekannt, geschmolzenes Silicium mit oxydierenden bzw. sauerstoffhaltigen Gasen zu behandeln, jedoch unterscheiden sich diese Verfahren, soweit dabei nicht überhaupt Siliciumoxyd erhalten wird, in wesentlichen Punkten von dem Verfahren nach der Erfindung.It is already known to treat molten silicon with oxidizing or oxygen-containing gases, however, these processes differ insofar as silicon oxide is not obtained at all is, in essential points of the method according to the invention.

So sollen gemäß einem bekannten Verfahren die elektrischen Eigenschaften von aus Germanium oder Silicium bestehenden Halbleiterkörpern dadurch verbessert werden, daß man das bereits in sehr hohem Reinheitsgrad (0,001% Verunreinigungen) vorliegender Halbleitermaterial in einer gleichzeitig Oxydations- und Reduktionsmittel enthaltenden Umgebung schmilzt und den Einfluß dieser Mittel so steuert, daß sich ein bestimmtes Gleichgewicht zwischen Akzeptor- und Donatorzusätzen einstellt. Diese Methode eignet sich offensichtlich schon deshalb nicht für die mit der Erfindung verfolgten Zwecke, ate sie ein Ausgangsmaterial voraussetzt, das bereits weit über den beabsichtigten Reinheitsgrad hinaus gereinigt ist. Eine Übertragung auf die Ausgangsstoffe für das Verfahren nach der Erfindung wäre unwirtschaftlich und würde im übrigen nicht mit Sicherheit zum gewünschten Erfolg führen.Thus, according to a known method, the electrical properties of germanium or Existing silicon semiconductor bodies can be improved by the fact that this is already done at a very high level Degree of purity (0.001% impurities) of the semiconductor material present in a simultaneous oxidation and reducing agent-containing environment melts and the influence of these agents so controls that a certain balance is established between acceptor and donor additives. These For this reason alone, the method is obviously unsuitable for the purposes pursued by the invention requires a starting material that has already been purified far beyond the intended degree of purity is. A transfer to the starting materials for the process according to the invention would be uneconomical and, moreover, would not definitely lead to the desired success.

909 610/362909 610/362

Claims (3)

Nach einem anderen bekannten Verfahren reinigt man zum Gebrauch als Halbleiter bestimmtes Silicium, indem man es in Stabform in oxydierender Atmosphäre erhitzt, wobei ein kurzer Abschnitt des Stabes vorübergehend zum Schmelzen kommt. Die oxydierende Atmosphäre dient hier nur zur Bildung einer aus gewissen Gründen erwünschten dünnen Oxydschicht an der Staboberfläche, die ihrerseits den weitaus größten Teil des geschmolzenen Siliciums vor der Einwirkung der oxydierenden Gase schützt. Die Reinigung selbst erfolgt auf an sich bekannter Art ohne Überführung der Verunreinigungen in ihre Oxyde. Es ist klar, daß hier keine Parallelen zu dem Verfahren nach der Erfindung bestehen. Bei der Durchführung des \^erfahrens nach der Erfindung arbeitet man wie folgt: Das Rohsilicium wird kontinuierlich aus dem Ofen in eine großräumige Gießpfanne abgezogen, wo es sich sammelt. Unmittelbar oberhalb der Gießpfanne ist ein Brenner mit oxydierender Flamme derart angeordnet, daß der Strahl des flüssigen Siliciums nach dem Austreten aus dem Ofen die oxydierende Flamme durchstreicht. Die Flamme bleibt mit der in der Gießpfanne enthaltenen Metallschmelze bis zu dem Moment in Berührung, bei dem das gereinigte Silicium in Barren vergossen wird. In der Zeichnung ist eine aus dem Metallmantel 1 und der feuerfesten Auskleidung 2 bestehende Gießpfanne dargestellt, die im oberen Teil durch einen Deckel 3 abgeschlossen ist. Durch eine Öffnung des letzteren wird der Brenner 4 derart eingeführt, daß sich seine Flamme 5, die durch die Zuleitung 6 und 7 für Brennstoff und Luft gespeist wird, nach unten erstreckt. Der kontinuierliche Strahl aus flüssigem Rohsilicium 8, der aus dem Erzeugungsofen (nicht dargestellt) austritt, durchstreicht nun die Flamme 5 beim Eintreten in die Gießpfanne bei 9. Ist die Pfanne gefüllt, so zieht man von der Oberfläche der Schmelze die Schlacke ab und vergießt das gereinigte Silicium in Barren. Das folgende Beispiel erläutert die praktische Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Beispiel Aus einem zur Gewinnung von etwa 650 kg Silicium je Stunde bestimmten Ofen wird das flüssige Rohsilicium kontinuierlich in eine Gießpfanne abgestochen, die mit einer Auskleidung von gestampfter Kieselsäure versehen ist und 700 kg flüssiges Metall faßt. Der Brenner, durch dessen nach unten gerichtete Flamme der Schmelzstrahl hindurchstreicht, ist ein ölbrenner, der je Stunde etwa 150 m3 Verbrennungsluft und 45 kg Heizöl verbrennt. Das Rohsilicium tritt aus dem Erzeugungsofen mit einer Temperatur von etwa 1800° C aus. Das Verfahren führt zu folgendem Ergebnis: RohsiliciumGereinigtes SiliciumUnlöslichO,12°/o 0,06 %0,08 % 0,06°/» 0,47 °/oTitanV «&5°/p0,31% 0,12%Eisen 97^%0,06% 98,90%Aluminium Calcium KohlenstoffSilicium Die obigen Analysenwerte sind Mittelwerte aus mehreren Analysen, wobei die Proben dem Rohsilicium beim Austritt aus dem Ofen bzw. dem gereinigten Silicium am Überlaufen der Gießpfanne beim Vergießen zu Barren abgenommen wurde. Wie ersichtlich, liegt der Calciumgehalt des erfindungsgemäß gereinigten Siliciums weit unterhalb 0,30%, und der Gesamtgehalt an Ti, Al und Ca zusammen von 0,49% erlaubt die Verwendung des gereinigten Metalls für die Herstellung von Siliciumblechen. Auch der Kohlenstoffgehalt ist stark gesenkt. Der Gehalt an Eisen, Calcium und Aluminium kann weiterhin verringert werden, wenn man Flußmittel benutzt, die Alkalisalze enthalten. P \TENTA"SPRÜCHEAccording to another known method, silicon intended for use as a semiconductor is purified by heating it in the form of a rod in an oxidizing atmosphere, a short section of the rod being temporarily melted. The oxidizing atmosphere only serves to form a thin oxide layer on the rod surface, which is desirable for certain reasons, and which in turn protects the vast majority of the molten silicon from the effects of the oxidizing gases. The cleaning itself takes place in a manner known per se without converting the impurities into their oxides. It is clear that there are no parallels here with the method according to the invention. When carrying out the method according to the invention, one works as follows: The raw silicon is continuously withdrawn from the furnace into a spacious pouring ladle, where it collects. Immediately above the ladle, a burner with an oxidizing flame is arranged in such a way that the jet of liquid silicon passes through the oxidizing flame after exiting the furnace. The flame remains in contact with the molten metal contained in the ladle until the moment when the cleaned silicon is poured into bars. In the drawing, a ladle consisting of the metal jacket 1 and the refractory lining 2 is shown, which is closed in the upper part by a cover 3. The burner 4 is introduced through an opening in the latter in such a way that its flame 5, which is fed through the supply lines 6 and 7 for fuel and air, extends downward. The continuous jet of liquid raw silicon 8, which emerges from the production furnace (not shown), now passes through the flame 5 as it enters the ladle at 9. When the ladle is full, the slag is drawn off the surface of the melt and it is poured purified silicon in ingots. The following example illustrates the practical implementation of the method according to the invention. EXAMPLE The liquid raw silicon is continuously tapped from a furnace designed to obtain about 650 kg of silicon per hour into a pouring ladle which is lined with tamped silica and holds 700 kg of liquid metal. The burner, through whose downward directed flame the melt jet passes, is an oil burner that burns around 150 m3 of combustion air and 45 kg of heating oil per hour. The raw silicon exits the production furnace at a temperature of around 1800 ° C. The method leads to the following result: Crude silicon Purified silicon Insoluble 0.12% 0.06% 0.08% 0.06% / »0.47 ° / o TitaniumV« & 5 ° / p0.31% 0.12% Iron 97 ^% 0.06% 98.90% Aluminum Calcium CarbonSilicon The above analysis values are mean values from several analyzes, whereby the samples were taken from the raw silicon when it exited the furnace and from the cleaned silicon when it overflowed the ladle when it was poured into bars. As can be seen, the calcium content of the silicon purified according to the invention is well below 0.30%, and the total content of Ti, Al and Ca together of 0.49% allows the purified metal to be used for the production of silicon sheets. The carbon content is also greatly reduced. The iron, calcium and aluminum content can be further reduced by using fluxes containing alkali salts. P \ TENTA "PROBLEMS 1. Verfahren zum Reinigen von Silicium, insbesondere des bei der Reduktion von Kieselsäure anfallenden Rohsiliciums, oder von verunreinigtem Ferrosilicium durch Behandeln mit oxydierenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß man das flüssige verunreinigte Silicium bzw. Ferrosilicium im dünnen Strahl eine oxydierende Flamme durchstreichen läßt und die Oberfläche der so gereinigten Schmelze bis zum Vergießen mit der Flamme in Berührung hält.1. Process for the purification of silicon, in particular that in the reduction of silica accruing raw silicon, or contaminated ferrosilicon by treating with oxidizing Gases, characterized in that the liquid contaminated silicon or ferrosilicon an oxidizing flame can be passed through in a thin beam and the surface of the cleaned Keeps the melt in contact with the flame until it is poured. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das aus einem Dreiphasen-Elektroofen zur Kieselsäurereduktion abgestochene Rohsilicium eine in die Gießpfanne hineinragende Heizöl- oder Gasflamme durchstreichen läßt, mit der die Oberfläche der sich ansammelnden Schmelze bis zum Abstechen der gebildeten Schlackenschicht und nachfolgenden Vergießen des gewonnenen Reinsiliciums in Berührung bleibt.2. The method according to claim 1, characterized in that the one from a three-phase electric furnace raw silicon tapped for silica reduction a protruding into the ladle Fuel oil or gas flame can be crossed out with which the surface of the accumulating Melt until the slag layer formed is tapped and the subsequently poured obtained pure silicon remains in contact. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man dem flüssigen Silicium bzw. Ferrosilicium alkalisalzhaltige Flußmittel zusetzt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the liquid silicon or ferrosilicon adds flux containing alkali salts. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 944 571;
Considered publications:
German Patent No. 944 571;
britische Patentschriften Nr. 690 243, 749 423;
französische Patentschriften Nr. 1 131 796.
British Patent Nos. 690 243, 749 423;
French patent specification No. 1,131,796.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings ® 909 610/362 8. 59 ® 909 610/362 8. 59
DEP19591A 1956-11-05 1957-11-04 Process for cleaning silicon Pending DE1064486B (en)

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FR725075 1956-11-05

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