DE1767615C - Vorrichtung zur Herstellung eines linsenförmigen Granulates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines linsenförmigen Granulates, insbesondere eines Granulates eines hochreinen Stoffes, z. B. eines Halbleitermaterials.

Für die Anwendung von zahlreichen festen Stoffen, wie Metallen, Metall-Legierungen, Verbindungen, Halbleitern oder Nichtmetallen, die beispielsweise durch Schmelzen, Verdampfen, Lösen oder chemische Umsetzung für die Weiterverarbeitung umgebildet werden, ist die Verwendung von kompaktem großstückigem Material meist unzweckmäßig, weshalb solche Stoffe vor der Weiterverarbeitung in kleinere gekörnte Teilstücke übergeführt werden. Zahlreiche mechanische Zerkleinerungsmethoden unter Benutzung von Mühlen, Brechern, Walz- und Schlagwerken od^r Kollergängen sind allgemein bekannt und werden überall angewendet.

Legt man auf eine gleichmäßige Korngröße Wert und will man Abfall und Verunreinigungen während der Zerkleinerung nach Möglichkeit vermeiden, ist es vielfach zweckmäßiger, an Stelle der mechanischen Zerkleinerung Granalien aus einer Schmelze zu erzeugen.

Dies gilt besonders für die Zerkleinerung von hochreinem Material, z. B. von Halbleitermaterial oder von hochreinen Metallen, wofür mechanische Zerkleinerungsmethoden im allgemeinen ungeeignet sind, weil bei ihnen stets auch Staub und Abrieb von den Zerkleinerungsvorrichtungen entstehen. Aber auch solche Verfahren, die Granalien aus einer Schmelze durch Abtropfenlassen und anschließende Kühlung in einem gasförmigen oder flüssigen Medium erzeugen, können die Aufnahme von Verunreinigungen während der Zerteilung und Kühlung meistens nicht völlig ausschließen. Wenn nun solche hochreinen Stoffe Verunreinigungen nur in der Größenordnung von wenigen ppm oder noch darunter enthalten dürfen, erweisen sich deshalb die bekannten Verfahren der Zerkleinerung durch Granulation aus einer Schmelze ebenfalls oft als unzureichend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung eines linsenförmigen Granulates zu schaffen, die ermöglicht, auch hochreine Stoffe, wie z. B. Halbleitermaterial, zu granulieren, ohne daß während der Zerkleinerung Verunreinigungen auftreten, durch die diese Stoffe nicht mehr den an sie gestellten Reinheitsfo>-derungen entsprechen wurden. Das Granulat soll nicht nur eine möglichst einheitliche geometrische Abmessung aufweisen, um ein möglichst gleichmäßiges späteres Wiederaufschmelzen zu erzielen, sondern auch eine möglichst gleichmäßige Molekularstruktur zeigen, um reproduzierbaie Halbleitereigenschaften, die wesentlich von der Molekularstruktur abhängig sind, zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, die gekennzeichnet ist durch em zylinder^ miges, senkrecht angeordnetes, evakuierbares defäß mit als Schliffverbindung ausgebildeter oberer Einfüllöffnung, an der im Innern des Gefilßes eine Auffangschale nit einem Überlauf befestigt ist, einem im unteren Teil des Gefäßes befindlichen drehbaren Teller, der mit einer vakuumdicht in Hülsen laufenden hohlen Welle verbunden ist, wobei diese Welle ein Roh: für die Kühlmittelzuleitung enthält und sdbst als Kuh mittelableitung dient, durch einen über dem Teller angeordneten Abstreifer und einen am unteren Teil des Gefäßes seitlich angeordneten Tubus.

Durch die Vorrichtung nach der Erfindung wird erreicht, daß das zu zerkleinernde Material unmittelbar im Anschluß an ein Reinigungsverfahren, etwa eine Destillation, aufgeteilt wird, ohne zwischenzeitlich mit anderen Stoffen in Berührung gekjrimen zu sein. In der Vorrichtung erfolgt die Abkühlung der Tropfen im Vakuum, wodurch eine Aufnahme von Verunreinigungen aus oder eine chemische Reaktion mit einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel völlig verhindert wird. Der Kontakt mit den Gefäßwänden oder dem Kühlteller ist auf kürzeste Zei'en beschränkt.

Durch den dosierenden Überlauf und die gleichbleibende "hiiilhöhe wird eine gleichbleibende geometrische Form der Granalien erzielt, und die gleichbleibenden Abkühlungsbedingungen während der Erstarrung der Tropfen auf dem Teller erzeugen eine gleichmäßige Molekularstruktur der festen Phase. Dadurch werden ein gleichmäßiges Wiederaufschmelzen und eine Weiterverarbeitung mit einstellbaren und reproduzierbaren Eigenschaften ermöglicht.

An Hand eines Ausführungsbeispiels, das die Figur in nicht maßstäblicher Darstellung zeigt, soll die Vorrichtung nach der Erfindung näher beschrieben werden. Der zu granulierende Stoff, beispielsweise Selen, ^ as bereits in möglichst hoher Reinheit vorliegt, wird bei einem Druck von 10"¹ bis 1(H Torr destilliert. Als Vorlage dient hierbei die Vorrichtung nach der Erfindung, die mit einer als Schliffverbindung ausgebildeten oberen Einfüllöffnung 1 an den Kühler der Destillationseinrichtung angeschlossen wird und in einer Auffangschale 2 mit Überlauf 3 das Destillat sammelt.

Die Destillationsgeschwindigkcit wird dabei so eingestellt, daß die Tropfenfolge aus dem Überlauf 3 etwa 1 bis 10, vorzugsweise 3 bis 5 Tropfen in der Sekunde beträgt. Die Temperatur am Überlauf soll 230 bis 500° C₁ bei einer Selendestillation vorzugsweise 280 bis 300⁰C betragen.

Aus dem Überlauf 3 tropft das Destillat ab und fällt auf einen Teller 4, dessen Durchmesser etwa 3 bis 5 cm beträgt und der an einer drehbaren hohlen Welle 5 befestigt ist. Die Welle 5 läuft vakuumdicht in einer Hülse 6 und einer Hülse 7 und wird über ein Rad 8 von der Antriebswelle 9 eines Motors angetrieben. Die Umdrehungsgeschwindigkeit beirägt 1 bis 50 U/min, vorzugsweise etwa 10 U/min.

Der Teller 4 wird über eine Kühlvorrichtung 10 mit einem sich eine

dampfungszwecke hergestellt werden, wie man es bekanntlich unter anderem als Doüerstoff fur Selengleichrichter benötigt, wird das zu granulierende Gallium zweckmäßigerweise im oberen Teil der Vorrichtung mit Warmluft aufgeschmolzen Das flüssige Gallium tropft dann über den Überlauf auf den am etwa -20⁰C gekühlten Drehteller, der mit =· Kryostaten in Verbindung steht, bei dem

- w ««. B.u.u»_Unu:.,iuii_B i» luiL Füllung etwa mit Silikonöl bewährt hat.

Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gekühlt. Das io Die Größe der Galliumtropfen und damit auch die Kühlmittel steigt in einem Rohr 11 empor, umspült die Größe der einzelnen Granalien entspricht der Menge, Innenwand des Tellers 4, fließt durch die hohle Welle 5 die für eine Dotierung erforderlich ist oder aucn einem zurück und verläßt die Kühlvorrichtung über einen aliquoten Teil davon. Da die TropfengroUe eine hohe Auslaufstutzen 12.

Sobald die Tropfen des Destillates auf den Teller 4 auftreffen, erstarren sie und bilden ein linsenförmiges Granulat, dessen Korngröße vom Rohrdurchmesser des Überlaufs 3, von derTempera'ur des Tropfens und von der Temperatur des Tellers abhängig ist. Zweckmäßigerweise beträgt der Durchmesser der auf dem ao Teller während dessen Drehung erstarrenden Tropfen, die dann Linsenform zeigen, 3 bis 10 mm, vorzugsweise etwa 5 mm. Diese Größe hat sich für das Wiederaufschmelzen und die Weiterverarbeitung als besonders günstig erwiesen.

Nach dem Erstarren wird das linsenförmige Granulat durch einen Abstreifer 13 von dem Teller 4 in einen unteren, seitlich angeordneten Tubus 14 übergeführt, Gleichmäßigkeit aufweist, ist für die Verwendung einer bestimmten kleinen Menge in der Praxis im allgemeinen ein Auszählen der einzelnen Granalien, und zwar in der Regel nur von einigen wenigen Granalien, völlig ausreichend, wodurch w ' eine verhältnismäßig umständliche Wägung der seh; kleinen Gewichtsmengen, die etwa 2 bis 4 mg betragen, verzichtet werden kann.

Als weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungs gemäßen Vorrichtung sei die Granulierung voi, Thallium(I)-sulfid angeführt.

hine Aufteilung von Thallium(I)-sulfid in kleinere Teilchen ist schwierig, weil dabei an der Luft leicht eine Oxydation zu Thaliium(I)-sulfat eintritt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, diese unerwünschte Oxydation während der Aufteilung auszu-

an dessen Kugelschliff 15 sich ein Auffanggefäß be- ™..o. „..,__ -

findet, aus dem in diskontinuierlicher Abnahme jeweils 30 schalten. Hierzu wird ein ReaktionsgetaU, das das etwa 500 bis 1000 g Selen abgezogen werden. Gegebe- Thallium(l)-sulfid enthält, mit der Vorrichtung die

nenfalls wird als Auffanggefäß eine sogenannte Spinne benutzt, falls es wünschenswert oder notwendig ist, einzelne Fraktionen, die bei verschiedenen Temperaturen übergegangen sind, voneinander zu trennen.

Der Abstreifer 13 besteht aus glanzverchromtem Stahlblech oder einem rostfreien Stahlblech mit glatter polierter Oberfläche, für die übrigen Teile der Vorrichtung wird bei einer Selengranulation als Werkstoff Quarzglas gewählt.

In ebenfa"s vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung außer zur Herstellung von gekörntem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Selen, auch zur Granulierung von hochreinen Metallen, wie etwa Gallium, oder von Metall-Legierungen, wie etwa Zinn-Cadmium-Legi»rungen, oder von Nichtmetallen, wie etwa Schwefel, oder von Verbindungen mit Nichtmetall, wie etwa Thallium(I)-sulfid, verwendet werden.

In allen diesen Fällen erweist sich die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung insofern als vor- w teilhaft, als die jeweiligen Schmelzen in kleinen Aufteilungen zum Erstarren gebracht werden, ohne daß hierzu eine Granulierflüssigkeit erforderlich wäre. Da die Vorrichtung unmittelbar an eine Destillationsdabei zweckmäßigerweise mit Wasserstoff als Schutzgas gefüllt ist, verbunden. Aus dem Reaktionsgefäß fließt dann flüssiges Thallium(l)-sulfid in das Auffang-

gefäß 2 und tropft von dort aus dem Überlauf 3 auf den Drehteller 4, der in diesem Fall z. B. mit Wasser gekühlt wird. Die Tropfen erstarren auf dem Drehteller 4 zu kristallinen Schuppen. Eine Oxydation zu Thal!ium(I)-sulfat ist während der Aufteilung und

Granulation des ThalliumilJ-sulfids mit Sicherheit ausgeschlossen.

Schließlich sei noch als Beispiel für eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Granulieren von Zinn-Cadmium-Legierungen erwähnt. Bei nichteutektischen Legierungen von Zinn und Cadmium besteht beim Erstarren in großen Mengen, z. B. beim Kokillenguß, zumal wenn die Abkühlung langsam vor sich geht, die Gefahr der Entmischung der in der flüssigen Phase homogenen Legierung. Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird Jiese Gefahr der Entmischung der Legierungspartner jedoch ausgeschaltet, weil eine rasche Abkühlung ermöglicht wird. Hierzu wird die Vorrichtung mit dem Schmelz- und Homogenisierungsgefäß verbunden, in

anlage angeschlossen wird, sind Verunreinigungen 55 dem die Legi-rung aufgeschmolzen wird und dann im während des Erstarrungsvorganges ausgeschlossen. flüssigen Zustand oberhalb der Liquiduslinie Homogenität aufweist. Diese Homogenität bleibt während der anschließenden Granulation in der Vorrichtung erhalten, da durch das Abschrecken auf dem Drehteller 60 die Abkühlung so schnell erfolgt, daß es nicht zu einer Entmischung der Legierungspartner kommen kann.

Dabei kann sowohl im Vakuum als auch untov Schutzgas gearbeitet werden. Die Größe der gebildeten Granalien läßt sich dem beabsichtigten Verwendungszweck recht genau anpassen.
Soll beispielsweise ein Galliumgranulat für Ver-

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung eines linsenförmigen Granulates, insbesondere eines Granulates eines hochreinen Stoffes, gekennzeichnet durch ein zylinderförmiges, senkrecht angeordnetes, evakuierbares Gefäß mit als Schliffverbindung ausgebildeter oberer Einfüllöffnung (1), an der im Innern des Gefäßes eine Auffangschale (2) mit einem Überlauf (3) befestigt ist, einem im unteren Teil des Gefäßes befindlichen drehbaren Teller (4), der mit einer vakuumdicht in Hülsen (6,7) laufenden hohlen Welle (5) verbunden ist, wobei diese Welle (5) ein Rohr (11) für die Kühlmittelzuleitung enthält und selbst als KüVilmittelableiturg dient, durch einen über dem Teller (4) angeordneten Abstreifer (13) und einen am unteren Teil des Gefäße; seitlich angeordneten Tubus (14). ao

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß aus Quarzglas besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstreifer (13) aus einem glanzverchromten Stahlblech oder einem rostfreien Stahlblech mit glatter polierter Oberfläche besteht.