DE3688304T2

DE3688304T2 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von metallischem silicium hoher reinheit.

Info

Publication number: DE3688304T2
Application number: DE8686401144T
Authority: DE
Inventors: Fukuo Aratani; Tsuyoshi Fukutake
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1986-05-29
Publication date: 1993-08-05
Anticipated expiration: 2006-05-30
Also published as: EP0208567A2; EP0208567B1; KR930005316B1; NO862115L; CA1308233C; EP0208567A3; DE3688304D1; NO172228B; AU5799986A; NO172228C; KR860009152A; AU599316B2; JPS61275124A; JPH0417889B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium, wie es beispielsweise in Solarzellen verwendet wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wirksamen und wirtschaftlichen Herstellung von hochreinem metallischem Silicium aus gepulvertem Siliciumdioxid.
Üblicherweise wurde metallisches Silicium oder Ferrosilicium bisher in Lichtbogenöfen aus einem Gemisch von Siliciumdioxid (Kieselerde) und Kohlenstoff hergestellt. Um eine ausreichende Ventilation zu gewährleisten und den Wirkungsgrad der Reduktionsreaktion in dem Hochtemperaturbereich des Ofens zu verbessern, wurde es bisher als wesentlich angesehen, große Körnchen oder Massen von Siliciumdioxid zu verwenden.
Andererseits besteht neuerdings eine steigende Nachfrage nach metallischem Silicium hoher Reinheit, insbesondere eines solchen mit einer Reinheit von mehr als 99,999%. Ein solches hochreines metallisches Silicium hat viele Anwendungsbereiche, dazu gehören Solarzellen. Gereinigtes natürliches Siliciumdioxid (Kieselerde) wird üblicherweise als Quelle für Siliciumdioxid verwendet. Dieses gereinigte Siliciumdioxid wird im allgemeinen pulverisiert oder granuliert bis zu einer Korngröße von weniger als mehreren mm. Daher ist, um dieses gereinigte Siliciumdioxid als Siliciumdioxid-Quelle in der konventionellen Vorrichtung verwenden zu können, eine zusätzliche Verfahrensstufe zur ausreichenden Erhöhung der Korngröße des gereinigten Siliciumdioxids erforderlich. Dies führt offensichtlich zu höheren Produktionskosten und kann auch die Reinheit des Quellenmaterials herabsetzen.
Um diese Probleme des Standes der Technik zu eliminieren, wurde in der japanischen ersten Patentpublikation (Tokkai) Showa 57-111223 ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium vorgeschlagen. Aber auch das vorgeschlagene verbesserte Verfahren bedingt noch, daß ein Teil der als Ausgangsmaterial eingesetzten Siliciumdioxid-Quelle eine Korngröße von 3 bis 12 mm hat.
Ein anderes verbessertes Verfahren zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium ist in der japanischen ersten Patentpublikation (Tokkai) Showa 58-69 713 beschrieben. In dem darin beschriebenen Verfahren findet die Reaktion zwischen Siliciumdioxid und Kohlenstoff in einem Hochtemperatur-Plasmastrahl statt, der das resultierende Produkt auf eine Kohlenstoffschicht transportiert. Bei dem darin vorgeschlagenen Verfahren wird eine große Menge an Siliciumcarbid als Ergebnis der Umsetzung mit der Kohlenstoffschicht erzeugt. Das erzeugte Siliciumcarbid neigt dazu, sich innerhalb der Kohlenstoffschicht anzureichern und die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffkörnchen zu füllen, wodurch eine weitere Reaktion verhindert wird. Wegen dieses Mangels ist das in der japanischen ersten Patentpublikation 58-69 713 vorgeschlagene Verfahren noch nicht geeignet für die Herstellung von hochreinem metallischem Silicium.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium zur Verfügung zu stellen, bei denen feinkörniges Siliciumdioxid verwendet werden kann, ohne daß weitere Vorbehandlungsstufen zur Vergrößerung der Korngröße erforderlich sind.
Die obengenannten und weitere Ziele der Erfindung werden erreicht mit einem Verfahren zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium, das umfaßt eine Stufe der Herstellung einer Mischung aus mindestens einem Vertreter aus der Gruppe Kohlenstoff und einer Kohlenstoff enthaltenden Substanz und mindestens einem Vertreter aus der Gruppe Siliciumdioxid und Siliciumcarbid, eine Stufe der Einführung der resultierenden Mischung in einen Lichtbogenofen und der direkten Einspritzung eines Materials einschließlich Siliciumdioxid und Siliciumoxid in einen Hochtemperaturbereich, in dem die Siliciumoxide reduziert werden unter Bildung von metallischem Silicium.
Durch die direkte Einspritzung des Siliciumdioxid- und Siliciumoxid-Materials in den Hochtemperaturbereich des mit der obengenannten Mischung beschickten Ofens wird eine Reaktion zwischen dem Siliciumdioxid oder Siliciumoxid und Kohlenstoff oder Siliciumcarbid induziert unter Erzeugung von metallischem Silicium oder Siliciumoxid.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des obengenannten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Düse zum Einblasen des Siliciumdioxids oder Siliciumoxids. Die Düse weist ein Ende auf, das auf den Lichtbogen-Bildungsbereich zwischen einem Paar Elektroden des Lichtbogenofens gerichtet ist.
Wie allgemein bekannt, kann die Gesamtreaktion durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
SiO&sub2; + 2C → Si + 2CO (1)
Es wird jedoch angenommen, daß während der Reaktion, wie sie durch die Gleichung (1) dargestellt ist, tatsächlich die folgenden Reaktionen gleichzeitig ablaufen:
SiO&sub2; + C → SiO + CO (2)
SiO + 2C → SiC + CO (3)
SiO&sub2; + 3C → SiC + 2CO (4)
SiO + C → Si + CO (5)
SiC + SiO&sub2; → Si + SiO + CO (6)
Si + SiO&sub2; → 2SiO (7)
SiO + SiC → 2Si + CO (8)
Da pulverförmiges Siliciumdioxid als Quellenmaterial verwendet und in den Ofen eingeführt wird, in dem die obengenannten Reaktionen ablaufen, wird während des Erhitzens des Materials bei der durch die Gleichung (2) dargestellten Reaktion eine große Menge Siliciumoxid gebildet, da pulverförmige Materialien im allgemeinen höhere Dissoziationskonstanten als massive Materialien aufweisen. Da Siliciumoxid einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck hat, neigt es dazu, aus dem Ofen zu entweichen, wodurch die Ausbeute verringert wird. Außerdem reagiert, wie in der Gleichung (4) dargestellt, das restliche Siliciumdioxid mit Kohlenstoff unter Bildung von Siliciumcarbid, das die Neigung hat, sich am Boden des Ofens anzureichern, wodurch der Produktionswirkungsgrad verringert wird.
In dem obengenannten erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Mischung aus Kohlenstoff und/oder einer Kohlenstoff enthaltenden Substanz, wie Pech, oder anderen organischen Verbindungen und Siliciumcarbid und/oder Siliciumdioxid in den Ofen eingeführt. Außerdem wird das gepulverte Siliciumdioxid in Form eines Aerosols direkt in den Bereich des Ofens mit der höchsten Temperatur eingespritzt. Durch Einspritzen von Siliciumdioxid in den Bereich mit der höchsten Temperatur werden die durch die Gleichungen (6), (7) oder (2) dargestellten Reaktionen gefördert und auf diese Weise entstehen Silicium und gasförmiges Siliciumoxid. Das gasförmige Siliciumoxid reagiert dann nach den Gleichungen (3) und (8) mit dem Kohlenstoff oder Siliciumcarbid in der Mischung, die ihrerseits nach der Gleichung (4) Siliciumcarbid bildet, unter Bildung von Silicium und/oder Siliciumcarbid. Das so gebildete Siliciumcarbid reagiert erneut mit dem in den Lichtbogenbereich des Ofens eingespritzen Siliciumdioxid oder Siliciumoxid entsprechend den Gleichungen (6) und (8).
Wie daraus hervorgeht, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine bemerkenswert hohe Ausbeute in dem Verfahren zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium erzielt werden.
Außerdem kann erfindungsgemäß durch Einstellung der Menge des in den Ofen eingespritzten Siliciumdioxid- oder Siliciumoxid-Quellenmaterials die Menge an Siliciumcarbid im Boden des Ofens, die zur Durchführung der Reaktion erforderlich ist, eingestellt werden. Dies bedeutet seinerseits, daß durch geeignete Einstellung der Menge an Siliciumdioxid- oder Siliciumoxid-Quellenmaterial die Menge an Siliciumcarbid, die sich im Boden des Ofens anreichert, kontrolliert (gesteuert) werden kann. Dies erlaubt den kontinuierlichen Langzeitbetrieb des für die Herstellung von hochreinem metallischem Silicium verwendeten Ofens.
Wenn die einzuführende Mischung aus Kohlenstoff oder eine Kohlenstoff enthaltende Substanz und Siliciumcarbid besteht, ist das Molverhältnis C/SiC in der Mischung vorzugsweise > 1/2. Wenn andererseits die Mischung aus Kohlenstoff oder einer Kohlenstoff enthaltenden Substanz und Siliciumdioxid besteht, ist das Molverhältnis C/SiC vorzugsweise > 3,5. Die obengenannten C/SiC-Molverhältnisse halten die Siliciumverluste bei einem Wert < 15%. Ein Vergleich mit den Siliciumverlusten bei dem Stand der Technik zeigt, daß die Ausbeute an metallischem Silicium in diesem Verfahren beträchtlich verbessert ist. Die erfindungsgemäß erzielte Ausbeute kann weiter verbessert werden durch Sammeln und erneutes Einspritzen des gasförmigen Siliciumoxids, das sonst in die Atmosphäre entweichen würde.
Außerdem kann durch Einführen der Mischung aus dem Kohlenstoff oder der Kohlenstoff enthaltenden Substanz und Siliciumoxid oder aus Kohlenstoff oder der Kohlenstoff enthaltenden Substanz und Siliciumcarbid die Wärme in dem Ofen, d. h. die Reaktionswärme des gebildeten Gases, wirksam ausgenutzt werden zum Erhitzen des Materials, um die erforderliche Reaktionswärme herbzusetzen. Dies erleichtert die Erhöhung oder das Halten der Temperatur in dem Lichtbogen- Bereich und dadurch läuft das Siliciumherstellungsverfahren leichter ab. Ferner wird dadurch die Menge an in dem Ofen erzeugtem Gas vermindert und dadurch die Ventilation erleichtert.
In der Praxis wird die Siliciumdioxid- und/oder Siliciumoxid-Quelle in pulverförmigem Zustand in den Lichtbogenbereich des Ofens zusammen mit einem Trägergas eingespritzt, bei dem es sich um ein nicht-oxidierendes Gas, wie Ar, H&sub2;, N&sub2; oder dgl., handeln sollte.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Düse zum Einspritzen des Siliciumdioxids und/oder Siliciumoxids aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid. Das Einspritzende der Düse, das hohen Temperaturen von beispielsweise mehr als 2000ºC ausgesetzt ist, neigt dazu, mit dem Einspritzmittel zu reagieren. Nachdem die Düse durch die Reaktion entlang ihrer Länge bis zu einem gegebenen Ausmaß reduziert worden ist, sinkt die Temperatur am Einspritzpunkt auf den Bereich von 1700 bis 1800ºC und auf diese Weise hört die Düse auf, mit dem Einspritzmittel zu reagieren. Es entsteht daher kein signifikanter Effekt aus der Reaktion zwischen der Düse und den anderen Reagentien in dem Hochtemperatur-Bereich.
Die Beschickungsmischung liegt in Form von Pellets vor. Deshalb wird dann, wenn der Kohlenstoff oder die Kohlenstoff enthaltende Substanz und das Siliciumdioxid, welche die Mischung aufbauen, hochgereinigt sind und somit in einem feinpulvrigen Zustand vorliegen, eine ausreichende Korngrößenmasse aus diesem Material vorzugsweise vorher erzeugt durch Verwendung eines Bindemittels, wie Zucker, eines phenolischen Kunststoffs, von Stärke und dgl. Durch Erhöhung der Korngröße kann eine ausreichende Ventilation erzielt werden.
Durch Verwendung äußerer Heizeinrichtungen kann ferner der Hochtemperatur-Reaktionsbereich in dem Ofen erweitert werden. Dadurch wird die Ausbeute an hochreinem metallischem Silicium weiter verbessert. Dadurch wird auch der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens verbessert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann eine äußere Erhitzungseinrichtung das Erhitzen durch Hochfrequenz-Induktionserhitzen bewirken. Die äußere Erhitzungseinrichtung kann auf die Umfangswände des Ofens einwirken oder sie kann direkt auf die Beschickung, d. h. die Mischung aus Kohlenstoff und/oder einer kohlenstoffhaltigen Substanz und Siliciumdioxid und/oder Siliciumcarbid einwirken unter Erhitzen derselben bis auf eine Temperatur von > 1800ºC, vorzugsweise bis auf eine Temperatur von über 2000ºC.
Das mit dem Abgas aus dem Ofen entweichende gasförmige Siliciumoxid kann kondensieren, wenn sich das Abgas abkühlt, und kann somit auf geeignete Weise, beispielsweise in einem Filterbeutel, gesammelt werden. Wegen der verhältnismäßig geringen Korngröße des kondensierten Siliciumoxids neigt der Filter jedoch dazu, sich sehr leicht zu verstopfen. Um dieses Problem zu lösen, wird das Abgas in den Strom der in den Ofen einzuspritzenden Siliciumdioxid- Quelle eingespritzt, um eine Kondensation des Siliciumoxids auf dem Umfang des Siliciumdioxids zu bewirken, oder das Siliciumdioxid wird anderweitig kontinuierlich in den Abgas-Durchgang eingeführt, um die Kondensation des Siliciumoxids zu bewirken, wodurch die Siliciumdioxid-Körnchen als Kondensationskeime für das Siliciumoxid dienen. Das auf dem Siliciumdioxid kondensierende Siliciumoxid kann leicht mittels eines Zyklonseparators gesammelt und in den Ofen wieder eingespritzt werden. Dies ist viel bequemer zum wirksamen Sammeln oder Abtrennen des Siliciumoxids als das konventionelle Verfahren. In diesem Falle wird der Kopf des Ofens, durch den das Abgas entweicht, vorzugsweise bei einer Temperatur gehalten, die > 1700ºC ist, um zu verhindern, daß daran gasförmiges Siliciumoxid kondensiert.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachstehenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, näher beschrieben, diese sollen jedoch keineswegs die Erfindung beschränken, sondern dienen lediglich der Erklärung und dem Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erläuternde Darstellung eines Teils einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium zur Durchführung des bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine fragmentarische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3 eine fragmentarische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 eine fragmentarische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine fragmentarische Darstellung der Gesamtstruktur der Vorrichtung, auf welche die ersten bis vierten Ausführungsformen anwendbar sind; und
Fig. 6 eine erläuternde Darstellung des Hauptteils der Vorrichtung als Modifikation des in Fig. 5 dargestellten Aufbaus.
Nachstehend wird Bezug genommen auf die Zeichnungen, insbesondere die Fig. 1, die einen Hauptabschnitt eines Lichtbogenofens erläutert, der eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium und zur Durchführung des bevorzugten Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein Ofenkörper 10 besteht im allgemeinen aus einem schwerschmelzbaren (feuerfesten) Graphitmaterial und er begrenzt im Innern eine Reaktionskammer 12. Innerhalb der Reaktionskammer 12 sind obere und untere Lichtbogenelektroden 14 und 16 angeordnet. Die oberen und unteren Lichtbogenelektroden 14 und 16 weisen Lichtbogen bildende Enden 14a und 16a auf, die über einen vorgegebenen Zwischenraum 18 hinweg einander gegenüberstehen. Der Zwischenraum 18 zwischen den Lichtbogen-bildenden Enden 14a und 16a stellt einen Lichtbogen-bildenden Bereich dar.
Die obere Elektrode 14 liegt in Form einer hohlen zylindrischen Hülle vor und begrenzt somit einen Weg 20, durch den Siliciumdioxid oder Siliciumoxid, suspendiert in Form eines Aerosols, in einem Trägergas strömt. Das Trägergas ist ein nicht-oxidierendes Gas, wie Ar, H&sub2;, N&sub2; und dgl. Der Weg 20 öffnet sich in dem Lichtbogen-Bildungsbereich 18, wobei die Mischung aus dem Trägergas und dem pulverförmigen Siliciumdioxid und/oder Siliciumoxid ausgetragen wird.
Andererseits wird als Beschickung in den Ofen eine Mischung 22 aus Kohlenstoff und/oder einer Kohlenstoff enthaltenden Substanz und Siliciumdioxid und/oder Siliciumcarbid in die einen Lichtbogen bildende Kammer 12 eingeführt. Die Beschickungsmischung 22 muß mindestens den unteren Bereich des Ofens der den des Lichtbogen-bildenden Bereich umfaßt, füllen, so daß das Siliciumdioxid und/oder Siliciumoxid mit dem Kohlenstoff und/oder der Kohlenstoff enthaltenden Substanz in der Beschickungsmischung 22 reagiert. Das bei der Reaktion gebildete metallische Silicium sammelt sich in dem Boden 24 der Reaktionskammer 12 und fließt durch einen Auslaß 26 im Boden des Ofenkörpers 10 ab.
Eine Heizschlange 28 ist um den Ofenkörper 10 herumgewickelt. Die Heizschlange 28 dient dazu, ein Hochfrequenz-Induktionserhitzen durchzuführen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heizschlange 28 so angeordnet, daß sie die Position der Beschickungsmischung 22 oberhalb des Lichtbogen-Bildungsbereiches bis auf eine Temperatur > 1800ºC, vorzugsweise > 2000ºC, erhitzt.
In der Praxis wird eine elektrische Gleichstromquelle an eine der oberen und unteren Elektroden 14 und 16 angelegt, um über den Lichtbogenbildungsbereich 18 hinweg einen Lichtbogen zu erzeugen. Eine Mischung aus Kohlenstoff und Siliciumcarbid in Form von Pellets mit einem Durchmesser von 8 bis 15 mm wird als Beschickungsmischung 22 verwendet. Die Pellets weisen auf der Innenseite eine Siliciumcarbidschicht und auf der Außenseite eine Kohlenstoffschicht auf. In dem H&sub2;-Gas, das als Träger dient, suspendiertes Siliciumdioxid wird in den Lichtbogenbildungsbereich 18 eingespritzt.
Unter diesen Bedingungen wurde hochreines metallisches Silicium hergestellt sowohl mit als auch ohne äußeres Erhitzen der Beschickung durch Hochfrequenz-Induktionserhitzen. Die allgemeinen Bedingungen des Betriebs der Vorrichtung sind folgende:
Molverhältnis C/SiC = 1:1
Einspritzrate des Siliciumdioxids = 5 kg/h
Strömungsrate von H&sub2; = 3 Nm³/h; und
elektrische Energie = 100 kW/h.
Es wurden erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in dem Ofen gemäß Fig. 1 durchgeführt. Bei dem konventionellen Reduktionsverfahren wurden Kohlenstoffpellets und Siliciumdioxid-Pellets in einem Molverhältnis C/SiC von 2/1 verwendet.
In der folgenden Tabelle I sind die Ergebnisse der experimentellen Reduktionen dargestellt. Tabelle I erfindungsgemäß (unter äußerem Erhitzen) (ohne äußeres Erhitzen) Vergl.-Beisp. gemäß Stand d. Technik Beschickungs-Konfiguration Pellet C/SiC-Molverhältnis Pellet-Zuführungsmenge SiO&sub2;-Einblasmenge Trägergas (H&sub2;) Ausbeute Elektrizität
Die Fig. 2 bis 4 zeigen zweite bis vierte Ausführungsformen der Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium gemäß der vorliegenden Erfindung. In den Fig. 2 bis 4 sind die Elemente mit dem gleichen Aufbau und mit der gleichen Funktion wie in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet und eine detaillierte Beschreibung der gemeinsamen Elemente wird daher weggelassen, um Wiederholungen zu vermeiden.
In der Fig. 2 steht eine obere Elektrode 30 mit einem einen Lichtbogen bildenden Ende 30a dem einen Lichtbogen bildenden Ende 16a der unteren Lichtbogenelektrode 16 gegenüber. Die obere Lichtbogenelektrode 30 liegt in Form eines festen Stabes vor und ist durch die Oberseite (Kopf) des Ofenkörpers 10 in die Reaktionskammer eingesetzt. Um das Quellen-Siliciumdioxid oder -Siliciumoxid einzuspritzen, ist eine Graphit-Zuführungsdüse 32 mit einem Durchgang 34 für das gepulverte Siliciumdioxid oder Siliciumoxid, das in dem Trägergas suspendiert ist, durch eine vertikale Wand 36 des Ofenkörpers 10 im wesentlichen horizontal eingesetzt, so daß ihr inneres Ende dem Lichtbogenbildungsbereich 18 zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der oberen und unteren Lichtbogenelektroden 30 und 16 gegenüberliegt.
Bei dieser Anordnung ist die obere feste Elektrode 30 stärker als die hohle zylindrische Elektrode der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1. Deshalb ist trotz der hohen Temperaturen in der Reaktionskammer die obere Elektrode 30 haltbarer für die Langzeitverwendung.
In der Fig. 3 ist ein Paar von Lichtbogenelektroden 40 und 42 koaxial horizontal ausgerichtet. Die Lichtbogenelektroden 40 und 42 stehen an ihren inneren Enden über einen gegebenen Zwischenraum 44 hinweg einander gegenüber, der als Lichtbogenbildungsbereich dient. Eine Quellenzuführungsdüse 46 erstreckt sich nach oben durch den Boden 48 des Ofenkörpers 10.
Wie bei der zweiten Ausführungsform kann die Lebensdauer der Elektroden verlängert werden, indem man eine getrennte Quellenzuführungsdüse vorsieht.
In der Fig. 4 erstreckt sich ein Paar von Elektroden 50 und 52 in die Reaktionskammer 12 hinein. Die Elektroden 50 und 52 sind schräg in Bezug auf die vertikale Achse des Ofenkörpers 10 angeordnet. Die inneren Enden 50a und 52a liegen einander indirekt gegenüber, wobei sie einen Lichtbogenbildungsbereich 54 begrenzen. Eine Zuführungsdüse 56 führt in den Lichtbogenbildungsbereich und spritzt das Siliciumdioxid oder Siliciumoxid in den Lichtbogenbildungsbereich 54 ein.
Die Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem metallischem Silicium gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ragt die Zuführungsdüse 60 durch den Boden 10a des Ofenkörpers 10 in die Reaktionskammer 12 hinein. Zwei Lichtbogenelektroden 62 und 64 sind koaxial horizontal aufeinander ausgerichtet und begrenzen den Lichtbogenbildungsbereich 18 zwischen ihren einander gegenüberliegenden Enden. Dieser Aufbau ist im wesentlichen der gleiche wie in bezug auf die Fig. 3 beschrieben.
Wie in Fig. 5 dargestellt, steht die Zuführungsdüse 60 mit einem Reservoir 66 in Verbindung, das mit gepulvertem Siliciumdioxid und/oder Siliciumoxid gefüllt ist. Das Reservoir 66 ist mit einer Trägergas-Einleitungsrohrleitung 68 verbunden, die das Trägergas, beispielsweise H&sub2;, zuführt. Daher wird das Siliciumdioxid oder Siliciumoxid durch einen Zuführungsdurchgang 70 von dem Trägergas getragen und durch die Zuführungsdüse 60 in den Lichtbogenbildungsbereich 18 eingespritzt. Das Reservoir 66 steht auch mit der Oberseite (Kopf) der Reaktionskammer 12 in dem Ofenkörper 10 in Verbindung durch eine Abgasrohrleitung 72, mit der das in der Reaktionskammer erzeugte Abgas, das gasförmiges Siliciumoxid enthält, eingeführt wird.
Innerhalb des Reservoirs 66 wird das gasförmige Siliciumoxid gekühlt und auf den Siliciumdioxid- oder Siliciumoxid-Teilchen kondensiert. Deshalb kann das gasförmige Siliciumoxid zusammen mit dem Siliciumdioxid oder Siliciumoxid in den Lichtbogenbildungsbereich im Kreislauf zurückgeführt werden. Das Abgas, das von der Siliciumoxid- Komponente abgetrennt worden ist, tritt durch einen Abgas- Auslaß 74 aus dem Reservoir 66 aus.
Mit dieser Anordnung kann die Herstellungsausbeute an hochreinem metallischem Silicium weiter verbessert werden, da das gasförmige Siliciumoxid auf wirksame Weise durch Rezirkulation durch die Reaktionskammer 12 zusammen mit dem Siliciumdioxid und/oder Siliciumoxid eingefangen werden kann.
Die Fig. 6 zeigt eine Modifikation der fünften Ausführungsform der Vorrichtung. Bei dieser Modifikation steht die Zuführungsdüse 60 (in Fig. 6 nicht dargestellt) durch den Zuführungsdurchgang 70 mit einem Zyklon 76 in Verbindung. Der Zyklon 76 ist durch die Abgasrohrleitung 72 auch mit dem Kopf der Reaktionskammer verbunden. Die Abgasrohrleitung 72 weist einen Einlaß 80 für das Aerosol aus Siliciumdioxid und/oder Siliciumoxid, das in dem Trägergas suspendiert ist, auf, welcher letzteres mit dem Abgas in dem Zyklon mischt.
Der Zyklon 76 ist auch bei dem Abgas-Auslaß 74 vorgesehen, durch den das von dem gasförmigen Siliciumoxid abgetrennte Abgas entweicht. Der Zyklon 76 kann auch mit einem Zuführungssteuerventil 82 zur Einstellung der Menge an Siliciumdioxid und/oder Siliciumoxid ausgestattet sein, die in den Lichtbogenbildungsbereich 18 eingespritzt werden soll, um so die Menge an gebildetem Siliciumcarbid zu kontrollieren, so daß das gesamte Siliciumcarbid an der Reaktion teilnehmen kann und kein Siliciumcarbid sich am Boden des Ofens anreichert.
Durch Einfangen des durch die Reaktion in dem Ofen gebildeten gasförmigen Siliciumoxids und durch Rezirkulieren desselben in den Lichtbogenbildungsbereich zusammen mit der Siliciumdioxid- und/oder Siliciumoxid-Quelle kann die Ausbeute bis auf etwa 99% weiter verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung erfüllt daher alle gesteckten Ziele und sie bietet alle gewünschten Vorteile.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von metallischem Silicium hoher Reinheit aus einem ersten Material, ausgewählt aus der Gruppe, die Kohlenstoff und kohlenstoffhaltige Substanz einschließt, einem zweiten Material, ausgewählt aus der Gruppe, die Siliciumcarbid und Siliciumdioxid einschließt, und als drittes Material gepulvertes Siliciumdioxid und Siliciumoxid, umfassend die Schritte:

Bilden einer Mischung der ersten und zweiten Materialien in Form von Pellets und Beschicken einer Reaktionskammer mit dieser Mischung;

Erzeugen eines elektrischen Bogens in einem Bogenbereich zwischen den Enden eines Paares von einander gegenüberliegenden und in einem unteren Bereich der Reaktionskammer gelegenen Elektroden;

Erhitzen von mindestens einem Teil der Reaktionskammer und der eingegebenen Mischung mittels eines äußeren Heizmittels, das oberhalb des Bogenbereichs gelegen ist, wodurch ein Hochtemperaturbereich geschaffen wird;

Einspritzen eines Stroms des dritten Materials in Aerosolform durch den Hochtemperaturbereich in den Bogenbereich zum Induzieren von gasförmiges SiO erzeugenden Reaktionen zwischen dem dritten Material und dem ersten oder zweiten Material in dem Bogenbereich zum Induzieren in dieser Kammer oberhalb des Bogenbereichs von festes SiC erzeugenden Reaktionen zwischen dem in dem Bogenbereich erzeugten gasförmigen SiO und dem ersten Material und zum Induzieren von geschmolzenes metallisches Si erzeugenden Reaktionen in der Kammer oberhalb des Bogenbereichs zwischen dem gasförmigen SiO und dem in der Reaktionskammer erzeugten festen SiC;

Ableiten von Gasen, die eingeführt werden, um den Strom des dritten Materials einzuspritzen, und von Gasen, die durch die Reaktionen in der Reaktionskammer erzeugt werden, durch einen Auslaß an der Spitze der Reaktionskammer; und

Austragen des in der Reaktionskammer erzeugten geschmolzenen metallischen Siliciums durch einen Auslaß am Boden der Kammer.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter einen Schritt des Sammelns des in der Reaktionskammer erzeugten und durch den Auslaß abgeleiteten gasförmigen SiO und das Wiedereinspritzen des gesammelten SiO in den Bogenbereich umfaßt.

3. Vorrichtung zum Herstellen von metallischen Silicium hoher Reinheit durch das Verfahren nach Anspruch 1 umfassend:

einen Ofenkörper, der darin eine Reaktionskammer (12) definiert, umfassend: in einem unteren Bereich ein Paar Elektroden, die einander gegenüberstehen (14, 16; 30, 16; 40, 42; 50, 52; 62, 64), wobei diese Elektroden zwischen ihren jeweiligen Enden einen Bogenbereich bekannter Abmessungen (18, 44, 54) definieren, Mittel (20, 32, 46, 56, 60) zum direkten Einspritzen eines Stroms des dritten Materials in Aerosolform durch einen Hochtemperaturbereich in den Bogenbereich, einen Auslaß (26) von geschmolzenem metallischen Silicium, welcher an einem Boden des Ofenkörpers gelegen und mit der Außenseite des Ofenkörpers verbunden ist, ein äußeres Heizmittel (28) zum Schaffen des Hochtemperaturbereichs, das oberhalb des Bogenbereichs gelegen ist, und zum Erhitzen eines Teils der Reaktionskammer zusammen mit der Mischung, und einen Auslaß (72) von Gasen, der an der Spitze der Reaktionskammer gelegen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das äußere Heizmittel (28) durch Hochfrequenzinduktionsheizung wirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, welche ferner Mittel (66, 76) zum Sammeln von gasförmigem Siliciumoxid, das in der Reaktionskammer erzeugt wird und durch den Auslaß der Gase abgeleitet wird, und zum Wiedereinspritzen dieser in den Bogenbereich umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin das Mittel zum Sammeln und Wiedereinspritzen von gasförmigem Siliciumoxid so eingerichtet ist, daß es dazu führt, daß das gasförmige Siliciumoxid vor der Wiedereinspritzung in den Bogenbereich kondensiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Mittel zum Sammeln und Wiedereinspritzen von gasförmigem Siliciumoxid innerhalb eines Materialzufuhrdurchgangs des Mittels zum Einspritzen des dritten Materials angeordnet ist und dazu führt, daß das gasförmige Siliciumoxid auf Partikel in dem Strom des dritten Materials vor der Wiedereinspritzung in den Bogenbereich kondensiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Mittel zum Einspritzen des dritten Materials, eine Einspritzdüse umfaßt, die in die Reaktionskammer eingesetzt ist und ein inneres Ende auf den Bogenbereich gerichtet hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Einspritzdüse sich horizontal durch eine Seitenwand des Ofenkörpers erstreckt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Paar von Bogenelektroden in vertikaler Ausrichtung angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Paar von Bogenelektroden schräg zu der horizontalen Ebene und zueinander liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Einspritzdüse sich vertikal durch einen Boden des Ofenkörpers erstreckt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Paar von Bogenelektroden in horizontaler Ausrichtung angeordnet ist.