DE3709577C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Behandlung von
Abfallmaterialien, die bei der Herstellung von hochreinem
Silicium anfallen und akkumulieren. Insbesondere betrifft
die Erfindung die Behandlung von Abfallmaterialien, die im
Verlauf der Herstellung von hochreinem Silicum anfallen und
akkumulieren, wobei ausgegangen wird von der Hydrogenierung
von metallurgisch reinem Silicium, wobei ein hochreines
Silan erhalten wird, das zu hochreinem Silicium zersetzt
wird, und wobei der Wasserstoff in den
Hydrogenierungsabschnitt zurückgeführt wird.
Ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem Silicium ist
in der US-PS 43 41 749, die durch diese Bezugnahme in die
vorliegende Offenbarung aufgenommen wird, beschrieben, sie
umfaßt die Reinigung eines metallurgischen
Siliciumausgangsmaterials zu einem Siliciumpulverprodukt
von extrem hoher Reinheit. Das Verfahren zur Herstellung
von Silicium extrem hoher Reinheit umfaßt drei Abschnitte,
d. h. einen Hydrogenierungsunterabschnitt, einen Abschnitt
mit einem Wiederverteilungsreaktor und einer Säule, und
einen Unterabschnitt mit einer Silanpyrolyse und einer
Siliciumpulversinterung. Der Hydrogenierungsunterabschnitt
umfaßt die Reaktion des metallurgischen
Siliciumausgangsmaterials (Silicium mit etwa 2 Gew.-%
Verunreinigungen, wie z. B. Fe, Al, Ti) mit
Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff, wobei als
Zwischenprodukt Chlorsilan erhalten wird, beispielsweise
ein Trichlorsilanprodukt; während dieses Verfahrens werden
Abfallmaterialien einschließlich vieler metallurgischer
Verunreinigungen in dem Siliciumausgangsmaterial aus dem
Verfahren in einem Chlorsilanabfallstrom entfernt. Das
Trichlorsilan-Zwischenprodukt wird als Beschickung in den
Reaktor und Säulenabschnitt überführt, worin eine
Kombination aus Reaktoren, die Harzkatalysatoren enthalten,
und Destillationssäulen verwendet werden, um das
Chlorsilanzwischenprodukt zu einem hochreinen Silanprodukt
zu reinigen, wobei ein Siliciumtetrachloridstrom
zurückgeführt wird, der in dem oben erwähnten
Hydrogenierungsunterabschnitt verwendet wird. Der letzte
Unterabschnitt des Verfahrens verwendet das in dem vorigen
Unterabschnitt erhaltene extrem reine Silan, um ein extrem
reines Siliciumproduktmaterial zu erhalten, beispielsweise
kann das extrem reine Silanmaterial pyrolysiert werden
unter Verwendung einer homogenen Zersetzungsreaktion des
Silans in einem Reaktor vom Freiraumtyp (free space type),
wie er in der US-PS 43 41 749 beschrieben ist. Zusätzliche
Abfälle akkumulieren in der Zwischenstufe und dem letzten
Unterabschnitt des Verfahrens und werden aus dem Verfahren
abgezogen.
Die oben genannten Abfälle, die routinemäßig im Verlauf der
Herstellung von hochreinem Silicium aus metallurgischem
Silicium akkumulieren, werden als Schlämme gesammelt, die
sehr feine Silicium-, Eisen- und Aluminiumpartikel sowie
Chloride von Aluminium, Eisen und Titan und Spurenmengen
anderer hochsiedender chlorierter Verunreinigungen in
Mengen von etwa 2 bis 20 Gew.-% im Aggregat enthalten; der
Rest ist Trichlorsilan (TCS) und Siliciumtetrachlorid
(STC). Die vorliegende Erfindung ermöglicht die
Verarbeitung von Zusammensetzungen des angegebenen
Bereichs. Gesammelte Schlämme des oben genannten Typs
wurden bisher als totales Abfallmaterial angesehen, das nur
als solches gelagert werden konnte. Da jedoch dieses
Abfallmaterial eine wesentliche Menge an TCS und STC
enthält, wäre es von großem wirtschaftlichen Vorteil, so
viel wie möglich vom TCS und STC wiederzugewinnen, mit dem
weiteren Vorteil, daß das Volumen des zu lagernden Abfalls
abnimmt und wertvolles Material für die Wiederverwendung im
Herstellungsprozeß des hochreinen Siliciums gewonnen wird.
Die DE 33 11 650 C2 und die US-PS 43 40 574 sind auf
ein Verfahren zur Herstellung von Silan gerichtet. Diese
Verfahren unterscheiden sich aber in Ausgangs-, Zwischen-,
Neben- und Endprodukten vom erfindungsgemäßen Verfahren.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur
Wiedergewinnung von TCS und STC aus Abfällen der
Silanherstellung verwendet einen Verdampfer, d. h. einen
Kocher, der mit einer Heizung und einem Umlaufsystem
ausgerüstet ist, und das Verfahren hat die Flexibilität, um
auf kontinuierlicher Basis wirksam die erwünschten
Chlorsilane STC und TCS von mitgerissenen Metallpartikeln,
Metallchloriden sowie niedrig, mittel und hochsiedenden
Verunreinigungen durch Verdampfung und Destillation
abzutrennen. Im Verlauf des Verfahrens werden leichte
Dämpfe zu Gasbrennern geleitet, während "schwere",
einschließlich Metallchloriden und Metallpartikeln als
Rückstände in dem Kocher verbleiben und leicht daraus
entfernt werden können und direkt neutralisiert oder mit
einem geeigneten Kohlenwasserstoff, wie z. B. Kerosin,
verbrannt werden. Siliciumtetrachlorid (STC) und
Trichlorsilan (TCS) aus dem behandelten Schlamm werden
routinemäßig bis zu 67 und mehr Gewichtsprozent des Abfalls
wiedergewonnen und können direkt in das Verfahren
zurückgeführt werden.
Die Erfindung wird im folgenden durch die Zeichnung näher
erläutert. Die genannten akkumulierten Abfallschlämme aus
Metallpartikeln, Metallchloriden, STC und TCS werden über
die Leitung 10 in den Kocher 11 eingeführt, der mit einer
Rückflußsäule 15 verbunden ist, und der Kocher 11
ist mit Heizvorrichtungen 9 zur Verdampfung der flüchtigen
Schlammbestandteile aus dem Kocher 11 zur Säule 15
ausgestattet. Zwei weitere Rückflußsäulen 16 und 21 sind
mit Heizvorrichtungen 20, 22 und den Kochern 19 und 24, wie
in der Zeichnung gezeigt, verbunden. Der Säulenabschnitt
zur Entfernung der Metallchloride, der den Kocher 11 und
die Trennsäule 15 umfaßt, ist so angeordnet, daß er die
"schweren" Bestandteile des Schlamms im Kocher 11
konzentriert, das sind die hochsiedenden Metallchloride und
die nicht umgesetzten Siliciumpartikeln und andere
Metallpartikeln. STC, TCS und die Materialien, die leichter
sind als STC und TCS und die Materialien, deren Siedepunkt
zwischen denen von TCS und STC liegt, werden verdampft,
kondensiert und dann zur Abstrom-STC-Wiedergewinnungssäule
über das Destillat aufnehmende Gefäß 13 beschickt.
Diejenigen Verunreinigungen, die leichter sind als
Dichlorsilan, werden routinemäßig in Dampfform in ein
Flammrohr geleitet und verbrannt. Die schweren
Bestandteile, d. h. die Bestandteile, die schwerer sind als
STC (Metallchloride, eingeschlossene Metallfeststoffe und
Spurenmengen an hochsiedenden chlorierten
Verunreinigungen), werden im Kocher 11 zurückbehalten und
periodisch aus dem Kocher 11 in einen Tragbehälter 14
unterhalb des Kochers 11 verbracht. Der Flüssigkeitsspiegel
im Kocher 11 fällt mit fortschreitender Heizung und die
Siedetemperatur wird infolge der Zunahme der
Feststoffkonzentration im Kocher 11 langsam erhöht. Die
Säule 15 wird mit einem Rückflußverhältnis betrieben, das
ausreicht, um die Trennung des Destillats von Materialien
mit einem höheren Siedepunkt als STC zu erreichen,
beispielsweise mit einem Rückflußverhältnis oberhalb von 2,
vorzugsweise von etwa 3 bis 5. Etwa 25 theoretische Böden
werden in geeigneter Weise in der Säule 15 vorgesehen, mit
zusätzlichen 5 Lochböden (disc-donut
trays) im unteren Abschnitt der Säule 15, um so das
Mitreißen von Feststoffen auf ein Minimum zu
begrenzen. Der konzentrierte Metallchloridrückstand, der aus
dem Kocher 11 gewonnen wird, wird neutralisiert oder mit
einem geeigneten Kohlenwasserstoff, wie z. B. Kerosin,
verbrannt, nachdem er in den Tragbehälter 14 verbracht
worden ist.
Der Inhalt des Gefäßes 13, der das Destillat der
Metallchloridsäule aufnimmt, Siliciumtetrachlorid (STC) und
leichtere Materialien, werden in die STC-Gewinnungssäule 16
eingegeben, wo STC als Säulenrückstand abgetrennt wird und
für die direkte Wiederverwendung bei 101 wiedergewonnen
wird. Im mittleren Bereich siedende Verunreinigungen,
Trichlorsilan (TCS) und leichtere Materialien werden
kondensiert und in dem Destillatbehälter 18 aufgefangen und
dann zur weiteren Trennung in die TCS-Wiedergewinnungssäule
21 gegeben. In einer besonderen Ausführungsform wird die
Säule 16 bei einem relativ niedrigen Druck von 7,7 bar
betrieben. Sie kann aber auch bei einem
niedrigeren Druck, z. B. von 0,7 bis 1,4 bar
betrieben werden. Die Säule 16 wird in geeigneter
Weise mit Packungen gefüllt, die 50 theoretische Böden
ergeben, und soll vorzugsweise kontinuierlich betrieben
werden.
TCS und im mittleren Bereich siedende Verunreinigungen mit
einem Siedepunkt zwischen denen von TCS und STC werden aus
dem Destillatbehälter 18 zu der TCS-Trennsäule 21 geführt,
wo TCS abgetrennt und als Destillat im Aufnahmegefäß 23
gewonnen wird. Aus dem Destillatbehälter 23 wird TCS
für die direkte Wiederverwendung bei 102 gewonnen. Die im
mittleren Bereich siedenden Verunreinigungen (Rückstand von
Säule 21) werden vom Kocher 24 über einen Kühler 25
entfernt und einer direkten Abfallbeseitigung zugeführt. In
einer bevorzugten Ausführungsform wird das
TCS-Wiedergewinnungssystem kontinuierlich mit der Säule 21
betrieben, die der STC-Wiedergewinnungssäule 16 äquivalent
ist, aber bei einem niedrigeren Druck, beispielsweise 0,7
bis 1,4 bar niedriger als die
STC-Wiedergewinnungssäule 16 betrieben wird. Die besonderen Vorteile des
erfindungsgemäßen Verfahrens sind wie folgt: Das Verfahren
der vorliegenden Erfindung ist relativ wenig aufwendig, was
sowohl die Kapitalkosten als auch die Verfahrenskosten
betrifft; das Verfahren bietet einen einfachen Weg zur
Wiedergewinnung relativ teurer Materialien, die andernfalls
als Abfall verlorengehen würden, wobei auch die
Abfallbeseitigung teuer ist; das Verfahren ist flexibel und
kann wirksam und kontinuierlich einen weiten Bereich von
Verunreinigungen von niedrigen Siedepunkten bis hohen
Siedepunkten verarbeiten; die Menge des Abfalls, der
verascht oder verbrannt werden muß, besteht nur aus einem
kleinen Anteil und kann als konzentrierter Schlamm
ausnahmslos entfernt werden.
Das folgende Beispiel soll die Erfindung näher erläutern.
Unter Verwendung der in der Figur gezeichneten Apparatur
wird Abfallschlamm mit einer Rate von 442 kg
pro Stunde im Kocher, der mit der ersten
Trennsäule verbunden ist, gesammelt; der Abfallschlamm
enthielt auf Basis eines stündlichen Durchschnitts 346 kg
STC, 80,7 kg TCS und 15 kg
feste Verunreinigungen, bestehend aus 2,27 kg Si,
8,16 kg FeCl3, 4,5 kg AlCl3. Die
Verunreinigungen betrugen 3,4 Gew.-% des Schlamms. STC und
TCS wurden kontinuierlich aus dem Kocher in die erste
Trennsäule verdampft, und ein konzentrierter Schlamm wurde
im Kocher erhalten, der, bezogen auf einen
Stundendurchschnitt, insgesamt 63,5 kg STC und
TCS mit 15 kg fester Verunreinigungen plus Spuren
Verunreinigungen enthielt; dieses Material wurde als Abfall
verworfen. Die folgenden Materialien wurden aus der zweiten
und dritten Trennsäule wiedergewonnen, angegeben auf einer
stündlichen Durchschnittsbasis:
290,3 kg STC
74,8 kg TCS
74,8 kg TCS
Die gesamte Wiedergewinnung von STC und TCS betrug etwa
85%; der zu verwerfende Abfall betrug lediglich, wie oben
angegeben, 78,5 kg (15 kg Feststoffe und 63,5 kg
STC und TCS).
Claims (1)
- Verfahren zur Behandlung eines Abfallschlamms, der sehr feine Silicium-, Eisen- und Aluminium-Partikel, Eisen- und Aluminium-Chloride, Siliciumtetrachlorid (STC) und Trichlorsilan (TCS), Materialien, deren Siedepunkt zwischen denen von STC und TCS liegt, und Materialien, die leichter sind STC und TCS sind, enthält, wobei STC und TCS im Aggregat die Hauptbestandteile des Schlamms sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- (I) Einspeisen der Abfallschlamms in einen Verdampfer mit einer ersten Trennsäule, um Verdampfer mit einer ersten Trennsäule, um unter Erhitzen des Verdampfers STC, TCS, die Materialien, die leichter sind als STC und TCS sind, und die Materialien, deren Siedepunkt zwischen denen von STC und TCS liegt, als Kopfprodukt der ersten Trennsäule bereitzustellen, und um Silicium-, Eisen- und Aluminiumpartikel sowie Eisen- und Aluminiumchloride als Bodenprodukt der ersten Trennsäule bereitzustellen, das in einen Abfallagerbehälter überführt wird;
- (II) Kondensieren des Kopfproduktes der ersten Trennsäule und Überführen des kondensierten Kopfproduktes zu einer zweiten Trennsäule, in der STC als Bodenprodukt und die Materialien, die leichter sind als STC, einschließlich TCS und der Materialien mit einem Siedepunkt zwischen denen von STC und TCS als Kopfprodukt rückgewonnen werden;
- (III) Kondensieren des Kopfproduktes der zweiten Trennsäule und Überführen des kondensierten Kopfproduktes zu einer dritten Trennsäule, in der TCS als Kopfprodukt und die Materialien mit einem Siedepunkt zwischen denen von STC und TCS als Bodenprodukt ausgeschieden werden.
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