DE4213573C2 - Verfahren zur Abtrennung von teilchenförmigem Silicium aus einem Silane enthaltenden flüssigen Nebenproduktstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von teilchenförmigem Silicium aus einem Silane enthaltenden Neben­ produktstrom. Das beschriebene Verfahren beinhaltet eine Atomi­ sierung eines flüssigen Nebenproduktstroms, der eine Aufschläm­ mung von Silanen und teilchenförmigem Silicium umfaßt, in eine Heizzone zwecks Verdampfung der flüssigen Silane und dadurch bedingter Trocknung des teilchenförmigen Siliciums. Das teil­ chenförmige Silicium wird durch Filtration oder andere geeigne­ te Maßnahmen von den gasförmigen Silanen abgetrennt. Die von­ einander getrennten festen und gasförmigen Phasen können als Beschickung für das den Nebenproduktstrom erzeugende Verfahren oder als Beschickung für sonstige Verfahren verwendet werden.

Das vorliegende Verfahren eignet sich vor allem für die Gewin­ nung von Silanen aus dem Nebenproduktstrom, der sich bei der chemischen Dampfabscheidung (CVD) von Silanen unter Bildung von elementarem Silicium ergibt.

Ein typischer Nebenproduktstrom eines CVD-Verfahrens zur Bil­ dung von elementarem Silicium aus Silanen enthält Silane, Disilane und fein dispergiertes teilchenförmiges Silicium. Ein herkömmliches Verfahren zur Behandlung dieses Nebenprodukt­ stroms besteht in einer Veraschung. Bei Veraschungsverfahren muß der Nebenproduktstrom verdünnt sein, um gefährliche Konzen­ trationen an pyrophoren Disilanen zu vermeiden. Dieses Erfor­ dernis führt zu großen Volumina, die das Veraschungsverfahren kostspielig machen. Beim vorliegenden Verfahren werden die Kosten einer Veraschung nicht nur vermieden, sondern es können die Silane und das teilchenförmige Silicium hierbei auch gewon­ nen und in das CVD-Verfahren rückgeführt oder als Beschickungs­ materialien für sonstige Verfahren verwendet werden.

Die aus der Patentliteratur bekannten Verfahren zur Behandlung von Nebenprodukten aus einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren zeigen eine Behandlung eines aus einer Phase bestehenden Nebenprodukts, das entweder ein gasförmiges Gemisch oder teil­ chenförmiges Silicium umfaßt.

Die DE 32 03 743 A1 beschreibt ein Verfahren zur Aufberei­ tung von Abgasen, die bei der Herstellung von elementarem Silicium durch thermische Zersetzung eines aus Chlorsilanen und Wasserstoff bestehenden Gasgemisches auf erhitzten Trä­ gerkörpern im Zusammenhang mit der Herstellung und/oder Zer­ setzung der Chlorsilane anfallen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zunächst in bekannter Weise die in den Abgasen enthaltenen Chlorsilane auskondensiert werden, dass dem verbleibenden Gasgemisch eine sauerstoffhaltige Gasmischung zugefügt wird, und dass das so gebildete Gasgemisch unter Zusatz entsprechender Halogenide zur pyrogenen Darstellung feinteiliger Oxide verbrannt wird.

Die DD 240 728 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verwertung von siliciumhaltigen Abprodukten, die aus den bei der Umset­ zung von Halogenwasserstoff und/oder Organohalogenid mit Si­ licium erhaltenen gasförmigen Abprodukten abgetrennt wurden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Abprodukte mit Wasser und/oder Mineralsäure mindestens einmal bei mindes­ tens 283 K gewaschen, von der wässrigen Phase abgetrennt, mit Luft oder einem inerten Gas getrocknet und anschließend der Umsetzung von Halogenwasserstoff und/oder Organohaloge­ nid mit Silicium wieder zugeführt werden.

Der Stand der Technik beschreibt jedoch kein Verfahren der vorliegenden Art, wonach ein Nebenprodukt, das teilchenförmiges Silicium in Suspension in flüssigen Silanen enthält, aufge­ trennt wird, indem das Nebenprodukt in eine Heizzone atomisiert wird, in welcher die flüssigen Silane verdampft werden, so daß sich die Silane leichter von dem teilchenförmigen Silicium abtrennen lassen.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren dar, durch welches teilchenförmiges Silicium von einem Silane enthaltenden Nebenproduktstrom abgetrennt wird. Der flüssige Nebenprodukt­ strom, der Silane und teilchenförmiges Silicium enthält, wird zwecks Verdampfung der flüssigen Silane in eine Heizzone atomi­ siert, wodurch das teilchenförmige Silicium getrocknet wird. Das teilchenförmige Silicium wird durch Filtration oder son­ stige geeignete Maßnahmen von den gasförmigen Silanen abge­ trennt. Die aufgetrennten festen und gasförmigen Phasen können als Beschickung für das Verfahren, bei dem der Nebenprodukt­ strom gebildet wird, oder als Beschickung für andere Verfahren verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung liefert ferner ein Verfahren zur Abtrennung von teilchenförmigem Silicium aus einem Silane enthaltenden flüssigen Strom, das dadurch gekennzeichnet ist, dass (A) ein flüssiger Strom, der Silane und teilchen­ förmiges Silicium enthält, atomisiert wird, (B) der atomi­ sierte flüssige Strom durch eine Heizzone geführt wird, die auf einer zur Umwandlung der Silane in gasförmige Silane ausreichenden Temperatur gehalten wird, und (C) die gasför­ migen Silane vom teilchenförmigen Silicium abgetrennt wer­ den.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer Anordnung aus einer Verdampfungskammer und einer Atomisierungsdüse, die sich für die Durchführung der vorliegenden Erfindung eignet.

Die Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt einer Filtrationskammer, die sich zur Vervollständigung der Auftrennung der gasförmigen Silane und des teilchenförmigen Siliciums verwenden läßt.

Die Fig. 3 zeigt ein Fließdiagramm eines Auftrennverfahrens unter Anwendung einer Verdampfungskammer und einer separaten Filtrationskammer.

Die Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher das Filtersystem in­ nerhalb der Verdampfungskammer angeordnet ist.

Im einzelnen zeigt die Fig. 1 eine einen oberen zylindrischen Abschnitt und einen unteren konischen Abschnitt umfassende Verdampfungskammer 6, die eine Atomisierungsdüse 1 enthält, mittels welcher ein flüssiger Nebenproduktstrom in die Ver­ dampfungskammer 6 eingespeist und der flüssige Nebenprodukt­ strom atomisiert wird. Die Atomisierungsdüse 1 umfaßt zwei konzentrische Kanäle. Ein innerer konzentrischer Kanal 2 dient zur Einspeisung des flüssigen Nebenproduktstroms in die Ver­ dampfungskammer 6. Ein äußerer konzentrischer Kanal 3 dient zur Einspeisung eines unter hohem Druck stehenden Atomisierungs­ gases in die Verdampfungskammer 6. Das unter hohem Druck ste­ hende Atomisierungsgas vom äußeren konzentrischen Kanal 3 und der flüssige Nebenproduktstrom vom inneren konzentrischen Kanal 2 vermischen sich beim Eintritt in die Verdampfungskammer 6, wodurch der flüssige Nebenproduktstrom atomisiert wird. Über eine Leitung 4 wird vorerhitztes Gas eingespeist und eine Heiz­ zone in der Verdampfungskammer 6 gebildet, um so das atomisier­ te flüssige Nebenprodukt zu verdampfen. Der Sprühwinkel des atomisierten flüssigen Nebenproduktstroms innerhalb der Heizzo­ ne wird durch ein vertikal verstellbares Flanschstück 5 einge­ stellt.

Die Verdampfungskammer 6 ist von einem Heizmantel 7 umgeben, durch den eine Heizflüssigkeit geführt werden kann, damit sich die Temperatur in der Verdampfungskammer 6 auf einem oberhalb dem Taupunkt des gasförmigen Gemisches liegenden Wert halten läßt, das gasförmige Silane, das unter hohem Druck stehende Atomisierungsgas und vorerhitztes Gas enthält. Eine mit den Wänden der Verdampfungskammer 6 in Verbindung stehende Teil­ chenentfernungsvorrichtung 8 sorgt dafür, daß teilchenförmiges Silicium von den Wänden der Verdampfungskammer 6 entfernt werden kann.

Das gewonnene teilchenförmige Silicium, das in dem die Silane enthaltenden gasförmigen Gemisch mitgerissen wird, kann aus der Verdampfungskammer 6 über eine Leitung 9 in eine Filtrations­ kammer 11 geführt werden, wie dies in der Fig. 3 gezeigt ist. Die Leitung 9 ist von einem Heizmantel 10 umgeben, durch den eine Heizflüssigkeit geführt werden kann, so daß sich die Temperatur in der Leitung 9 auf einem Wert halten läßt, der oberhalb dem Taupunkt des die Silane enthaltenden gasförmigen Gemisches liegt. Die Leitung 9 tritt in der Nähe des Bodens der Filtrationskammer 11 ein und erstreckt sich zum Kopf der Fil­ trationskammer 11 hin, wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist, wodurch der Strom des die Silane und das teilchenförmige Sili­ cium enthaltenden gasförmigen Gemisches nach unten gerichtet wird.

Die Filtrationskammer 11 (Fig. 2) enthält Filterelemente 15. Die Filterelemente 15 sind an einer Halteplatte 16 befestigt, an der die Filterelemente 15 in der Filtrationskammer 11 aufge­ hängt sind. Über Leitungen 13 wird periodisch ein Spülgas eingedrückt, um hierdurch teilchenförmiges Silicium von den Filterelementen 15 zu entfernen. Ein Druckventil 14 steuert den Eintritt des Spülgases in die Filtrationskammer 11. Die Fil­ trationskammer 11 ist von einem Heizmantel 12 umgeben, durch den eine Heizflüssigkeit geführt werden kann, so daß sich die Temperatur in der Filtrationskammer 11 auf einem Wert halten läßt, der oberhalb dem Taupunkt des die Silane enthaltenden gasförmigen Gemisches liegt. Das die Silane enthaltende gasför­ mige Gemisch verläßt die Filtrationskammer 11 über eine Leitung 17. Das teilchenförmige Silicium kann über eine Leitung 18 aus der Filtrationskammer 11 entfernt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Fig. 4) sind Filterelemente 15 in der Verdampfungskammer 6 angeordnet. Die Verdampfungskammer 6 ist durch eine Trenn­ wand 19 in einen Verdampfungsbereich und einen Filtrations­ bereich unterteilt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von teilchenförmigem Silicium von einem Silane enthaltenden flüssigen Nebenproduktstrom. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß

• A) ein flüssiger Nebenproduktstrom, der Silane und teilchen­ förmiges Silicium enthält, atomisiert wird,
• B) der atomisierte flüssige Nebenproduktstrom durch eine Heizzone geführt wird, die auf einer zur Umwandlung der Silane in gasförmige Silane ausreichenden Temperatur ge­ halten wird, und
• C) die gasförmigen Silane vom teilchenförmigen Silicium abge­ trennt werden.

Durch das vorliegende Verfahren wird ein Nebenproduktstrom, der flüssige Silane und teilchenförmiges Silicium enthält, zu gasförmigen Silanen und zu teilchenförmigem Silicium aufge­ trennt. Die Silane können beispielsweise Monosilane und Disi­ lane sein. Bei den Monosilanen kann es sich beispielsweise um halogenierte Silane, Organohalogensilane oder Gemische hiervon handeln. Die halogenierten Silane können beispielsweise Tetra­ chlorsilan, Trichlorsilan, Dichlorsilan, Monochlorsilan, Tetra­ bromsilan, Tribromsilan, Tetraiodsilan, Triiodsilan oder Gemi­ sche hiervon sein. Die Organohalogensilane können beispiels­ weise Methyltrichlorsilan, Ethyltrichlorsilan, Methyltribrom­ silan, Ethyltribromsilan, Methyltriiodsilan, Ethyltriiodsilan, Phenyltrichlorsilan oder Gemische hiervon sein.

Die Silane können Disilane sein, wie halogenierte Disilane, Organohalogendisilane oder Gemische hiervon.

Die halogenierten Disilane können beispielsweise Chlordisilan, Dichlordisilan, Trichlordisilan, Tetrachlordisilan, Hexachlor­ disilan, Bromdisilan, Dibromdisilan oder Gemische hiervon sein. Die Silane können Organohalogendisilane sein, wie beispiels­ weise Methyltrichlordisilan, Dimethyltetrachlordisilan, Ethyltrichlordisilan, Methyltribromdisilan, Ethyltribromdisilan, Methyltriioddisilan, Ethyltriioddisilan oder Gemische hiervon. Die Silane können einen geringen Anteil an Disiloxanen enthal­ ten, die sich durch das beschriebene Verfahren ebenfalls von dem teilchenförmigen Silicium abtrennen lassen. Bevorzugt ist ein Nebenproduktstrom, der Halogensilane und Halogendisilane als Silane enthält.

Unter einem teilchenförmigen Silicium wird ein festes Silicium verstanden, dessen Struktur amorph oder kristallin ist. Die Größe des teilchenförmigen Siliciums ist nicht wichtig, solange sich die Flüssigkeit, welche das teilchenförmige Silicium und die Silane enthält, atomisieren läßt. Die Größe des teilchen­ förmigen Siliciums kann in einem Bereich mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm bis zu 500 µm liegen. Bevorzugt hat das teilchenförmige Silicium einen Durchmesser in einem Bereich von weniger als 1 µm bis zu 50 µm. Besonders bevorzugt verfügt das teilchenförmige Silicium über eine Größe mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm. Die obere Grenze der Teilchengröße des Siliciums wird durch die Einlaßgröße der Atomisierungsdüse be­ stimmt.

Der Nebenproduktstrom wird zwecks Verdampfung der Silane in eine Heizzone atomisiert. Die Atomisierung des Nebenprodukt­ stroms kann durch übliche Maßnahmen zur Atomisierung von Flüs­ sigkeiten bewerkstelligt werden, wie durch Hochdruckinjektion oder durch Beschallung. Bevorzugt ist eine Atomisierung durch Hochdruckinjektion mittels einer Atomisierungsdüse. Als Atomi­ sierungsdüsen eignen sich beispielsweise Düsen, die dem Druck­ typ, dem Hohlkonustyp, dem Festkonustyp, dem Gebläsesprühtyp, dem Bypasstyp, dem Ventilkegeltyp, dem Dualmündungstyp, dem Zweiflüssigkeitstyp, dem Schalltyp, dem Ultraschalltyp, dem Rotationsradtyp, dem Rotationsscheibentyp oder dem Rotations­ bechertyp angehören. Bevorzugt ist eine Atomisierungsdüse vom Zweiflüssigkeitsdrucktyp, die zwei konzentrische Kanäle auf­ weist.

Eine bevorzugte Zweiflüssigkeitsatomisierungsdüse besteht aus einem inneren konzentrischen Kanal zur Einspeisung des Neben­ produktstroms in die Heizzone und einem äußeren konzentrischen Kanal zur Einspeisung eines unter hohem Druck stehenden Atomi­ sierungsgases, durch welches die Atomisierung des Nebenprodukt­ stroms erleichtert wird. Nebenproduktstrom und unter hohem Druck stehendes Atomisierungsgas können entweder intern während sie sich im Inneren der Zweiflüssigkeitsatomisierungsdüse befinden oder extern nach dem Ausstoß in die Heizzone mitein­ ander vermischt werden. Bevorzugt ist eine externe Vermischung des Nebenproduktstroms und des unter hohem Druck stehenden Atomisierungsgases in der Heizzone.

Das unter hohem Druck stehende Atomisierungsgas, welches durch den äußeren konzentrischen Kanal der Atomisierungsdüse einge­ speist wird, kann irgendein anorganisches oder inertes Gas sein, das sich unter hohem Druck zwecks Erleichterung des Atomisierungsverfahrens einspeisen läßt. Das unter hohem Druck stehende Atomisierungsgas kann ein anorganisches Gas sein, wie Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff, Iodwasserstoff oder Stick­ stoff. Das unter hohem Druck stehende Atomisierungsgas kann auch ein Inertgas sein, wie Argon, Helium oder Neon. Als unter hohem Druck stehendes Atomisierungsgas wird ein anorganisches Gas bevorzugt. Stammt der Nebenproduktstrom von einer CVD von Silicium, dann wird Chlorwasserstoff als unter hohem Druck stehendes Atomisierungsgas bevorzugt.

Der atomisierte Nebenproduktstrom, welcher Silane und teil­ chenförmiges Silicium enthält, wird zwecks Verdampfung der Silane in eine Heizzone eingeführt. Die Heizzone wird dadurch gebildet, daß ein vorerhitztes Gas in die Zone eingeführt wird, die der Austrittsöffnung der Atomisierungsdüse unmittelbar benachbart ist. Das vorerhitzte Gas kann irgendein Gas sein, welches auf eine Temperatur vorerhitzt werden kann, die für eine Verdampfung des atomisierten Nebenproduktstroms zu gasför­ migen Silanen ausreicht. Beim vorerhitzten Gas kann es sich beispielsweise um ein anorganisches Gas, ein Inertgas oder um Monosilane der oben beschriebenen Art oder auch um Wasserstoff oder ein Gemisch hiervon handeln.

Bevorzugt wird als vorerhitztes Gas ein Gemisch aus Halogenwas­ serstoff und einer solchen Wasserstoffmenge, die für eine Erniedrigung des Taupunkts des gasförmigen Gemisches in der Verdampfungskammer auf unterhalb die Verdampfungstemperatur der Silane ausreicht. Weiter bevorzugt ist als vorerhitztes Gas ein Gemisch aus Chlorwasserstoff und Wasserstoff. Das Wasserstoff­ gas kann etwa 10 bis 50 Volumenprozent des vorerhitzten Gases ausmachen. Vorzugsweise macht das Wasserstoffgas etwa 30 bis 35 Volumenprozent des vorerhitzten Gases aus.

Das vorerhitzte Gas kann in die Heizzone entweder gleichläufig oder gegenläufig zur Strömungsrichtung des atomisierten Neben­ produktstroms in die Heizzone eingeführt werden. Bevorzugt ist eine gleichläufige Einspeisung des vorerhitzten Gases mit dem Nebenproduktstrom.

Die Heizzone wird auf einer Temperatur im Bereich von 35°C bis 750°C gehalten. Vorzugsweise hält man die Heizzone auf einer Temperatur innerhalb eines Bereiches von 50°C bis 500°C. Stär­ ker bevorzugt wird die Heizzone auf einer Temperatur innerhalb eines Bereiches von 100°C bis 300°C gehalten. Die flüssige Phase des atomisierten Nebenproduktstroms wird in der Heizzone zu gasförmigen Silanen verdampft, wodurch man teilchenförmiges Silicium erhält, das in den gasförmigen Silanen mitgerissen wird.

Die gasförmigen Silane stellen ein Gemisch mit Prozeßgasen dar. Zu den Prozeßgasen gehören alle Gase, die beim Verfahren ver­ wendet werden, um eine Abtrennung des teilchenförmigen Silici­ ums vom Silane enthaltenden flüssigen Nebenproduktstrom zu erleichtern. Zu den Prozeßgasen gehören das vorerhitzte Gas, das unter hohem Druck stehende Atomisierungsgas und Gemische hiervon. Die Prozeßgase werden zusammen mit den gasförmigen Silanen vom teilchenförmigen Silicium abgetrennt.

Die gasförmigen Silane können vom teilchenförmigen Silicium unter Anwendung von Maßnahmen abgetrennt werden, wie sie für die Abtrennung von teilchenförmigem Material von Gasen üblich sind, beispielsweise durch Filtration, Agglomeration, elektro­ statische Ausfällung oder Zyklonenfiltration. Bei einer bevor­ zugten Ausführungsform tragen die gasförmigen Silane das teil­ chenförmige Silicium zu einer Filtrationszone, wo das teil­ chenförmige Silicium von den gasförmigen Silanen abfiltriert wird.

Zur Abtrennung des teilchenförmigen Siliciums von den gasförmi­ gen Silanen kann irgendeine für die Auftrennung eines Gas- Feststoff-Gemisches übliche Standard-Filter-Methode angewandt werden. Die Filtration kann unter Anwendung eines absatzweise arbeitenden Filters durchgeführt werden, der beispielsweise in einem Druckgefäß angeordnet ist. Der Filter kann beispielsweise vertikal oder horizontal angeordnete blattförmige oder tubulare Filterelemente enthalten. Bevorzugt sind tubulare Filterelemen­ te, die vertikal in der Filtrationszone angeordnet sind.

Die Filterelemente können beispielsweise aus porösen Metallen, Geweben oder Polymer-Membranen gebildet sein. Bevorzugt sind Filterelemente aus porösem Metall. Das poröse Metall kann ein elementares Metall oder eine Legierung sein. Beispiele für ein elementares Metall als poröses Metall sind Kupfer und Nickel. Beispiele für eine Legierung als poröses Metall sind Stahl oder rostfreier Stahl. Besteht das poröse Metall aus einer Legie­ rung, dann kann diese beispielsweise Kupfer, Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän oder Wolfram enthalten. Rostfreier Stahl wird als poröses Metall bevorzugt.

Das von den gasförmigen Silanen mitgeführte teilchenförmige Silicium wird von den Filterelementen gesammelt, während die gasförmigen Silane die Filterelemente passieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das auf den Filterelementen gesammelte teilchenförmige Silicium periodisch durch einen Gasstoß abgespült und in eine Sammelvorrichtung gelenkt, um so weiteres Silicium zu gewinnen. Der Gasstoß kann irgendein anorganisches oder inertes Gas der oben beschriebenen Art sein. Das so gewonnene Silicium kann entweder durch übliche Maßnahmen beseitigt oder als Beschickung für andere Verfahren verwendet werden. Die abgetrennten gasförmigen Silane können als Be­ schickung für entsprechende Verfahren verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die gasförmigen Silane derart behandelt, daß die Disilane zu Monosilanen umgewandelt werden, wobei die Monosilane dann wieder dem Verfahren zuge­ führt werden, durch welches der Nebenproduktstrom gebildet wird.

Beim vorliegenden Verfahren kann der Filter entweder in einer getrennten Filtrationskammer eingeschlossen oder in einer Filtrationszone angeordnet sein, die innerhalb der die Heizzone enthaltenden Verdampfungskammer untergebracht ist. Vorzugsweise wird das Verfahren in einer Kammer durchgeführt, die sowohl die Heizzone als auch den Filter enthält. Durch ein solches Ein­ kammersystem kann man der Gefahr einer Verstopfung begegnen, zu der es in der Leitung kommen kann, über die sonst die Verdamp­ fungskammer und die Filtrationszone verbunden sein müssen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Filterelemente konzentrisch in der Verdampfungskammer angeordnet.

Zur Ablösung von Silicium, das an den Wänden der Filtrations­ kammer haftet, falls eine Vorrichtung verwendet wird, bei welcher die Verdampfungskammer und die Filtrationszone vonein­ ander getrennt sind oder bei der beides in einer einzigen Kammer angeordnet ist, wird eine Teilchenentfernungsvorrichtung verwendet. Hierbei kann es sich um irgendeine Teilchenentfer­ nungsvorrichtung handeln, mit der sich feste Teilchen von den Wänden eines Behältnisses loslösen lassen. Die Teilchenentfer­ nungsvorrichtung kann beispielsweise ein Hochfrequenzvibrator oder eine mechanische Abklopfvorrichtung sein. Eine mechanische Abklopfvorrichtung wird als Teilchenentfernungsvorrichtung bevorzugt.

Die Temperatur in der Heizzone, der Filtrationszone und der Verbindungsleitung muß oberhalb dem Taupunkt der gasförmigen Silane gehalten werden, damit der atomisierte Nebenproduktstrom in seiner gasförmigen Phase bleibt. Hierzu eignet sich bei­ spielsweise ein mit einer Flüssigkeit geheizter Mantel, ein elektrisch geheizter Mantel oder ein Isoliermantel. Vorzugs­ weise sind die Heizkammer, die Filtrationszone und die Ver­ bindungsleitung in einem Heizmantel eingeschlossen, durch den eine Heizflüssigkeit geleitet werden kann.

Der Heizmantel trägt auch dazu bei, daß die Temperatur während einer chemischen Reaktion im gasförmigen Gemisch konstant gehalten werden kann. Mögliche chemische Reaktionen, die beim vorliegenden Verfahren auftreten können, sind beispielsweise eine Halogenierung der Disilane, eine Spaltung der Si-Si-Bin­ dung von Disilanen und eine Halogenierung von Silicium.

Solche Halogenierungsreaktionen und Spaltungen von Si-Si-Bin­ dungen erfordern im allgemeinen die Gegenwart eines Katalysa­ tors. Die in der Heizzone beim vorliegenden Verfahren verfüg­ bare Wärmeenergie kann jedoch dazu führen, daß diese Reaktionen aktiviert werden und beim Abtrennverfahren auftreten. Das vorliegende Verfahren ermöglicht somit nicht nur eine Abtren­ nung des teilchenförmigen Siliciums von den gasförmigen Sila­ nen, sondern es lassen sich hierdurch auch Disilane teilweise in brauchbare Monosilane umwandeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch das folgende Beispiel weiter beschrieben. Hierdurch soll der Umfang der vorliegenden Erfindung jedoch nicht beschränkt werden.

Beispiel

Das vorliegende Verfahren wird hinsichtlich seiner Fähigkeit zur Abtrennung von teilchenförmigem Silicium von einem Silane enthaltenden flüssigen Nebenproduktstrom geprüft. Der hierbei verwendete flüssige Nebenproduktstrom stammt von einem chemi­ schen Dampfabscheidungsverfahren für die Herstellung von hoch­ reinem Silicium.

Bei diesem Verfahren wird eine Verdampfungskammer und eine Filtrationskammer verwendet. Die Verdampfungskammer umfaßt einen zylindrischen oberen Abschnitt mit einer Höhe von 0,9 m und einem Innendurchmesser von 0,3 m sowie einen konusförmigen unteren Abschnitt mit einem Winkel von 60°. Die Verdampfungs­ kammer enthält eine Atomisierungsdüse mit einer Höhe von 23 cm sowie zwei konzentrische Kanäle. Die Atomisierungsdüse stammt von der Firma Spraying Systems Company, Wheaton, Illinois, VStA. Der innere konzentrische Kanal der Atomisierungsdüse weist einen Innendurchmesser von 0,64 cm auf und dient als Leitung für den flüssigen Nebenproduktstrom, welcher Silane und teilchenförmiges Silicium enthält. Der äußere konzentrische Kanal der Atomisierungsdüse hat einen Innendurchmesser von 2,5 cm und dient als Leitung für unter hohem Druck stehendes HCl- Gas, welches das Atomisierungsmittel für den Nebenproduktstrom bildet. Über eine getrennte Leitung wird in die Verdampfungs­ kammer ein vorerhitztes gasförmiges Gemisch aus HCl und Wasser­ stoff eingespeist, um so für eine Heizzone in der Verdampfungs­ kammer zu sorgen, in welcher der flüssige Nebenproduktstrom zu gasförmigen Silanen verdampft wird.

Verdampfungskammer, Filtrationskammer und Verbindungsleitung sind in einem Heizmantel eingeschlossen, durch den eine Heiz­ flüssigkeit mit einer Temperatur von 200°C geführt wird, so daß die Temperatur der Kammern und der Leitung auf etwa 145°C gehalten wird, nämlich auf einer oberhalb dem Taupunkt der gasförmigen Silane liegenden Temperatur. An den Wänden der Verdampfungskammer ist ein luftgetriebener Hochfrequenzvibrator angeordnet, der eine Loslösung von teilchenförmigem Silicium von den Wänden der Verdampfungskammer ermöglicht.

Die Filtrationskammer, durch die das teilchenförmige Silicium von den gasförmigen Silanen abgetrennt wird, ist ein von der Firma Mott Metallurgical Corporation, Farmington, Connecticut, VStA., erhältliches Druckgefäß. Das Druckgefäß hat eine Höhe von 1,7 m und einen Innendurchmesser von 20 cm. Die Filtra­ tionskammer enthält vier aus Inconel gebildete Filterelemente. Jedes Filterelement weist eine tubulare Konfiguration mit einem Durchmesser von 6 cm, einer Höhe von 1,4 m und einer Kennziffer von 4 µm auf.

Der flüssige Nebenproduktstrom wird über den inneren konzen­ trischen Kanal der Atomisierungsdüse in die Verdampfungskammer eingeführt. Der flüssige Nebenproduktstrom ist eine Aufschläm­ mung von Tetrachlorsilan, anderen Monosilanen, Disilanen, Spurenmengen an Disiloxanen, Spurenmengen an Organohalogensila­ nen und teilchenförmigem Silicium. Die Zusammensetzung des flüssigen Nebenproduktstroms kann der später folgenden Ta­ belle 1 entnommen werden. Der flüssige Nebenproduktstrom wird unter einer Fließgeschwindigkeit von 91 kg/h, einem Druck von 0,28 bar und bei einer Temperatur von 155°C durch den inneren konzentrischen Kanal der Atomisierungsdüse geschickt. Durch den äußeren konzentrischen Kanal der Atomisierungsdüse wird unter hohem Druck stehendes und zur Atomisierung dienendes HCl-Gas unter einer Strömungsgeschwindigkeit von 68 kg/h, einem Druck von 0,43 bar und einer Temperatur von 100°C geführt. Das unter hohem Druck stehende HCl-Gas vermischt sich mit dem flüssigen Nebenproduktstrom beim Eintritt in die Verdampfungskammer und atomisiert den flüssigen Nebenproduktstrom.

Ein gasförmiges Gemisch von HCl und Wasserstoff wird auf 240°C vorerhitzt und gleichläufig mit den Strömen aus dem flüssigen Nebenproduktstrom und dem unter hohen Druck stehenden HCl- Atomisierungsgas in die Verdampfungskammer eingespeist, wodurch sich eine Heizzone für die Verdampfung der flüssigen Komponen­ ten des atomisierten Nebenproduktstroms ergibt. Das vorerhitzte gasförmige Gemisch aus HCl und Wasserstoff wird in die Ver­ dampfungskammer bei einer Strömungsgeschwindigkeit des HCl- Gases von 45 kg/h, einer Strömungsgeschwindigkeit des Wasser­ stoffgases von 5 l/s und einem Gesamtdruck von 0,26 bar einge­ speist.

Die gasförmigen Silane und das teilchenförmige Silicium werden von der Verdampfungskammer bei einer Temperatur von etwa 145°C zwecks Auftrennung der Komponenten in die Filtrationskammer eingespeist.

Durch das Innere der tubularen Filterelemente wird periodisch ein Spülstrom aus Wasserstoff eingedrückt, um hierdurch das abgetrennte teilchenförmige Silicium von den Filterelementen loszulösen. Das abgetrennte teilchenförmige Silicium wird aus der Filtrationskammer entfernt und in eine Sammelvorrichtung gebracht, um so weiteres Silicium zu gewinnen. Die vom Silicium getrennten gasförmigen Silane werden von der Filtrationskammer einem Verfahren zugeführt, durch das Tetrachlorsilan und Tri­ chlorsilan gewonnen werden, welche dann einem chemischen Dampf­ abscheidungsverfahren zugeführt werden.

Proben des flüssigen Nebenproduktstroms am Einlaß, der in die Verdampfungskammer eingespeist wird (vor) und des Abstroms an gasförmigen Silanen aus der Filtrationskammer (nach) werden durch Gaschromatographie unter Anwendung eines Flammenionisa­ tionsdetektors analysiert, und die dabei erhaltenen Ergebnisse können der folgenden Tabelle 1 entnommen werden. Die darin enthaltenen Abkürzungen Gew.-% STC, Gew.-% TCS, Gew.-% Tetra- CDS, Gew.-% Penta-CDS, Gew.-% Hexa-CDS, und Gew.-% Sonstiges bezeichnen die Zusammensetzung an Tetrachlorsilan, Trichlorsi­ lan, Tetrachlordisilan, Pentachlordisilan, Hexachlordisilan und sonstigen Verbindungen in jedem Strom. Das teilchenförmige Silicium macht 75 Gewichtsprozent der Komponenten in der Kate­ gorie des sonstigen Stroms aus. Zu Verbindungen, die ebenfalls in der Kategorie des sonstigen Stroms vorhanden sind, gehören Dichlorsilan, Methyltrichlorsilan, Chlordisilan, Dichlordisilan und Chlordisiloxan.

Tabelle 1

Zusammensetzung des Nebenproduktstroms vor und nach dem Sprüh­ trocknungsabtrennungsverfahren

Das vom Nebenproduktstrom abgetrennte teilchenförmige Silicium hat eine Teilchengröße mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm bis zu 50 µm. Die Ergebnisse der Tabelle 1 zeigen, daß sich durch das vorliegende Auftrennverfahren teilchenförmiges Silicium von einem Silane enthaltenden flüssigen Nebenprodukt­ strom abtrennen lassen. Ferner kann den Ergebnissen der Ta­ belle 1 entnommen werden, daß das Verfahren auch eine Chlorie­ rung und chemische Umwandlung eines gewissen Teils der Disilane zu Monosilanen ergibt.

Claims (21)

1. Verfahren zur Abtrennung von teilchenförmigem Silicium aus einem Silane enthaltenden flüssigen Nebenproduktstrom, dadurch gekennzeichnet, daß

• A) ein flüssiger Nebenproduktstrom, der Silane und teil­ chenförmiges Silicium enthält, atomisiert wird,
• B) der atomisierte flüssige Nebenproduktstrom durch eine Heizzone geführt wird, die auf einer zur Umwandlung der Silane in gasförmige Silane ausreichenden Tempe­ ratur gehalten wird, und
• C) die gasförmigen Silane vom teilchenförmigen Silicium abgetrennt werden.

2. Verfahren zur Abtrennung von teilchenförmigem Silicium aus einem Silane enthaltenden flüssigen Strom, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• A) ein flüssiger Strom, der Silane und teilchenförmiges Silicium enthält, atomisiert wird,
• B) der atomisierte flüssige Strom durch eine Heizzone geführt wird, die auf einer zur Umwandlung der Silane in gasförmige Silane ausreichenden Temperatur gehal­ ten wird, und
• C) die gasförmigen Silane vom teilchenförmigen Silicium abgetrennt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Silane Halogensi­ lane und Halogendisilane umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trennen der gas­ förmigen Silane von dem teilchenförmigen Silicium durch Filtration erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der flüssige Nebenpro­ duktstrom durch Führen durch eine Atomisierungsdüse atomi­ siert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der flüssige Nebenpro­ duktstrom gemeinsam mit einem unter hohem Druck stehenden Atomisierungsgas durch die Atomisierungsdüse geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Atomisierungsdüse einen inneren konzentrischen Kanal und einen äußeren konzen­ trischen Kanal umfasst und der flüssige Nebenproduktstrom durch den inneren konzentrischen Kanal und das unter hohem Druck stehende Atomisierungsgas durch den äußeren konzentri­ schen Kanal geführt werden und der flüssige Nebenprodukt­ strom durch Inberührungbringen mit dem unter hohem Druck stehenden Atomisierungsgas nach dem Ausstoß in die Heizzone atomisiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der atomisierte flüs­ sige Nebenproduktstrom zu einer die Heizzone enthaltenden Verdampfungskammer geführt wird und die Heizzone bei einer Temperatur im Bereich von 35°C bis 750°C gehalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Heizzone bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 300°C gehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein vorerhitztes Gas in die Verdampfungskammer eingeführt wird, um die Heizzone zu bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das vorerhitzte Gas gemeinsam mit dem flüssigen Nebenproduktstrom und dem unter hohem Druck stehenden Atomisierungsgas zugespeist wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das unter hohem Druck stehende Atomisierungsgas aus Inertgasen und Halogenwasser­ stoffen ausgewählt ist und das vorerhitzte Gas aus Inertga­ sen, Wasserstoff, Halogenwasserstoffen, Monosilanen und Ge­ mischen hiervon ausgewählt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das unter hohem Druck stehende Atomisierungsgas Chlorwasserstoff ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das vorerhitzte Gas ein gasförmiges Gemisch aus Wasserstoff und Chlorwasserstoff ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das teilchenförmige Silicium von den gasförmigen Silanen durch ein Filterelement abgetrennt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Filterelement in der die Heizzone enthaltenden Verdampfungskammer enthalten ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Filterelement in einer getrennten, mit der die Heizzone enthaltenden Verdamp­ fungskammer verbundenen Filtrationskammer enthalten ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Innenwände der Verdampfungskammer bei einer Temperatur oberhalb dem Tau­ punkt der gasförmigen Silane gehalten werden.

19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Wände der Ver­ dampfungskammer mit einer Vorrichtung zum Entfernen von haf­ tendem teilchenförmigem Silicium von den Wänden in Berührung gebracht werden.

20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der flüssige Nebenpro­ duktstrom von einem chemischen Aufdampfen (CVD) von Trich­ lorsilan unter Bildung von elementarem Silicium herrührt.

21. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die abgetrennten gas­ förmigen Silane zu einem Verfahren zur katalytischen Umwand­ lung von Disilanen in Monosilane geführt werden und die Mo­ nosilane zu einem chemischen Aufdampfprozess zurückgeführt werden.