DE4240749C2

DE4240749C2 - Verfahren zum Herstellen von Siliziumimpfpartikeln durch Zerkleinern von Siliziumteilchen

Info

Publication number: DE4240749C2
Application number: DE4240749A
Authority: DE
Inventors: Hee Young Kim; Dae Heok Kwon; Yong Mok Song; Sung Woo Kim; Jong Yeol Jeon; Kang Mo Lee; Jae Song Lee
Original assignee: Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT
Current assignee: Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1992-12-03
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2012-12-04
Also published as: ITMI922404A0; ITMI922404A1; DE4240749A1; IT1255555B; KR930019275A; JPH0747133B2; KR940006017B1; US5346141A; JPH067700A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Zubereitung kleiner Si liziumteilchen, die zur Verwendung als Impfteilchen in ei nem Wirbelschichtreaktor für die Herstellung von hochrei nem, polykristallinem Silizium geeignet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zerkleinern von Siliziumteilchen, bei dem Siliziumaufgabe teilchen in eine Pulverisierkammer eingeführt werden, wo sie durch Fluidstrahlenergie miteinander kollidieren und zerkleinert werden, so daß kleine Siliziumimpfpartikel ohne Verschmutzung entstehen.

Die Verwendung eines Wirbelschichtreaktors zur Herstellung von polykristallinem Silizium ist bekannt. Mit dem bekannten Wirbelschichtverfahren kann es kontinuierlich in Granulatform hergestellt werden, während es mit einem herkömmlichen diskontinuierlichen Verfahren in Stangenform herstellbar ist. Bei dem Wirbelschichtverfahren werden dem Reaktor zugeführte Siliziumaufgabepartikel mit einem Gas, das eine Siliziumquelle enthält, fluidisiert. Hierbei kann das Gas in Form von Monosilan, Dichlorsilan oder Trichlorsilan unter Zusatz von Wasserstoff vorliegen. Bei einer ausreichend hohen Temperatur zersetzt sich das die Siliziumquelle enthaltende Gas in elementares Siliziummetall, das sich an der Oberfläche der fluidisierten Siliziumausgangspartikeln ablagert.

Um einen Wirbelschichtreaktor kontinuierlich in Betrieb zu halten, muß die Menge und Größe der Siliziumteilchen inner halb des Reaktionsgefäßes in einem bestimmten Bereich ge halten werden. Aus diesem Grund sollten die gewachsenen Si liziumteilchen unten aus dem Reaktionsgefäß als Silizi umprodukt abgezogen werden, während das Reaktionsgefäß kon tinuierlich mit kleinen Siliziumimpfpartikeln beschickt wird.

Als herkömmliches Verfahren für die Vorbereitung von Sili ziumimpfpartikeln für das Wirbelschichtverfahren steht ein Verfahren zur Verfügung, bei dem Siliziumklumpen oder Par tikel mit mechanischen Vorrichtungen zerkleinert, gesiebt, wiederholt mit Säure gewaschen und gespült und dann ge trocknet werden. Hierbei ist das Naßverfahren des Waschens und Spülens sehr wichtig, weil durch den Abrieb der Vor richtung eine beträchtliche Verschmutzung entsteht. Prak tisch ist es aber schwierig, im Wege des Naßverfahrens Impfpartikel der erforderlichen Reinheit zu erhalten.

Es sind aber verbesserte Verfahren für die Zubereitung von Siliziumimpfpartikeln mit weniger Verschmutzung entwickelt worden. Zwei dieser Verfahren gehen aus der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 58-1 45 611 und dem US-Patent 46 91 860 hervor. Bei der zuerst genannten Veröf fentlichung werden Siliziumklumpen oder Teilchen zwischen zwei Walzen in Form hochreiner Siliziumstäbe zerkleinert, und dann werden die zerkleinerten Teilchen gesiebt, um einen vorherbestimmten Größenbereich zu erhalten. Auf diese Weise entstehen kleine Siliziumimpfpartikel von hoher Rein heit. Dies Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Sili ziumstäbe starkem Abrieb unterliegen, daß zu viele Teilchen außerhalb des vorherbestimmten Größenbereichs verlorenge hen, und daß das Klassiersystem verhältnismäßig kompliziert ist. Bei dem in der zuletzt genannten Veröffentlichung be schriebenen Verfahren werden Siliziumteilchen von einer Gasströmung begleitet, um sie zu beschleunigen und durch Aufprall auf eine Siliziumplatte aufzuspalten. Auch bei diesem Verfahren können hochreine Siliziumimpfpartikel er zeugt werden; aber die Prallplatte aus Silizium muß wegen starken Abriebs periodisch durch eine neue ersetzt werden. Außerdem ist die Ausbeute an Impfpartikeln eines gewünsch ten Größenbereichs gering, da die Siliziumteilchen durch eine einzige Kollision mit der Platte zerkleinert werden.

Von den erwähnten Verfahren abgesehen verwendet man übli cherweise ein Wirbelschichtverfahren mit gleichzeitiger Strahlzerkleinerung, um eine Feinzerkleinerung fester Par tikel zu erzielen. Hierbei kollidieren die Partikel mitein ander aufgrund von Fluidstrahlenergie in einem Wirbelbett. Bei diesem Verfahren werden die Teilchen durch Füllen einer Pulverisierkammer mit festen Partikeln bis zu einem be stimmten Niveau zwecks Erhöhung der Kollisionen zwischen ihnen zerkleinert. Durchgeführte Versuche zum Zerkleinern von Silizi umteilchen einer Größe von 300-3000 Mikrometer mit diesem Verfahren zeigten, daß der Wirkungsgrad der Zerklei nerung gering ist und daß übermäßig viel feines Pulver er zeugt wird, welches zur Verwendung als Impfpartikel unge eignet ist. Der niedrige Wirkungsgrad steht in Beziehung zu der Erscheinung, daß die Ausbildung des Strahlstroms durch die hohe volumetrische Dichte von um die Strahldüse zirku lierenden Siliziumteilchen unterbrochen wird. Dies Ergebnis läßt sich auch dadurch erklären, daß der Zerklei nerungswirkungsgrad plötzlich absinkt, wenn die volumetri sche Dichte an festen Teilchen in der Zerkleinerungszone größer wird als ca. 0,1 (vgl. Tanaka, Ind. Eng. Chem. Process Des. Develop., Band 12, Nr. 2, 1973, SS 213-215). Die Erzeugung von übermäßig viel feinem Pulver ist ein na türliches Ergebnis, da dies Verfahren benutzt wurde, um Feinstteilchen in einer Größenordnung von unterhalb einigen zehn Mikrometer zu erzeugen.

Aus diesen und anderen Gründen ist klar, daß herkömmliche Zerkleinerungsverfahren zum Herstellen kleiner Siliziumpar tikel von hoher Reinheit, die sich als Impfpartikel in ei nem Wirbelschichtreaktor für die Herstellung von hochreinem polykristallinem Silizium eignen, weder leistungsfähig noch wirtschaft lich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Strahlzer kleinerungsverfahren zur Herstellung von Siliziumimpfpartikeln vorzuschlagen, bei dem keine Verschmutzung durch gegenseitige Kollision der Siliziumteilchen auftritt. Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Strahlzerkleinerungsverfahrens liegt darin, daß die Erzeugung von Feinpulver unterdrückt werden kann, welches sich für die Verwendung als Impfpartikel nicht eignet. Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Aufgabepartikel kontinuierlich ohne Verschmutzung zugeführt werden können. Darüberhinaus können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren pulverisierte Teilchen gewonnen werden, ohne daß ein zusätzliches Sieben zur Abtrennung von Teilchen erforderlich ist, die eine vorherbestimmte Größe überschreiten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können kleine Siliziumpartikel herge stellt werden, die sich als Impfpartikel in einem chemi schen Dampfniederschlagsverfahren im Wirbelbett eignen. Dazu werden hochreine Siliziumimpfpartikel durch ein Strahlzerkleinerungsverfahren erzeugt, bei dem Siliziumteilchen mittels eines Fluidstrahls beschleu nigt und zur gegenseitigen Kollision innerhalb einer Pulve risierkammer veranlaßt werden, wobei sie aufbrechen oder sich zu kleinen Partikeln zerteilen, die dann als Impfpar tikel gewonnen werden.

In den folgenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Strahlmühle, die mit einer Abscheidekammer als Einheit verwendet wird;

Fig. 2 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem eine Strahlmühle getrennt von der Abschei dekammer benutzt wird; und

Fig. 3 eine herkömmliche Wirbelschicht-Strahlzerkleine rungsvorrichtung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Strahlzerkleinerungsvorrichtung oder Strahl mühle zum Erzeugen von Siliziumimpfpartikeln aus Silizium aufgabeteilchen, die größer sind als die Impfpartikel, mit einer zylindrischen Pulverisierkammer, einer innerhalb des unteren, mittleren Teils der Pulverisierkammer angeordneten Strahldüse, einer in der oberen Wand der Pulverisierkammer vorgesehenen Entlüftungsöffnung, die viel enger ist als die Pulverisierkammer, und einer Einlaßöffnung für Aufgabeteil chen, die in der Wand der Pulverisierkammer auf etwa der gleichen Höhe wie die Strahldüse angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung werden zum Erzeugen von Siliziumimpf partikeln durch Pulverisieren von Siliziumteilchen Silizi umaufgabeteilchen in einer Größe von 300-3000 Mikrome tern durch die Einlaßöffnung in die Pulverisierkammer ein geführt. Durch die im unteren mittleren Teil der Pulve risierkammer vorgesehene Strahldüse wird ein Strahlstrom mit einer Strahlgeschwindigkeit von 300-10000 m/s am Düsenausgang eingeleitet, so daß die Siliziumteilchen in der Nähe der Strahldüse beschleunigt werden und miteinander kollidieren, wodurch sie zerkleinert werden. Dabei wird aus dem in der Pulverisierkammer entstehenden, aufgewirbelten Bett aus Siliziumteilchen eine Art von Wirbelschicht von verdünnter Phase ohne Grenze nach oben gebildet.

Versuche haben gezeigt, daß nur beim Pulveri sieren unter Schaffung der erwähnten Wirbelschicht von ver dünnter Phase Siliziumteilchen in einer Größenordnung von 300-3000 Mikrometern wirksam zerkleinert wurden und gleichzeitig die Erzeugung von Feinpulver unterhalb von etwa 100 Mikrometern, was für Impfpartikel ungeeignet ist, reduziert werden konnte. Wenn eine Wirbelschicht mit dich ter Phase durch Erhöhen der Partikeldichte in der Pulveri sierkammer gebildet wurde, sank der Zerkleinerungswirkungs grad rapide ab, so daß bei einer Erhöhung der Strahlge schwindigkeit zum Verbessern der Zerkleinerungswirkung eine Verzögerungsbewegung entstand, die schließlich zu Staus führte, wobei nicht zerkleinerte Siliziumteilchen mit Un terbrechungen in großen Mengen aus der Pulverisierkammer ausgeblasen werden.

Der Ausdruck "Wirbelschicht von verdünnter Phase", der dem Fachmann bekannt ist, bezieht sich auf einen bestimmten Zu stand einer Wirbelschicht, bei der die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer so groß ist, daß das Fließbett keine Obergrenze hat, und daß Teilchen unter halb einer bestimmten Größe durch den Gasstrom aufschwim men, um aus der Pulverisierkammer abgeführt zu werden (siehe Kunii & Levenspiel, Fluidization Engineering, SS2- 3, 1969). Darüber hinaus bedeutet eine Wirbelschicht von verdünnter Phase gemäß dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren einen Zu stand, bei dem die Teilchendichte, ausgedrückt als Verhält nis des Volumens der festen Teilchen zu dem der Pulveri sierkammer zwischen dem Strahldüsenauslaß und der Entlüf tungsöffnung, unterhalb etwa 0,2, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,01-0,1 gehalten wird.

Um die erwünschte Wirbelschicht von verdünnter Phase zu er halten, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst einmal die durch schnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer in einem Bereich von 0,5-30 m/s gehalten, so daß pulveri sierte, kleine Siliziumteilchen unterhalb einer vorherbe stimmten Größe vom Gasstrom aufgeschwemmt und durch die Entlüftungsöffnung in der oberen Wand der Pulverisierkammer aus dieser ausgetragen werden. Zweitens wird die Teilchen dichte zwischen dem Auslaß der Strahldüse und der Entlüf tungsöffnung unterhalb etwa 0,2 gehalten, und drittens wird die Querschnittsfläche der Entlüftungsöffnung kleiner ge macht als die der Pulverisierkammer.

Als Gas für den Strahlstrom eignet sich jedes Gas, welches Siliziumteilchen nicht verschmutzt und eine hohe Reinheit hat, zum Beispiel gereinigte Luft, Stickstoff, Wasserstoff, Argon oder Helium.

Der Düsendruck oder die Strahlgeschwindigkeit am Düsenaus gang sollte so groß sein, daß alle Siliziumaufgabeteilchen pulverisiert werden können. Im Sinne der vorliegenden Er findung wird die Strahlgeschwindigkeit am Strahldüsenaus gang definiert als der Wert der Gasdurchflußmenge für den Strahlstrom dividiert durch die Querschnittsfläche der Strahldüse, da es schwierig ist, ihn exakt vorzuschreiben oder zu messen. Gemäß der Hochgeschwindigkeitsgasdynamik ist die Gasdurchflußmenge (oder die Strahlgeschwindigkeit wie oben definiert) etwa proportional zum Düsendruck, wenn der Düsendruck größer ist als ein kritischer Wert. Da die Siliziumaufgabeteilchen größer sind und die Dichte des Gases für den Strahlstrom kleiner ist, sollte die Strahlge schwindigkeit höher sein, um eine wirksame Zerkleinerung zu erzielen.

Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß zur wirksamen Zerkleinerung von Siliziumteilchen mit einem Durchmesser von etwa 700 Mikrometern bzw. 2000 Mikrometern in einer Strahlmühle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer einzigen Strahldüse, deren Durchmesser 1,75 mm betrug, ein Düsen druck von 5 bar (oder eine Strahlgeschwindigkeit von 1090 m/s am Strahldüsenausgang) bzw. 8 bar (oder eine Strahlgeschwindigkeit von 1640 m/s) erforderlich war. Bei anderen Versuchen, bei denen andere Gase verwendet wurden, war die Strahlgeschwindigkeit am Düsenausgang, die zur wirksamen Zerkleinerung erforderlich war, etwa umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Gasdichte. Die Strahlge schwindigkeit für Wasserstoffgas mußte etwa 3,6 mal größer sein als im Fall von Stickstoffgas.

Beim Zerkleinern von Siliziumaufgabeteilchen im Größenord nungsbereich von 300-3000 Mikrometern muß die Strahl geschwindigkeit am Düsenausgang im Bereich von 300-10000 m/s, vorzugsweise 1000-5000 m/s liegen, auch wenn sie je nach der für den Strahlstrom verwendeten Art des Gases variiert. Eine Strahlgeschwindigkeit über 10000 m/s ist un wirtschaftlich, da sie ein zu stark druckbeaufschlagtes Gas erfordert (über 13 bar bei Stickstoffgas). Bei einer Strahlgeschwindigkeit unterhalb 300 m/s ist eine wirksame Zerkleinerung nicht zu erzielen.

Die Strahldüse ist beim erfindungsgemäßen Verfahren im unteren, mittleren Teil der Pulverisierkammer axial angeordnet. Es kann entwe der eine einzige Düse oder eine Mehrfachdüse vorgesehen sein. Der Düsendurchmesser wird anhand der Größe der Sili ziumaufgabeteilchen bestimmt. Wenn Siliziumaufgabeteilchen von 300-3000 Mikrometern zerkleinert werden sollen, muß der Düsendurchmesser vorzugsweise im Bereich von ca. 1,0-2,5 mm liegen. Je kleiner der Düsendurchmesser ist, um so weniger große Partikel werden pulverisiert. Andererseits wird die Gasmenge zu groß, wenn der Düsendurchmesser den angegebenen Bereich überschreitet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Schaffen eines Fließbetts mit verdünnter Phase die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer in einem Be reich von 0,5-30 m/s gehalten. Sobald die durch schnittliche Gasgeschwindigkeit eingestellt ist, werden Teilchen mit niedrigerer Endgeschwindigkeit als die durch schnittliche Gasgeschwindigkeit aus der Pulverisierkammer entlüftet, während Teilchen mit höherer Endgeschwindigkeit in der Nähe der Strahldüse herabfallen, um von der Strahl strömung erneut zerkleinert zu werden. Die durchschnittli che Gasgeschwindigkeit wird von der Querschnittsfläche der Pulverisierkammer (Innendurchmesser im Fall einer zylindri schen Pulverisierkammer) bestimmt, wenn die Gasdurchfluß menge in der Pulverisierkammer festgesetzt ist.

Da erfindungsgemäß Siliziumimpfpartikel mit einer Größe von etwa 100-1000 Mikrometer hergestellt werden sollen, wird die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit vorzugsweise niedriger gehalten als die Endgeschwindigkeit eines Siliziumteilchens mit einem Durchmesser von 1 mm und höher als die eines Si liziumteilchens mit 0,1 mm Durchmesser. Die durchschnittli che Gasgeschwindigkeit wird von der Gasdurchflußleistung und der Größe der Pulverisierkammer bestimmt, was nachfol gend am Beispiel kugelförmiger Siliziumteilchen erläutert wird.

Eine theoretisch abgeleitete Gleichung hinsichtlich der Endgeschwindigkeit eines kugelförmigen Teilchens sieht wie folgt aus (siehe Fayed & Otten, Handbook of Powder Science, 1985, S. 614):

In den obigen Gleichungen bedeutet Re = Reynolds-Zahl; d = Teilchendurchmesser; V_t = Endgeschwindigkeit eines Teil chens; ç_s = Festkörperdichte; ç_g = Gasdichte; und µ_g = Gas viskosität. Diese Gleichung ergibt Ergebnisse, die inner halb von 7 % der experimentellen Werte für Re bis zu 7000 und einer oberen Durchmessergrenze von 7 mm liegen.

Die errechneten Endgeschwindigkeiten von Siliziumteilchen mit einem Durchmesser von 1 mm und 0,1 mm bei Anwendung der vorstehenden Gleichung sind 6,61 m/s bzw. 0,53 m/s im Fall von Stickstoffgas sowie 21,79 m/s bzw. 1,23 m/s im Fall von Wasserstoffgas. Obwohl die tatsächliche Endgeschwindigkeit eines zerkleinerte Siliziumteilchens sich wegen der nicht sphärischen Gestalt etwas von dem berechneten Wert unter scheidet und die Gasdurchflußleistung je nach dem verwende ten Gas unterschiedlich geregelt werden sollte, muß die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkam mer in einem Bereich von 0,5-30 m/s ge halten werden, wenn Impfpartikel einer Größe von etwa 100- 1000 µm erhalten werden sollen.

Die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulveri sierkammer wird durch die Querschnittsfläche der Pulveri sierkammer bestimmt, wenn die Gasdurchflußleistung einge stellt ist. Bei der vorstehend genannten Zerkleinerungsbe dingung (Verwendung von Stickstoffgas, Düsendurchmesser 1,75 mm, Strahlgeschwindigkeit 1640 m/s) wird vorzugsweise der Durchmesser der Pulverisierkammer größer als (1640/6,61)0,5 = 15,8-mal der der Düse eingestellt, das be deutet 27,7 mm, um Teilchen einer Größe von weniger als 0,1 mm aus der Pulverisierkammer auszutragen. Zum Austragen von Teilchen über 1 mm Größe wird vorzugsweise ferner der Durchmesser der Pulverisierkammer kleiner eingestellt als (1640/0,53)0,5 = 55,3-mal der der Düse, mit anderen Worten 97,3 mm.

Bei der vorstehend genannten Bedingung zur Strahlzerkleine rung sollte also der Durchmesser der Pulverisierkammer im Bereich von 27,7-97,3 mm liegen, um Siliziumimpfpartikel im Größenordnungsbereich von etwa 100-1000 Mikrometer zu er halten. Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Größe der Impfpartikel willkürlich dadurch gesteu ert werden kann, daß der Durchmesser der Pulverisierkammer entsprechend gewählt wird. Beispielsweise kann, wie aus den Berechnungen gemäß der vorstehend genannten Strahlzerklei nerungsbedingung hervorgeht, die Größe von Siliziumimpfpar tikeln dadurch gesteuert werden, daß der Durchmesser der Pulverisierkammer auf Werte von 27,7-97,3 mm eingestellt wird.

Die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulveri sierkammer wird durch Einstellen der Gasdurchflußleistung für die Strahlströmung und der Querschnittsfläche der Pul verisierkammer gesteuert. Zusätzlich kann sie durch Einfüh ren weiteren Gases in den unteren Teil der Pulverisierkam mer gesteuert werden.

Vorstehend wurde ein Verfahren zum Einstellen der durch schnittlichen Gasgeschwindigkeit erläutert, um in der Pul verisierkammer ein Wirbelbett von verdünnter Phase zu erzeu gen. Bei durchgeführten Versuchen wurde trotz des Beibehaltens der durchschnittlichen Gasgeschwin digkeit innerhalb des zuvor genannten Bereichs ein klumpi ges Bett gebildet, was schließlich zu einer Verstopfung und Stauung führte, wobei nichtzerkleinerte Siliziumteilchen mit Unterbrechungen aus der Pulverisierkammer ausgetragen werden, wenn die Teilchendichte darin größer als etwa 0,2 ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Teilchendichte zwischen dem Strahldüsenausgang und der Entlüftungsöffnung in der Pulverisierkammer unterhalb von etwa 0,2, vorzugsweise in einem Bereich von 0,01-0,1 gehalten.

Da sich bei einer Teilchendichte in der Pulverisierkammer von unterhalb 0,01 die Kollisionshäufigkeit zwischen Teil chen verringert, was die Ausbeute an Siliziumimpfpartikeln herabsetzt, ist es wichtig, die Teilchendichte in einem vorherbestimmten Bereich zu halten, um unter stabilen Be triebsbedingungen den höchstmöglichen Wirkungsgrad der Zer kleinerung zu erzielen.

Um die Teilchendichte in einem vorherbestimmten Bereich zu halten, wird erfindungsgemäß die Zufuhrgeschwindigkeit von Siliziumaufgabeteilchen entsprechend der Zerkleine rungskapazität ordnungsgemäß geregelt. Ist die Zufuhrge schwindigkeit größer als die Pulverisierkapazität, so nimmt die Teilchendichte in der Pulverisierkammer allmählich zu, was zur Verstopfung führt, ist sie zu gering, so ist das Ergebnis eine kleinere Ausbeute an pulverisierten Teilchen. Deshalb muß die Zufuhrgeschwindigkeit der Siliziumaufgabe teilchen gleichbleibend geregelt werden.

Zur Einspeisung von Siliziumteilchen kann eine herkömmliche Zufuhreinrichtung benutzt werden, beispielsweise eine dreh bare Einrichtung oder eine Einrichtung mit Förderschnecke oder eine mit Schwingungen arbeitende Zufuhreinrichtung. Da es aber äußerst schwierig ist, Silizium teilchen ohne Verschmutzung mit einem herkömmlichen Zufuhr gerät aufzugeben, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Zufuhr angewandt, bei dem das Prinzip der Festkörperabdich tung angewandt wird. Dabei ist in der Seitenwand auf ähnli cher Höhe wie die Strahldüse eine Einlaßöffnung vorgesehen, die vorzugsweise innerhalb von 5 cm unterhalb des Strahldü senausgangs liegt, und die Zufuhrleitung zwischen einem Fülltrichter und der Eingangsöffnung verläuft nahezu senk recht. Bei fortgesetzter Pulverisierung nimmt die Anzahl Teilchen in der Nähe der Strahldüse allmählich ab, wodurch die Teilchendichte in der Nähe der Eingangsöffnung sinkt. Dann werden Siliziumaufgabeteilchen unter Schwerkraft auto matisch durch die Eingangsöffnung in die Pulverisierkammer nachgefüllt, um die abgesunkene Teilchendichte wieder aus zugleichen.

Die Zufuhrgeschwindigkeit der Siliziumteilchen wird von verschiedenen Faktoren bestimmt, beispielsweise der Zufuhr teilchengröße, dem Durchmesser der Eingangsöffnung, der Konstruktion der Zufuhrleitung und dem Niveau, auf dem sich die Einlaßöffnung befindet. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist an der Zufuhrleitung unmittelbar neben der Ein gangsöffnung eine zusätzliche Gasleitung vorgesehen, um die Zufuhrmenge und -geschwindigkeit unabhängig von diesen Fak toren zu regeln. Die Zufuhrleistung kann dadurch erhöht werden, daß zusätzliches Gas in geringer Menge durch diese Gasleitung zugeführt wird, und sie kann durch Einstellen dieser Gaszuflußleistung entsprechend den Zerkleinerungsbe dingungen willkürlich geregelt werden.

Die Siliziumaufgabeteilchen haben beim erfindungsgemäßen Verfahren einen Durchmesser im Größenordnungsbereich von 300-3000 Mikrome ter, vorzugsweise 400-2000 Mikrometer und können jede be liebige Gestalt, einschließlich Kugelform haben. Die Sili ziumimpfpartikel, die in einem Wirbelschichtreaktor zum Herstellen von polykristallinem Silizium benutzt werden, müssen mögli cherweise eine unterschiedliche Größe je nach den Betriebs bedingungen des Wirbelschichtreaktors haben. So sollten die Siliziumimpfpartikel kleiner sein als die Siliziumpro dukte aus dem Wirbelschichtreaktor und einen Durchmesser haben, der vorzugsweise im Bereich von 100-1000 Mikrometer liegt.

Die Querschnittsfläche der Entlüftungsöffnung sollte klei ner sein als die der Pulverisierkammer, damit ein stabiles Fließbett von verdünnter Phase entsteht. Wenn die Entlüf tungsöffnung enger ist als die Pulverisierkammer, werden die in der Nähe der Entlüftungsöffnung schwebenden pulveri sierten Siliziumteilchen leicht aus der Pulverisierkammer ausgetragen, und diese ausgetragenen Teilchen können dann nicht in die Pulverisierkammer zurückgelangen, da die ört liche Gasgeschwindigkeit an der Entlüftungsöffnung größer ist als die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer. Bei vorgenommenen Ver suchen war in dem Fall, in dem die Querschnittsfläche der Entlüftungsöffnung die gleiche oder größer war als die der Pulverisierkammer die Fluidisierung in der Pulverisierkam mer sehr unstabil, so daß das gewünschte Wirbelbett mit verdünnter Phase nicht erzeugt werden konnte. Der Bereich der Entlüftungsöffnung entspricht normalerweise weniger als der Hälfte der Querschnittsfläche der Pulverisierkammer. Bei einer Pulverisierkammer mit einem Durchmesser von 30- 60 mm wird vorzugsweise eine Entlüftungsöffnung mit einem Durchmesser von 10-15 mm in der oberen Wand der Kammer vor gesehen.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Zerkleinerungsvorrichtung in Form einer Strahlmühle 1 gezeigt, die mit einer Trenn kammer 5 eine Einheit bildet. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strahlmühle 1, die getrennt von der Trennkammer 5 benutzt wird, während Fig. 3 eine her kömmliche Wirbelschicht-Strahlzerkleinerungsvorrichtung 21 darstellt.

Die Strahlmühle 1 weist beim erfindungsgemäßen Verfahren ganz einfach eine zylindrische Pulverisierkammer 2 auf, an deren Boden in der Mitte eine Strahldüse 3 angeordnet ist. In der obe ren Wand der Pulverisierkammer 2 befindet sich eine Entlüf tungsöffnung 4 und in der Seitenwand der Pulverisierkammer 2 eine Einlaßöffnung 9, die auf ähnlicher Höhe liegt wie die Strahldüse 3.

Siliziumaufgabeteilchen in einer Größe von etwa 0,1-3 mm werden in einen Zufuhrtrichter 10 gefüllt, von wo aus sie durch die Einlaßöffnung 9 in die Pulverisierkammer 2 einge führt werden, deren Durchmesser 30-60 mm beträgt. Durch die Strahldüse 3, deren Durchmesser 1,0-2,5 mm beträgt, strömt Gas aus einer Gaszufuhrleitung 6 und erzeugt eine Strahl strömung von hoher Geschwindigkeit. Von dieser Strahlströ mung werden Siliziumteilchen in der Nähe der Strahldüse 3 mitgerissen und beschleunigt, so daß sie zusammenprallen und dadurch zerkleinert werden. Unter den zerkleinerten Si liziumteilchen werden kleine, deren Endgeschwindigkeiten geringer sind als die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer 2 von der Gasströmung nach oben geschwemmt. So gelangen sie durch die Entlüftungsöffnung 4, deren Durchmesser etwa 10 mm beträgt, aus der Pulverisier kammer 2 heraus. Die ausgetragenen Siliziumteilchen werden dann in eine Trennkammer 5 eingeführt, aus der Feinteilchen von unterhalb etwa 100 Mikrometer durch eine Gasabführlei tung 8 entfernt werden und in einen Sackfilter 13 gelangen. Die pulverisierten Produktteilchen in einem gewünschten Größenbereich werden in einem Impfpartikeltrichter 12 ge sammelt. Diese Produktteilchen werden als Impfkristalle für den Siliziumniederschlag in einem Wirbelschichtreaktor be nutzt, um körnchenförmiges polykristallines Silizium herzustellen. Teil chen mit einer höheren Endgeschwindigkeit als der durch schnittlichen Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer 2 fallen in der Nähe der Strahldüse 3 herab und werden von der Strahlströmung erneut zerkleinert.

Mit fortlaufender Zerkleinerung nimmt die Anzahl von Sili ziumteilchen in der Nähe der Strahldüse 3 allmählich ab, so daß die Teilchendichte in der Nähe der Eingangsöffnung 9 absinkt. Dann werden unter Schwerkraft automatisch Aufgabe teilchen in die Pulverisierkammer 2 eingeführt. Die Zufuhr menge und -geschwindigkeit dieser Siliziumteilchen wird von vielen Faktoren bestimmt, beispielsweise der Aufgabeteil chengröße, der Geometrie der Zufuhrleitung, sowie der Größe und der Anbringungshöhe der Einlaßöffnung 9. An der Zufuhr leitung ist eine zusätzliche Gasleitung 11 vorgesehen, um unabhängig von diesen Faktoren die Gaszufuhr zu regeln. Die Zufuhrleistung kann durch Einstellen der Gasdurchflußlei stung durch diese Gasleitung 11 geregelt werden, und infol gedessen kann die Teilchendichte aus dem Strahldüsenausgang 3′ zur Entlüftungsöffnung 4 in der Pulverisierkammer 2 leicht gesteuert werden. Zwischen dem Zufuhrtrichter 10 und der Trennkammer 5 ist eine Druckausgleichsleitung 7 ange ordnet, damit das Zufuhrsystem stabil arbeiten kann.

Beispiel 1

Es wurden Siliziumaufgabeteilchen mit einem durchschnittli chen Durchmesser von ca. 1,275 µm, wie in Tabelle 1 ge zeigt, in der in Fig. 1 dargestellten Strahlmühle unter folgenden Bedingungen zerkleinert. Als Zufuhrteilchen dien te hochreines polykristallines Silizium aus einem Wirbelschicht reaktor von nahezu kugelförmiger Gestalt. Die Strahlmühle 1 wies eine zylindrische Pulverisierkammer 2 mit einem Durch messer von 30 mm und einer Höhe von 70 cm auf. Auf einer Höhe von 2,5 cm oberhalb des Bodens der Pulverisierkammer 2 war eine Strahldüse 3 mit einem Durchmesser von 1,75 mm vorgesehen. Eine Entlüftungsöffnung 4 mit einem Durchmesser von 1 cm war 2,5 cm unterhalb der Oberkante der Pulveri sierkammer 2 vorgesehen und eine Einlaßöffnung 9 befand sich 1 cm unterhalb des Strahldüsenausgangs 3′. Die Trenn kammer 5 hatte einen Durchmesser von 11 cm. Durch die Strahldüse 3 wurde zum Zerkleinern der Siliziumteilchen etwa 250 l/min gasförmiger Stickstoff zugeführt. Die berechnete Strahlge schwindigkeit am Strahldüsenausgang 3′ und die berechnete durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkam mer 2 betrug 1730 m/s bzw. 5,9 m/s. Zufuhrteilchen wurden in die Pulverisierkammer mit einer Geschwindigkeit von etwa 6,6 g/min durch Regeln der Stickstoffströmung durch die Gas leitung 11 eingeführt. Nach einer Pulverisierungsdauer von etwa 30 Minuten wurden die im Impfpartikeltrichter 12 ge sammelten, zerkleinerten Siliziumteilchen gesiebt, um eine Größenverteilung mit einem Durchschnittsdurchmesser (geometrisches Mittel) von etwa 614 Mikrometern zu erhal ten, wie aus Tabelle 1 hervorgeht. Es zeigte sich, daß die meisten aufgegebenen Teilchen in zwei oder mehrere Teile zerkleinert worden waren. Der Anteil an Feinpartikelchen (unterhalb etwa 100 um) die aus der Trennkammer ausgeblasen wurden, betrug etwa 2 % der zugeführten Menge Siliziumteil chen.

Tabelle 1

Größenverteilung von Siliziumaufgabeteilchen und zer kleinerten Siliziumteilchen gemäß Beispiel 1

Beispiel 2

In der gleichen Strahlmühle wie beim Beispiel 1 wurden Silizi umaufgabeteilchen einer Größe von 1000-1410 Mikrometer (Durchschnittsdurchmesser: 1205 µm) von nahezu kugelförmiger Gestalt zerkleinert. Durch die Strahldüse 3 wurde zum Zerkleinern dieser Teilchen etwa 200 l/min Stickstoff zugeführt. Die berechnete Strahlgeschwindigkeit am Strahldüsenausgang 3′ und die berechnete durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer 2 betrug 1385 m/s bzw. 4,7 m/s. Nach etwa einstündigem Pulverisieren unter Zufuhr von Teilchen mit einer Geschwindigkeit von etwa 5,2 g/min in die Pulverisierkammer 2 wurden die im Impfpartikeltrichter 12 gesammelten, zerkleinerten Teilchen gesiebt. Die Ergebnisse gehen aus Tabelle 2 hervor, in der die Größenverteilung angegeben ist. Der durchschnittliche Durchmesser (geometrisches Mittel) betrug etwa 445 µm. Die Menge an Feinteilchen (unterhalb ca. 100 µm), die aus der Trennkammer abgeführt wurde, betrug etwa 5% der zugeführten Menge an Siliziumteilchen.

Tabelle 2

Versuchsergebnisse zum Vergleich des Strahlzerkleinerungsver fahrens gemäß der Erfindung mit dem herkömmlichen Wirbel schicht-Strahlzerkleinerungsverfahren

Vergleichsbeispiel

Eine in Fig. 3 gezeigte herkömmliche Wirbelschicht-Strahl zerkleinerungsvorrichtung 21 wurde mit den gleichen Silizi umaufgabeteilchen wie beim Beispiel 2, die einen durch schnittlichen Durchmesser von 1205 Mikrometer hatten, be schickt, um sie zu zerkleinern. Auch die Pulverisierkammer 22 war zylindrisch und hatte einen Durchmesser von 11 cm sowie unten in der Mitte eine Strahldüse 23. Vor einem Zer kleinerungsdurchlauf wurde die Pulverisierkammer 22 mit 1700 g Zufuhrteilchen durch eine Zufuhröffnung 26 be schickt, so daß ein Festbett aus Siliziumteilchen in einer Höhe von 14 cm oberhalb des Strahldüsenausgangs 23′ ent stand. Wie beim Beispiel 2 wurde ca. 200 l/min Stickstoff durch die Strahldüse 23 eingeleitet, um die Siliziumteil chen zu zerkleinern. In diesem Fall betrug die errechnete durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkam mer 0,35 m/s. Nach einer Zerkleinerungsdauer von 2 Stunden wurden alle Siliziumteilchen aus der Pulverisierkammer aus getragen, gewogen und gesiebt. Die Gesamtmenge an erhalte nen Siliziumteilchen betrug etwa 1670 g, worunter die zer kleinerten Teilchen von unterhalb 1000 µm 207 g ausmachten und eine Größenverteilung mit einem durchschnittlichen Durchmesser (geometrisches Mittel) von 637 µm hatten, wie in Tabelle 2 aufgeführt. Die Menge an Feinteilchen (unter halb etwa 100 µm), die aus der Pulverisierkammer 22 durch ein Entlüftungsloch 24 ausgetragen wurde, betrug etwa 30 g, was 14,5% der zerkleinerten Partikel entspricht.

Beispiel 2 und das Vergleichsbeispiel zeigen, daß das her kömmliche Strahlzerkleinerungsverfahren viel weniger wir kungsvoll ist als das Strahlzerkleinerungsverfahren gemäß der Erfindung und viel mehr feine Siliziumpartikel erzeugt, die zur Verwendung als Impfkristalle nicht geeignet sind.

Wie vorstehend erläutert, hat das Strahlzerkleinerungsver fahren gemäß der Erfindung bei der Herstellung von Sili ziumimpfpartikeln durch Pulverisieren von Siliziumteilchen einen höheren Wirkungsgrad und ist einfacher als herkömmli che Verfahren. Es hat aber auch die folgenden wichtigen Vorteile:

1.) Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen ein hochreiner Siliziumstab oder eine Prallplatte wegen schweren Abriebs periodisch durch eine neue zu ersetzen ist, ist der Abrieb an der Kammerwand und der Strahldüse bei der vorliegenden Erfindung nicht nennenswert, da der größte Teil der Zerkleinerung durch Selbstkollisionen zwi schen Siliziumteilchen geschieht.
2.) Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen die Ausbeute an erzeugten Impfpartikeln im erforderlichen Größenbereich gering ist, da die Zerkleinerung lediglich durch eine Kompression oder Kollision erfolgt, bringt die Erfindung eine hohe Ausbeute, da Teilchen, die größer sind als eine vorherbestimmte Größe, wiederholt in der Pulveri sierkammer zerkleinert werden, bis sie stark genug pulveri siert sind.
3.) Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen das Sieben kompliziert ist, da Teilchen, die größer sind als eine vorherbestimmte Größe, durch eine zusätzliche Sieb vorrichtung abgesondert werden sollten, ist das Sieben zum Ausscheiden größerer Teilchen bei der Erfindung nicht nö tig, da die Größenverteilung der Impfpartikel willkürlich gesteuert werden kann durch das Regeln der durchschnittli chen Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer.
4.) Im Gegensatz zum herkömmlichen Wirbelschicht-Strahl zerkleinerungsverfahren werden weniger, als Impfkristalle ungeeignete Feinpartikel erzeugt, da zerkleinerte Teilchen in einem erforderlichen Größenbereich gemäß der Erfindung sofort aus der Pulverisierkammer ausgetragen werden.

Letztlich können ohne weiteres Impfpartikel von hoher Reinheit erzeugt werden, da keine Verschmutzungen hervorru fende Werkstoffe benutzt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Siliziumimpfpartikeln durch Zerkleinern von Siliziumteilchen, dadurch gekennzeichnet,
daß Siliziumaufgabeteilchen mit einer Größe von 300 bis 3000 Mikrometern in eine Pulverisierkammer durch eine in der Wand derselben vorgesehene Einlaßöffnung eingeführt werden,
daß eine Strahlströmung durch eine im unteren Bereich der Pulverisierkammer angeordnete Strahldüse mit einer Strahlgeschwindigkeit von 300 bis 10 000 m/s am Strahldüsenausgang erzeugt wird, wobei Siliziumteilchen in der Nähe der Strahldüse beschleunigt werden, miteinander kollidieren und dadurch zerkleinert werden und
daß die Siliziumteilchen in der Pulverisierkammer zu einer Wirbelschicht von verdünnter Phase ohne obere Grenze dadurch aufgewirbelt werden, daß

a) die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer in einem Bereich von 0,5 bis 30 m/s gehalten wird, wodurch pulverisierte, kleine Siliziumpartikel unterhalb einer vorbestimmten Größe von der Strahlströmung hochgeschwemmt und durch eine in der oberen Wand der Pulverisierungskammer angeordnete Entlüftungsöffnung aus der Pulverisierkammer ausgetragen werden,
b) die Teilchendichte zwischen dem Strahldüsenausgang und der Entlüftungsöffnung durch Regeln der Zufuhrmenge an Siliziumaufgabeteilchen unterhalb etwa 0,2 gehalten wird, und
c) die Querschnittsfläche der Entlüftungsöffnung kleiner als die der Pulverisierkammer gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung am unteren Ende oder auf ähnliche Höhe wie die des Strahlendüsenausgangs angeordnet wird,
daß zwischen einem Zufuhrtrichter und der Einlaßöffnung eine Zufuhrleitung nahezu vertikal angeordnet wird und
daß an der Zufuhrleitung in der Nähe und neben der Einlaßöffnung eine zusätzliche Gasleitung vorgesehen wird, wodurch die Zufuhrmenge an Siliziumaufgabeteilchen durch Einstellen der Gasströmung in der zusätzlichen Gasleitung geregelt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Pulverisierkammer dadurch geregelt wird, daß zusätzliches Gas in den unteren Teil der Pulverisierkammer eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverisierkammer mit Mehrfachstrahldüsen versehen ist.