JP2009535515A - Method for refining semiconductor materials using redox reactions - Google Patents

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ドツバーシユタイン,ウベ・ヘルマン
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ジラソーラー・ベー・ベー
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    • C25C3/28Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of titanium, zirconium, hafnium, tantalum or vanadium of titanium

Abstract

a)アノードの電解質中に配置されたアノード6で、一つまたは複数のイオン性化合物を利用して、精製されるべき固体半導体材料を酸化する工程と、b)カソードの電解質中に配置されたカソード5で、工程a)において得られた一つまたは複数の化合物を、精製された固体半導体材料への還元する工程(ここで、一つまたは複数のイオン性化合物もまた形成される)とを含み、工程b)において形成された一つまたは複数のイオン性化合物が、工程a)において利用され、アノードおよびカソードが、電子移動のために互いに接続されている、半導体材料の精製方法。前記の形成されたイオン性化合物は、外部で精製される。本方法は、例えばシリコンの精製に利用され得る。  a) Oxidizing the solid semiconductor material to be purified with one or more ionic compounds at the anode 6 disposed in the anode electrolyte; b) disposed in the cathode electrolyte. Reducing, at the cathode 5, one or more compounds obtained in step a) to a purified solid semiconductor material, wherein one or more ionic compounds are also formed; A method for purifying a semiconductor material, wherein one or more ionic compounds formed in step b) are utilized in step a) and the anode and cathode are connected to each other for electron transfer. The formed ionic compound is purified externally. This method can be used, for example, for the purification of silicon.

Description

本発明は、酸化還元反応の利用による半導体材料の精製方法に関するものである。   The present invention relates to a method for purifying a semiconductor material by utilizing an oxidation-reduction reaction.

シリコンは、最もよく知られ、最も多く利用されている半導体材料の一つであり、例えば太陽電池、ダイオード、トランジスタ、集積回路(チップ)およびエレクトロニクスの他の領域などの産業において、しばしば利用されている。このような利用について、例えば、いわゆるSoGシリコン(太陽電池グレード、>99.9999%(>6N)の純度)またはEGシリコン(エレクトロニクスグレード、>99.9999999%(>9N)の純度)などの高純度のシリコンが必要とされる。いわゆるMGシリコン(冶金グレード、98−99%の純度)は、前記のような純粋なシリコンを得るためにしばしば利用される。このようなシリコン材料は、一般にSiO(例えば砂)から炭素(C)による還元によって一酸化炭素の形成下に得られる(炭素熱還元)。 Silicon is one of the best known and most widely used semiconductor materials, and is often used in industries such as solar cells, diodes, transistors, integrated circuits (chips) and other areas of electronics. Yes. For such applications, for example high so-called SoG silicon (solar cell grade,> 99.9999% (> 6N) purity) or EG silicon (electronic grade,> 99.9999999% (> 9N) purity). Pure silicon is required. So-called MG silicon (metallurgical grade, 98-99% purity) is often used to obtain such pure silicon. Such silicon materials are generally obtained from SiO 2 (eg, sand) by reduction with carbon (C) under the formation of carbon monoxide (carbothermal reduction).

MGシリコン中に存在し得る不純物の例は、炭素、ホウ素またはリンの化合物および例えば鉄、アルミニウム、チタンおよびバナジウムなどの金属元素である。とりわけ、このような不純物は、材料の半導体特性の劣化を引き起こし、この劣化は、例えば太陽電池にとって歩留りの減少をもたらし得る。さらに、このような劣化した半導体特性はまた、他のエレクトロニクス用途にとっても、望ましくない。   Examples of impurities that may be present in MG silicon are carbon, boron or phosphorus compounds and metal elements such as iron, aluminum, titanium and vanadium. Among other things, such impurities cause degradation of the semiconductor properties of the material, which can lead to a decrease in yield, for example for solar cells. Furthermore, such degraded semiconductor properties are also undesirable for other electronics applications.

例えば、鉄、アルミニウム、ホウ素、リン、チタンおよびバナジウムなどのある種の不純物は、他のものより有害であり、さらに、ある種の不純物は、他のものよりシリコンから除去するのが難しい。除去の簡単さは、とりわけ、流動状および固体のシリコン中のある種の元素の分離係数または溶解度の差に関係する。   For example, certain impurities such as iron, aluminum, boron, phosphorus, titanium and vanadium are more harmful than others, and some impurities are more difficult to remove from silicon than others. The ease of removal is related, inter alia, to the difference in the separation factor or solubility of certain elements in fluid and solid silicon.

現在、利用されているシリコンの精製のための標準の方法は、多数の工程からなり、すなわち、最初の工程において、MGシリコンがHClガスでSiHCl(トリクロロシラン)90%およびSiCl(四塩化珪素)10%に塩素化され、このプロセス中に、水素ガスが形成される。 Currently, the standard method for silicon purification utilized consists of a number of steps, ie, in the first step, MG silicon is HCl gas with 90% SiHCl 3 (trichlorosilane) and SiCl 4 (tetrachloride). Silicon) is chlorinated to 10% and during this process hydrogen gas is formed.

次いで、新たに形成されたガス相の珪素化合物は、不純物の量がppb(10億分率)およびppm(100万分率)レベルに達するまで、分留によって精製される。   The newly formed gas phase silicon compound is then purified by fractional distillation until the amount of impurities reaches the ppb (parts per billion) and ppm (parts per million) levels.

次の工程、いわゆる「シーメンス(Siemens)プロセス」において、精製ガス状珪素化合物および水素の利用によって精製シリコンの蒸着が行われる。この反応は、電気的に加熱された黒鉛電極上で例えば900−1100℃の温度で実行され、99.99999%(7N)の純度の多結晶質シリコンおよびHClが形成される。シリコンの精製のための同様の方法は、米国特許第4,213,937号明細書に開示されている。   In the next step, the so-called “Siemens process”, the deposition of purified silicon takes place by the use of purified gaseous silicon compounds and hydrogen. This reaction is carried out on an electrically heated graphite electrode, for example at a temperature of 900-1100 ° C., forming 99.9999% (7N) pure polycrystalline silicon and HCl. A similar method for the purification of silicon is disclosed in US Pat. No. 4,213,937.

このような方法の欠点は、第一に、例えばHClなどの腐食性ガスおよび例えば水素などの爆発性ガスが反応に必要とされ、このことが利用される設備および安全性要件に高度の要求を課すことである。第二に、この方法は、珪素化合物の結晶性シリコンへの変換を行う熱的プロセスのために多大のエネルギーを消費している。   The disadvantage of such a method is that, firstly, corrosive gases such as HCl and explosive gases such as hydrogen are required for the reaction, which places high demands on the equipment and safety requirements utilized. Is to impose. Second, this method consumes a great deal of energy due to the thermal process that converts the silicon compound to crystalline silicon.

出発物質としての四塩化珪素(SiCl)の利用によるシリコンカソード上へのシリコンの電気化学的析出は、T.Matsuda他、Chemistry Letters、1996、第569−570頁により知られている。 Electrochemical deposition of silicon on a silicon cathode by using silicon tetrachloride (SiCl 4 ) as a starting material is described in T.W. Matsuda et al., Chemistry Letters, 1996, pages 569-570.

水素ガスの利用によるMGシリコンからのシラン(SiH)の電気化学的合成は、T.Nohira他、 Electrochemistry、2005、73(8)、第692−699頁により知られている。 The electrochemical synthesis of silane (SiH 4 ) from MG silicon using hydrogen gas is described in T.W. Nohira et al., Electrochemistry, 2005, 73 (8), pages 692-699.

特開平06−173064号公報は、溶融塩における電解によってチタンの電解精製の方法を開示する。   JP 06-173064 discloses a method of electrolytic purification of titanium by electrolysis in a molten salt.

国際公開第02/099166号パンフレットは、CaClおよびCaOからなる電解質中へのSiOの溶解によるシリコンの製造方法を開示する。 WO 02/099166 discloses a method for producing silicon by dissolving SiO 2 in an electrolyte composed of CaCl 2 and CaO.

本発明の目的は、エネルギー効率のよい半導体材料の精製方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for purifying a semiconductor material with high energy efficiency.

また、本発明の目的は、いかなる腐食性または爆発性のガスも必要としない、このような方法を提供することである。   It is also an object of the present invention to provide such a method that does not require any corrosive or explosive gases.

さらに、本発明の目的は、それは簡単な設備で厳しい安全規制なしで実行することができる、このような方法を提供することである。   Furthermore, the object of the present invention is to provide such a method which can be carried out with simple equipment and without strict safety regulations.

前記目的の一つまたは複数は、
a)電解質中に配置され、一つまたは複数の不純物を含む半導体材料から作られたアノードの酸化工程であって、電解質中には、一つまたは複数のイオン性化合物が存在し、イオン性化合物が、半導体材料および一つまたは複数の不純物と反応して、式中、A=半導体イオン、X=ハロゲンイオン、H=水素、y=Aの価数、z=z以上の整数である、式I:
AX(y−z) (I)
による一つまたは複数の化合物および一つまたは複数の関連反応生成物を形成する工程と;
b)電解質中に配置されたカソードで、工程(a)において得られた、式Iによる一つまたは複数の化合物を加え、カソード上で還元を行い、精製された半導体材料をカソード上に形成する工程であって、この還元において、また、一つまたは複数のイオン性化合物も形成される工程と
を含み、工程b)において形成される一つまたは複数のイオン性化合物が、工程a)に戻され、アノードとカソードが電子移動のために互いに接続されていることを特徴とする、プリアンブルによる方法によって達成される。
One or more of the purposes are:
a) Oxidation step of an anode made of a semiconductor material containing one or more impurities disposed in an electrolyte, wherein one or more ionic compounds are present in the electrolyte, Reacting with a semiconductor material and one or more impurities, wherein A = semiconductor ion, X = halogen ion, H = hydrogen, y = valence of A, z = an integer greater than or equal to z I:
AX z H (yz) (I)
Forming one or more compounds and one or more related reaction products according to
b) At the cathode disposed in the electrolyte, one or more compounds according to formula I obtained in step (a) are added and reduced on the cathode to form a purified semiconductor material on the cathode. A step, wherein one or more ionic compounds formed in step b) are returned to step a). And achieved by a method according to the preamble, characterized in that the anode and the cathode are connected to each other for electron transfer.

半導体材料の例としてのシリコンに基づいて本発明をさらに説明するが、本発明はまた、例えばゲルマニウムなどの他の半導体材料にも利用可能である。   Although the present invention is further described based on silicon as an example of a semiconductor material, the present invention is also applicable to other semiconductor materials such as germanium.

また、図面に基づいて本発明を説明する。   The present invention will be described with reference to the drawings.

本方法においては、二つの半反応、すなわち、純度が高くないシリコンがハロゲン化珪素化合物へ変換されるアノード反応および精製ハロゲン化珪素化合物が、精製シリコンへ変換されるカソード反応が結合される。   In this method, two half reactions are combined, an anodic reaction in which non-pure silicon is converted to a silicon halide compound and a cathodic reaction in which the purified silicon halide compound is converted to purified silicon.

本発明は、アノードで第一の反応(本方法による工程a))を、カソードで第二の反応(本発明による工程b))を実行することによるエネルギー効率のよい方法を提供する。アノードにおいて形成される電子は、カソードにおいて使用され、その結果、原則として、可逆(平衡)反応が使用されるので、追加のエネルギーは全く必要としない。電位差を増加させることによる追加エネルギーの供給は、反応を著しく加速することができる。   The present invention provides an energy efficient method by carrying out the first reaction (step a)) according to the method at the anode and the second reaction (step b) according to the method at the cathode. The electrons formed at the anode are used at the cathode, so that in principle no reversible (equilibrium) reaction is used, so no additional energy is required. Supplying additional energy by increasing the potential difference can significantly accelerate the reaction.

本発明のさらなる利点は、ガス状化合物の代わりに、例えば塩素イオンまたは他のイオンなどのイオン性化合物を利用することができるので、HClガスおよび水素ガスは、もはや必要としないということである。これらのイオン性化合物は、シリコンアノードが利用される場合、アノードの半導体材料と反応して例えばハロゲン化珪素化合物などの式Iによる化合物を形成する。このようにして、一つまたは複数の前記目的は達成される。   A further advantage of the present invention is that HCl gas and hydrogen gas are no longer needed because ionic compounds such as chlorine ions or other ions can be utilized instead of gaseous compounds. These ionic compounds, when a silicon anode is utilized, react with the anode semiconductor material to form a compound according to Formula I, such as a silicon halide compound. In this way, one or more of the objects are achieved.

さらに、精製されるべき半導体材料中に存在する一つまたは複数の不純物は、一つまたは複数の反応において、一つまたは複数のイオン性化合物と反応して、関連の反応生成物を形成する。MGシリコンがアノードとして利用される場合、このような関連の反応生成物は、例えばFeCl、PCl、BCl、TiCl、AlClおよびVClなどである。 Furthermore, one or more impurities present in the semiconductor material to be purified react with one or more ionic compounds in one or more reactions to form the associated reaction product. When MG silicon is utilized as the anode, such related reaction products are, for example, FeCl 3 , PCl 3 , BCl 3 , TiCl 4 , AlCl 3 and VCl 4 .

電解質は、カソードからアノードへのイオン性反応生成物のための輸送媒体として役目を果たす。したがって、これらのイオン性反応生成物を戻すことは、好ましくは電解質を通して行われる。   The electrolyte serves as a transport medium for the ionic reaction product from the cathode to the anode. Thus, returning these ionic reaction products is preferably done through the electrolyte.

式Iによる一つまたは複数の化合物をカソードへ加えることについては、例えばカソードにおいてこのような化合物をガスとしてバブリングすることによって実行することができる。しかしながら、また、他の方法を利用することもできる。   Adding one or more compounds according to Formula I to the cathode can be performed, for example, by bubbling such compounds as a gas at the cathode. However, other methods can also be used.

図1は、本発明による方法を実行するために本発明者によって使用された構成1の例を示す。図1は、蒸発装置3(この蒸発装置3は、電解槽4に接続されている。)に接続されたシリンジポンプ2を表示する。   FIG. 1 shows an example of a configuration 1 used by the inventor to carry out the method according to the invention. FIG. 1 displays the syringe pump 2 connected to the evaporator 3 (the evaporator 3 is connected to the electrolytic cell 4).

カソード5およびアノード6が、図1に示されるように電解槽4中に存在する。図1において、隣にClが書かれている矢印によって示されているように、カソード5とアノード6との間で、イオン交換が行われる。 A cathode 5 and an anode 6 are present in the electrolytic cell 4 as shown in FIG. In FIG. 1, ion exchange is performed between the cathode 5 and the anode 6 as indicated by an arrow having Cl next to it.

本発明の工程a)によれば、一つまたは複数のイオン性化合物が、アノード6において形成され、集められる(アノード6における矢印を参照されたい。)。これらの化合物は、次いで外部で精製される。次いで、精製された所望の珪素化合物が、本方法の工程b)を実行するためにシリンジポンプ2の利用によって、カソードに供給される。いかなる未反応の珪素化合物もカソード5の上部においてガスの形で排出される(カソード5における矢印を参照されたい。)。   According to step a) of the present invention, one or more ionic compounds are formed and collected at the anode 6 (see arrow at anode 6). These compounds are then purified externally. The purified desired silicon compound is then fed to the cathode by use of the syringe pump 2 to perform step b) of the method. Any unreacted silicon compound is discharged in the form of a gas at the top of the cathode 5 (see arrow on cathode 5).

図2は、本発明において利用することができる電解槽の実施形態である。電解槽4の好ましい実施形態は、一方の端において閉じられ、電解質8で部分的に満たされる石英管7からなる。開口している下端を有する二つの石英管9が、この電解質8中に配置される。アノード6およびカソード5は、それぞれ、これらの石英管中に配置されている。石英管9へのアノードおよびカソードの追加のこのやり方においては、アノード6およびカソード5を互いに分離することが可能であり、この結果、カソード5およびアノード6で放出された蒸気を、別個に分離することができる。また、基準電極10が付いた石英管および温度を測定するための熱電対11が付いた石英管およびガスの形態の化合物の供給管が表示されている。   FIG. 2 is an embodiment of an electrolytic cell that can be used in the present invention. A preferred embodiment of the electrolytic cell 4 consists of a quartz tube 7 which is closed at one end and partially filled with an electrolyte 8. Two quartz tubes 9 having open bottoms are arranged in the electrolyte 8. The anode 6 and the cathode 5 are respectively disposed in these quartz tubes. In this additional manner of anode and cathode to the quartz tube 9, it is possible to separate the anode 6 and the cathode 5 from each other so that the vapors emitted at the cathode 5 and the anode 6 are separated separately. be able to. Also shown are a quartz tube with a reference electrode 10, a quartz tube with a thermocouple 11 for measuring temperature, and a compound supply tube in the form of a gas.

式Iによる形成された化合物は、本発明によって精製されるのが好ましい。これは、工程a)の後で、工程b)の前に実行される、二つのサブ工程c1)およびc2)、すなわち、
c1)式Iによる一つまたは複数の化合物および一つまたは複数の関連反応生成物の電解質からの抽出工程;
c2)一つまたは複数の関連反応生成物からの式Iによる一つまたは複数の化合物の分離工程;
を含む追加の工程c)を含む本方法の好ましい実施形態によって行うことができる。
The compounds formed according to formula I are preferably purified according to the present invention. This is the two sub-steps c1) and c2) performed after step a) and before step b), ie
c1) extracting one or more compounds according to formula I and one or more related reaction products from the electrolyte;
c2) separating one or more compounds according to formula I from one or more related reaction products;
Can be carried out by a preferred embodiment of the method comprising an additional step c) comprising:

このように、この実施形態においてアノードとしてMGシリコンが使用される場合においては、形成されたハロゲン化珪素化合物および関連反応生成物の両方を、好ましくはガスとして、アノードが配置されている電解質から抽出し、これらを精製後にカソードに加えて、ここで還元を行ってシリコンおよびイオン(例えば塩素イオンなど)を形成することができる。これらのイオンは、好ましくは電解質を通してアノードに移動し、ここでMGシリコンと反応して追加のハロゲン化珪素化合物を形成する。   Thus, in the case where MG silicon is used as the anode in this embodiment, both the formed silicon halide compound and related reaction products are extracted, preferably as a gas, from the electrolyte in which the anode is located. These can then be added to the cathode after purification, where reduction can be performed to form silicon and ions (eg, chlorine ions, etc.). These ions preferably migrate through the electrolyte to the anode where they react with MG silicon to form additional silicon halide compounds.

本発明のこのような実施形態は、優れた精製を確実にし、電解質の汚染を防止する。例えばホウ素およびリンなどの出発材料中に存在する可能性のある不純物は、精製されたハロゲン化珪素化合物が、カソードへの析出によって純粋なシリコン中に生じる前に除去される。ホウ素およびリンは、純粋なシリコンのさらなる処理においてドーパントとして利用されるので、これらの元素の除去は、特に重要である。このようなドーパントの量は、所望の特性を得るために非常に正確に決定されなければならず、したがって、これらの元素は、精製されたシリコン中に可能な限りほとんど存在しないことが非常に重要である。   Such an embodiment of the present invention ensures excellent purification and prevents electrolyte contamination. Impurities that may be present in the starting materials such as boron and phosphorus are removed before the purified silicon halide compound is produced in pure silicon by deposition on the cathode. Since boron and phosphorus are utilized as dopants in further processing of pure silicon, removal of these elements is particularly important. The amount of such dopants must be determined very accurately in order to obtain the desired properties, so it is very important that these elements are present as little as possible in the purified silicon. It is.

工程c1)については、例えば相分離によって実行することができる。ハロゲン化珪素化合物については、利用される温度で揮発性であり、したがって、流動性電解質からガスとして集めることができる。しかしながら、他の抽出方法も利用することができる。   Step c1) can be carried out, for example, by phase separation. Silicon halide compounds are volatile at the temperatures utilized and can therefore be collected as a gas from a fluid electrolyte. However, other extraction methods can be used.

工程c2)については、例えば、分留によって実行することができる。ハロゲン化珪素化合物およびハロゲン化不純物については、異なった沸点を有しており、したがって、蒸留によって分離することができる。しかしながら、また、他の分離法も利用することができる。   Step c2) can be carried out, for example, by fractional distillation. Silicon halide compounds and halogenated impurities have different boiling points and can therefore be separated by distillation. However, other separation methods can also be utilized.

式Iによる化合物は、工程c2)において、これらが、99.99%(4N)、好ましくは99.999%(5N)、具体的には99.9999%(6N)、さらに具体的には99.99999%(7N)以上の純度を有するまで分離されることが推奨される。所望の純度は、例えば既に前に説明したような所望の利用に左右される。   In step c2), the compounds according to formula I are 99.99% (4N), preferably 99.999% (5N), specifically 99.9999% (6N), more specifically 99. It is recommended to separate until it has a purity of 99999% (7N) or higher. The desired purity depends on the desired use, for example as already described above.

具体的には、シリコンは、工程a)において半導体材料として利用され、さらに具体的には、MGシリコンが、入手し易いという理由で利用される。   Specifically, silicon is used as a semiconductor material in step a), and more specifically, MG silicon is used because it is easily available.

カソード材料は、好ましくはシリコン、炭素、銀、モリブデン、白金、タングステン、およびこれらの一つまたは複数の組み合わせからなる群から選択される。しかしながら、また、他の電導性材料も利用可能である。具体的には、カソード材料として、シリコン、さらに具体的には、少なくとも所望の純度、すなわち、99.99%(4N)、好ましくは99.9999%(6N)以上の純度を有するシリコンが好ましい。   The cathode material is preferably selected from the group consisting of silicon, carbon, silver, molybdenum, platinum, tungsten, and one or more combinations thereof. However, other conductive materials can also be used. Specifically, silicon as the cathode material is more preferable, and more specifically, silicon having a purity of at least a desired purity, that is, 99.99% (4N), preferably 99.9999% (6N) or higher.

このような材料は、電子伝導性に関して十分に良好な性質を与え、不活性である。これらの材料は、稼動温度で電子伝導に低い抵抗を有しており、精製されるシリコンに最低の汚染しか与えず、電解質に最低の汚染しか与えず、またそれら材料は、シリコンの簡単な結晶のために低活性化エネルギーを有する表面サイトを含んでいる。   Such materials give sufficiently good properties with respect to electronic conductivity and are inert. These materials have a low resistance to electronic conduction at operating temperatures, provide minimal contamination to the silicon being purified, minimal contamination to the electrolyte, and they are simple crystals of silicon. For surface sites with low activation energy.

カソード材料としてのシリコン、さらに具体的には少なくとも所望の純度のシリコンを利用する利点は、例えば形成されたシリコンをこすり落とすことによる、カソードから形成されたシリコンを取り除くことが、カソード材料をもこすり落とされることによる、形成されたシリコン中への何らかの不純物の形成もなく、より簡単であるということである。   The advantage of utilizing silicon as the cathode material, and more particularly silicon of at least the desired purity, is that removing the silicon formed from the cathode, for example by scraping the formed silicon, also rubs the cathode material. There is no formation of any impurities in the formed silicon by being dropped, which is simpler.

アノード材料は、好ましくは精製されるべき半導体材料からなり、精製されるべき半導体材料が、全体のアノードを形成し、すなわち、アノードが、例えばMGシリコンのワイヤ、ロッドまたは塊からなることも可能である。また、アノードは、キャリヤーとして役目を果たす不活性材料のコアからなり、この不活性材料は、好ましくは、電子のための導体ではなく、不活性材料は、半導体材料のマントル中に密封されていることも可能である。このようなマントルは、コアに堆積、スパッタリングまたはコーティングによって適用され得る。   The anode material preferably consists of a semiconductor material to be purified, and the semiconductor material to be purified forms the entire anode, i.e. the anode can consist of wires, rods or lumps of eg MG silicon. is there. The anode also consists of a core of inert material that serves as a carrier, which is preferably not a conductor for electrons, the inert material being sealed in a mantle of semiconductor material. It is also possible. Such a mantle can be applied to the core by deposition, sputtering or coating.

具体的には、精製されるべき半導体材料は、多孔性または粉末状であることが好ましい。結果として、精製されるべき材料は、大きい表面積を有し、これが、反応速度を上昇させる。   Specifically, the semiconductor material to be purified is preferably porous or powdery. As a result, the material to be purified has a large surface area, which increases the reaction rate.

本発明の方法においては、二つの電解質、さらに具体的には、アノードが配置された電解質およびカソードが配置された電解質が利用される。これらの電解質は、同一であることが好ましい。これにより、アノードおよびカソードが、単一容器中に存在することができるので、反応器設計をより簡単にする。また、これは、イオン性化合物が、カソードからアノードへ戻るのを簡単にする。   In the method of the present invention, two electrolytes are used, more specifically, an electrolyte in which an anode is disposed and an electrolyte in which a cathode is disposed. These electrolytes are preferably the same. This makes the reactor design easier because the anode and cathode can be present in a single vessel. This also simplifies the return of ionic compounds from the cathode to the anode.

中にカソードが配置された電解質は、好ましくは次の要件:
− 抵抗によって引き起こされたエネルギー損失を最小にし、形成されたイオン化合物の物質移動を実現するための高いイオン電導性(低い抵抗性);
− 電解質の電解を防ぐための式Iによる化合物より高い標準還元電位(E);高い標準還元電位は、それが電極間により大きな電位差を適用することを可能にし(以下も参照のこと)、この結果、反応速度が上昇するので、推奨される;
− 電解質中のこの損失を防ぐためのカソード上に形成された半導体材料の低い溶解性;
− この汚染を防止するためのカソード上に形成された半導体材料の低い溶解度および拡散速度;
− カソード上に形成された半導体材料を濯ぐ間に電解質の簡単な除去を可能にするための水中への高い溶解性;
を満たす。
An electrolyte with a cathode disposed therein preferably has the following requirements:
-High ionic conductivity (low resistance) to minimize the energy loss caused by the resistance and achieve mass transfer of the formed ionic compounds;
A higher standard reduction potential (E 0 ) than the compound according to formula I to prevent electrolysis of the electrolyte; a higher standard reduction potential allows it to apply a greater potential difference between the electrodes (see also below); This results in an increased reaction rate and is recommended;
-Low solubility of the semiconductor material formed on the cathode to prevent this loss in the electrolyte;
-Low solubility and diffusion rate of the semiconductor material formed on the cathode to prevent this contamination;
-High solubility in water to allow easy removal of the electrolyte while rinsing the semiconductor material formed on the cathode;
Meet.

アノードが配置された電解質は、好ましくは次の要件:
− 抵抗によって引き起こされたエネルギー損失を最小にして、形成されたイオン化合物の物質移動を実現するための高いイオン電導性(低い抵抗性);
− 電解質の電解を防ぐための高い標準還元電位(E);
− 電解質の汚染は、カソード上に形成された半導体材料の汚染をもたらし得るので、電解質の汚染を防ぐためのアノード材料の低い溶解性;
− 式Iによる化合物および関連の反応生成物の抽出を簡単にするための、これらの化合物および生成物の低い溶解性;
− 電解質の汚染を防止するための関連の反応生成物の低い溶解性;
を満たす。
The electrolyte in which the anode is arranged preferably has the following requirements:
-High ionic conductivity (low resistance) to achieve mass transfer of formed ionic compounds with minimal energy loss caused by resistance;
- higher standard reduction potential in order to prevent electrolysis of the electrolyte (E 0);
-Electrolyte contamination can lead to contamination of the semiconductor material formed on the cathode, so the low solubility of the anode material to prevent electrolyte contamination;
The low solubility of these compounds and products to simplify the extraction of the compounds according to formula I and related reaction products;
-Low solubility of related reaction products to prevent electrolyte contamination;
Meet.

電解質として、例えば、溶融塩をあげることができる。電解質は、例えばNaCl、KCl、LiClおよびBaClなどの一つまたは複数のハロゲンと一つまたは複数のアルカリ(土類)金属との塩またはこれらの一つまたは複数の組み合わせ、ならびに硝酸塩、炭酸塩および硫酸塩およびこれらの組み合わせであることが好ましく、または室温でイオン性である流体も電解質としてあげることができる。このような電解質は、アノードが配置された電解質としても、カソードが配置された電解質としても利用され得る。 Examples of the electrolyte include a molten salt. The electrolyte may be a salt of one or more halogens such as NaCl, KCl, LiCl and BaCl 2 and one or more alkali (earth) metals, or one or more combinations thereof, and nitrates, carbonates And sulfates and combinations thereof, or fluids that are ionic at room temperature can be mentioned as electrolytes. Such an electrolyte can be used as an electrolyte in which an anode is disposed or an electrolyte in which a cathode is disposed.

本発明の一つの実施形態において、工程b)で形成された一つまたは複数のイオン性化合物に対して透過性である膜が利用される。膜は、アノードが配置された電解質とカソードが配置された電解質との間に存在する。   In one embodiment of the invention, a membrane is utilized that is permeable to the one or more ionic compounds formed in step b). The membrane exists between an electrolyte with an anode and an electrolyte with a cathode.

このような膜は、アノードからカソードへの酸化生成物に対してではなく、カソードからアノードへのイオン性還元化合物の通過について選択的透過性でなければならない。膜は、カソードが配置された電解質の汚染を防ぐことができ、このような汚染は、カソード上に析出し得るプラスに荷電したイオン(金属およびその他)からなり、それゆえに、精製された半導体材料を汚染し得る。   Such membranes must be selectively permeable for the passage of ionic reducing compounds from the cathode to the anode, not to the oxidation products from the anode to the cathode. The membrane can prevent contamination of the electrolyte in which the cathode is located, such contamination consisting of positively charged ions (metals and others) that can be deposited on the cathode, and thus purified semiconductor material Can contaminate.

膜は、好ましくは、例えばLa−M−O−Cl(M:例えばCa/Srなどのアルカリ土類金属である。)などのセラミック材料からできている。このようなセラミック材料は、燃料電池において利用される、いわゆる「Solid Electrolyte(固体電解質)」の例がある。   The membrane is preferably made of a ceramic material such as La-M-O-Cl (M: an alkaline earth metal such as Ca / Sr). Such ceramic materials are examples of so-called “Solid Electrolyte” used in fuel cells.

また、外部電圧源に接続された捕獲電極(capture electrode)を利用することも可能であり、この捕獲電極は、カソードに対して同等か、またはいくらか高い電圧を有し、この捕獲電極は、アノードとカソードの間の電解質中に配置される。   It is also possible to use a capture electrode connected to an external voltage source, which has an equivalent or somewhat higher voltage than the cathode, And in the electrolyte between the cathode.

捕獲電極は、カソードに加えられる式Iによる化合物に曝されず、この捕獲電極の唯一の目的は、アノードで放出される不純物(酸化生成物)の析出および付着のためのサイトを提供することである。   The capture electrode is not exposed to the compound according to Formula I applied to the cathode, the sole purpose of this capture electrode is to provide a site for the deposition and deposition of impurities (oxidation products) released at the anode. is there.

本発明の一つの実施形態においては、さらに、工程c2)による精製中のいかなる観測される可能性のある損失をも補うために、式Iによる一つまたは複数の化合物が、工程b)において加えられる。このような化合物は、所望の純度、すなわち、少なくとも99.99%(4N)、さらに具体的には、少なくとも99.9999%(6N)の純度でなければならない。   In one embodiment of the invention, one or more compounds according to formula I are further added in step b) in order to compensate for any observable losses during the purification according to step c2). It is done. Such compounds should be of the desired purity, i.e. at least 99.99% (4N), more specifically at least 99.9999% (6N).

例えば圧力、温度および還元電位などの本反応を実行する条件は、アノード反応およびカソード反応の反応速度によって決定される。   The conditions for carrying out this reaction such as pressure, temperature and reduction potential are determined by the reaction rates of the anodic reaction and the cathodic reaction.

これより、シリコンが利用される場合について、この反応条件を記載する。   From this, the reaction conditions are described for the case where silicon is used.

カソード反応条件
結晶性の純粋なシリコンを得ることが推奨される。半導体において通常であるように、温度の上昇につれて上昇するシリコンの伝導性挙動によって引き起こされる、電極周辺のシリコンの析出のための最低温度は、およそ400℃である。アモルファスから結晶性シリコンへの転移は、470℃の温度で起こり、したがって、カソードにおける温度は、好ましくは、少なくとも400℃、より具体的には、少なくとも470℃である。また、原則として、アモルファスシリコンがカソードで形成され、このアモルファスシリコンは、カソードのある温度、例えば470℃を超える温度で、次いで結晶性シリコンへ変換される。ある利用においては、アモルファスシリコン自体もまた利用される。
Cathodic reaction conditions It is recommended to obtain crystalline pure silicon. As is usual in semiconductors, the lowest temperature for deposition of silicon around the electrode caused by the conductive behavior of silicon increasing with increasing temperature is approximately 400 ° C. The transition from amorphous to crystalline silicon occurs at a temperature of 470 ° C., so the temperature at the cathode is preferably at least 400 ° C., more specifically at least 470 ° C. Also, in principle, amorphous silicon is formed at the cathode, which is then converted to crystalline silicon at a temperature above the cathode, for example, above 470 ° C. In some applications, amorphous silicon itself is also utilized.

また、より低い温度でのシリコンの高い抵抗性を使用して、結晶性シリコンの形成をもたらすカソードでの局部加熱につながる、より低い温度(<400℃)で結晶性シリコンを形成することができる。また、抵抗性が上昇する場合、温度も上昇し、これは例えばシリコンの改良された結晶形をもたらすはずである。しかしながら、より高い抵抗性はまた、不利なエネルギー使用量の増加につながるはずである。したがって、良好な妥協点を見出すことが重要である。   Also, the high resistance of silicon at lower temperatures can be used to form crystalline silicon at lower temperatures (<400 ° C.), which leads to local heating at the cathode resulting in the formation of crystalline silicon. . If the resistance increases, the temperature will also increase, which should result in an improved crystalline form of, for example, silicon. However, higher resistance should also lead to adverse energy usage increases. It is therefore important to find a good compromise.

シリコンの高い析出速度、および、したがって、高い反応速度を得るために、カソードにおける式Iによる化合物の濃度は、できる限り高くなければならない。ハロゲン化珪素化合物が利用される場合、これらは、少なくとも400℃の利用温度においては、これらの沸点であるためにガス状であり、したがって、反応は、三つの相、すなわち、固体(カソード)、流動状(電解質)およびガス状(ハロゲン化珪素化合物)において行われる。   In order to obtain a high deposition rate of silicon and thus a high reaction rate, the concentration of the compound according to formula I at the cathode should be as high as possible. When silicon halide compounds are utilized, they are gaseous due to their boiling point at utilization temperatures of at least 400 ° C., and thus the reaction is carried out in three phases: a solid (cathode), It is carried out in a fluid state (electrolyte) and a gaseous state (silicon halide compound).

圧力は、好ましくは、式Iによる化合物の高い濃度を可能にするために高くなければならない。ハロゲン化珪素化合物が、ガスとして(バブリング)カソードに加えられる場合、電解質は、できるだけ高い表面張力を有するべきであり、気泡は、できるだけ高い内圧を得るためにできるだけ小さくなければならない。これは、ガス気泡における内圧が、流体の外圧および気泡の半径で割算された表面張力によって決定されるからである。   The pressure should preferably be high to allow a high concentration of the compound according to formula I. If the silicon halide compound is added to the cathode as a gas (bubbling), the electrolyte should have as high a surface tension as possible and the bubbles should be as small as possible to obtain as high an internal pressure as possible. This is because the internal pressure in the gas bubble is determined by the external pressure of the fluid and the surface tension divided by the bubble radius.

膜および/または捕獲電極が利用される場合、例えば温度および圧力などの条件は、それ相応に調整されるべきである。   If membranes and / or capture electrodes are utilized, conditions such as temperature and pressure should be adjusted accordingly.

アノード反応条件
アノードにおいて形成されるすべての生成物は、電解質の汚染を最小限に制限するためにガス状であることが望ましい。アノードにおいて形成される生成物が、ガス状であるか否かは、このように形成された化合物の沸点との組み合わせで、印加された温度および圧力に左右される。
Anodic Reaction Conditions All products formed at the anode are desirably gaseous to limit electrolyte contamination to a minimum. Whether the product formed at the anode is gaseous depends on the temperature and pressure applied, in combination with the boiling point of the compound thus formed.

ガス状生成物を得るために、形成された化合物の沸点は、反応が行われる温度より低くなければならない。例えば所望されるSiClについては、沸点が57.6℃あり、反応温度においては、ガス状であるはずである。400℃の反応温度でガス状である、MGシリコン中にしばしば存在する汚染物質の例は、次のとおりである;BCl(12.5℃)、PCl(75.95℃)、TiCl(136.4℃)、PCl(160℃)、AlCl(182.7℃)、およびFeCl(315℃)。400℃の反応温度においては、このような副生成物は、ガスとして放出され、したがって、このような副生成物は、精製中に問題をもたらすことはないはずである。しかし、また、反応中にしばしば生ずるFeClは、1026℃の沸点を有し、したがって、400℃の温度においてガスとして集められず、それゆえに、何らかの方法によって除去されるべきである。この目的のために、例えば膜または捕獲電極が必要とされる。 In order to obtain a gaseous product, the boiling point of the compound formed must be lower than the temperature at which the reaction takes place. For example, the desired SiCl 4 has a boiling point of 57.6 ° C. and should be gaseous at the reaction temperature. Examples of contaminants often present in MG silicon that are gaseous at a reaction temperature of 400 ° C. are: BCl 3 (12.5 ° C.), PCl 3 (75.95 ° C.), TiCl 4 (136.4 ° C.), PCl 5 (160 ° C.), AlCl 3 (182.7 ° C.), and FeCl 3 (315 ° C.). At a reaction temperature of 400 ° C., such by-products are released as gases and therefore such by-products should not pose a problem during purification. But also, often resulting FeCl 2 in the reaction has a boiling point of 1026 ° C., thus, not collected as a gas at a temperature of 400 ° C., and therefore should be removed by any method. For this purpose, for example, a membrane or a capture electrode is required.

アノードとカソードとの間に0.01Vと電解質の標準還元電位との間で選択される電位差を印加するために外部電圧源(あるタイプに限定されない。)を利用することが好ましい。   It is preferred to utilize an external voltage source (not limited to a certain type) to apply a potential difference selected between 0.01 V and the standard reduction potential of the electrolyte between the anode and cathode.

半導体と式Iによる化合物との間の可逆反応が利用されるので、本反応を実際に行うためには非常にわずかなエネルギーしか必要とされない。理論上は、これは、0Vの電位差に相当する。しかし、実際は、反応のための何らの原動力も存在しないので、反応は、漠然と継続する。反応速度が、実際に適用され得るに十分高いことを確実にするために、0Vより大きい、例えば0.01Vを超える電位差が適用されるべきである。この電位差は、電解を防ぐために利用される電解質の標準還元電位を超えてはならない。この電位差は、利用される電解質について許容されるもので、可能な限り高いことが好ましい。したがって、高い反応速度を可能にするため、高い標準還元電位を有する電解質を利用することが好ましい。   Since a reversible reaction between the semiconductor and the compound according to formula I is used, very little energy is required to actually carry out this reaction. Theoretically, this corresponds to a potential difference of 0V. But in fact, there is no motive force for the reaction, so the reaction continues vaguely. In order to ensure that the reaction rate is high enough to be practically applied, a potential difference greater than 0V, for example greater than 0.01V should be applied. This potential difference must not exceed the standard reduction potential of the electrolyte used to prevent electrolysis. This potential difference is acceptable for the electrolyte used and is preferably as high as possible. Therefore, in order to enable a high reaction rate, it is preferable to use an electrolyte having a high standard reduction potential.

SiClの還元電位(E)は、25℃で−1.451Vであり、850℃で−1.389Vである。多数の前に述べられた電解質の還元電位は、次のとおりである:MgCl(25℃で−3.066Vおよび850℃で−2.42V)、CaCl(25℃で−3.887Vおよび850℃で−3.296V)、NaCl(25℃で−3.982V)およびKCl(25℃で−4.235V)。電解質の利用可能性は、電解質中のイオン性化合物の易動性に左右される。 The reduction potential (E 0 ) of SiCl 4 is −1.451 V at 25 ° C. and −1.389 V at 850 ° C. The reduction potentials of a number of previously described electrolytes are: MgCl 2 (−3.066 V at 25 ° C. and −2.42 V at 850 ° C.), CaCl 2 (−3.887 V at 25 ° C. and -3.296V at 850 ° C), NaCl (-3.982V at 25 ° C) and KCl (-4.235V at 25 ° C). The availability of the electrolyte depends on the mobility of the ionic compound in the electrolyte.

本発明の一つの実施形態において、電解質は、強制的にカソードからアノードへ、およびその逆に流される。このような実施形態においては、電解質は、特定の速度で、カソードからアノードの流れの中に供給され、具体的には、電解質のアノードからカソードへの流れは、カソードからアノードへの電解質の流れと物理的に分離される。これは、例えば電解質が強制的に流される閉ループによって可能であり、この場合、アノードおよびカソードは、個々のサイトで閉ループ中に配置されている。具体的には、これは、膜または特に捕獲電極が、アノードとカソードとの間に置かれた場合に、有利である。   In one embodiment of the invention, the electrolyte is forced to flow from the cathode to the anode and vice versa. In such embodiments, the electrolyte is fed into the cathode-to-anode stream at a specific rate, specifically, the electrolyte-to-cathode flow is the cathode-to-anode electrolyte flow. And physically separated. This is possible, for example, by a closed loop in which the electrolyte is forced to flow, where the anode and cathode are arranged in a closed loop at individual sites. In particular, this is advantageous when a membrane or in particular a capture electrode is placed between the anode and the cathode.

このような構造の利点は、流速が十分な場合に、電解質の精製が簡素化されるということである。電解質中に存在するカチオンは、カソードに行きたがり、アノードで作り出される。流れのために、これらは、膜/捕獲電極が存在するルートによって動くことのみができる。カチオンは、特定の流速では、流れに反して移動することができず、したがって、常に強制的に膜または捕獲電極を通して動かされる。捕獲電極は、カチオンを中和し、膜はカチオンを捕獲するだけであるので、膜よりも捕獲電極が好ましい。   The advantage of such a structure is that the purification of the electrolyte is simplified when the flow rate is sufficient. Cations present in the electrolyte want to go to the cathode and are created at the anode. Because of the flow, they can only be moved by the route in which the membrane / capture electrode exists. Cations cannot move against the flow at a particular flow rate and are therefore always forced through the membrane or capture electrode. A capture electrode is preferred over a membrane because the capture electrode neutralizes cations and the membrane only captures cations.

電解質のこのような循環については、例えばポンプの利用または密度差の利用によって実現することができる。密度差については、例えば、温度差によって、また、例えばカソードなどの電極でのガス気泡(バブリング)の存在によっても実現することができる。しかしながら、また、循環流動の実現のための他の方法もまた利用することができる。   Such a circulation of the electrolyte can be realized, for example, by using a pump or using a density difference. The density difference can be realized, for example, by a temperature difference, or by the presence of gas bubbles (bubbling) at an electrode such as a cathode. However, other methods for realizing a circulating flow can also be utilized.

循環の適用の追加例は、塩素イオンが存在している場合、これらは、拡散によってアノードに移動されるだけではなく、より良い物質移動がこの流れによって電極で生じ、その結果、より高い変換率が得られるということである。   An additional example of the application of circulation is that when chloride ions are present, they are not only transferred to the anode by diffusion, but also better mass transfer occurs at the electrode due to this flow, resulting in higher conversion rates. Is obtained.

本方法については、例えばMGシリコンの処理装置(破砕、浸出)、電解槽(アノードおよびカソードおよび電解質)、ハロゲン化珪素化合物の精製のための分離装置(蒸留、吸収、吸着、膜分離)および純粋なシリコンの処理装置(洗浄、破砕)など、何らかの好適な装置またはこれらの組み合わせを利用することによって実行することができる。   For this method, for example, MG silicon processing equipment (crushing, leaching), electrolytic cell (anode and cathode and electrolyte), separation equipment for purification of silicon halide compounds (distillation, absorption, adsorption, membrane separation) and pure This can be done by utilizing any suitable device or combination thereof, such as a clean silicon processing device (cleaning, crushing).

次の非限定的な実施例に基づいて本発明を以下さらに説明する。   The invention is further described below based on the following non-limiting examples.

図1に示されたような構成が利用された。シリンジポンプとして30mlのポリプロピレン製のシリンジを有するKD Scientific製のシリンジポンプ、モデルKDS200を利用した。このシリンジポンプを流動状の精製されたSiClで満たし、0.5ml/分のシリンジ速度に設定した。試験目的のために、>99%の純度を有するオランダのVWRから得られたSiClを使用した。しかし、全部の方法を実行したとき、SiClは、アノードで形成され、可能な抽出および精製の後に、カソードに戻される。 A configuration as shown in FIG. 1 was used. As a syringe pump, a KD Scientific syringe pump having a 30 ml polypropylene syringe, model KDS200 was used. The syringe pump was filled with fluid purified SiCl 4 and set to a syringe speed of 0.5 ml / min. For testing purposes, SiCl 4 obtained from a Dutch VWR having a purity of> 99% was used. However, when performing the entire method, SiCl 4 is formed at the anode and returned to the cathode after possible extraction and purification.

シリンジポンプおよびテフロン(登録商標)管によって、3リットルの容量を有する容器からなる蒸発装置(ホウケイ酸塩製であり、導入口および排出口にカバーを備え付けている。)の導入口へ、SiClを移し入れる。O−リングによってカバーを気密に密封し、次いで、底部を除いて、ガラス繊維マットで完全に断熱する。容器の底部を、200℃の一定の温度を有するホットプレートの上に載せる。 A syringe pump and a Teflon (registered trademark) tube are used to supply SiCl 4 to the inlet of an evaporation device (made of borosilicate, which is provided with a cover at the inlet and outlet) consisting of a container having a capacity of 3 liters. Move in. The cover is hermetically sealed with an O-ring and then completely insulated with a glass fiber mat except for the bottom. The bottom of the container is placed on a hot plate having a constant temperature of 200 ° C.

必要な場合、蒸発装置の圧力に影響しないでシリンジを取り替えることができるようにシリンジポンプと蒸発装置の間にバルブを配置した。蒸発装置の排出口を、ホウケイ酸塩製の断熱管によって電解槽に接続する。蒸発装置の目的は、反応器におけるフラッシュ蒸発を防ぐために、反応器へ導入するSiClを蒸発させることである。 If necessary, a valve was placed between the syringe pump and the evaporator so that the syringe could be replaced without affecting the evaporator pressure. The outlet of the evaporator is connected to the electrolytic cell by a borosilicate insulation tube. The purpose of the evaporator is to evaporate SiCl 4 introduced into the reactor to prevent flash evaporation in the reactor.

本実施例による電解槽は、図2で示されたものである。外側の石英管の直径は60mmであり、この外側の石英管は、400mmの全長を有する。反応器の1/3を満たすように電解質を加える。   The electrolytic cell according to this example is the one shown in FIG. The outer quartz tube has a diameter of 60 mm, and this outer quartz tube has a total length of 400 mm. Add electrolyte to fill 1/3 of reactor.

この電解槽を、1200℃まで加熱することができる電気オーブンに垂直に置いた(ここで、電解槽のトップはオーブンの外側に位置した)。このオーブンは、オランダのWesteneng Ovenbouwから入手された電気オーブンであり、反応の前に温度を設定することを可能にする簡単なコントロール装置を有していた。   The cell was placed vertically in an electric oven that could be heated to 1200 ° C. (where the cell top was located outside the oven). The oven was an electric oven obtained from Westeneng Ovenbouw, The Netherlands and had a simple control device that allowed the temperature to be set before the reaction.

この実施例においては、1と30オーム・cmの間の比抵抗を有する、リンでドープされたエレクトロニクス純度のn−タイプシリコンの二つのストリップからアノードを作った。この材料の純度は99.9999%より高かった。このストリップは、およそ幅約1cmおよび長さ15cmおよび厚さ1mmである。各ストリップには、白金線の利用によってタングステンロッド(直径2mm)の端部にストリップを取り付けるために利用されるねじ溝が一端に存在する。タングステンロッドのもう一方の端を、対電極としてのポテンシオスタットに接続した。アノードを電解質に沈ませる前に、表面からどんな酸化物をも取り除くために、アノードのシリコン部分を10%のHF水溶液に浸漬した。アノードのシリコン部分しか電解質に接触していないことが明らかである。電解質に露出された総アノード領域は、少なくとも42cmであった。 In this example, the anode was made from two strips of phosphorus-doped electronic purity n-type silicon having a resistivity between 1 and 30 ohm-cm. The purity of this material was higher than 99.9999%. The strip is approximately 1 cm wide and 15 cm long and 1 mm thick. Each strip has a thread at one end that is utilized to attach the strip to the end of a tungsten rod (2 mm diameter) by using a platinum wire. The other end of the tungsten rod was connected to a potentiostat as a counter electrode. Before submerging the anode in the electrolyte, the silicon portion of the anode was immersed in a 10% aqueous HF solution to remove any oxide from the surface. It is clear that only the silicon part of the anode is in contact with the electrolyte. The total anode area exposed to the electrolyte, was at least 42cm 2.

カソードは、電解質に浸されたタングステン(長さ400m、直径2mm)で作られている。出発物質として役目を果たすSiClをガスとしてこのカソードの表面に沿って供給した。タングステン電極は、約11cmの総反応領域を有していた。ロッドのもう一方の端を、動作電極としてのポテンシオスタットに接続した。疑似基準電極は、約0.75cmの活性反応領域を有する、直径0.5mmのプラチナ線であった。 The cathode is made of tungsten (length 400 m, diameter 2 mm) immersed in an electrolyte. SiCl 4 serving as a starting material was supplied as a gas along the surface of the cathode. Tungsten electrode had a total reaction area of about 11cm 2. The other end of the rod was connected to a potentiostat as a working electrode. The pseudo reference electrode was a 0.5 mm diameter platinum wire with an active reaction area of about 0.75 cm 2 .

電解質は、50モルパーセントのKCl(純度99.5%)および50モルパーセントのNaCl(純度99.5%)の共融混合物であり、650℃の融点を有していた。電解質の中に利用された合計の塩の質量は880gであった。クォーツ反応管中に塩混合物を入れて、810℃の温度に加熱して溶融した。溶融後に、オーブン温度を710℃の温度に設定し、実験の全時間中この温度に保持した。電極を電解質に沈ませる前に、NHCl(純度99%)の少量の添加によって溶融物中のいかなる溶存酸化物をも取り除いた。KCl、NaCl、およびNHClについては、すべてオランダのVWRから入手した。 The electrolyte was a eutectic mixture of 50 mole percent KCl (purity 99.5%) and 50 mole percent NaCl (purity 99.5%) and had a melting point of 650 ° C. The total salt mass utilized in the electrolyte was 880 g. The salt mixture was placed in a quartz reaction tube and heated to a temperature of 810 ° C. to melt. After melting, the oven temperature was set to a temperature of 710 ° C. and held at this temperature for the entire duration of the experiment. Prior to submerging the electrode in the electrolyte, any dissolved oxide in the melt was removed by the addition of a small amount of NH 4 Cl (99% purity). KCl, NaCl, and NH 4 Cl were all obtained from VWR, The Netherlands.

三つの電極を有するポテンシオスタットは、EG&G Princeton Applied Researchによって製造されたタイプPAR−273−Aであり、LabVIEWプログラムでコンピュータ制御されていた。これは、電解槽のサイクリックボルタンメトリー試験を実行するために利用された。すべての実験をアルゴンガス雰囲気中で実行し、電極で放出されるいかなる蒸気も凝縮させた。いかなる凝縮されなかったガスをも水を通してこの中にまだ存在するSiClを中和させた。 The potentiostat with three electrodes was type PAR-273-A manufactured by EG & G Princeton Applied Research and was computer controlled with the LabVIEW program. This was utilized to perform a cyclic voltammetry test of the electrolytic cell. All experiments were performed in an argon gas atmosphere to condense any vapor released at the electrodes. Any uncondensed gas was passed through water to neutralize the SiCl 4 still present therein.

本発明者らは、さらに具体的に、共融混合物としてのNaClおよびKClの利用が優れた結果を与えることを見出した。また、前記の実験と同じことを、CaClの利用によって実行した;しかし、これは、O2−イオンの強力な溶解性のために石英反応器の侵食および腐食をもたらすことを見出した。したがって、NaCl/KClの混合物は、O2−イオンの溶解性がわずかに限定されたものしか有しない故に選択された。溶融物中に存在するどんなO2−イオンをも除去するために、NHCl塩を加えた。NHCl塩は、次に示される化学方程式1によって高温で分解する。形成されるHClは、反応2によって、どんなO2−イオンとも反応することができ、O2−イオンが溶融物から取り除かれる。
(1) NHCl(固体)→ NH(ガス)+HCl(ガス)
(2) 2HCl(ガス)+O2−(液体)→ H0(ガス)+2Cl(液体)
The inventors have more specifically found that the use of NaCl and KCl as eutectic mixtures gives excellent results. The same as the previous experiment was also carried out by utilizing CaCl 2 ; however, this was found to lead to quartz reactor erosion and corrosion due to the strong solubility of O 2− ions. Therefore, the NaCl / KCl mixture was chosen because it has only limited solubility of O 2− ions. NH 4 Cl salt was added to remove any O 2− ions present in the melt. The NH 4 Cl salt decomposes at high temperature according to the following chemical equation 1. HCl formed by reaction 2, any both O 2- ions can react, O 2- ions are removed from the melt.
(1) NH 4 Cl (solid) → NH 3 (gas) + HCl (gas)
(2) 2HCl (gas) + O 2− (liquid) → H 2 0 (gas) + 2Cl (liquid)

周期的なボルタンメトリー実験は、第一に、実験のバックグラウンドを決定するために存在しているSiClなしで実行された。次いで、シリンジポンプおよび蒸発装置によって供給されたSiClガスフローについて測定を行った。これらの測定結果を、図3に示す。 Periodic voltammetry experiments were first performed without SiCl 4 present to determine the experimental background. Measurements were then performed on the SiCl 4 gas flow supplied by the syringe pump and the evaporator. The measurement results are shown in FIG.

すべての場合において、白金の疑似基準電極に関して0と−3Vとの間で電圧を変化させた。どちらの場合も、5mV/秒のスキャン速度を利用した。   In all cases, the voltage was varied between 0 and -3 V with respect to the platinum pseudo reference electrode. In both cases, a scan rate of 5 mV / sec was utilized.

SiClが全く存在しない場合(黒色の曲線)、電位差が、Pt電極に関して−2.2Vより大きくなったときに、電流が非常に強く上昇した。このピークは、Cl(または、アノードの上のSiCl)の形成およびカソード上へのKおよびNaの析出を伴う電解質の電解に相当すると思われる。カリウムより低い還元電位を有するので、ナトリウムが最初に析出するはずである。スキャンについては、各スキャンについて4回繰り返し、同様の結果であった。 In the absence of any SiCl 4 (black curve), the current rose very strongly when the potential difference was greater than −2.2 V for the Pt electrode. This peak appears to correspond to the electrolysis of the electrolyte with the formation of Cl 2 (or SiCl 4 on the anode) and the deposition of K and Na on the cathode. Since it has a lower reduction potential than potassium, sodium should precipitate first. The scan was repeated four times for each scan with similar results.

次に、SiClガスをシステムに供給し、−1.2と−1.7V(灰色の曲線)の間の領域でピーク電流を観察した。これらのピークが、所望の反応であるカソード上でのSiClのSiへ還元に相当すると考えられる。十分なサンプルまたは分析を得られるように、十分なシリコンが析出するのを確実にするために、SiClを反応器に加えながら、−1.2Vと−1.7Vの間で電位を変えることによって、スキャンを繰り返し実行した。これが1.5時間実行された後に、全体のシステムをスイッチオフにして、電極を取り出し、電解液を冷却し、固化させた。 Next, SiCl 4 gas was supplied to the system and the peak current was observed in the region between -1.2 and -1.7 V (gray curve). These peaks are thought to correspond to the reduction of SiCl 4 to Si on the cathode, which is the desired reaction. Varying the potential between -1.2V and -1.7V while adding SiCl 4 to the reactor to ensure that enough silicon is deposited so that sufficient sample or analysis can be obtained. The scan was repeatedly executed. After this was done for 1.5 hours, the entire system was switched off, the electrodes were removed, the electrolyte was cooled and solidified.

タングステン電極上に材料の薄膜層が観測され、またシリコンアノードが多数の穴を含むことが観察された。カソードにおいて放出される未反応のSiClの一部は、凝縮された。少量の凝縮のみが、アノードから観測されたが、このサンプルを調べさせるほど十分な量ではなかった。また、黒い沈積物が石英管の底部に析出する電解質上に形成されていることが観察された。さらに、タングステン電極の断片および黒い沈積物を含む電解質の断片を、SEM−EDXを利用してTNO(オランダの応用自然科学研究機関)が分析した。タングステンカソードのEDX分析を図4に表示する。電極は、本方法によって期待されるタングステンおよび電極の上に堆積するシリコンの両方を高水準で含有することが観測された。さらに、少量の不純物が存在している。この分析から、本当に、シリコン層がタングステンカソードに析出していると判定することができる。 A thin film layer of material was observed on the tungsten electrode and the silicon anode was observed to contain a number of holes. Some of the unreacted SiCl 4 released at the cathode was condensed. Only a small amount of condensation was observed from the anode, but not enough to allow the sample to be examined. It was also observed that black deposits were formed on the electrolyte deposited at the bottom of the quartz tube. In addition, fragments of tungsten electrodes and electrolyte fragments including black deposits were analyzed by TNO (Netherlands Institute of Applied Natural Sciences) using SEM-EDX. The EDX analysis of the tungsten cathode is displayed in FIG. The electrode was observed to contain a high level of both tungsten expected by the method and silicon deposited on the electrode. In addition, a small amount of impurities are present. From this analysis, it can be determined that the silicon layer is indeed deposited on the tungsten cathode.

黒い堆積物を有する電解質の部分は、水で溶かし、洗浄して黒い粉末を得、これを分析した。黒い粉末のEDX分析を図5に表示する。この分析は、粉末が、主に電解質からの非常に少量のナトリウムを含む主として純粋なシリコンであることを示す。このナトリウムは、バックグラウンドを決定するための電解質の電解中に析出した可能性がある。シリコン粉末は、約50μmの粒子径を有する多孔質構造を有すると考えられる。   The portion of the electrolyte with black deposits was dissolved in water and washed to obtain a black powder which was analyzed. The EDX analysis of the black powder is displayed in FIG. This analysis shows that the powder is primarily pure silicon with very small amounts of sodium mainly from the electrolyte. This sodium may have precipitated during the electrolysis of the electrolyte to determine the background. The silicon powder is considered to have a porous structure having a particle size of about 50 μm.

前記の実験によって、本方法の利用により、塩化物塩の溶融電解質中に置かれたカソード上でのSiClガスの電気還元によって、カソード上に、および多孔質粉末としてかなりの量のシリコンを析出させることができることを示すことができる。また、シリコンアノードは、実験中に侵食され、塩化珪素の凝縮し得る蒸気を与えることも観察された。 From the above experiments, by utilizing this method, a significant amount of silicon was deposited on the cathode and as a porous powder by electroreduction of SiCl 4 gas on the cathode placed in a molten electrolyte of chloride salt. Can be shown. It has also been observed that the silicon anode erodes during the experiment and provides a condensable vapor of silicon chloride.

本発明による方法を実行するために利用された構成を図式的に表現した図である。FIG. 3 is a diagrammatic representation of the configuration used to carry out the method according to the invention. 本発明による方法を実行するために利用され得る電解槽を図式的に表現したものの図である。FIG. 2 is a diagrammatic representation of an electrolytic cell that can be used to carry out the method according to the invention. サイクリックボルタモグラムを表現した図である。It is a figure expressing a cyclic voltammogram. SEM−EDXのグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph of SEM-EDX. SEM−EDXのグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph of SEM-EDX.

Claims (17)

a)電解質中に配置されたアノードを酸化する工程であって、アノードが、一つまたは複数の不純物を含む半導体材料から作られており、電解質が、存在する一つまたは複数のイオン性化合物を含み、イオン性化合物が、半導体材料および一つまたは複数の不純物と反応して、式中、A=半導体イオン、X=ハロゲンイオン、H=水素、y=Aの価数、z=z以上の整数である、式I:
AX(y−z) (I)
による一つまたは複数の化合物および一つまたは複数の関連反応生成物を形成する工程と、
b)電解質中に配置されたカソードに、工程(a)において得られた式Iによる一つまたは複数の化合物を加え、カソードでの還元を行い、精製された半導体材料をカソード上に形成させる工程であって、還元が、また、一つまたは複数のイオン性化合物の形成をもたらす工程と
を含み、工程b)において形成される一つまたは複数のイオン性化合物が、工程a)に戻され、アノードとカソードが電子移動のために互いに接続されていることを特徴とする、酸化還元反応の利用による半導体材料の精製方法。
a) oxidizing an anode disposed in an electrolyte, wherein the anode is made of a semiconductor material containing one or more impurities, and the electrolyte contains one or more ionic compounds present And the ionic compound reacts with the semiconductor material and one or more impurities, wherein A = semiconductor ion, X = halogen ion, H = hydrogen, y = A valence, z = z or more An integer, Formula I:
AX z H (yz) (I)
Forming one or more compounds and one or more related reaction products according to
b) adding one or more compounds according to formula I obtained in step (a) to the cathode disposed in the electrolyte, reducing at the cathode and forming a purified semiconductor material on the cathode Wherein the reduction also results in the formation of one or more ionic compounds, wherein the one or more ionic compounds formed in step b) are returned to step a), A method for purifying a semiconductor material by using an oxidation-reduction reaction, characterized in that an anode and a cathode are connected to each other for electron transfer.
方法が、工程a)の後で、工程b)の前に実行される追加工程c)を含み、工程c)が二つのサブ工程c1)およびc2)、すなわち、
c1)式Iによる一つまたは複数の化合物、および一つまたは複数の関連反応生成物を電解質から抽出するサブ工程と、
c2)一つまたは複数の関連反応生成物から式Iによる一つまたは複数の化合物を分離するサブ工程と
を含む、請求項1に記載の方法。
The method comprises an additional step c) performed after step a) and before step b), wherein step c) comprises two sub-steps c1) and c2), ie
c1) a sub-step of extracting one or more compounds according to formula I and one or more related reaction products from the electrolyte;
and c2) a sub-step of separating one or more compounds according to formula I from one or more related reaction products.
工程c2)において、式Iによる一つまたは複数の化合物が、99.99%(4N)、好ましくは99.9999%(6N)以上の純度まで分離される、請求項2に記載の方法。   The process according to claim 2, wherein in step c2) one or more compounds according to formula I are separated to a purity of 99.99% (4N), preferably 99.9999% (6N) or higher. 工程a)における半導体材料としてシリコンを利用する、請求項1から3のいずれか一項または複数項に記載の方法。   4. A method according to any one or more of the preceding claims, wherein silicon is used as the semiconductor material in step a). 工程a)における半導体材料としてMGシリコン(冶金の純度)を利用する、請求項4に記載の方法。   The method according to claim 4, wherein MG silicon (metallurgical purity) is used as the semiconductor material in step a). カソード材料が、シリコン、炭素、銀、モリブデン、白金、タングステンおよびこれらの一つまたは複数の組み合わせからなる群から選択される、請求項1から5のいずれか一項または複数項に記載の方法。   6. A method according to any one or more of claims 1 to 5, wherein the cathode material is selected from the group consisting of silicon, carbon, silver, molybdenum, platinum, tungsten and one or more combinations thereof. カソードとして、99.99%(4N)、好ましくは99.9999%(6N)以上の純度のシリコンが利用される、請求項6に記載の方法。   The method according to claim 6, wherein silicon having a purity of 99.99% (4N), preferably 99.9999% (6N) or higher is utilized as the cathode. アノードとして、半導体材料のマントル中に密封された不活性材料のコアが利用される、請求項1から7のいずれか一項または複数項に記載の方法。   8. A method according to any one or more of the preceding claims, wherein a core of inert material sealed in a mantle of semiconductor material is utilized as the anode. アノードが配置された電解質が、カソードが配置された電解質と同じである、請求項1から12のいずれか一項または複数項に記載の方法。   13. A method according to any one or more of the preceding claims, wherein the electrolyte in which the anode is arranged is the same as the electrolyte in which the cathode is arranged. 電解質が、NaClとKClとの組み合わせ、好ましくはNaClとKClとの共融混合物である、請求項9に記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the electrolyte is a combination of NaCl and KCl, preferably a eutectic mixture of NaCl and KCl. 工程b)において形成された一つまたは複数のイオン性化合物に対して透過性である膜が利用され、この膜が、アノードが配置されている電解質とカソードが配置されている電解質との間に存在する、請求項1から10のいずれか一項または複数項に記載の方法。   A membrane that is permeable to the one or more ionic compounds formed in step b) is used, which membrane is between the electrolyte in which the anode is arranged and the electrolyte in which the cathode is arranged. 11. A method according to any one or more of the preceding claims, wherein the method is present. 膜としてセラミック膜が利用される、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein a ceramic membrane is utilized as the membrane. 外部電圧源に接続された捕獲電極を利用し、この捕獲電極が、カソードの電位以上の電位を有し、この捕獲電極が、アノードとカソードとの間の電解質中に配置されている、請求項9から11のいずれか一項または複数項に記載の方法。   A capture electrode connected to an external voltage source is utilized, the capture electrode having a potential greater than or equal to the potential of the cathode, and the capture electrode is disposed in the electrolyte between the anode and the cathode. The method according to any one or more of 9 to 11. 工程b)において、さらに式Iによる一つまたは複数の化合物が加えられる、請求項2から13のいずれか一項または複数項に記載の方法。   14. A method according to any one or more of claims 2 to 13, wherein in step b) one or more compounds according to formula I are further added. 還元が、少なくとも400℃、好ましくは少なくとも470℃の温度で実行される、請求項1から14のいずれか一項または複数項に記載の方法。   15. A process according to any one or more of the preceding claims, wherein the reduction is carried out at a temperature of at least 400 ° C, preferably at least 470 ° C. アノードとカソードとの間に電位差を印加するために外部電圧源が利用され、この電位差が、0.01Vと電解質の標準還元電位との間で選択される、請求項1から15のいずれか一項または複数項に記載の方法。   16. An external voltage source is utilized to apply a potential difference between the anode and the cathode, the potential difference being selected between 0.01V and the standard reduction potential of the electrolyte. A method according to paragraph or clause. 電解質が、強制的にカソードからアノードへ、およびこの逆へ流される、請求項9から16のいずれか一項または複数項に記載の方法。   17. A method according to any one or more of claims 9 to 16, wherein the electrolyte is forced to flow from the cathode to the anode and vice versa.
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