JP5291098B2 - Technology for the production of polycrystalline silicon from fluorosilicic acid solution and equipment for its production - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的には冶金学および/または化学に関し、より詳しくは、球形粉末の形態にある「ソーラーグレード」の多結晶シリコンを、リン製造の廃棄物から、特にフルオロケイ酸溶液から製造するための技術および設備に関する。 The present invention relates generally to metallurgy and / or chemistry, and more particularly to the production of “solar grade” polycrystalline silicon in the form of spherical powders from wastes of phosphorus production, particularly from fluorosilicate solutions. It is related with technology and equipment to do.
今日、太陽光エネルギーを包含する代替エネルギー分野の開発に、世界中から多くの関心が集まっている。光電素子の製造は、2004〜2005年の間に、世界中で1200 MW〜1727 MWに増加している。しかし、太陽電池製造のさらなる成長は、シリコン(「ソーラーグレード」シリコンを含む)の不足により、ならびにその高価格およびその製造技術から生じる生態学的問題により、制限されている。European Photovoltaic Industry Association (EPIA)のデータによれば、世界における太陽光エネルギー占有率は、2015年までに15〜20%になり、シリコン製造は200000トンまで増加する。 Today, there is a lot of interest from all over the world in developing alternative energy fields, including solar energy. Photoelectric device manufacturing has increased from 1200 MW to 1727 MW worldwide during 2004-2005. However, further growth in solar cell manufacturing is limited by the shortage of silicon (including “solar grade” silicon) and by the high cost and ecological problems arising from its manufacturing technology . According to data from the European Photovoltaic Industry Association (EPIA), global solar energy share will be 15-20% by 2015 and silicon production will increase to 200,000 tons.
工業的規模のシリコン製造においては、ケイ岩の熱炭素還元による[特許出願第RU No. 2003125002/15, МПК7 C01 B9/00号、10.03.2005公開]、無水塩素水素化物で微細ケイ素粉末を塩素化し、続いて塩素化工程で形成されたクロロシランを、必要な純度レベルへの調整を経て精製することによる、フッ化物-水素化物技術による技術が知られている。これらのシリコン製造技術は、多段階であり、エネルギーを消費し、商業的製品の産出量が低く、大量の不純物があるために製造された多結晶シリコンに妥当な価格が得られない(公知の技術で製造された「ソーラーグレード」多結晶シリコンの市場素原価はキロあたり20ドルになる)。 In industrial-scale silicon production, the fine silicon powder is obtained with anhydrous chlorine hydride by hot carbon reduction of quartzite [patent application No. RU No. 2003125002/15, МПК 7 C01 B9 / 00, published on 10.03.2005]. Techniques based on fluoride-hydride technology are known by purifying chlorosilanes, followed by chlorosilanes formed in the chlorination process, through adjustment to the required purity level. These silicon manufacturing technologies are multi-stage, consume energy, produce low commercial products, and have a large amount of impurities, so that reasonable prices cannot be obtained for manufactured polycrystalline silicon (known The market price of “solar grade” polycrystalline silicon manufactured with technology is $ 20 per kilogram).
例えば二酸化ケイ素のフッ素化により製造した四フッ化ケイ素からシリコンを還元することによるシリコンの製造技術が知られている[特許RU 2272755C1、2006年3月27日公開、出願WO 2005/021431A1、2005年3月10日公開]。二酸化ケイ素から四フッ化物を製造する方法の欠点は、大量の不純物および高いエネルギー消費である。 For example, a technique for producing silicon by reducing silicon from silicon tetrafluoride produced by fluorination of silicon dioxide is known [Patent RU 2272755C1, published on March 27, 2006, application WO 2005 / 021431A1, 2005 Released March 10]. The disadvantages of the process for producing tetrafluoride from silicon dioxide are large amounts of impurities and high energy consumption.
多結晶シリコンの素原価は、主として原料のコスト、技術的消耗品、消費エネルギーおよび製造を生態学的および技術的に安全な製品を提供するための経費により決定される。シリコンの素原価を下げるための条件は、その製造に使用する原料に、特定の環境的に有害な技術的副抽出物/化学製造の廃棄物を使用することであり、これらは、ロシア連邦、USA、カナダ、CIS国(例えばベラルーシおよびウクライナ)、ルーマニア、チェコ共和国、および他の国々の領土内で毎年数万トンの量で発生している。 The raw cost of polycrystalline silicon is determined primarily by the cost of raw materials, technical consumables, energy consumption and costs for providing ecologically and technically safe products. The condition for lowering the cost of silicon is the use of certain environmentally hazardous technical sub-extracts / chemical manufacturing wastes in the raw materials used in their production, It occurs in tens of thousands of tons annually within the territories of the USA, Canada, CIS countries (eg Belarus and Ukraine), Romania, the Czech Republic, and other countries.
例えば、肥料製造におけるアパタイト処理の二次製品、特にフルオロケイ酸(H2SiF6)、は、四フッ化ケイ素製造の原料として使用することができる。 For example, apatite-treated secondary products in fertilizer production, particularly fluorosilicic acid (H 2 SiF 6 ), can be used as a raw material for silicon tetrafluoride production.
フルオロケイ酸溶液から四フッ化ケイ素を製造する方法であって、フルオケイ酸塩の発生、その洗浄、乾燥およびそれに続いて分解し、気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素を形成し、続いて最終製品を分離することからなる、方法が知られている[特許RU 2046095C1 МПК6 CO1B33/10、1995年10月20日公開]。 A process for producing silicon tetrafluoride from a fluorosilicic acid solution comprising the generation of fluosilicate, its washing, drying and subsequent decomposition to form gaseous silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride, followed by A method is known which consists of separating the final product [patent RU 2046095C1 МПК 6 CO1B33 / 10, published 20 October 1995].
この方法の欠点は、下記の通りである。すなわち、フルオケイ酸塩を分解する工程の後、2種類の発生した気体状生成物(これらは、四フッ化ケイ素(SiF4gas)およびフッ化水素(HFgas)である)が、-78℃におけるHF低温凝縮により分離される。この四フッ化ケイ素とフッ化水素を分離する工程は、別の低温装置および高エネルギー消費を必要とするので、技術的処理を複雑化しており、最終製品の素原価、すなわち四フッ化ケイ素のコストが増加する。 The disadvantages of this method are as follows. That is, after the step of decomposing the fluosilicate, the two generated gaseous products (these are silicon tetrafluoride (SiF 4gas ) and hydrogen fluoride (HF gas )) at −78 ° C. Separated by HF cold condensation. This process of separating silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride requires additional low temperature equipment and high energy consumption, complicating the technical process, and the cost of the final product, i.e. silicon tetrafluoride. Cost increases.
フルオロケイ酸を、温度112℃に加熱することにより、四フッ化ケイ素およびフッ化水素に分解し、次いでガス混合物を、二酸化ケイ素を通して流す、四フッ化ケイ素の製造方法が知られている[特許GB 1009564、1965年11月10日公開]。 A process for producing silicon tetrafluoride is known in which fluorosilicic acid is decomposed into silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride by heating to a temperature of 112 ° C., and then the gas mixture is passed through silicon dioxide [patents] GB 1009564, published November 10, 1965].
この方法の欠点は、フルオロケイ酸の分解が、エネルギー消費を増加させる加熱により行われることである。四フッ化ケイ素とフッ化水素のガス混合物を二酸化ケイ素中に流すことにより、二酸化物とフッ化水素の相互反応により追加のシリコンが発生するが、反応区域から排除する必要がある水の発生も引き起こすので、追加の操作が必要になる。 The disadvantage of this method is that the fluorosilicic acid decomposition is carried out by heating which increases energy consumption. By flowing a gas mixture of silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride through silicon dioxide, additional silicon is generated by the interaction of the dioxide and hydrogen fluoride, but there is also the generation of water that must be excluded from the reaction zone. Cause additional operations.
フッ化水素と、反応区域から水を排除するために濃硫酸中に浸漬した二酸化ケイ素の相互反応による四フッ化ケイ素の製造方法が公知である[特許JP 57135711、1982年08月21日公開]。 A method for producing silicon tetrafluoride by the interaction of hydrogen fluoride with silicon dioxide immersed in concentrated sulfuric acid to exclude water from the reaction zone is known [Patent JP 57135711, published Aug. 21, 1982] .
しかし、この方法は、四フッ化物製造に使用され、特許請求の範囲に記載された方法では、フッ化水素と四フッ化物の分離していない混合物を発煙硫酸の存在下で二酸化ケイ素中に流すために、フルオロケイ酸から四フッ化物産出量の増加が起こる。 However, this method is used for tetrafluoride production, and in the claimed method, an unseparated mixture of hydrogen fluoride and tetrafluoride is flowed into silicon dioxide in the presence of fuming sulfuric acid. This results in an increase in tetrafluoride output from fluorosilicic acid.
マグネシウム蒸気により二酸化ケイ素からシリコンを還元する方法が知られている[特許RU 2036143 C1 МПК6 CO1B33/023、1995年5月27日公開]。この方法の欠点は、二酸化ケイ素がシリコン還元の原料に使用されており、そのために、大量の不純物を含むシリコンが製造されることである。 A method of reducing silicon from silicon dioxide with magnesium vapor is known [patent RU 2036143 C1 МПК6 CO1B33 / 023, published May 27, 1995]. The disadvantage of this method is that silicon dioxide is used as a raw material for silicon reduction, which produces silicon containing large amounts of impurities.
フルオロケイ素含有化合物と還元剤の相互反応を含む、シリコンの製造方法が知られている[特許RU 2035397C1 МПК6 CO1B 33/02、1995年5月20日公開]。この方法の欠点は、シリコン還元の際、原子状水素が使用されており、製造に高度の安全性が要求されることである。 A method for producing silicon is known [Patent RU 2035397C1 МПК 6 CO1B 33/02, published May 20, 1995], which involves the interaction of a fluorosilicon-containing compound with a reducing agent. A disadvantage of this method is that atomic hydrogen is used during silicon reduction, and a high degree of safety is required for production.
四フッ化ケイ素と、1族および2族の金属、特にマグネシウム、の相互反応によるシリコン製造方法が知られている[WO 03059814 A、2003年7月24日公開]。
A method for producing silicon by the interaction of silicon tetrafluoride with a
この方法の欠点は、アモルファスシリコンが製造されることである。 The disadvantage of this method is that amorphous silicon is produced.
浸漬チャンバーを含む多結晶シリコンの製造設備が公知である[特許RU 2224715 C1、2004年2月27日公開]。この設備の欠点は、ケイ素をトリクロロシランから水素で連続的に還元することにより製造するように設計されており、フルオロケイ酸溶液からシリコンを製造する方法には適用できないことである。 Production facilities for polycrystalline silicon including an immersion chamber are known [Patent RU 2224715 C1, published 27 February 2004]. The disadvantage of this equipment is that it is designed to be produced by continuously reducing silicon from trichlorosilane with hydrogen and is not applicable to the process for producing silicon from fluorosilicic acid solutions.
多結晶シリコン製造用の設備が知られているが[特許RU 2066296 C1、1996年9月10日公開]、この設備は、フルオロケイ酸溶液からシリコンを製造することができないという、上記の設備と同じ欠点を有する。 Equipment for the production of polycrystalline silicon is known [Patent RU 2066296 C1, published on Sep. 10, 1996], but this equipment is not capable of producing silicon from a fluorosilicic acid solution. Has the same drawbacks.
本発明の目的は、最終製品の素原価を下げることを目的として、ソーラーグレード多結晶シリコンをフルオロケイ酸溶液から連続的に製造する方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for continuously producing solar grade polycrystalline silicon from a fluorosilicic acid solution for the purpose of reducing the cost of the final product.
特許請求の範囲に記載された発明の群を実行することにより達成される技術的結果は、下記の通りである、すなわち、フルオロケイ酸溶液から、その不純物特徴により「ソーラーグレード」シリコンに適合する多結晶シリコンが製造されること、発生する四フッ化ケイ素の産出量増加のために最終製品(多結晶シリコン)の産出量が増加すること、発生する副生成物(主としてフッ化水素酸)を技術的製法において直ちに使用するために、製造方法の環境保全上の特性が改良されること、四フッ化ケイ素およびフッ化水素の分離工程が無くなるために、四フッ化ケイ素製造の技術的工程が簡素化されること、シリコン還元に低温反応を使用するためにエネルギー消費が低減されること、その不純物特徴により「ソーラーグレード」シリコンに適合する、主として球形粉末の形態にある多結晶シリコンをフルオロケイ酸溶液から製造する、統合された技術的製法が開発されることである。 The technical results achieved by implementing the claimed invention group are as follows: from fluorosilicic acid solution, adapted to “solar grade” silicon by its impurity characteristics Production of polycrystalline silicon, increased production of final product (polycrystalline silicon) due to increased production of silicon tetrafluoride, and generation of by-products (mainly hydrofluoric acid) The technical process of silicon tetrafluoride production is improved because the environmental conservation characteristics of the production process are improved for immediate use in the technical process, and the silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride separation process is eliminated. Simplified, reduced energy consumption due to the use of low temperature reactions for silicon reduction, and its impurity characteristics make it suitable for “solar grade” silicon An integrated technical process for producing polycrystalline silicon, mainly in the form of a spherical powder, from a fluorosilicic acid solution is to be developed.
上記の利点により、太陽光エネルギー分野における使用に適切な高純度(99.99%〜99.999%)および不純物含有量を維持しながら、多結晶シリコン製造の素原価を(1キロあたり10ドルまで)大きく低下させることができる。 The above benefits greatly reduce the cost of producing polycrystalline silicon (up to $ 10 per kilogram) while maintaining high purity (99.99% to 99.999%) and impurity content suitable for use in the solar energy sector. Can be made.
目的とする技術的結果は、フルオロケイ酸溶液から多結晶シリコンを製造する技術の下記の特徴、すなわち
−フルオロケイ酸と有機塩基溶液の相互反応により、フルオロケイ酸溶液から有機-溶解性フルオケイ酸塩を発生させること、
−発生したフルオケイ酸塩を、温度55〜60℃に加熱した空気または不活性ガス流で乾燥させること、
−フルオケイ酸塩から気体状四フッ化ケイ素を製造すること、
−フルオケイ酸塩を気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素に分解することにより、気体状四フッ化ケイ素を製造すること、
−発生した気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素を、分離せずに、発煙硫酸中に浸漬した二酸化ケイ素を通して流すこと、
−発生した気体状四フッ化ケイ素からシリコンを、マグネシウム蒸気で、温度1000℃以下で還元すること、
−シリコンとフッ化マグネシウムの混合粉末である生成物を分離し、球形粉末の形態にある多結晶シリコンを同時に得ること、
−製造された多結晶シリコンをフッ化マグネシウムから分離すること
により達成される。
The intended technical result is that the following characteristics of the technology for producing polycrystalline silicon from a fluorosilicic acid solution, namely the interaction of fluorosilicic acid with an organic base solution, lead to an organic-soluble fluosilicate from the fluorosilicic acid solution. Generating salt,
Drying the generated fluosilicate with air or an inert gas stream heated to a temperature of 55-60 ° C.,
-Producing gaseous silicon tetrafluoride from fluosilicate,
-Producing gaseous silicon tetrafluoride by decomposing fluorosilicate into gaseous silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride;
Flowing the generated gaseous silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride through silicon dioxide immersed in fuming sulfuric acid without separation;
-Reducing silicon from the generated gaseous silicon tetrafluoride with magnesium vapor at a temperature below 1000 ° C,
Separating the product which is a mixed powder of silicon and magnesium fluoride and simultaneously obtaining polycrystalline silicon in the form of a spherical powder;
Achieved by separating the produced polycrystalline silicon from magnesium fluoride.
そのような、前の操作で形成された生成物が、次の操作の原料である一連の技術的操作により、高純度の多結晶シリコンを製造することができる。有機溶解性フルオケイ酸塩の製造により、特別に純粋な四フッ化ケイ素が形成される。フルオケイ酸塩の乾燥により、技術的工程が促進される。 High purity polycrystalline silicon can be produced by a series of technical operations in which the product formed in the previous operation is a raw material for the next operation. The production of organic soluble fluosilicates results in the formation of particularly pure silicon tetrafluoride. The drying of the fluosilicate facilitates the technical process.
発煙硫酸中に浸漬された二酸化ケイ素で満たしたバブリング反応器中で、例えばフッ化水素の中和により、分離されていないSiF4gasおよびHFgas気体流をバブリングすることにより、SiFgasは二酸化ケイ素と相互反応しないが、HFgasは、式SiO2+4HFgas=SiF4gas+H2Oにより、相互反応し始め、この反応により、追加の気体状四フッ化ケイ素が形成され、四フッ化ケイ素の総産出量を増加する。 In a bubbling reactor filled with silicon dioxide soaked in fuming sulfuric acid, by bubbling unseparated SiF 4gas and HF gas gas streams, for example by neutralization of hydrogen fluoride, SiF gas and silicon dioxide Although not interacting, HF gas begins to interact with the formula SiO 2 + 4HF gas = SiF 4gas + H 2 O, which results in the formation of additional gaseous silicon tetrafluoride and the total production of silicon tetrafluoride. Increase the amount.
従って、分離されていないSiF4gasおよびHFgas気体流を二酸化ケイ素を通してバブリングすることにより、不純物を含まない気体状SiF4だけが製造され、Si産出量が増加する。HFの存在下でSiO2から四フッ化ケイ素(SiF4gas)をさらに還元することにより、SiF4gas総産出量が増加し、同時に、フッ化水素を技術的工程において直ちに利用するので、追加装置の使用および高エネルギーを消費する技術的条件を必要とするであろう、四フッ化ケイ素およびフッ化水素の分離工程が技術的工程から排除される。 Thus, bubbling unseparated SiF 4gas and HF gas gas streams through silicon dioxide produces only gaseous SiF 4 free of impurities and increases Si yield. Further reduction of silicon tetrafluoride (SiF 4gas ) from SiO 2 in the presence of HF increases the total output of SiF 4gas , while at the same time using hydrogen fluoride immediately in the technical process, The separation process of silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride, which would require technical conditions to use and consume high energy, is eliminated from the technical process.
発煙硫酸の存在により、反応により生じた水が除去され、そのための追加の技術的操作が排除される。 The presence of fuming sulfuric acid removes the water produced by the reaction and eliminates additional technical operations therefor.
1000℃以下の温度におけるシリコン還元により、エネルギー消費が軽減され、製造方法の安全性が改良される。 Silicon reduction at temperatures below 1000 ° C reduces energy consumption and improves the safety of the manufacturing process.
シリコンおよびフッ化マグネシウムの混合粉末である生成物を分離することにより、球形粉末の形態にある多結晶シリコンが同時に得られるので、アモルファスシリコンを結晶性シリコンに転化するための追加操作を行うが必要なくなり、コストが低減され、処理の連続性が得られると共に、大きな球形結晶をフッ化マグネシウム粉末から簡単に分離することができる。 By separating the product, which is a mixed powder of silicon and magnesium fluoride, polycrystalline silicon in the form of a spherical powder can be obtained at the same time, an additional operation is required to convert amorphous silicon to crystalline silicon The cost is reduced, process continuity is achieved, and large spherical crystals can be easily separated from the magnesium fluoride powder.
さらに、本発明の特別な実施態様では、フルオケイ酸塩(抽出物)を洗浄してから分解する。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the fluosilicate (extract) is washed and then decomposed.
さらに、本発明の特別な実施態様では、トリアルキルアミンの溶液、またはトリアルキルアミンをトリエチルベンゼンに溶解させた溶液、またはトリアルキルアミンをドデカンとオクチルスピリットの混合物に入れた溶液を、有機塩基として使用する。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, a solution of trialkylamine, or a solution of trialkylamine dissolved in triethylbenzene, or a solution of trialkylamine in a mixture of dodecane and octyl spirit is used as the organic base. use.
さらに、本発明の特別な実施態様では、ゾル(抽出物)を、濃鉱酸で処理することにより、分解するのが好適である。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, it is preferred to decompose the sol (extract) by treatment with concentrated mineral acid.
さらに、本発明の特別な実施態様では、鉱酸として、発煙硫酸(3〜5重量%の遊離無水硫酸を含む)を使用するのが妥当である。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, it is reasonable to use fuming sulfuric acid (containing 3-5% by weight free sulfuric anhydride) as the mineral acid.
さらに、本発明の特別な実施態様では、二酸化ケイ素を4〜7%発煙硫酸溶液中に浸漬することが推奨される。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, it is recommended to immerse silicon dioxide in a 4-7% fuming sulfuric acid solution.
さらに、本発明の特別な実施態様では、二酸化ケイ素として、ケイ砂を使用するのが好適である。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, it is preferred to use silica sand as silicon dioxide.
さらに、本発明の特別な実施態様では、反応混合物を分離し、同時に、球形粉末の形態にあるシリコンを得る工程を、遠心崩壊法により行う。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the step of separating the reaction mixture and at the same time obtaining silicon in the form of a spherical powder is carried out by centrifugal disruption.
さらに、本発明の特別な実施態様では、遠心崩壊とは、シリコンとフッ化マグネシウムの混合粉末を、融解炉中に配置された回転るつぼに入れ、そこで混合物を、るつぼと非融解性電極との間に形成されたプラズマアークに晒すことである。 Further, in a special embodiment of the invention, centrifugal disruption is the mixing of silicon and magnesium fluoride powder into a rotating crucible placed in a melting furnace where the mixture is placed between the crucible and the non-melting electrode. Exposure to a plasma arc formed between them.
さらに、本発明の特別な実施態様では、不活性ガス中で遠心分離を行うことが推奨される。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, it is recommended to carry out the centrifugation in an inert gas.
さらに、本発明の特別な実施態様では、シリコンの還元を不活性ガスの存在下で行い、その不活性ガスが、四フッ化ケイ素を浸漬チャンバーに搬送すると共に、得られた抽出物を渦流反応器から搬送する。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the reduction of silicon is carried out in the presence of an inert gas, which carries the silicon tetrafluoride to the immersion chamber and vortexes the resulting extract. Transport from container.
さらに、本発明の特別な実施態様では、不活性ガスとしてアルゴンを使用するのが妥当である。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, it is reasonable to use argon as the inert gas.
さらに、本発明の特別な実施態様では、マグネシウム蒸気を真空蒸発装置から渦流反応器に送る。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, magnesium vapor is sent from the vacuum evaporator to the vortex reactor.
さらに、本発明の特別な実施態様では、多結晶シリコンを、主として0.3 mm〜0.6 mmの粒径を有する球形シリコン粉末の形態で製造する。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, polycrystalline silicon is produced in the form of spherical silicon powder having a particle size of mainly 0.3 mm to 0.6 mm.
さらに、本発明の特別な実施態様では、シリコン球形粉末を蒸留水および2回蒸留された水で洗浄する。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the silicon spherical powder is washed with distilled water and twice distilled water.
フルオロケイ酸溶液から多結晶シリコンを球形粉末の形態で製造する技術を実行し、目的および主張された技術的結果を達成するために、フルオロケイ酸溶液から多結晶シリコンを球形粉末の形態で連続的に製造する設備を使用するのが好ましい。この設備は、パイプライン系により接続された、抽出剤の存在下でフルオロケイ酸溶液の抽出を行うユニット、製造された抽出物を乾燥させるユニット、該抽出物を酸処理し、気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素を形成するユニット、フッ化水素を中和し、四フッ化ケイ素を形成するユニット、マグネシウム溶融物からマグネシウム蒸気を発生させるユニット、マグネシウム蒸気で気体状四フッ化ケイ素からシリコン還元を行うユニット、シリコンとフッ化マグネシウム粉末の反応混合物を分離し、同時に、球形粉末の形態にあるシリコンを得るユニット、球形粉末の形態にあるシリコンおよびフッ化マグネシウムを分離するユニットからなる。 In order to carry out the technology for producing polycrystalline silicon in the form of spherical powder from a fluorosilicic acid solution and to achieve the objective and claimed technical results, the polycrystalline silicon is continuously produced in the form of spherical powder from a fluorosilicic acid solution. It is preferred to use equipment that is manufactured automatically. This equipment consists of a unit connected by a pipeline system for extracting a fluorosilicic acid solution in the presence of an extractant, a unit for drying the produced extract, acid-treating the extract, Unit to form silicon fluoride and hydrogen fluoride, unit to neutralize hydrogen fluoride to form silicon tetrafluoride, unit to generate magnesium vapor from magnesium melt, silicon vapor to silicon tetrafluoride with silicon vapor It consists of a unit for carrying out the reduction, a unit for separating the reaction mixture of silicon and magnesium fluoride powder and simultaneously obtaining silicon in the form of spherical powder, and a unit for separating silicon and magnesium fluoride in the form of spherical powder.
さらに、本発明の特別な実施態様では、フルオロケイ酸溶液の抽出を行うユニットが、少なくとも一基の遠心抽出装置を含む。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the unit for extracting the fluorosilicic acid solution comprises at least one centrifugal extraction device.
さらに、本発明の特別な実施態様では、抽出物の乾燥を行うユニットが、少なくとも一基の、熱交換装置を備えた発泡乾燥機を含む。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the unit for drying the extract comprises at least one foam dryer with a heat exchange device.
さらに、本発明の特別な実施態様では、抽出物を酸処理し、気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素を形成するユニットが、少なくとも一基の遠心抽出装置を含む。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the unit for acid treating the extract to form gaseous silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride comprises at least one centrifugal extractor.
さらに、本発明の特別な実施態様では、フッ化水素中和を行い、四フッ化ケイ素を形成するユニットが、少なくとも一基の、二酸化ケイ素を満たした発泡反応器を含む。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the unit for performing hydrogen fluoride neutralization and forming silicon tetrafluoride comprises at least one foaming reactor filled with silicon dioxide.
さらに、本発明の特別な実施態様では、遠心抽出装置および発泡乾燥機に保護被覆を行う。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, a protective coating is applied to the centrifugal extractor and the foam dryer.
さらに、本発明の特別な実施態様では、保護被覆がフルオロプラスチックを基に行われる。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the protective coating is based on a fluoroplastic.
さらに、本発明の特別な実施態様では、少なくとも一基の真空蒸発装置が、マグネシウム溶融物からマグネシウム蒸気を発生させるユニットとして使用される。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, at least one vacuum evaporator is used as a unit for generating magnesium vapor from the magnesium melt.
さらに、本発明の特別な実施態様では、少なくとも一基の渦流反応器が、シリコン還元用の浸漬チャンバーとして使用される。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, at least one vortex reactor is used as the immersion chamber for silicon reduction.
さらに、本発明の特別な実施態様では、真空蒸発装置および渦流反応器に保護ライニングを施す。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the vacuum evaporator and the vortex reactor are provided with a protective lining.
さらに、本発明の特別な実施態様では、渦流反応器に真空ポンプを備える。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the vortex reactor is equipped with a vacuum pump.
さらに、本発明の特別な実施態様では、渦流反応器に、加熱装置を備える。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the vortex reactor is equipped with a heating device.
さらに、本発明の特別な実施態様では、最終的な製品分離を行うユニットが、シリコンの密度を超えない密度を有する流体で満たした、少なくとも一基のタンクを包含する。 Furthermore, in a particular embodiment of the invention, the final product separation unit includes at least one tank filled with a fluid having a density not exceeding that of silicon.
さらに、本発明の特別な実施態様では、球形粉末の形態にあるシリコンを製造するユニットが、るつぼ(回転可能な)および電極を備え、るつぼと電極との間にプラズマアークが維持される融解炉を含む。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the unit for producing silicon in the form of a spherical powder comprises a crucible (rotatable) and an electrode, in which a plasma arc is maintained between the crucible and the electrode. including.
さらに、本発明の特別な実施態様では、電極が非融解性である。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the electrode is non-meltable.
さらに、本発明の特別な実施態様では、最終製品を分離するためのユニットが、振動テーブルの形態にある。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the unit for separating the final product is in the form of a vibrating table.
さらに、本発明の特別な実施態様では、多結晶シリコンを製造する設備が、シリコンをインゴットで製造する融解炉をさらに含む。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the facility for producing polycrystalline silicon further comprises a melting furnace for producing silicon in an ingot.
さらに、本発明の特別な実施態様では、還元反応から得られる混合物を冷却するユニット。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, a unit for cooling the mixture resulting from the reduction reaction.
さらに、本発明の特別な実施態様では、設備が、シリコンの包装ラインをさらに含む。 Furthermore, in a special embodiment of the invention, the installation further comprises a silicon packaging line.
本発明の上記の、および他の特徴および利点を、以下に、添付の図面を参照しながら、好ましい実施態様で説明する。
フルオロケイ酸溶液からの、球形粉末の形態にある多結晶シリコンの製造は、好ましくは、2つの主要技術的工程で行われる。 The production of polycrystalline silicon in the form of a spherical powder from a fluorosilicic acid solution is preferably carried out in two main technical steps.
第一技術的工程では、ケイフッ化水素酸溶液から四フッ化ケイ素を製造するためのアセンブリーにおいて、ケイフッ化水素酸(H2SiF6)溶液から気体状四フッ化ケイ素を製造する。このアセンブリーは、パイプライン系により接続され、止め弁を備えた下記のユニット、すなわち、保護フルオロプラスチックカバーを備えた少なくとも一基の遠心抽出装置を含む、フルオロケイ酸水溶液(H2SiF6)を抽出するためのユニット1、保護フルオロプラスチックカバーを備え、熱交換装置を備えた少なくとも一基のバブリング乾燥器を含み、製造された抽出物を乾燥させるユニット2、保護フルオロプラスチックカバーを備えた少なくとも一基の遠心抽出装置を含み、抽出物を酸処理し、気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素を発生させるユニット3、保護フルオロプラスチックカバーを備え、例えば二酸化ケイ素(品質的にケイ砂を使用するのが妥当である)を充填した少なくとも一基のバブリング反応器を含み、フッ化水素を中和し、追加の四フッ化ケイ素を発生させるユニット4を含む。上記のアセンブリーを使用し、下記の技術により、フルオロケイ酸溶液から四フッ化ケイ素を製造する。
In a first technical step, gaseous silicon tetrafluoride is produced from a hydrosilicofluoric acid (H 2 SiF 6 ) solution in an assembly for producing silicon tetrafluoride from a silicohydrofluoric acid solution. This assembly is connected with a pipeline system and contains the following units with stop valves: an aqueous fluorosilicic acid solution (H 2 SiF 6 ) comprising at least one centrifugal extractor with a protective fluoroplastic cover.
ユニット1で、ケイフッ化水素酸水溶液(H2SiF6)(好ましくは濃度20%)を、有機塩基溶液(抽出剤)により、例えばトリアルキルアミン(TAA)の溶液により、またはトリアルキルアミンをトリエチルベンゼン中に溶解させた溶液により、またはトリアルキルアミンを、ドデカンとオクチルスピリットの混合物に入れた溶液により、抽出物を製造するために処理し、例えば(TAAH)2SiF6のような有機溶解性ゾル(抽出物)を製造する。抽出および相の沈殿が完了した後、得られたケイフッ化水素酸の抽出物を液相から分離し、HF水溶液で洗浄し、ユニット2(保護フルオロプラスチックカバーを備え、熱交換装置を備えたバブラーを含む)で、温度55〜60℃に加熱した空気または不活性ガスの流れにより乾燥させる。次いで、抽出物を酸処理し、気体状四フッ化ケイ素SiF4gasおよびフッ化水素HFgasを発生させるためのユニット3で、無水硫酸3〜5%を含む濃鉱酸(主として発煙硫酸)で処理する。この操作から得られる液相は抽出工程に戻される。フルオロケイ酸塩分解の気体状生成物、すなわちSiF4gasおよびHFgasは、ユニット2で、下記の反応により(抽出体としてトリアルキルアミン溶液を使用する場合)、製造される。
(TAAH)2SiF6+nH2SO4→SiF4gas+2HFgas+(TAAH)2SiO4(H2SO4)n−1
ガスの発生および相の沈殿が完了した後、有機相を液相から分離し、続いて水および水酸化ナトリウム水溶液で十分に洗浄し、H2SO4の抽出を完了させる。再生された抽出剤は、H2SiF6抽出工程に戻される。フルオケイ酸塩分解により製造された気体状生成物、すなわち四フッ化ケイ素(SiF4gas)およびフッ化水素(HFgas)、は、分離せずに、フッ化水素を中和し、追加の四フッ化ケイ素を製造するための、保護フルオロプラスチックカバーを備え、ユニット4は、フッ化水素を中和する組成物で、例えば、品質上ケイ砂が好ましい二酸化ケイ素で満たされた少なくとも一基のバブラーを含むユニット4に送られる。
In
(TAAH) 2 SiF 6 + nH 2 SO 4 → SiF 4gas + 2HF gas + (TAAH) 2 SiO 4 (
After gas evolution and phase precipitation are complete, the organic phase is separated from the liquid phase followed by thorough washing with water and aqueous sodium hydroxide to complete the extraction of H 2 SO 4 . The regenerated extractant is returned to the H 2 SiF 6 extraction process. Gaseous products produced by fluorosilicate decomposition, namely silicon tetrafluoride (SiF 4gas ) and hydrogen fluoride (HF gas ), without separation, neutralize the hydrogen fluoride and provide additional tetrafluoride. A
気体状四フッ化ケイ素(SiF4gas)は、二酸化ケイ素(SiO2)を通してバブリングする時に、二酸化ケイ素とは相互反応しないが、反応4HFgas+SiO2→SiF4↑+2H2Oにより、追加の気体状四フッ化ケイ素(SiF4gas)を製造し、四フッ化ケイ素の総産出量が増加する。気体状四フッ化ケイ素総産出量の増加と同時に、フッ化水素(フッ化水素酸)のような有害な生成物が工程中で直ちに中和される。 Gaseous silicon tetrafluoride (SiF 4gas ) does not interact with silicon dioxide when bubbling through silicon dioxide (SiO 2 ), but the reaction 4HF gas + SiO 2 → SiF 4 ↑ + 2H 2 O adds additional gaseous Manufactures silicon tetrafluoride (SiF 4gas ), increasing the total output of silicon tetrafluoride. Simultaneously with the increase in the total production of gaseous silicon tetrafluoride, harmful products such as hydrogen fluoride (hydrofluoric acid) are immediately neutralized in the process.
有機フルオケイ酸塩(抽出物)を連続的向流抽出方法により製造することもできる。本発明を実施する好ましい方法を行うために、ユニット1として、H2SiF6の抽出を行うため少なくとも6工程−5工程を行い、第6工程が抽出物の洗浄を行う向流抽出装置を使用するのが妥当である。最後の工程で製造されたフルオロケイ酸抽出物は、温度55〜60℃に加熱された空気または不活性ガスの流れで乾燥させ、無水硫酸3〜5%を含む濃鉱酸(主として発煙硫酸)で処理する。
Organic fluosilicates (extracts) can also be produced by a continuous countercurrent extraction process. In order to carry out the preferred method of carrying out the present invention, the
上記の方法により、シリコンの産出量を増加し、不純物含有量が低い気体状四フッ化ケイ素を製造した後、次の技術的工程、すなわち前の工程で製造された気体状四フッ化ケイ素のシリコン還元、を行う。 After the production of gaseous silicon tetrafluoride by increasing the yield of silicon and low impurity content by the above method, the next technical process, namely the gaseous silicon tetrafluoride produced in the previous process, is produced. Perform silicon reduction.
不純物含有量および価格において公表した特徴に適合する多結晶シリコンを製造するためには、図1に示す多結晶シリコン製造設備を使用し、この設備を使用することにより、図2に示す多結晶シリコン製造技術を実行するのが好ましい。 In order to produce polycrystalline silicon that conforms to the announced features in impurity content and price, the polycrystalline silicon production facility shown in Fig. 1 is used, and by using this facility, the polycrystalline silicon shown in Fig. 2 is used. It is preferable to implement manufacturing techniques .
フルオロケイ酸から多結晶シリコンを連続的に製造する設備(図1)は、パイプライン系により接続され、止め弁を備えた下記のユニット、すなわち、保護フルオロプラスチックカバーを備えた少なくとも一基の遠心抽出装置を含む、フルオロケイ酸水溶液(H2SiF6)を抽出するためのユニット1、保護フルオロプラスチックカバーを備え、熱交換装置を備えた少なくとも一基のバブリング乾燥器を含む、製造された抽出物を乾燥させるためのユニット2、保護フルオロプラスチックカバーを備えた少なくとも一基の遠心抽出装置を含み、抽出物を酸処理し、気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素を製造するユニット3、保護フルオロプラスチックカバーを備え、例えば二酸化ケイ素(シリカサンド)を充填した少なくとも一基のバブリング反応器を含み、フッ化水素を中和し、追加の四フッ化ケイ素を発生させるユニット4、保護ライニングを備えた少なくとも一基の真空蒸発装置を含み、マグネシウム溶融物からマグネシウム蒸気を発生させるユニット5、チャンバーから空気を集めるための真空ポンプおよび反応チャンバーを加熱するためのユニットを備えた少なくとも一基の渦流反応器を使用する、マグネシウム蒸気で四フッ化ケイ素からシリコンを還元するためのユニット6、還元により形成された反応混合物を冷却するためのユニット7、反応混合物をシリコンとフッ化マグネシウムの粉末に分離し、同時に球形シリコン粉末を得るユニット8、球形シリコン粉末およびフッ化マグネシウムを分離するユニット9を含む。保護フルオロプラスチックカバーは、操作中に攻撃的な媒体から装置を保護し、その耐用寿命を長くする。必要とされるユニットの数は、設備の容量により決定され、処理すべき酸および製造されるシリコンの量に基づいて計算される。
The facility for continuous production of polycrystalline silicon from fluorosilicic acid (Figure 1) is connected by a pipeline system and is equipped with the following units with stop valves: at least one centrifuge with a protective fluoroplastic cover. A manufactured extraction comprising a
さらに、この設備は、シリコン製造工程に直接関与しないが、支援操作を行うユニット、例えばシリコン包装ライン、フッ化マグネシウム包装ライン、抽出剤再生溶液から石膏を製造するライン(図には示していない)を提供してもよい。 In addition, this equipment is not directly involved in the silicon production process, but is a unit that performs support operations, such as a silicon packaging line, a magnesium fluoride packaging line, a line for producing gypsum from extractant regeneration solution (not shown) May be provided.
発生した四フッ化ケイ素は、ユニット4から浸漬チャンバー6に送られ、シリコン還元を行うが、その際、真空ポンプおよび加熱装置を備えた少なくとも一基の渦流反応器を使用する。四フッ化ケイ素と同時に、マグネシウム蒸気をユニット5から浸漬チャンバー6に送る。空気を真空ポンプで排出した後、浸漬チャンバー6を温度670〜800℃に加熱する。気体状四フッ化ケイ素がマグネシウム蒸気と相互反応し、還元反応SiF4gas+Mggas=Si+MgF2により、シリコン(Si)とフッ化マグネシウム(MgF2)の混合粉末である反応混合物が製造される。還元反応の結果として形成される生成物を冷却ユニット7中で冷却する。その後、シリコン粉末(Si)をフッ化マグネシウム(MgF2)から分離する。反応混合物を浸漬チャンバー6から取り出すために、気体状四フッ化ケイ素と同時に浸漬チャンバー6中に流れ込む「搬送」ガス、すなわちアルゴン、を使用する。本発明の好ましい実施態様では、シリコンを商業的製品の形態で、すなわち球形粉末の形態で製造するのが妥当である。シリコン溶融物およびフッ化マグネシウム溶融物が異なった特性を有することを考慮し、得られた混合物を効率的に分離し、同時に、シリコンを市場品質(球形粉末)に変換するために、不活性ガス媒体中における遠心崩壊法が、球形粉末の形態にあるシリコン製造に好ましい選択である。遠心崩壊法を行うために、ユニット8は、回転可能なるつぼおよび非融解性電極を備え、るつぼと電極との間にプラズマアークを保持する融解炉を含む。シリコンとフッ化マグネシウムの混合物を回転しているるつぼに送り、るつぼと非融解性電極との間に形成されたプラズマアークの熱に晒す。加熱アークの作用により、シリコンおよびフッ化マグネシウムは融解し始め、溶融した材料を、遠心力により、るつぼの縁部から押し出し、シリコンおよびフッ化マグネシウムの分離した滴の形態でるつぼから落下させる。溶融物の滴は、不活性雰囲気中で、チャンバーの壁に衝突する前に、分離した球状粒子の形態で固化し、この球形を固相で維持する。フッ化マグネシウム粒子は、得られたシリコン球形粉末のサイズのサイズより1.3〜1.5倍小さいので、シリコン粉末をユニット9(例えば振動テーブルでよい)で、高精度で分離することができる。製造された、主に0.3〜0.6 mmの範囲の粒径を有する球状シリコン粉末を、蒸留水および2回蒸留された水で洗浄する。
The generated silicon tetrafluoride is sent from the
従って、特許請求の範囲に記載された本発明を実施することにより、フルオロケイ酸溶液から多結晶シリコン、すなわち高レベルの純度(99.99%)を有する球形粉末の形態にある多結晶シリコンを、既存の技術的と比較して、最終製品の産出量を増加させ、かつ低い素原価で、連続的に製造することができる。 Accordingly, by carrying out the claimed invention, it is possible to remove polycrystalline silicon from a fluorosilicic acid solution, i.e. polycrystalline silicon in the form of a spherical powder having a high level of purity (99.99%). Compared to the technical aspect of this technology, the production of the final product can be increased and it can be continuously manufactured at a low cost.
Claims (16)
−フルオロケイ酸と有機塩基の相互反応により、フルオロケイ酸溶液から有機溶解性フルオケイ酸塩を製造し、
−得られたフルオケイ酸塩を、温度55〜60℃の空気または不活性ガスで乾燥させ、
−フルオケイ酸塩から気体状四フッ化ケイ素を製造し、
−フルオケイ酸塩を気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素に分解することにより、気体状四フッ化ケイ素を製造し、
−製造された気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素を、分離せずに、発煙硫酸の存在下で二酸化ケイ素を通して流し、
−発生した気体状四フッ化ケイ素からシリコンを、マグネシウム蒸気で、温度1000℃以下で還元し、
−シリコンとフッ化マグネシウム粉末の混合物である還元生成物を分離し、球形粉末の形態にある多結晶シリコンを同時に形成し、
−製造された多結晶シリコンをフッ化マグネシウムから分離することを特徴とする、方法。 A method for producing polycrystalline silicon from a fluorosilicic acid solution comprising:
-Production of organic soluble fluosilicate from fluorosilicic acid solution by interaction of fluorosilicic acid and organic base,
-Drying the obtained fluosilicate with air or inert gas at a temperature of 55-60 ° C,
-Producing gaseous silicon tetrafluoride from fluosilicate,
-Producing gaseous silicon tetrafluoride by decomposing fluorosilicate into gaseous silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride;
Flowing the produced gaseous silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride through silicon dioxide in the presence of fuming sulfuric acid without separation;
-Reducing silicon from the generated gaseous silicon tetrafluoride with magnesium vapor at a temperature below 1000 ° C,
-Separating the reduction product, which is a mixture of silicon and magnesium fluoride powder, simultaneously forming polycrystalline silicon in the form of a spherical powder;
- polycrystalline silicon produced and separating from magnesium fluoride, method.
−フルオロケイ酸溶液の抽出を行うユニット、
−製造された前記フルオロケイ酸抽出物を乾燥させるユニット、
−抽出物の分解を行い、気体状四フッ化ケイ素およびフッ化水素を発生させるユニット、
−フッ化水素を中和し、四フッ化ケイ素を発生させるユニット、
−マグネシウム溶融物からマグネシウム蒸気を発生させるユニット、
−マグネシウムの存在下で気体状四フッ化ケイ素からシリコンを還元するユニット、
−反応混合物を分離し、同時に、球形粉末の形態にあるシリコンを得るユニット、
−最終製品を分離するユニット
を含むことを特徴とする、設備。 An apparatus for producing polycrystalline silicon in the form of spherical powder from a fluorosilicic acid solution, connected by a pipeline system,
A unit for extracting the fluorosilicic acid solution,
A unit for drying the produced fluorosilicic acid extract,
A unit for decomposing the extract and generating gaseous silicon tetrafluoride and hydrogen fluoride,
A unit for neutralizing hydrogen fluoride and generating silicon tetrafluoride,
A unit for generating magnesium vapor from the magnesium melt,
A unit for reducing silicon from gaseous silicon tetrafluoride in the presence of magnesium,
A unit for separating the reaction mixture and at the same time obtaining silicon in the form of a spherical powder;
An installation characterized in that it comprises a unit for separating the final product.
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