KR20150108735A - The method and system for production of silicon and devicies - Google Patents

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KR20150108735A
KR20150108735A KR1020147023008A KR20147023008A KR20150108735A KR 20150108735 A KR20150108735 A KR 20150108735A KR 1020147023008 A KR1020147023008 A KR 1020147023008A KR 20147023008 A KR20147023008 A KR 20147023008A KR 20150108735 A KR20150108735 A KR 20150108735A
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Abstract

본 발명의 하나의 실시형태에서, 실리콘(또는 실리콘 합금을 포함하는 Si를 함유하는 화합물)과 수소 공급원(예를 들면, 수소 기체, 원자형 수소 및 양성자)과의 촉매 기체화를 이용하여 실란과 수소(및 불활성 기체)의 혼합물이 제조된다. 수소로부터 실란을 분리시키기 않고, 기체 혼합물 내의 모든 기체(실란 및 수소, 불활성 기체)를 동시에 동시 정제함으로써, 혼합물이 동시 정제되고, 다음에 실란 기체를 추가로 희석시키지 않고 하류의 적용을 위한 공급 원료를 제공한다. 본 발명의 하나의 양태는 고순도 실리콘의 대규모 저비용 제조를 위한 실란 기체 혼합물을 위한 개선된 제조 방법, 장치 및 조성을 위한 요구 및 반도체 집적 회로, 태양광전지, LCD-평면 패널, 리튬 이온 배터리 및 기타 전자 장치의 제조를 포함하는, 그러나 이것에 한정되지 않는, 현장 분배식 턴키 적용에 대처한다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시형태는 비용을 크게 감소시킬 수 있고, 실리콘의 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, catalytic gasification of silicon (or a compound containing Si containing silicon alloy) with a hydrogen source (such as hydrogen gas, atomic hydrogen, and protons) A mixture of hydrogen (and inert gas) is prepared. By simultaneously co-purifying all gases (silane and hydrogen, inert gas) in the gas mixture without separating the silane from the hydrogen, the mixture is co-purified and then fed without further dilution of the silane gas, Lt; / RTI > One aspect of the present invention is the need for an improved method, apparatus, and composition for a silane gas mixture for large scale, low cost fabrication of high purity silicon, as well as semiconductor integrated circuits, solar photovoltaic cells, LCD flat panels, lithium ion batteries, Including, but not limited to, the manufacture of turnkey applications. Thus, various embodiments of the present invention can significantly reduce cost and simplify the manufacturing process of silicon.

Description

실리콘의 제조를 위한 방법 및 시스템 및 장치{THE METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCTION OF SILICON AND DEVICIES}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method and system for manufacturing silicon,

관련 출원Related application

본 출원은 35 U.S.C. § 119(e) 하에서 실리콘의 제조를 위한 방법 및 시스템 및 장치라는 명칭으로 2013년 1월 27일에 출원된 미국 특허 출원 번호 US13/751,090의 우선권의 이익을 주장하고, 이 출원의 전체 내용은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다. This application claims the benefit of 35 U.S.C. Claims of priority of U.S. Patent Application No. US13 / 751,090, filed on Jan. 27, 2013, entitled Method and System and Apparatus for the Production of Silicon under § 119 (e) The entirety of which is incorporated herein by reference.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 실란 혼합물을 형성하기 위해 수소 기체, 이온(양성자) 및 원자형 수소와 같은 수소 공급원(source)에 의한 실리콘 원소, 실리콘 합금 및 Si를 함유하는 화합물을 포함하는 실리콘 재료의 촉매 기체화를 위한 공정 방법, 조성 및 시스템에 관한 것이다. 다음에 혼합물은 고순도 실리콘 및 실리콘을 함유하는 장치의 제조를 위해 실란, 수소 및 불활성 기체만을 남기도록 동시 정제된다.The present invention relates to catalytic gasification of a silicon material comprising a silicon element, a silicon alloy and a compound containing Si by a hydrogen source such as hydrogen gas, ion (protons) and atomic hydrogen to form a silane mixture ≪ / RTI > The mixture is then co-purified to leave only silanes, hydrogen and inert gases for the production of devices containing high purity silicon and silicon.

실란, 특히 모노실란(SiH4) 기체는 폴리실리콘, 집적 회로(IC)와 같은 전자 장치, 액정 디스플레이(LCD), 및 태양전지의 제조에 점점 더 많이 사용된다. 실란은 150년 전에 처음 합성된 이래 이것을 제조하기 위한 다양한 기법이 개발되어 왔고, 그 대부분은 복잡한 공정 및 위험한 화학물질과 관련된다. Silanes, particularly monosilane (SiH 4) gas is used more and more in the production of polysilicon, an integrated circuit (IC) electronic devices, liquid crystal display (LCD), and solar cells, such as. Since silane was first synthesized 150 years ago, a variety of techniques have been developed for making it, most of which involve complex processes and dangerous chemicals.

US3043664(순수 실란의 제조; Mason, Robert W. Kelly, Donald H.) 및 US 4407783(실리콘 테트라플루오라이드로부터 실란의 제조; 1983년 10월 4일; Ulmer, Harry E.et al)은 테트라할로실란(예를 들면, SiCl4 및 SiF4) 및 수소화물(예를 들면, LiH, NaH, 또는 LiAlH4)을 이용한 실란 SiH4 의 제조를 교시한다. US 4407783 (Production of silane from silicon tetrafluoride; Oct. 4, 1983; Ulmer, Harry E. et al), US 3043664 (Mason, Robert W. Kelly, Donald H.) Teaches the preparation of silane SiH 4 with silanes (e.g., SiCl 4 and SiF 4 ) and hydrides (such as LiH, NaH, or LiAlH 4 ).

또한, US 4755201, US 5499506, US 6942844, US 6905576, US 6852301, 및 US 8105564에는 1980년대 중에 유니온 카바이드(Union Carbide)에 의해 상업화된 제조 공정이 개시되어 있다. 이 공정에서, 금속학적 등급의 실리콘(Met-Si), 수소 및 실리콘 테트라클로라이드(STC)는 약 500 ℃ 및 30 기압에서 구리 촉매로 반응되어 트리클로라이드 실란(TCS)을 형성하고, 다음에 TCS는 다이클로라이드 실란(DCS) 및 STC로 촉매적으로 변환되고, DCS는 음이온-교환 수지 촉매 상에서 실란으로 더 재분배된다.Also, US 4755201, US 5499506, US 6942844, US 6905576, US 6852301, and US 8105564 disclose a manufacturing process commercialized by Union Carbide in the 1980s. In this process, metallurgical grades of silicon (Met-Si), hydrogen and silicon tetrachloride (STC) are reacted with a copper catalyst at about 500 ° C and 30 atmospheres to form trichloride silane (TCS) Dichlorosilane (DCS) and STC, and the DCS is further redistributed as silane on the anion-exchange resin catalyst.

이상적으로, 실란은 실리콘의 수소화반응에 의해 제조된다. 그러나, 실리콘과 수소 사이의 직접 반응은 초고 온도 및 초고 압력(최대 2000 ℃ 및 1000 기압) 외에는 열역학적으로 불리하다. 다른 과제는 300 ℃를 초과하는 고온에서 실란은 실리콘 미세 수트(soot)로 재분해되어 제조 수율을 극도로 저하시키는 경향이 있다는 것이다. 현재까지 이러한 접근 방법에 관한 성공적인 실험이 단 한 건도 보고되어 있지 않다. Ideally, the silane is prepared by hydrogenation of silicon. However, the direct reaction between silicon and hydrogen is thermodynamically unfavorable except at very high temperatures and very high pressures (up to 2000 ° C and 1000 atmospheres). Another challenge is that at high temperatures exceeding 300 캜, silane is re-decomposed into silicon micro-soot, which tends to extremely reduce the production yield. To date, no single successful experiment has been reported on this approach.

또한, 모든 다른 공정은 지루하고 에너지가 풍부한 분리 및 정제 공정에 의해 초고순도의 실란(99.9999%)을 제조하는데 초점을 맞추고 있으나, 수 ppm 내지 99 %의 범위의 실란 및 수소 및/또는 불활성 기체의 혼합물이라는 실제 상업적 적용에서 실란을 위한 최종 요구가 무시되고 있다. 즉, 실란은 특정 용도로 사용되기 위해 수소 또는 불활성 기체(예를 들면, 아르곤 또는 헬륨)로 희석되어야 한다.In addition, all other processes are focused on producing ultra high purity silane (99.9999%) by a tedious and energetic separation and purification process, but a mixture of silane and hydrogen and / or inert gas in the range of several ppm to 99% The final requirement for silane in practical commercial applications is being ignored. That is, the silane must be diluted with hydrogen or an inert gas (such as argon or helium) for use in a particular application.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 실란 및 수소(선택적으로 불활성 기체를 포함) 혼합물은 실리콘 원소, 실리콘 합금 및 Si를 함유하는 화합물을 포함하는 Si-재료와 수소 기체, 원자형 수소 및/또는 수소 이온(양성자)와 같은 수소 공급원의 촉매 기체화를 이용하여 제조된다. 촉매가 존재하면, 반응 온도는 크게 저하될 수 있고, 실란 형성의 반응 속도는 개선될 수 있다. 기체 혼합물(실란 및 수소, 불활성 기체 포함)은 (수소 또는 불활성 기체로부터 실란을 분리시키지 않고) 인(P) 및 붕소(B) 화합물 및 기타 유해한 불순물을 제거하기 위해 동시적으로 동시 정제될 수 있다. 그러나, 리튬 이온 배터리 전극 용도의 나노 실리콘 분말을 제조하기 위해, 인(P) 및 붕소(B) 화합물의 제거는 불필요하고, 선택적으로, 인(P) 및 붕소(B) 화합물이 첨가될 수 있다. 다음에 동시 정제된 혼합물은 하류의 적용을 위해 공급된다. 이것은 실란의 제조 공정 및 나아가서 하류의 적용을 비용 면에서 크게 감소시킬 수 있고, 그리고 단순화시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the mixture of silane and hydrogen (optionally including an inert gas) comprises an Si-material comprising a silicon element, a silicon alloy and a compound containing Si, a hydrogen gas, an atomic hydrogen and / Is produced using catalytic gasification of a hydrogen source such as an ion (proton). When the catalyst is present, the reaction temperature can be greatly lowered and the reaction rate of the silane formation can be improved. The gas mixture (including silane and hydrogen, inert gas) can be co-purified simultaneously to remove phosphorus (P) and boron (B) compounds and other harmful impurities (without separating the silane from hydrogen or inert gas) . However, in order to produce nano silicon powders for lithium ion battery electrodes, removal of phosphorus (P) and boron (B) compounds is unnecessary and, optionally, phosphorus (P) and boron (B) . The co-purified mixture is then fed for downstream application. This can significantly reduce and simplify the manufacturing process of the silane and further downstream applications.

본 발명의 하나의 양태는 대규모 저비용 제조를 위한, 그리고 현장 주문 분배식 턴키(turnkey) 적용을 위한 실란 기체 혼합물을 위한 개선된 제조 방법에 대한 요구에 대처한다. 이러한 적용은 고순도 폴리실리콘, 집적 회로와 같은 반도체 장치, 태양광전지, LCD-평면 패널, 리튬 이온 배터리 전극 재료 및 기타 전자 장치의 제조를 포함하지만 이것에 한정되지 않는다. 이것은 비용을 크게 감소시킬 수 있고, 실리콘 및 반도체 장치의 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.One aspect of the present invention addresses the need for an improved manufacturing method for large scale, low cost fabrication and for silane gas mixtures for field-ordered, turn-key turnkey applications. Such applications include, but are not limited to, the manufacture of high purity polysilicon, semiconductor devices such as integrated circuits, solar cells, LCD-flat panels, lithium ion battery electrode materials and other electronic devices. This can significantly reduce costs and simplify the manufacturing process of silicon and semiconductor devices.

본 발명의 하나의 실시형태는 실리콘을 제조하기 위한 방법을 제공하고, 이 제조 방법은,One embodiment of the present invention provides a method for manufacturing silicon,

a) 실리콘 원소, 실리콘 합금 및 Si를 함유하는 화합물을 포함하는 Si-재료와 촉매 및 수소 공급원의 촉매 기체화에 의해 실란, 수소 및 불활성 기체 혼합물을 제조하는 단계; a) preparing a mixture of silane, hydrogen and an inert gas by catalytic gasification of a Si-material comprising a silicon element, a silicon alloy and a Si-containing material, a catalyst and a hydrogen source;

b) 실란의 분해를 방지하기 위해 상기 반응의 직후에 상기 기체 혼합물을 급냉시키는 단계;b) quenching the gas mixture immediately after the reaction to prevent decomposition of the silane;

c) 실란, 수소 및 불활성 기체를 동시 정제하는 단계; c) co-refining silane, hydrogen and an inert gas;

d) 정제된 실란 혼합물을 이용하여 실리콘을 제조하는 단계; d) preparing silicon using the purified silane mixture;

e) 단계 d)로부터 수소 및 불활성 기체를 재순환시키고, 단계 a)로 복귀시키는 단계; 및e) recycling the hydrogen and inert gas from step d) and returning to step a); And

f) 촉매를 회수 및 재순환시키고, 단계 a)로 복귀시키는 단계를 포함한다.f) recovering and recirculating the catalyst, and returning to step a).

다른 실시형태는 수소 기체, 원자형 수소 및 이온형 수소로부터 선택되는 수소 공급원을 제공한다. 촉매는 이하의 재료로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. Another embodiment provides a hydrogen source selected from hydrogen gas, atomic hydrogen, and ionic hydrogen. The catalyst is selected from the group consisting of the following materials.

a) 귀금속, 특히, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, 및 이들의 합금;a) noble metals, especially Pd, Pt, Rh, Re, Ru, and alloys thereof;

b) 천이 금속, 특히, Ni, Cu, Co Fe, 및 이들의 합금; b) transition metals, especially Ni, Cu, Co Fe, and alloys thereof;

c) 알칼리 금속, 특히, Na, K, Li, Ca 및 이들의 합금;c) alkali metals, especially Na, K, Li, Ca and alloys thereof;

d) 희토류 금속;d) rare earth metals;

e) 금속염; 산화물과 같은 금속 화합물, 및 e) metal salts; Metal compounds such as oxides, and

f) 금속 수소화물. f) metal hydrides.

실리콘 합금은 하나의 실리콘 또는 실리콘과 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속, 천이 금속, 희토류 금속, 및 저융점 금속, 특히, 슬래브, 벌크, 로드, 과립, 분말, 융체, 액체 내 현탁액, 및 기체상 증기의 형태의 Si-(Li, Na, K, Ns, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Tl, K, 및 Fe)의 조합으로부터 선택된다.Silicon alloys may be made of one or more of silicones and silicones and of alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, rare earth metals, and low melting point metals, especially slabs, bulk, rods, granules, powders, fusions, suspensions in liquids, (Li, Na, K, Ns, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Tl, K and Fe).

기체화제(gasification agent)는 하기 중 하나 또는 하기의 조합물로부터 선택된다.The gasification agent is selected from one or a combination of the following.

a) 수소(또는 D2) 기체;a) hydrogen (or D 2) gas;

b) 산 또는 금속 수소화물 또는 해리 산 내의 수소 이온; b) hydrogen ions in an acid or metal hydride or dissociation acid;

c) 전기화학적 전지에 의해 발생되는 수소 이온; 및c) a hydrogen ion generated by an electrochemical cell; And

d) 플라즈마 기체화에 의해 발생되는 원자형 수소. d) atomic hydrogen generated by plasma gasification.

다른 실시형태는 DC 플라즈마, 마이크로파; 무선 주파수(RF), 핫 와이어(hot wire) 및 글로 방전(glowing discharge)을 포함하는 원자형 수소를 제공한다. Other embodiments include DC plasma, microwave; And provides atomic hydrogen including radio frequency (RF), hot wire, and glowing discharge.

다른 실시형태는 사전-제조된 실란 혼합물 자체의 냉각 매체와의 신속한 열교환이나 제조된 기체 혼합물의 신속한 압력 강하로서 급냉을 제공한다.Other embodiments provide rapid heat exchange with the cooling medium of the pre-fabricated silane mixture itself or quenching with rapid pressure drop of the prepared gas mixture.

본 발명의 다른 실시형태는 실란의 제조를 위한 시스템을 제공하고, 이 시스템은,Another embodiment of the present invention provides a system for the production of silanes,

반응 체임버;Reaction chamber;

플라즈마에 의한 원자형 수소 및 전기화학적 전지에 의한 수소 이온과 같은 실리콘 및 합금을 기체화하기 위한 수소 공급원;A hydrogen source for gasifying silicon and alloys such as atomic hydrogen by plasma and hydrogen ions by an electrochemical cell;

반응기 체임버에 수소 공급원 및 실리콘 공급원을 공급하는 수단;Means for supplying a hydrogen source and a silicon source to the reactor chamber;

잉곳, 로드, 분말의 흐름, 융체, 증기, 액체 또는 용융염 내의 현탁액, 및 임의의 형태의 고체, 액체 융체, 슬러리, 페이스트 또는 증기의 형태로 체임버 내에 Si-재료(실리콘, 합금, 및 Si를 함유하는 화합물)를 공급하는 수단;(Silicon, alloys, and Si) in the chamber in the form of a solid, liquid slurry, slurry, paste, or vapor in any form of suspension, ingot, rod, stream of powder, A compound containing a compound of formula (I);

실리콘 및 합금에 촉매를 투여하는 수단;Means for administering a catalyst to the silicon and alloy;

상기 반응 체임버 내에 존재하는 기체를 급냉시키는 수단;Means for quenching the gas present in said reaction chamber;

상기 생성물 기체 혼합물의 급냉 후 상기 실란 혼합물을 동시 정제하는 수단; 및 선택적으로 Means for co-purifying said silane mixture after quenching said product gas mixture; And optionally

상기 공정의 말기에 상기 공정에서 회수되는 촉매, 수소 및 불활성 기체를 재순환시키는 수단을 포함한다. And means for recirculating the catalyst, hydrogen and inert gas recovered in the process at the end of the process.

다른 실시형태는 실리콘 분말의 충전층, 분류층, 유동층, 이동층, 및 융체를 위한 교반층 및 티킹층(ticking bed)으로부터 선택되는 반응 체임버를 제공한다. 반응 체임버는 다음의 조건을 갖는다.Another embodiment provides a reaction chamber selected from a packed layer of a silicon powder, a graded layer, a fluidized bed, a moving bed, and a stirring bed and a ticking bed for fusing. The reaction chamber has the following conditions.

온도: -30 - 3000 ℃, 200 - 3000 ℃, 300 - 3000 ℃, 500 - 3000 ℃, 500 - 2000 ℃, 또는 500 ℃ - 1500 ℃; 압력: 0.001 -1000 Mpa; 투입 기체 불활성 기체 내 수소: 1-99.99999%; 배출 기체: 수소 내의 실란 0.1 -99%; 및 Temperature: -30 to 3000 占 폚, 200 to 3000 占 폚, 300 to 3000 占 폚, 500 to 3000 占 폚, 500 to 2000 占 폚, or 500 to 1500 占 폚; Pressure: 0.001 - 1000 Mpa; Input gas Hydrogen in inert gas: 1-99.99999%; Exhaust gas: 0.1 to 99% silane in hydrogen; And

기체의 체류 시간: 0.001 내지 1000 초.Gas retention time: 0.001 to 1000 seconds.

본 발명의 다른 예시적 실시형태는 이하에 제공되는 본 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 상세한 설명 및 본 발명의 예시적 실시형태를 개시하는 특정 실시예는 설명의 목적을 위한 것이고 본 발명의 범위를 제한하려는 의도를 갖지 않는다는 것을 이해해야 한다. Other exemplary embodiments of the invention will be apparent from the detailed description of the invention provided below. It is to be understood that the detailed description and specific embodiments disclosed by way of illustrative embodiments of the invention are for the purpose of description and are not intended to limit the scope of the invention.

명시적으로 언급되어 있지 않는 한, 본 명세서에 개시된 방법 실시형태는 특정 순서 또는 순차에 제약을 받지 않는다. 설명된 실시형태 또는 그 요소의 일부는 동일 시점에서 실행되거나 수행될 수 있다.Unless expressly stated otherwise, the method embodiments disclosed herein are not limited to any particular order or sequence. The described embodiments or portions of the elements may be performed or performed at the same time.

도 1은 저순도 금속학적 실리콘으로부터 출발하는 고순도 폴리실리콘의 제조를 위한 본 발명의 하나의 실시형태의 공정 흐름도를 도시한다.
도 2는 고순도 실리콘으로부터 출발하는 현장 분배식 턴키 적용을 위한 사전 혼합된 실란의 제조를 위한 본 발명의 하나의 실시형태의 공정 흐름도를 도시한다.
도 3은 다단 유동층-하이브리드 화학적 기체화 반응기를 도시한다.
도 4는 다른 다단계 이동층 화학적 기체화 반응기를 도시한다.
도 5a는 고온 고압 기체화 반응기의 개략도를 도시한다.
도 5b는 수소를 이용하는 촉매 기체화 반응기로부터 나오는 구별되는 오렌지색의 실란 화염을 도시한다.
도 6은 RF 플라즈마 원자형 수소의 발생과 실리콘 기체화를 단일 유닛으로 조합하는 반응기를 도시한다.
도 7은 900℃에서 30 분 동안 수소 내에서 가열 후 Pd 촉매 입자에 의해 에칭된 실리콘 단결정 표면의 주사식 전자 현미경사진을 보여준다.
도 8은 촉매 입자의 움직임에 의해 생성되는 쐐기형 채널을 보여주는 도 7의 동일한 에칭된 실리콘 단결정 표면의 확대된 현미경사진을 도시한다.
Figure 1 shows a process flow diagram of one embodiment of the present invention for the production of high purity polysilicon starting from low purity metallurgical silicon.
Figure 2 shows a process flow diagram of one embodiment of the present invention for the preparation of premixed silanes for in situ distributed turnkey applications starting from high purity silicon.
3 shows a multi-stage fluidized bed-hybrid chemical gasification reactor.
Figure 4 shows another multi-stage mobile bed chemical gasification reactor.
Figure 5a shows a schematic diagram of a high temperature and high pressure gasification reactor.
Figure 5b shows a distinct orange silane flame from a catalytic gasification reactor using hydrogen.
Figure 6 shows a reactor that combines the generation of RF plasma atomic hydrogen and silicon vaporization into a single unit.
Figure 7 shows a scanning electron micrograph of a silicon single crystal surface etched by Pd catalyst particles after heating in hydrogen at 900 占 폚 for 30 minutes.
Figure 8 shows an enlarged micrograph of the same etched silicon single crystal surface of Figure 7 showing the wedged channels produced by the movement of the catalyst particles.

정의Justice

다음은 본 발명의 실시형태에서 채용되는 재료, 방법, 및 설비의 용어 정의이다.The following are definitions of materials, methods, and equipment employed in embodiments of the present invention.

금속: 다음의 기호로 주기율표에 기록된 것이다:Metals: The following symbols are recorded on the periodic table:

리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 및 프란슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 및 라듐(Ra);Lithium, lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium and frium, beryllium, magnesium, calcium and strontium, ), Barium (Ba), and radium (Ra);

천이 금속: 스칸듐(Sc), 니오븀(Nb), 테크네튬(Tc), 하프늄(Hf), 수은(Hg), 악티늄(Ac), 러더포듐(Rf), 듀비늄(Db), 시보?(Sg), 보륨(Bh), 하슘(Hs), 메이터륨(Mt), 담스타드튬(Ds), 렌트게늄(Rg), 코페르니슘(Cn), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 하프늄, 철(Fe), 마그네슘(Mn), 몰리브데늄(Mo), 니켈(Ni), 니오븀, 셀레늄, 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 아연(Zn), 및 지르코늄(Zr);Transition metals: Scandium (Sc), niobium (Nb), technetium (Tc), hafnium (Hf), mercury (Hg), actinium (Ac), ruthenium (Rf) (Cd), chromium (Cr), cobalt (Co), cobalt (Co), boron (Bh), hydrosium (Hs), metimine ), Tungsten (W), tantalum (W), tantalum (Ta), tantalum (Ta) Uranium (U), vanadium (V), zinc (Zn), and zirconium (Zr);

귀금속: 은(Ag), 레늄(Re), 오스늄(Os), 이리듐(Ir), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 및 루테늄(Ru);Noble metals: Ag, rhenium, Os, iridium, gold, palladium, platinum, rhodium and ruthenium;

저융점 금속: 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 폴로늄(Po) 및 텔루륨(Te);(Al), gallium (Ga), indium (In), thallium (Tl), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Po) and tellurium (Te);

희토류 금속: 란타니드 계열 이트륨(Y), 란타늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 튤륨(Tm), 이터븀(Yb), 루테튬(Lu); 악티니드 계열 악티늄, 토륨(Th), 프로트악티늄(Pa), 우라늄(U), 네프투늄(Np), 플루토늄(Pu), 아메리슘(Am), 쿠리움(Cm), 쿠리움륨(Bk), 캘리포늄(Cf), 아인스타이늄(Es), 페르뮴(Fm), 멘델리븀(Md), 노벨륨(No) 및 로렌슘(Lr).Rare earth metals: lanthanide series Y, lanthanum, cerium, praseodymium Pr, neodymium, prommium, samarium, europium, gadolinium, , Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu; (Th), Pro Actinium (Pa), Uranium (U), Np, Np, Pl, Am, Cm, (Cf), Einsteinium (Es), Fermium (Fm), Mendelium (Md), Novellum (No) and Lawrenium (Lr).

Si-재료: 실리콘 원소, 실리콘 합금, 및 Si-화합물 중 하나 또는 조합: Si-material: one or a combination of silicon element, silicon alloy, and Si-compound:

실리콘 원소: 금속학적 실리콘, 폴리실리콘, 단결정 실리콘. 잉곳, 벌크 피스(bulk piece), 시트, 로드, 과립, 또는 분말의 형태로 실리콘 및 실리콘 합금을 제조하기 위해 다양한 기존의 엔지니어링 방법이 선택될 수 있다.Silicon Elements: metallurgical silicon, polysilicon, single crystal silicon. Various conventional engineering methods can be selected to produce silicon and silicon alloys in the form of ingots, bulk pieces, sheets, rods, granules, or powders.

실리콘 합금: Si-Mx로서 형성될 수 있고, 여기서 M은 위에서 한정한 알칼리 및 알칼리 토류 금속, 천이 금속, 귀금속, 희토류 금속, 및 저융점 금속 중 하나 이상이고, 특히 다음의 원소이다: Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, 여기서 x는 0.01 중량% 내지 95 중량%이다. 합금은 잉곳, 벌크 피스, 시트, 로드, 과립, 분말, 융체, 및 증기의 형태일 수 있다.Silicon alloy: Si-Mx, where M is at least one of the alkali and alkaline earth metals, transition metals, noble metals, rare earth metals and low melting point metals defined above, and in particular the following elements: Li, Be Ni, Cu, and Zn, where x is 0.01 wt% to 95 wt%. The alloy may be in the form of ingots, bulk pieces, sheets, rods, granules, powders, melts, and vapors.

Si를 함유하는 화합물: 산화물(SiO, SiO2), 질화물, 탄화물, 수소화물, 염 및 세라믹과 같은 실리콘을 함유하는 임의의 재료로서 실리콘 원소나 실리콘 합금이 아님.A compound containing Si: Any material containing silicon such as oxides (SiO, SiO 2 ), nitrides, carbides, hydrides, salts and ceramics is not a silicon element or a silicon alloy.

Si-재료는 고체(잉곳, 로드, 분말의 흐름의 형태), 액체 융체, 및 증기 형태일 수 있다. 이것은 혼합물, 현탁액, 슬러리, 또는 페이스트로서 용액, 용융염 매트릭스 내에 첨가될 수 있다.
The Si-material may be in the form of a solid (in the form of ingot, rod, flow of powder), liquid melt, and vapor. This can be added as a mixture, suspension, slurry, or paste in a solution, molten salt matrix.

수소 공급원: 본 명세서에서 수소 기체화 공급원이라고도 하며, 다음 중 하나 또는 그 조합이다:Hydrogen source: Also referred to herein as a source of hydrogen gasification, one or a combination of the following:

a) (수소의 동위원소)를 포함하는 수소 기체;a hydrogen gas (isotope of hydrogen);

b) 해리 무기산 및 HCl, HF, H2SO4, HNO3, H3PO4, H2CO3, H4SiO4, 아세트산과 같은 유기산, 또는 염기 NH4OH, 및 염 NH4Cl, NH4F, NH4NO3, (NH4)2SO4, (NH4)3PO4, (NH4)2CO4, (NH4)4SiO4, 등 내의 수소 이온(양성자)b) dissociating inorganic acids and organic acids such as HCl, HF, H 2 SO 4 , HNO 3 , H 3 PO 4 , H 2 CO 3 , H 4 SiO 4 , acetic acid, or bases NH 4 OH, and salts NH 4 Cl, NH 4 F, NH 4 NO 3, (NH 4) 2 SO 4, (NH 4) 3 PO 4, (NH 4) 2 CO 4, (NH 4) 4 SiO hydrogen ions (protons) in the 4, and

c) 금속 수소화물(LiH, NaH, KH, NaAlH4, NaLiH4, NaAlH4, NaAlH4, NaAlH4, NaAlH4, 등)c) metal hydrides (LiH, NaH, KH, NaAlH 4, NaLiH 4, NaAlH 4, NaAlH 4, NaAlH 4, NaAlH 4, etc.)

d) 수성 전해질, 유기 전해질, 용융 전해질, 폴리머 전해질, 및 고체 세라믹 전해질을 채용하는 전기화학적 전지에 의해 생성되는 수소 이온.d) Hydrogen ions produced by an electrochemical cell employing an aqueous electrolyte, an organic electrolyte, a molten electrolyte, a polymer electrolyte, and a solid ceramic electrolyte.

e) 마이크로파, RF, DC, 글로(glowing), 및 핫 와이어에 의해 생성되는 수소 플라즈마에 의해 발생되는 원자형 수소. e) Atomic hydrogen generated by a hydrogen plasma generated by microwave, RF, DC, glowing, and hot wires.

촉매 및 촉진제: 이하의 그룹으로부터 선택되는 하나의 부재 또는 임의의 조합.Catalysts and accelerators: one member selected from the following group or any combination thereof.

a) 위에서 정의된 금속, 특히 귀금속 및 천이 금속;a) metals as defined above, in particular precious metals and transition metals;

b) 알칼리 금속 및 알칼리 토류 금속: 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 및 프란슘(Fr) 그룹 2 원소. 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 및 라듐(Ra).b) Alkali metals and alkaline earth metals: lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) and francium (Fr) group 2 elements. Beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra).

c) 희토류 금속: 란타니드 계열 란타늄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 터븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 튤륨, 이터븀, 루테튬; 악티니드 계열 악티늄, 토륨, 프로트악티늄, 우라늄, 네프투늄, 플루토늄, 아메리슘 쿠리움, 쿠리움륨, 캘리포늄, 아인스타이늄, 페르뮴, 멘델리븀, 노벨륨, 로렌슘.c) Rare earth metals: Lanthanide series cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, tulium, ytterbium, lutetium; Actinide series Actinium, Thorium, Proton Actinium, Uranium, Nepidium, Plutonium, Amerium Crimium, Cerium, Calcium, Einsteinium, Fermium, Mendelium, Nobelium, Lorenzium.

d) 그룹 III-VI 금속 d) Group III-VI metal

e) 합금 수소화물, 및 e) Alloy hydride, and

f) 위의 촉매 및 촉진제 부분에서 설명된 금속 원소의 산화물, 유기염 및 무기염과 같은 금속 화합물.
f) metal compounds such as oxides, organic salts and inorganic salts of the metal elements described in the above catalyst and promoter moieties.

촉매 제조 및 투여: 촉매가 Si-재료 상에 광범위하게 분산될 수 있다면, Si-재료는 수소 기체화 공급원과 직접 접촉한다. Catalyst Preparation and Administration: If the catalyst can be widely dispersed on the Si-material, the Si-material is in direct contact with the hydrogen gasification source.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 촉매는 합금화와 유사하게 금속학적으로 제조되는 경우 실리콘 내에 첨가될 수 있고, 또는 연삭 공정 중에 첨가될 수 있고, 또는 심지어 촉매가 균질하게 분배될 수 있는 경우 용액으로부터 최종 과립의 표면에 투여될 수 있다. 촉매의 투여량은 실리콘 및 합금 재료의 특성에 따라 0.0001 wt% 내지 80 wt%의 범위일 수 있다. 예를 들면, 실리콘 잉곳의 경우, 0.0001 wt%의 촉매가 표면에 첨가될 수 있으나, 미세한 실리콘 분말의 경우, 이것은 큰 비표면적을 가지므로 전체 표면을 피복하기 위해서는 20 wt%의 촉매의 촉매가 제공되어야 한다. 더욱이, 촉매는 기체화 반응기 유닛으로부터 회수될 수 있고, 그리고 촉매 투입/원료 제조 유닛 내에 복귀될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the catalyst may be added to the silicon when prepared metallurgically, similar to alloying, or may be added during the grinding process, or even from the solution when the catalyst can be homogeneously distributed Can be administered to the surface of the final granule. The dosage of the catalyst may range from 0.0001 wt% to 80 wt%, depending on the properties of the silicon and alloy materials. For example, in the case of a silicon ingot, a catalyst of 0.0001 wt% can be added to the surface, but in the case of fine silicon powder, it has a large specific surface area, so a catalyst of 20 wt% . Moreover, the catalyst can be recovered from the gasification reactor unit and returned to the catalyst input / feed production unit.

촉매 반응: 촉매 또는 촉진제의 존재에 의해 촉진되는 화학 반응으로서, 촉매는 원하는 반응 생성물로 변환되지 않는다.Catalytic reaction: As a chemical reaction promoted by the presence of a catalyst or an accelerator, the catalyst is not converted to the desired reaction product.

Si-재료 촉매 기체화: 조합의 특성에 따라 고온 및 고압 하에서 촉매가 존재하는 상태에서 Si-재료와 수소 공급원 사이의 반응.Si-Material Catalytic Gasification: The reaction between a Si-material and a hydrogen source in the presence of a catalyst under high temperature and high pressure, depending on the nature of the combination.

그러나, 반응 생성물은 주위 조건으로의 복귀 시에 적어도 하나의 si를 함유하는 기체상 생성물을 포함한다. However, the reaction product comprises a gaseous product containing at least one Si upon return to ambient conditions.

실란: SixHy의 화학식을 갖는 실리콘-수소 화합물로서, 여기서 x는 x=1, 2, 3, 4, 5, - 100를 포함하는 정수; y=x, 2x, 또는 2x+2이다. 모노실란(SiH4)은 실란의 가장 일반적인 형태이다. 실란은 또한 SixDyHz의 형태일 수 있고, 여기서 D는 수소의 동위원소이고, x는 1, 2, 3, 4, 5, - 100의 정수이고; (y+z) = x, 2x, 또는 2x+2이다.Silane: a silicon-hydrogen compound having the formula SixHy, wherein x is an integer comprising x = 1, 2, 3, 4, 5, -100; y = x, 2x, or 2x + 2. Monosilane (SiH 4 ) is the most common form of silane. The silane may also be in the form of SixDyHz, where D is an isotope of hydrogen and x is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, -100; (y + z) = x, 2x, or 2x + 2.

실란 동시-정제(co-purification): 고순도 기체, 또는 실란, 수소, 및 95% 순도 이상의 He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, N2, H2, D2와 같은 불활성 또는 비반응성 기체 중 하나 또는 임의의 혼합물을 포함하는, 그리고 불순물은 5.0% 이하인 기체 혼합물(실란 조성은 1 ppm 내지 95 중량%, 잔부는 수소 및 불활성 기체)을 얻기 위해 사용되는 공정.Silane co-purified (co-purification): high purity gas, or silane, hydrogen, and 95% pure or more of He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, N 2, H 2, inert or non-reactive gas, such as D 2 (1 ppm to 95% by weight of silane composition, the remainder being hydrogen and an inert gas), and the impurities are not more than 5.0%.

동시-정제된 실란 혼합물: 실란, 수소, 및 각각의 성분의 순도를 갖는 He, Ar, N2와 같은 불활성 및 비반응성 기체를 포함하고, 전체 혼합물(실란 조성은 1 ppm 내지 95%, 잔부는 수소 및 불활성 기체이다)은 95% 이상이고, 기타 불순물은 5.0% 이하이다.Inert gas such as He, Ar, N 2 with purity of each component, and the total mixture (silane composition is 1 ppm to 95%, the remainder being Hydrogen and an inert gas) is 95% or more, and the other impurities are 5.0% or less.

급냉: 실란의 분해를 방지하기 위해 일단 기체 또는 기체 혼합물이 기체화 체임버로부터 배출되면 10 초 내에 800 ℃ 미만의 온도까지 반응 생성물을 신속하게 냉각시키는 것.Quenching: To quickly cool the reaction product to a temperature below 800 ° C within 10 seconds once the gas or gas mixture is discharged from the gasification chamber to prevent cracking of the silane.

실란 혼합물 동시-정제: 실란은 수소로부터 분리되지 않고, He, Ar와 같은 불활성 기체, 그러나 기타 불순물은 정제된 실란 혼합물 내에서 5.0% 미만의 수준까지 제거된다.Silane mixture Simultaneous-purification: Silane is not separated from hydrogen, inert gases such as He and Ar, but other impurities are removed to a level of less than 5.0% in the purified silane mixture.

실리콘 제조: 실란 혼합물을 사용하여 99.99%를 초과하는 순도를 갖는 실리콘의 제조; 실리콘의 형태는 지멘스 기법, 증기로부터 액체(vapor to liquid), 또는 중앙집중식 유동층 입자상 폴리실리콘 제조 시스템에 의해 각각 제조되는 잉곳, 액체, 나노 분말, 과립일 수 있다.Silicon Fabrication: Fabrication of silicon with a purity greater than 99.99% using a silane mixture; The shape of the silicon can be ingots, liquids, nano powders, granules, each produced by Siemens technique, vapor to liquid, or a centralized fluidized bed particulate polysilicon manufacturing system, respectively.

실리콘 장치 제조: 집적 회로, 태양광 전지, LCD-평면 패널 및 기타 전자 장치와 같은 반도체 장치와 같은 실란을 이용하여 제조될 수 있는 si-원소를 포함하는 장치.
Silicon Device Fabrication: An apparatus comprising a si- element that can be fabricated using silanes, such as semiconductor devices such as integrated circuits, solar cells, LCD-flat panels, and other electronic devices.

부분 A) 공정 방법, 반응 파라미터 및 반응기Part A) Process method, reaction parameters and reactor

도 1은 비제한적 실시예로서, 유닛(110)으로부터 촉매를 투여받은 금속학적 실리콘 또는 실리콘 합금이 수소 기체, 전기화학적 전지에 의해 생성되는 수소 이온 또는 고온의 기체화 온도에서 플라즈마 공정에 의한 원자형 수소를 사용하여 기체화 유닛(120)를 통해 기체화되어 실란 및 수소(또는 불활성 기체 아르곤) 혼합물을 형성한다. 이 혼합물은, 형성된 실란의 분해를 방지하기 위해, 이 혼합물이 기체화 유닛으로부터 배출되는 즉시, 열교환기(122)에 의해 반응 온도로부터 800 ℃ 이하의 온도까지 신속하게 냉각(급냉)될 수 있다.1 is a non-limiting example, in which the metallurgical silicon or silicon alloy to which the catalyst is applied from the unit 110 is hydrogen gas, a hydrogen ion produced by an electrochemical cell, or an atomic form by a plasma process at a high gasification temperature Hydrogen is vaporized through the gasification unit 120 to form a mixture of silane and hydrogen (or inert gas argon). This mixture can be rapidly cooled (quenched) from the reaction temperature to a temperature of 800 캜 or less by the heat exchanger 122 as soon as the mixture is discharged from the gasification unit, in order to prevent decomposition of the formed silane.

급냉 후, 혼합물은 유닛(130)에서 정제될 수 있다. 이 유닛(130)은 실란으로부터 수소 및 아르곤을 분리시키지 않고, 기타 불순물을 제거하기 위해 이들을 동시-정제시킨다. 정제된 실란 혼합물은 유닛(150)에 도시된 폴리실리콘 제조와 같은 하류의 적용에 사용되고, 여기서 폴리실리콘 제조 유닛(150)은 중앙집중식 유동층 입자상 폴리실리콘, 증기-액체, 또는 실란이 고순도 폴리실리콘 및 수소 부산물로 변환되는 지멘스 반응기 시스템이다. 최종 폴리실리콘 제조 유닛(150)으로부터의 수소 및 아르곤 부산물은 회수되어 화살표(142)로 도시된 바와 같이 기체화 유닛으로 재순환된다. 수소 및 아르곤은 화살표(162)로 도시된 바와 같이 공정 손실을 보상하기 위해 유닛(160)을 통해 첨가될 수 있다. 촉매는 기체화 유닛의 바닥으로부터 회수되어 실리콘 합금 촉매 투입 유닛(도시되지 않음)을 포함하는 실리콘 또는 si를 함유하는 화합물로 복귀된다.After quenching, the mixture can be purified in unit 130. The unit 130 does not separate hydrogen and argon from the silane and co-purifies them to remove other impurities. The purified silane mixture is used for downstream applications such as the production of polysilicon shown in unit 150 where the polysilicon production unit 150 is a unit of a centralized fluidized bed particulate polysilicon, vapor-liquid, or high purity polysilicon and / It is a Siemens reactor system that is converted into a hydrogen byproduct. The hydrogen and argon byproducts from the final polysilicon manufacturing unit 150 are recovered and recycled to the gasification unit as shown by the arrow 142. Hydrogen and argon may be added through unit 160 to compensate for process losses as shown by arrow 162. The catalyst is recovered from the bottom of the gasification unit and returned to the silicon or si containing compound containing a silicon alloy catalyst input unit (not shown).

실란은 현재 집적 회로, 태양광 전지, LCD-평면 패널 및 기타 전자 장치와 같은 반도체 장치의 제조에 널리 사용된다. 벌크 탱크 내의 초고순도의 실란(99.9999%)은 소형 실란더(10kg 이하) 내에 재충전되기 위해 수천 마일 떨어져 있는 리보틀링(re-bottling) 설비까지 수송된다. 실란 실란더는 반도체 제조공장과 같은 적용 현장으로 수송되어 다양한 화학 증착 용도를 위해 수 ppm 내지 약 99%의 범위의 실란 조성을 갖는 실란 기체 혼합물로서 수소 또는 아르곤을 이용하여 희석된다. 이러한 조작 공정은 고비용이 들고, 또 실란이 폭발성 높은 기체이므로 위험하다. 그러므로, 현장 주문 분배식 실란 공급원은 많은 산업에 개선점을 제공한다.Silanes are now widely used in the manufacture of semiconductor devices such as integrated circuits, solar cells, LCD-flat panels and other electronic devices. The ultra-high purity silane (99.9999%) in the bulk tank is transported to a re-bottling facility thousands of miles away for recharging within a small silander (less than 10 kg). The silane silane is transported to an application site such as a semiconductor manufacturing plant and diluted with hydrogen or argon as a silane gas mixture having a silane composition ranging from several ppm to about 99% for various chemical vapor deposition applications. This process is dangerous because it is expensive and the silane is a highly explosive gas. Therefore, field-ordered silane sources provide improvements in many industries.

도 2는 고순도 실리콘 및 고순도 수소 공급원으로부터 출발하는 현장 주문 분배식 턴키 적용을 위한 사전 혼합된 실란의 제조를 위한 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 예시적 공정 흐름도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 초고순도의 실리콘이 출발 재료로서 사용되고, 수소 기체 또는 플라즈마에 의해 생성되는 원자형 수소를 사용하여 기체화 유닛(122)을 통해 촉매 기체화됨으로써 실란 및 수소(또는 불활성 기체 아르곤) 혼합물을 형성한다. 수소 플라즈마는 DC 플라즈마에서의 전극의 부식에 의해 유발되는 것과 같은 가능한 오염을 방지하기 위해 무선 주파수(RF) 또는 마이크로파에 의해 활성화되는 것이 바람직하다.Figure 2 shows an exemplary process flow diagram according to one embodiment of the present invention for the preparation of premixed silanes for on-site order dispense turnkey applications starting from high purity silicon and high purity hydrogen sources. As shown in FIG. 2, ultra high purity silicon is used as the starting material and is catalytically vaporized through the gasification unit 122 using hydrogen gas or atomic hydrogen produced by the plasma to produce silane and hydrogen (or inert Gaseous argon) mixture. The hydrogen plasma is preferably activated by radio frequency (RF) or microwave to prevent possible contamination such as caused by corrosion of the electrodes in the DC plasma.

혼합물은 전술한 바와 같이 실란의 분해를 방지하기 위해 열교환기(123)에 의해 급냉된다. 급냉 후, 혼합물은 유닛(132) 내에서 정제되고, 유닛(132)은 실란으로부터 수소 및 아르곤을 분리하지 않고, 이들을 동시 정제함으로써 불순물을 제거한다. 정제된 실란 혼합물은 유닛(152)에 도시된 IC 및 태양 전지의 제조와 같은 하류의 CVD(142) 장치 적용을 위해 사용된다. 수소 및 아르곤은 재순환되어 기체화 유닛으로 복귀될 수 있고, 또한 수소 및 Ar은 필요한 경우 163을 경유하여 유닛(162)을 통해 첨가될 수 있다. 유닛(142)에서의 조성은 특정 실란 농도 상황에 따라 유닛(162)을 통해 외부의 실란이나 H2에 의해 더욱 조절될 수 있다. 전체 공정에서 기체 혼합물의 여과 외의 대규모 정제 단계가 존재하지 않고, 필요한 경우 외부의 희석이 추가된다.
The mixture is quenched by heat exchanger 123 to prevent decomposition of the silane as described above. After quenching, the mixture is refined in unit 132, and unit 132 removes impurities by simultaneous refining them without separating hydrogen and argon from the silane. The purified silane mixture is used for application of downstream CVD (142) devices, such as the IC shown in unit 152 and the manufacture of solar cells. Hydrogen and argon may be recycled back to the gasification unit and hydrogen and Ar may be added via unit 162 via 163 if desired. The composition in unit 142 may be further controlled by external silane or H 2 through unit 162 depending on the specific silane concentration situation. There is no large-scale purification step other than filtration of the gas mixture in the whole process and, if necessary, an external dilution is added.

기체화 공정 및 반응기의 구축Gasification process and construction of reactor

원료: 임의의 Si-재료가 출발 재료로 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 폴리실리콘의 제조용의 실란 혼합물을 형성하기 위한 촉매 기체화를 위한 본 발명의 하나의 실시형태에서, 금속학적 실리콘 및 실리콘 합금은 우수한 출발 원료이다. 도 2에 도시된 바와 같은 현장 주문 분배식 실란 적용의 경우, 도핑되지 않은 단결정 또는 다결정 실리콘이 출발 원료로서 사용될 수 있다.
Materials: Any Si-material can be used as a starting material. In one embodiment of the present invention for catalytic gasification to form a silane mixture for the production of polysilicon as shown in Figure 1, metallurgical silicon and silicon alloys are excellent starting materials. In the case of the field-ordered-distribution silane application as shown in FIG. 2, undoped single crystal or polycrystalline silicon can be used as the starting material.

촉매 조성 및 투입: 촉매는 다음의 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소일 수 있다.Catalyst composition and input: The catalyst may be at least one element selected from the following group.

a) 귀금속, 특히, Pd, Pt, Rh, Re 등, a) Precious metals, especially Pd, Pt, Rh, Re, etc.,

b) 천이 금속, 특히, Ni, Cu, Co, Fe 등,b) a transition metal, particularly Ni, Cu, Co, Fe, etc.,

c) 알칼리 금속, 특히 Na, K, Li, Ca, 등, c) alkali metals, especially Na, K, Li, Ca, etc.,

d) 희토류 금속d) Rare earth metals

e) 그룹 III-VI 금속e) Group III-VI metal

f) 금속 합금, f) metal alloys,

g) 수소화물, 및 g) hydrides, and

h) 금속 화합물: 산화물, 염화물 및 유기염 및 무기염. h) Metal compounds: oxides, chlorides and organic salts and inorganic salts.

촉매는 합금화와 유사하게 금속학적으로 제조되는 경우 실리콘 내에 첨가될 수 있고, 또는 연삭 공정 중에 첨가될 수 있고, 또는 심지어 촉매가 균질하게 분배될 수 있는 경우 용액으로부터 최종 과립의 표면에 투여될 수 있다. 촉매의 투여량은 실리콘 및 합금 재료의 특성에 따라 0.0001 wt% 내지 80 wt%의 범위일 수 있다. 예를 들면, 실리콘 잉곳의 경우, 0.0001 wt%의 촉매가 표면에 첨가될 수 있으나, 미세한 실리콘 분말의 경우, 이것은 큰 비표면적을 가지므로 전체 표면을 피복하기 위해서는 20 wt%의 촉매의 촉매가 제공되어야 한다. 더욱이, 촉매는 기체화 반응기 유닛으로부터 회수될 수 있고, 그리고 촉매 투입/원료 제조 유닛 내로 복귀될 수 있다.
The catalyst may be added to the silicon when prepared metallurgically, similar to alloying, or it may be added during the grinding process, or even from the solution to the surface of the final granule if the catalyst can be homogeneously distributed . The dosage of the catalyst may range from 0.0001 wt% to 80 wt%, depending on the properties of the silicon and alloy materials. For example, in the case of a silicon ingot, a catalyst of 0.0001 wt% can be added to the surface, but in the case of fine silicon powder, it has a large specific surface area, so a catalyst of 20 wt% . Moreover, the catalyst can be recovered from the gasification reactor unit and returned to the catalyst input / raw material production unit.

수소 기체화 공급원: 기체화제(gasification agent)는 하기 중 하나 또는 하기의 조합물로부터 선택된다.Hydrogen gasification source: The gasification agent is selected from one or a combination of the following.

a) 수소 기체(또는 수소의 동위원소);a) hydrogen gas (or an isotope of hydrogen);

b) 산 또는 금속 수소화물(LiH, NaAlH4, 등) 또는 HCl, HF, H2SO4, H3PO4, H4SiO4, 아세트산 등과 같은 해리 산 내의 수소 이온(양성자) 염: NH4Cl,b) hydrogen ions in the same dissociation acid as an acid or a metal hydride (LiH, NaAlH 4, etc.), or HCl, HF, H 2 SO 4 , H 3 PO 4, H 4 SiO 4, acid (proton) salts: NH 4 Cl,

c) 전기화학적 전지에 의해 발생되는 수소 이온; 및c) a hydrogen ion generated by an electrochemical cell; And

d) 플라즈마 기체화에 의해 발생되는 원자형 수소.
d) atomic hydrogen generated by plasma gasification.

기체화 반응기 유형: 실리콘 원료의 유형 및 기체화 수소 공급원에 따라, 반응기 유형은 실리콘 또는 과립의 충전층, 분류층, 유동층, 이동층 또는 그 조합층으로부터 선택될 수 있다. 다음의 표는 실리콘의 촉매 기체화의 반응 파라미터를 보여준다. Gasification Reactor Type: Depending on the type of silicon feedstock and the source of gaseous hydrogen, the reactor type may be selected from a packed bed of silicon or granules, a graded bed, a fluidized bed, a moving bed, or a combination thereof. The following table shows the reaction parameters of catalytic gasification of silicon.

촉매 기체화를 이용하는 실란 제조를 위한 반응 조건Reaction conditions for the preparation of silanes using catalytic gasification 반응 파라미터Reaction parameter 하한Lower limit 상한maximum 온도(℃)Temperature (℃) -30-30 30003000 압력(Mpa)Pressure (Mpa) 0.1 -0.1 - 10001000 체류 시간(초)Retention time (sec) 0.0010.001 10001000 촉매 투입(wt%)Catalyst feed (wt%) 0.00010.0001 8080 투입 기체 조성 불활성 기체 내의 수소(%)Ingress gas composition Hydrogen (%) in inert gas 1.0
1.0
99.999999.9999
배출 기체 조성 수소 내의 실란(%)Exhaust gas composition Silane (%) in hydrogen 0.00001
0.00001
99.999999.9999

열역학적 관점으로부터, 온도 및 압력이 높으면 높을 수록 더 많은 변환이 이루어진다. 그러나, 경제적 공정이 고려되어야 하고; 압력 및 온도는 최적의 결과 및 제조가능성을 달성하기 위해 최적화되어야 한다. 고온 및 고압은 또한 자본 비용을 증가시키고, 실란의 분해를 방지하는 것은 극히 중요하다. 따라서, 실리콘 및 합금은 특정 온도 범위 중에 고체상, 액체상, 심지어 기체상일 수 있다.From a thermodynamic point of view, the higher the temperature and pressure, the more the conversion takes place. However, economic processes must be considered; Pressure and temperature should be optimized to achieve optimal results and manufacturability. High temperatures and high pressures also increase capital costs, and it is extremely important to prevent cracking of the silane. Thus, silicon and alloys can be in solid, liquid, or even gas phase over a certain temperature range.

반응기의 가열은 유도 가열, 전기 가열, 또는 연소 가열 등을 통한 내부 가열에 의해 수행될 수 있다. 가열 유닛은 반응기 체임버 상의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다. 반응물은 반응 온도를 달성하기 위해 가열되어야 한다. 가열 유닛은 높은 입자상 실리콘 층과 전원의 전기 접속으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 즉 고순도 입자상 실리콘의 층에 전압이 인가된다. 실리콘의 반도체 특성에 기인되어, 고순도 입자상 실리콘 층은 가열되고, 온도가 상승된다. 이와 같은 방법은 직접 가열, 높은 열효율, 및 높은 활용 효율을 제공한다. 이것은 또한 오염 방지에 도움이 될 수 있고, 생성물의 순도를 보장한다. 가열 유닛은 또한 많은 다른 기존의 가열 기술로서 다음을 포함할 수 있다: Heating of the reactor can be carried out by internal heating such as induction heating, electric heating, or combustion heating. The heating unit can be installed inside or outside the reactor chamber. The reactants must be heated to achieve the reaction temperature. The heating unit is preferably selected from an electrical connection of the high particulate silicon layer and the power source. A voltage is applied to the layer of high purity particulate silicon. Due to the semiconductor properties of silicon, the high purity particulate silicon layer is heated and the temperature is raised. This method provides direct heating, high thermal efficiency, and high utilization efficiency. This can also help prevent contamination and ensure product purity. The heating unit may also include as many other conventional heating techniques as:

1) 저항선을 이용하는 직접 가열(실리콘 잉곳, 고순도 SiC, 고순도 SiN, 또는 고순도 흑연 및 기타 재료); 1) direct heating using resistive wires (silicon ingot, high purity SiC, high purity SiN, or high purity graphite and other materials);

2) 마이크로파, 플라즈마, 레이저 또는 유도 및 기타 방법에 의한 간접 가열; 2) indirect heating by microwave, plasma, laser or induction and other methods;

3) 열을 제공할 수 있는 연소 튜브의 전체에 걸친 화염으로부터 또는 로터리 킬른으로부터의 간접 열방사;3) indirect heat radiation from the flame or rotary kiln over the entire length of the combustion tube that can provide heat;

4) 외부 재킷 및 내부 층 열교환기를 이용하는 경우, 외부 재킷 열교환기는 재킷 및 열매체 가열 인덕터 컨버터의 외측에 사용될 수 있고; 층의 열 전달은 열 유도, 전기 유도, 및 전극 가열, 등에 의해 실시될 수 있다; 4) If an outer jacket and an inner layer heat exchanger are used, the outer jacket heat exchanger can be used outside the jacket and thermal medium heating inductor converter; Heat transfer of the layer may be effected by heat induction, electrical induction, and electrode heating, etc.;

5) 외부 가열 방법, 반응에서 필요한 반응물(예를 들면, 현탁된 기체 및 실리콘 입자 자체)과 같은 외부 가열 방법은 반응기 내에 도입되기 전에 외부에서 가열된다;5) External heating methods, external heating methods such as reactants required in the reaction (for example, suspended gases and silicon particles themselves) are heated externally before being introduced into the reactor;

6) 염소(Cl2) 또는 수소 염화물(HCl)과 같은 화학 반응에 의해 이중 형성되는 반응열(커플링-반응 가열)이 시스템에 추가된다.
6) A reaction heat (coupling-reaction heating) which is formed by a chemical reaction such as chlorine (Cl 2 ) or hydrogen chloride (HCl) is added to the system.

수소 기체를 이용한 촉매 기체화 Catalytic gasification using hydrogen gas

도 3에 도시된 바와 같이, 촉매가 사전 투여된 Si-재료(실리콘 원소 또는 실리콘 합금을 포함하는 si를 함유하는 화합물)의 과립은 촉매 투입 혼합기(001) 내에 도입될 수 있다. 잘 혼합된 후, 실리콘은 공급 시스템(201)을 통해 반응기 체임버의 상부의 제 1 반응 구역(203) 내에 도입된다. 기체화는 수소의 존재 하에서 고온 및 고압 하에서 실시되므로 실리콘 과립 및 분말 공급 시스템은 이 시스템의 압력을 점진적으로 증가시키도록 다수의 상호 연결되는 일련의 체임버로 구축될 수 있다.As shown in Figure 3, the granules of the pre-dosed Si-material (compound containing si or Si containing silicon alloy or silicon alloy) can be introduced into the catalyst input mixer 001. After being well mixed, the silicon is introduced into the first reaction zone 203 at the top of the reactor chamber via the feed system 201. Since gasification is carried out under high temperature and high pressure in the presence of hydrogen, the silicon granules and powder feed system can be constructed with a series of interconnected chambers to gradually increase the pressure of the system.

제 1 반응 구역(203)은 충전층이고, 재료(실리콘 또는 합금)는 실리콘을 인접하는 하측의 반응 구역으로 이동시키기 위한 측면 구멍을 갖는 다공 플레이트에 의해 지지되고, 이 플레이트의 하면에서 발생되는 기체화의 결과 얻어지는 기체 혼합물은 구역(203) 내의 충전층을 통과하여 반응으로부터 형성되는 먼지를 포획할 수 있고, 그리고 실리콘층을 예열시킬 수 있다. 기체 혼합물은 또한 하류의 고체 기체 분리기(208) 내에서 먼지를 탈락시키고, 다음에 이 기체 혼합물 내의 실란의 분해를 방지하기 위해 열교환기(212)에 의해 800 ℃ 미만으로 급냉되는 것이 바람직하다.
The first reaction zone 203 is a packed bed and the material (silicon or alloy) is supported by a porous plate having side holes for moving the silicon to the adjacent lower reaction zone, The resulting gas mixture can pass through the packed bed in zone 203 to capture the dust formed from the reaction and preheat the silicon layer. The gas mixture is also preferably quenched below 800 ° C by heat exchanger 212 to dislodge dust in the downstream solid gas separator 208 and then prevent decomposition of the silane in the gas mixture.

고체-기체 반응 속도를 보장하기 위해, 중간 부분인 반응기 체임버의 제 2 반응 구역(205)은 유동층 반응 구역으로서 구축된다.To ensure a solid-gas reaction rate, the second reaction zone 205 of the reactor chamber, which is the middle portion, is constructed as a fluidized bed reaction zone.

제 3 반응 구역(207)에서, 2 개(2 개 이상)의 유동 반응 세그먼트가 하측의 반응 구역으로부터의 기체 혼합물에 의해 형성될 수 있다. 반응 구역의 구성은 최대의 변환 및 수율을 보장할 수 있다. In the third reaction zone 207, two (two or more) flow reaction segments can be formed by the gas mixture from the lower reaction zone. The configuration of the reaction zone can ensure maximum conversion and yield.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 기체화 수소 공급원은 수개의 위치에서 반응 체임버 내에 첨가될 수 있다. 특히, 수소 공급원은 분해를 방지하기 위해 실란의 온도를 냉각시키도록 포트(202)를 통해, 그리고 기체 유량의 평형화를 위해 포트(204)를 통해 반응 구역(203) 내에 첨가될 수 있으므로 구역(205) 내의 유동이 안정화될 수 있다. In one embodiment of the invention, the gaseous hydrogen source may be added in the reaction chamber at several locations. In particular, the hydrogen source may be added to the reaction zone 203 through the port 202 to cool the temperature of the silane to prevent decomposition and through the port 204 for equilibration of the gas flow rate, Can be stabilized.

일차적 기체화 수소 공급원은 예열될 수 있고, 그리고 반응기 체임버의 바닥의 포트(206)를 통해 첨가될 수 있고, 이것은 반응 구역(207) 내에서 실리콘과 반응하고, 얻어지는 생성물 혼합물은 상방으로 이동하여 반응 구역(205, 203)을 통과하고, 최종적으로 반응 구역(208)을 통해 흐름 처리를 향해 하강한다.The primary gaseous hydrogen source can be preheated and added through port 206 at the bottom of the reactor chamber, which reacts with silicon in reaction zone 207, and the resulting product mixture moves upward, Passes through zones 205 and 203 and finally falls through the reaction zone 208 towards the flow treatment.

다른 한편, 일부의 실리콘 입자는 반응 구역(203, 205, 207)을 순차적으로 통과하도록 하강하고, 최종적으로 잔존물은 209 내에 충전되어 211에 의해 수집된다. 잔존물은 주로 기체화되지 않은 촉매 성분을 포함하고, 촉매 회수 유닛(213)에 의해 회수되고, 다음에 유입하는 실리콘 또는 합금 분말과 혼합되도록 복귀되고, 또는 실리콘 및 합금 원료의 제조를 위한 촉매 투입 공정으로 재순환된다.On the other hand, some of the silicon particles descend sequentially through the reaction zones 203, 205, 207, and finally the residues are filled in 209 and collected by 211. The residues include catalyst components that are largely non-vaporized and are recovered by the catalyst recovery unit 213 and then returned to be mixed with the incoming silicon or alloy powder or subjected to a catalyst input process for the production of silicon and alloy raw materials Lt; / RTI >

도 4는 본 발명의 다른 실시형태인 다단계 이동층 화학 기체화 반응기를 도시한다. 이 반응 체임버는 원추형 기체 분배기에 의해 수개의 세그먼트로 분할되고, 그리고 4 개의 이동층 반응 구역이 직렬로 연결된다. 반응 중에, 회수된 촉매 및 첨가된 촉매와 함께 410으로부터의 실리콘 입자는 혼합기 통(001)을 향해 하방으로 이동한 다음 반응 체임버 내에 유입된다. 4 shows a multi-stage mobile bed chemical gasification reactor, which is another embodiment of the present invention. This reaction chamber is divided into several segments by a conical gas distributor, and four moving bed reaction zones are connected in series. During the reaction, the silicon particles from 410 together with the recovered catalyst and the added catalyst move downward toward the mixer vessel 001 and then enter the reaction chamber.

실리콘 입자는 반응 구역(004, 005, 006 및 007)을 순차적으로 통과하여 하방으로 이동하고, 입자 크기는 기체화에 기인되어 점차적으로 감소되고, 최종적으로 잔존물은 촉매 회수 유닛(480)에 충전되어 회수된다. 잔존물은 주로 촉매 성분을 포함하고, 213에 의해 회수되고, 다음에 유입하는 실리콘 또는 합금 분말과 혼합되도록 복귀되고, 또는 실리콘 및 합금 원료의 제조를 위한 촉매 투입 공정으로 재순환된다.The silicon particles sequentially pass through the reaction zones (004, 005, 006 and 007) and move downward, the particle size gradually decreases due to gasification, and finally the residues are charged into the catalyst recovery unit 480 Is recovered. The residues mainly contain the catalyst components and are recovered by 213 and then returned to be mixed with the incoming silicon or alloy powder or recycled to the catalyst input process for the production of silicon and alloy raw materials.

기체화 수소 공급원은 포트(430, 450, 470)를 통해 각각 도입될 수 있고, 얻어지는 기체 혼합물은 각각의 세그먼트에 대해 상방으로 이동한 다음 상측의 다른 층 내에 강제로 재분배된다. 이것에 의해 깊은 층 내에서 기체의 터널링(tunneling)이 방지되고, 반응 중에 기체와 고체 실리콘 입자 표면의 균일하고 완전한 접촉이 보장된다. 최종 기체 혼합물은, 이것이 반응기 체임버로부터 배출되면, 실란의 분해를 방지하기 위해 급냉 유닛(440)에 의해 신속하게 냉각될 수 있다.The gaseous hydrogen source may be introduced through ports 430, 450, and 470, respectively, and the gas mixture obtained is moved upwardly for each segment and then forced redistributed within the other upper layer. This prevents gas tunneling in the deep layer and ensures uniform and complete contact of the surface of the solid silicon particles with the gas during the reaction. The final gas mixture can be quickly cooled by the quench unit 440 to prevent cracking of the silane as it exits the reactor chamber.

고온 및 고압은 실리콘의 기체화에 유리하지만 수소는 고온에서 금속 취성을 유발할 수 있으므로 기계적 강도를 감소시킨다. 그러므로, 내부 가열이 채택될 수 있고, 한편 반응기 벽의 내면의 절연 라이너는 높은 기체화 압력을 유지하기 위해 반응기 벽을 비교적 저온에 유지하도록 선택될 수 있다.High temperatures and high pressures are beneficial for gasification of silicon, but hydrogen can cause metal embrittlement at high temperatures, thus reducing mechanical strength. Therefore, internal heating can be employed, while the insulation liner on the inner surface of the reactor wall can be selected to maintain the reactor wall at a relatively low temperature to maintain a high gasification pressure.

도 5a는 본 발명에서 사용되는 기체화 반응기의 하나의 실시형태의 내부 구조의 개략도를 도시한다. 반응기 체임버(570)은 가열 요소(560)에 의해 둘러싸여 있다. 가열 유닛을 위한 전원은 압력에 견디는 커넥터(540)를 통해 제공된다. 반응기의 온도는 포트(550)를 통해 삽입되는 열전대를 통해 모니터링된다. 반응기 체임버 및 가열 유닛(560)은 반응기의 외부 셸(510)로부터 절연층(520)에 의해 분리된다. 기체화 중, 수소 공급원은 500을 통해 반응기 내로 유입되고, 형성된 기체 혼합물은 580으로부터 배출되어 신속하게 냉각된다.
Figure 5a shows a schematic view of the internal structure of one embodiment of the gasification reactor used in the present invention. The reactor chamber 570 is surrounded by a heating element 560. A power source for the heating unit is provided through a pressure-resistant connector 540. The temperature of the reactor is monitored through a thermocouple inserted through port 550. The reactor chamber and heating unit 560 are separated from the outer shell 510 of the reactor by an insulating layer 520. During gasification, the hydrogen source is introduced into the reactor via 500, and the formed gas mixture is discharged from 580 and rapidly cooled.

전기화학적 생성 전지에 의해 생성되는 양성자를 이용한 촉매 기체화Catalytic gasification using protons produced by electrochemical generation cells

수소 이온(양성자)에 의한 화합물질의 수소화는 특히 전극전위의 작용 하에서 수소 기체에 비해 더욱 반응성이 높다. 수소 이온(양성자)은 전기화학적 반응 체임버 또는 전해질, 양극 및 음극을 포함하는 전지를 사용하여 발생시킬 수 있고, 이것은 본 기술분야에 주지되어 있다. 본 발명의 하나의 실시형태에서, 이하의 전기화학적 구성의 방법은 실란을 형성하기 위해 실리콘 기체화를 더 향상시키는 수소 이온을 생성할 수 있다.Hydrogenation of a compound by hydrogen ions (protons) is more reactive than hydrogen gas under the action of an electrode potential. Hydrogen ions (protons) can be generated using an electrochemical reaction chamber or a cell including an electrolyte, a positive electrode and a negative electrode, which is well known in the art. In one embodiment of the present invention, the following method of electrochemical construction can produce hydrogen ions that further improve silicon gasification to form silane.

수소 전극: 귀금속 Pd, Pt, Rh, Re 등, 천이 금속 Ti, Ni, Cu, Co, Fe 등, 알칼리 금속 Na, K, Li 등, 자체적으로 높은 표면적의 다공질 조직으로서 형성되거나 전도성 매트릭스 상에 투여된 금속 합금. 전극은 유입되는 수소 기체와 접촉하여 균일하게 분포시켜야 하고, 전해질과 양호하게 웨팅(wet)되어야 한다.
Hydrogen Electrode: It is formed as a porous structure of its own high surface area such as transition metal Ti, Ni, Cu, Co, Fe, etc. such as noble metals Pd, Pt, Rh, Metal alloy. The electrodes must be uniformly distributed in contact with the incoming hydrogen gas and must be well wetted with the electrolyte.

Si-재료 전극(실리콘 원소, si-합금 및 si를 함유하는 화합물): 촉매를 구비하는 실리콘 분말, 과립, 및 고체 종 또는 페이스트 또는 슬러리의 충전층, 분류층, 유동층 이동층이 실제 전극 체임버로서 선택될 수 있다. 또한, 실리콘 및 합금은 반응의 과정 중에 소모되므로 전극 체임버 내에 전술한 부분에서 설명되는 촉매를 포함하는 실리콘을 실리콘 과립, 시트, 실리콘 로드, 실리콘 분말의 흐름(반응 속도를 증가시켜야 함)의 형태로 또는 임의의 적절한 형태의 고체, 페이스트 또는 슬러리로서 공급해 주어야 한다.Si-material electrodes (compounds containing silicon elements, si- alloys and si): silicon powder, granules, and packed layers of solid species or pastes or slurries with catalysis, fractionation layers, Can be selected. Further, since silicon and alloy are consumed during the course of the reaction, silicon containing the catalyst described in the above section is filled in the electrode chamber in the form of a flow of silicon granules, a sheet, a silicon rod and a silicon powder Or as a solid, paste or slurry of any suitable form.

전해질 및 양성자 교환 멤브레인: 전해질은 액체, 고전압 전해질, 특히 비수성(nonaqueous) 양성자, 용융염, 또는 폴리머계 겔 전해질 및 기체화 공정 중에 양성자를 수송할 수 있는 고온 고체 세라믹 전해질일 수 있다.
Electrolytes and proton exchange membranes: The electrolyte can be a liquid, a high voltage electrolyte, in particular a nonaqueous proton, a molten salt, or a polymer gel electrolyte and a high temperature solid ceramic electrolyte capable of transporting protons during the gasification process.

원자형 수소에 의한 촉매 기체화 Catalytic gasification by atomic hydrogen

수소 플라즈마는 증착 전의 표면 처리를 위해, 또는 실리콘 웨이퍼 상에 장치를 생성하기 위한 목적을 위해 일부는 산화물 층에 의해 에칭 공정으로부터 보호되는 중에 특정 표면의 우선 에칭을 위한 실리콘 표면의 에칭을 위해 사용되어 왔다. 원자형 수소가 수소화 반응에 유리하다는 것은 주지되어 있다. 그러나, 원자형 수소는 초고온 또는 전기 아크 또는 고주파 전자기 자극과 같은 특정 조건 하에서만 생성될 수 있다. 수소 플라즈마의 형성을 활성화하기 위해, 통상적으로 아르곤 및 헬륨과 같은 불활성 기체가 수소 플라즈마를 일으키기 위해 시스템에 첨가된다. 원자형 수소 형태는 일반적으로 수명이 짧고, 원자형 수소의 농도 및 실리콘 표면과의 접촉 시간은 수소 플라즈마 화학 반응에서 중요한 인자이다. 실리콘 기체화 반응기는 원자형 수소 발생을 조합해야 하고, 그리고 실리콘과 즉시 접촉되어야 한다. 다음의 표에 나타나 있는 바와 같이, 수소 플라즈마는 DC 플라즈마, 마이크로파; 무선 주파수, 핫 와이어 및 글로 방전 등을 포함한다. 따라서, 기체화 반응기는 기체화를 최대화하기 위해 실리콘 분말의 충전층, 분류층, 유동층, 이동층 중 하나 또는 그 조합을 사용하도록 구성될 수 있다.Hydrogen plasma is used for etching the silicon surface for preferential etching of a specific surface for surface treatment before deposition, or for protection of the etching process from the etching process, some for the purpose of creating devices on silicon wafers come. It is well known that atomic hydrogen is advantageous for the hydrogenation reaction. However, atomic hydrogen can only be produced under certain conditions such as ultra-high temperature or electric arc or high frequency electromagnetic stimulation. To activate the formation of a hydrogen plasma, an inert gas such as argon and helium is typically added to the system to cause a hydrogen plasma. The atomic hydrogen form generally has a short lifetime and the concentration of atomic hydrogen and the contact time with the silicon surface are important factors in the hydrogen plasma chemical reaction. The silicon gasification reactor must combine atomic hydrogen evolution and be in immediate contact with silicon. As shown in the following table, the hydrogen plasma may be DC plasma, microwave; Radio frequency, hot wire, and glow discharge. Thus, the gasification reactor can be configured to use one or a combination of a packed bed, a graded bed, a fluid bed, and a moving bed of silicon powder to maximize gasification.

도 6은 RF 플라즈마 원자형 수소 실리콘 기체화 반응기를 도시한다. 610은 유도 코일이고, 640은 세라믹형 석영과 같은 비자성 내화 재료로 제조되는 반응기 체임버이고, 수소 기체(선택적으로 불화성 기체인 Ar 또는 He을 포함함)는 유도 코일(610)에 의해 공급되는 RF 전력 하에서 플라즈마 토치(torch; 630)를 형성하도록 반응기 체임버 내에 유입된다. 실리콘 분말 또는 과립(620)은 이것이 (기체화에 의해) 너무 작아져서 배출 기체 혼합물 흐름으로 운반될 수 없을 때까지 토치에 의해 체임버 내에서 순환된다. 이러한 무전극 반응기는 작업 중 전극 재료의 침식의 오염이 없다. 이것은 현장 분배식 턴키 실란 적용을 위해 최적이다. 또한 다음의 표에는 특정 적용을 위해 선택될 수 있는 반응기 유형 및 플라즈마 형태의 조합이 요약되어 있다. 예를 들면, 일부의 실시형태에서, 본 발명의 제조 방법은 실리콘 분말을 수소 플라즈마에 노출시킴으로써 실란 기체를 제조하는 것으로 이루어진다. 이 실리콘체는 현장 적용을 위해 초고순도로 제조되고, 대규모 적용을 위해서는 최종 생성물의 비용을 최소화하기 위해 금속학적 등급의 실리콘이 사용된다.
Figure 6 shows an RF plasma atomic hydrogen silicon gasification reactor. 610 is an induction coil, 640 is a reactor chamber made of a non-magnetic refractory material such as ceramic quartz, and hydrogen gas (optionally including Ar or He, which is a fluoride gas) is supplied by induction coil 610 Is introduced into the reactor chamber to form a plasma torch (630) under RF power. The silicon powder or granules 620 is circulated in the chamber by the torch until it is too small (by gasification) and can not be carried in the exhaust gas mixture stream. These electrodeless reactors are free from contamination of the erosion of the electrode material during operation. This is optimal for field-distribution turnkey silane applications. The following table also summarizes combinations of reactor types and plasma shapes that can be selected for specific applications. For example, in some embodiments, the method of manufacture of the present invention consists in producing a silane gas by exposing the silicon powder to a hydrogen plasma. The silicon body is manufactured to ultra-high purity for field application, and metallurgical grade silicon is used to minimize the cost of the final product for large scale applications.

부분 B) 실란 혼합물의 급냉 Part B) Quenching of the silane mixture

실란은 비교적 저온에서 분해될 수 있으므로, 고온 반응기로부터 배출되는 실란 혼합물은 분해 손실을 방지하기 위해 가능한 한 급냉되어야 한다. 고온 반응기로부터 배출되는 실란 혼합물은 기체 혼합물을 포함하는 안정한 실란을 얻기 위해 약 800 ℃ 미만, 400 ℃ 미만, 300 ℃ 미만, 250 ℃ 미만의 온도로 신속하게 급냉될 수 있다. 이것은 냉매와의 열교환에 의해 또는 저온의 수소 흐름의 주입에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 반응기의 압력이 높은 경우, 배기가스의 신속한 압력 강하에 의해 기체의 온도가 급격히 강하될 수 있다.
Since the silane can decompose at relatively low temperatures, the silane mixture discharged from the high temperature reactor must be quenched as much as possible to prevent decomposition loss. The silane mixture discharged from the high temperature reactor can be rapidly quenched to a temperature of less than about 800 占 폚, less than 400 占 폚, less than 300 占 폚, less than 250 占 폚 to obtain a stable silane containing a gas mixture. This can be achieved by heat exchange with the refrigerant or by injection of a cold hydrogen stream. Alternatively, when the pressure of the reactor is high, the temperature of the gas can be drastically lowered by the rapid pressure drop of the exhaust gas.

부분 C) 실란 혼합물의 동시 정제 Part C) Simultaneous purification of the silane mixture

실란과 수소 및/또는 아르곤의 희석 혼합물은 폴리실리콘, IC용 박막, 태양 전지 및 LCD 등을 위한 화학 증착(CVD)과 같은 산업적 증착에서 사용되므로, 고순도 실란을 제조하기 위해 수소로부터 실란의 후속적 분리 및 정제는 불필요하고, 또한 에너지 낭비이다. 그러므로, 실란 및 수소로부터 불순물을 분리하지 않고 상기 동시-정제에 의해 제조되는 실란 혼합물이 바람직하다.Since dilute mixtures of silane and hydrogen and / or argon are used in industrial deposition such as chemical vapor deposition (CVD) for polysilicon, IC thin films, solar cells and LCDs, the subsequent deposition of silane from hydrogen to produce high purity silane Separation and purification are unnecessary and also waste of energy. Therefore, a silane mixture prepared by said co-purification without separating impurities from silane and hydrogen is preferred.

본 발명의 공정에서의 실란의 끓는점, 관련된 기체 및 주요 불순물The boiling point of the silane in the process of the present invention, the gas involved and the major impurities 끓는점 ℃ Boiling point ℃ 분자량Molecular Weight SiH4 SiH 4 -112 ℃,-112 < 3232 H2 H 2 -259-259 22 ArAr -185.85 -185.85 4040 PH3 PH 3 -87.7 ℃,-87.7 ° C, 3434 H6B2 H 6 B 2 -92 ℃-92 ° C

모든 실란 관련 전자적 적용의 경우, 가장 유해한 불순물은 붕소(B) 및 인(P) 화합물이다. 그러나, 배터리 전극 관련 전자적 적용의 경우, 붕소(B) 및 인(P) 화합물은 도전성을 향상시키기 위해 심지어 첨가되기도 한다. 실리콘으로부터의 불순물이 일차적인 공급원을 제공하므로, 문제의 주요 불순물은 표 2에 기재되어 있는 바와 같이 실리콘 수소 기체화 중에 형성되는 붕소 수소화물 및 인 수소화물일 수 있다. 실란, 수소, 및 아르곤은 H6B2 및 PH3에 비해 비교적 낮은 끓는점을 가지므로 쉽게 분리될 수 있다. 증류 및 농축과 같은 종래의 정제 기법 외에, 혼합물은 제올라이트를 사용하는 흡수 및 여과에 의해 동시-정제될 수 있다. H6B2 및 PH3와 선택적으로 반응하는 알칼리성 화합물(부식제, 소다회, CaO, MgO, Al2O3과 같은 금속 산화물 등을 포함함)과 같은 화학 흡수 및 반응제는 또한 H6B2 및 PH3를 제거하기 위해 단독으로 또는 다른 정제 및 분리 공정과 조합하여 사용될 수도 있다. 본 발명으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 생성되는 불순물에 따라 이 공정에 추가의 정제 단계가 추가될 수 있다.For all silane-related electronic applications, the most harmful impurities are boron (B) and phosphorus (P) compounds. However, in the case of battery-electrode-related electronic applications, boron (B) and phosphorus (P) compounds may even be added to improve conductivity. Since impurities from silicon provide a primary source of supply, the major impurities in question can be boron hydrides and phosphorus hydrides, which are formed during silicon hydrogen hydrogenation, as described in Table 2. Silane, hydrogen, and argon can be easily separated since they have a relatively low boiling point compared to H 6 B 2 and PH 3 . In addition to conventional purification techniques such as distillation and concentration, the mixture can be co-purified by absorption and filtration using zeolites. Chemical absorbing and reacting agents, such as alkaline compounds (including corrosive agents, soda ash, CaO, MgO, metal oxides such as Al 2 O 3 , etc.) that selectively react with H 6 B 2 and PH 3 also include H 6 B 2 and May be used alone or in combination with other purification and separation processes to remove PH 3 . An additional purification step may be added to this process depending on the impurities generated within the scope of the invention.

실란 또는 수소의 외부의 첨가는 필요한 경우 특정의 적용에 부합하도록 실란의 조성을 조절하기 위해 쉽게 실행될 수 있다. 대안적으로 실란/수소 혼합물의 압축시키고, 이것을 Pd와 같은 H2 분리 멤브레인을 통과시킴으로써 실란 혼합물 내의 수소 농도를 감소시킬 수 있다. 각각의 단계에서 회수되는 수소는 수소 기체화 유닛에 재순환될 수 있다.
The addition of an external silane or hydrogen can be easily carried out to adjust the composition of the silane to meet the particular application if necessary. Alternatively, the hydrogen concentration in the silane mixture can be reduced by compressing the silane / hydrogen mixture and passing it through a H 2 separation membrane such as Pd. The hydrogen recovered in each step can be recycled to the hydrogen gasification unit.

실시예Example

아래는 본 발명의 다양한 실시형태에 따라 실시되는 실리콘의 수소 기체화를 위한 수 개의 실시예이다.
The following are several embodiments for the hydrogen gasification of silicon embodied in accordance with various embodiments of the present invention.

실시예 1. 수소 기체를 이용한 금속학적 실리콘의 촉매 기체화Example 1. Catalytic gasification of metallurgical silicon using hydrogen gas

2.0 wt% Cu, 및 1 wt% Ni 촉매(염화물 사용)가 용액 함침 또는 코팅을 통해 100-30 메시의 금속-실리콘 분말 상에 투여된다. 건조 후, 실리콘 분말은 각각 900-1300 ℃의 화학적 순도의 수소의 흐름 내에서 유동층 반응기, 분류층 및 충전층 반응기 내에서 각각 가열된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 반응기로부터의 배기가스의 연소에 의한 오렌지색 화염이 관찰되었고, 이것은 실란의 형성을 나타낸다. 또한, 실리콘 분말의 중량은 반응 10 시간 후에 현저히 감소된다. 또한 반응기로부터의 배기가스는 순환하는 냉각제를 갖는 열교환기에 이 배기가스를 통과시킴으로써 약 500 ℃ 이하, 또는 300 ℃ 이하로 매우 급속하게 급냉된다. 이에 비해, 촉매를 갖지 않은 동일량의 금속학적 실리콘이 동일한 조건 하에서 가열되고, 실리콘의 질량 손실이 검출되지 않는다.
2.0 wt% Cu, and 1 wt% Ni catalyst (using chloride) are applied on metal-silicon powders of 100-30 mesh through solution impregnation or coating. After drying, the silicon powders are each heated in a fluidized bed reactor, a graded bed and a packed bed reactor, respectively, in a flow of hydrogen of chemical purity of 900-1300 ° C. As shown in Fig. 5B, an orange flame was observed due to the combustion of the exhaust gas from the reactor, which indicates the formation of silane. Also, the weight of the silicon powder is significantly reduced after 10 hours of reaction. The exhaust gas from the reactor is also rapidly quenched to about 500 캜 or below, or 300 캜 or below, by passing the exhaust gas through a heat exchanger having a circulating coolant. On the other hand, the same amount of metallurgical silicon having no catalyst is heated under the same conditions, and mass loss of silicon is not detected.

실시예 2. 단결정 실리콘의 표면 상의 촉매 수소 기체화 Example 2. Catalytic hydrogen gasification on the surface of monocrystalline silicon

실리콘 기체화의 현미경적 이해를 얻기 위해, 단결정(100) 웨이퍼가 선택되고, 샘플 A 및 샘플 B의 2 개의 샘플로 분할되었다. 몇 방울의 팔라듐 아세테이트 용액(아세톤 포함)이 샘플 A의 표면 상에 분사된다. 건조 후, 웨이퍼는 작은 조각으로 분쇄되고, 일련의 시간 간격 동안 다양한 온도로 수소 중에서 가열되었다. 각각의 경우, 샘플 B의 작은 조각은 대조 샘플로서 사용된다. 반응 후, 각각의 샘플은 주사형 전자 현미경(SEM) 하에서 표면 형태가 검사되었다. To obtain a microscopic understanding of silicon vaporization, a single crystal (100) wafer was selected and divided into two samples, Sample A and Sample B. A few drops of palladium acetate solution (including acetone) are sprayed onto the surface of Sample A. After drying, the wafer was crushed into small pieces and heated in hydrogen at various temperatures during a series of time intervals. In each case, a small piece of sample B is used as a control sample. After the reaction, each sample was examined for surface morphology under a scanning electron microscope (SEM).

도 7은 30 분 동안 900 ℃에서 수소 중에서 가열 후 Pd 촉매로 에칭된 샘플 A 단결정 표면의 SEM 현미경사진을 보여준다. Pd는 기체화 반응 중에 711, 712, 및 716로 나타낸 바와 같이 촉매 입자를 형성하고, 이 입자는 단결정 표면 상에서 이동하고, 한편 촉매와 실리콘 계면에서의 실리콘과 수소 사이의 반응을 촉진시킴으로써 채널(701, 702, 703, 704, 705, 706)을 형성한다는 것을 알 수 있다. 도 8은 동일한 실리콘의 에칭된 단결정 표면의 확대된 현미경사진이다. 채널 개시 부위(801), 조기에 형성된 채널(802)의 바닥, 및 나중에 형성된 채널 벽(803)이 사진에 나타나 있다.
Figure 7 shows a SEM micrograph of a sample A single crystal surface etched with Pd catalyst after heating in hydrogen at 900 占 폚 for 30 minutes. Pd forms catalyst particles as indicated by 711, 712, and 716 during the gasification reaction, which migrate on the single crystal surface while promoting the reaction between silicon and hydrogen at the catalyst and silicon interface, , 702, 703, 704, 705, 706). 8 is an enlarged photomicrograph of the etched monocrystalline surface of the same silicon. The channel start area 801, the bottom of the channel 802 formed early, and the channel wall 803 formed later are shown in the photograph.

실시예 3: 상업적 DC 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 생성되는 원자형 수소에 의한 실리콘의 기체화로서, 수소가 유동층 반응기, 분류층 및 충전층 반응기 내에서 각각 수소 플라즈마를 형성하기 위해 사용되고, 실란의 형성을 나타내는 오렌지색 화염 및 하류의 벽 상의 금색 증착이 발생된다.
Example 3: Gasification of silicon with atomic hydrogen produced by plasma using a commercial DC plasma torch, in which hydrogen is used to form hydrogen plasma, respectively, in a fluidized bed reactor, a fractionation bed and a packed bed reactor, ≪ / RTI > and a gold deposition on the downstream wall.

실시예 4: 상업적 ICP 플라즈마 토치를 이용하여 플라즈마 생성되는 원자형 수소에 의한 실리콘의 기체화로서, 수소가 유동층 반응기, 분류층 및 충전층 반응기 내에서 각각 수소 플라즈마를 형성하기 위해 사용되고, 실란의 형성을 나타내는 오렌지색 화염 및 하류의 벽 상의 금색 증착이 발생된다.
Example 4 Gasification of Silicon by Arsenic Hydrogen Generated by Plasma Generated with a Commercial ICP Plasma Torch Hydrogen is used to form a hydrogen plasma in the fluidized bed reactor, the grading layer and the packed bed reactor, respectively, and the formation of silane ≪ / RTI > and a gold deposition on the downstream wall.

실시예 4: 수소 공급원이 E-TEK, Inc(소재지: 6 Mercer Road, Natick, MA 01760, USA)에서 입수되는 전기화학적 전극; 20%Pt/C를 갖는 Elat/Std. 전극을 사용하여 생성되고, 실리콘전극은 금속-실리콘 로드 및 Si-Ca, Si-Fe, Si Al, 및 Si-Mg 합금, 실란이다.Example 4: Electrochemical electrodes available from E-TEK, Inc (6 Mercer Road, Natick, MA 01760, USA) where the hydrogen source is; Elat / Std. With 20% Pt / C. Electrode, and the silicon electrode is a metal-silicon rod and Si-Ca, Si-Fe, SiAl, and Si-Mg alloys, and silane.

실시예 5: 기체화가 텅스텐 가열식 흑연 도가니를 사용하여 증발되는 실리콘 증기를 이용하는 것을 제외하고 실시예 1과 유사하다. 실란 형성이 확인된다.
Example 5: Similar to Example 1, except that the gasification is effected using a silicon vapor which is evaporated using a tungsten heating graphite crucible. Silane formation is confirmed.

실시예 6: 기체화가 용융염 내의 실리콘 입자 현탁액을 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 유사하다.
Example 6: Similar to Example 1, except that the gasification is carried out using a suspension of silicon particles in molten salt.

실시예 7: 기체화가 수소를 포함하는 실리콘 합금 융체를 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 유사하다.
Example 7: Similar to Example 1, except that the gasification is using a silicon alloy melt containing hydrogen.

실시예 8: 기체화가 실리콘 합금의 작은 입자 크기의 분말과 반응하는 HCl을 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 유사하다.
Example 8: Similar to Example 1, except that the gasification uses HCl that reacts with a small particle size powder of a silicon alloy.

본 발명의 다른 실시형태는 또한 실리콘과 합금의 촉매 기체화를 이용하여 실란을 제조하기 위한 공정 방법 및 시스템을 포함하고, 이것은,Another embodiment of the present invention also includes a process method and system for making a silane using catalytic gasification of silicon and an alloy,

반응 체임버; 충전층, 유동층, 분류층, 이동층, 등;Reaction chamber; A packed bed, a fluidized bed, a sorted bed, a moving bed, and the like;

수소 기체, 플라즈마에 의한 원자형 수소 및 전기화학적 전지에 의한 수소 이온; 및 산 및 수소의 해리Hydrogen gas, atomic hydrogen by plasma and hydrogen ion by electrochemical cell; And dissociation of acid and hydrogen

반응기 체임버에 수소 공급원을 공급하는 수단; Means for supplying a hydrogen source to the reactor chamber;

실리콘 및 합금에 촉매를 투여하는 수단;Means for administering a catalyst to the silicon and alloy;

체임버에 실리콘 벌크, 실리콘 로드, 실리콘 분말의 흐름, 융체, 증기, 액체 용융염 내 현탁액의 형태이거나, 또는 임의의 다른 적절한 형태의 고체, 액체 또는 증기 실리콘으로서 실리콘 및 합금을 공급하는 수단;Means for supplying silicon and alloy to the chamber in the form of a suspension in a silicon bulk, a silicon rod, a flow of silicon powder, a melt, a vapor, a liquid molten salt, or any other suitable form of solid, liquid or vapor silicon;

상기 반응기 체임버 내에 존재하는 기체를 급냉시키는 수단;Means for quenching the gas present in said reactor chamber;

생성물 기체 혼합물의 급냉 후 실란 혼합물을 동시-정제하는 수단; 및 선택적으로, 실란의 최종 적용 후에 공정에서 회수된 촉매 및 수소(불활성 기체)를 재순환시키는 수단을 포함한다.
Means for co-purifying the silane mixture after quenching the product gas mixture; And optionally, means for recirculating the catalyst and hydrogen (inert gas) recovered in the process after the final application of the silane.

실리콘을 제조하기 위한 예시적 공정은,Exemplary processes for making silicon include,

a) 수소를 포함하는 수소 공급원 또는 실리콘 또는 si-재료와 반응하여 실란을 형성할 수 있는 재료, 상기 반응을 가속화할 수 있는 및/또는 상기 반응의 온도를 저하시킬 수 있는 촉매 및 선택적으로 불활성 기체를 제공하는 단계;a) a hydrogen source comprising hydrogen or a material capable of reacting with a silicon or si- material to form a silane, a catalyst capable of accelerating the reaction and / or lowering the temperature of the reaction, and optionally an inert gas ;

b) 고온에서 상기 촉매의 존재 하에서 상기 수소 공급원과 실리콘 또는 Si를 함유하는 화합물의 상기 반응을 통해 실리콘 또는 Si를 함유하는 화합물의 촉매 기체화에 의해 실란, 수소 및 불활성 기체를 포함하는 기체 혼합물을 제조하는 단계; hydrogen and an inert gas by catalytic vaporization of a compound containing silicon or Si via said reaction of said hydrogen source with a compound containing silicon or Si in the presence of said catalyst at high temperature, Producing;

c) 상기 실란의 분해를 방지하기 위해 800 ℃ 미만의 온도까지 상기 기체화 직후에 상기 기체 혼합물의 온도를 감소시키는 단계;c) reducing the temperature of the gas mixture immediately after the gasification to a temperature of less than 800 ° C to prevent decomposition of the silane;

d) 5.0 퍼센트 미만의 다른 불순물을 갖는 동시 정제된 실란 혼합물을 형성하기 위해 상기 기체 혼합물로부터 실란 및 수소, 그리고 선택적으로 불활성 기체를 분리시키는 단계를 포함한다.
d) separating the silane and hydrogen and optionally an inert gas from the gas mixture to form a co-purified silane mixture having less than 5.0 percent of other impurities.

상기 예시적 공정은,In the exemplary process,

e) 상기 동시 정제된 실란 혼합물에서 상기 실란을 분해하고, 상기 동시 정제된 실란 혼합물을 수소를 포함하는 반응된 기체 혼합물로 변환시킴으로써 실리콘 또는 실리콘 장치를 제조하는 단계; e) decomposing the silane in the co-purified silane mixture and converting the co-purified silane mixture to a reacted gas mixture comprising hydrogen to produce a silicon or silicon device;

f) 단계 e)로부터 단계 a)로 수소 공급원으로서의 수소를 포함하는 반응된 기체 혼합물을 복귀시키는 단계;f) returning the reacted gas mixture comprising hydrogen as hydrogen source from step e) to step a);

g) 상기 촉매를 회수 및 재순환하여 상기 기체화 단계로 복귀시키는 단계를 더 포함한다.
g) recovering and recirculating the catalyst to return to the gasification step.

본 발명의 실시형태가 도시되고 설명되었으나, 이들 실시형태는 본 발명의 모든 가능한 형태를 도시하고 설명하고자 하지 않는다. 오히려, 본 명세서에서 사용되는 용어는 제한이 아닌 설명의 용어이고, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 실시될 수 있다는 것이 이해된다. While embodiments of the present invention have been shown and described, these embodiments are not intended to illustrate and describe all possible forms of the present invention. Rather, the terms used in the specification are words of description and not of limitation, and it is understood that various changes may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.

Claims (20)

실리콘을 제조하기 위한 공정으로서,
a) 수소를 포함하는 수소 공급원 또는 실리콘 또는 si-재료와 반응하여 실란을 형성할 수 있는 재료, 상기 반응을 가속화할 수 있는 및/또는 상기 반응의 온도를 저하시킬 수 있는 촉매 및 선택적으로 불활성 기체를 제공하는 단계;
b) 고온에서 상기 촉매의 존재 하에서 상기 수소 공급원과 실리콘 또는 Si를 함유하는 화합물의 상기 반응을 통해 실리콘 또는 Si를 함유하는 화합물의 촉매 기체화에 의해 실란, 수소 및 불활성 기체를 포함하는 기체 혼합물을 제조하는 단계;
c) 상기 실란의 분해를 방지하기 위해 800 ℃ 미만의 온도까지 상기 기체화 직후에 상기 기체 혼합물의 온도를 감소시키는 단계;
d) 5.0 퍼센트 미만의 다른 불순물을 갖는 동시 정제된 실란 혼합물을 형성하기 위해 상기 기체 혼합물로부터 실란 및 수소, 그리고 선택적으로 불활성 기체를 분리시키는 단계를 포함하는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
As a process for producing silicon,
a) a hydrogen source comprising hydrogen or a material capable of reacting with a silicon or si- material to form a silane, a catalyst capable of accelerating the reaction and / or lowering the temperature of the reaction, and optionally an inert gas ;
hydrogen and an inert gas by catalytic vaporization of a compound containing silicon or Si via said reaction of said hydrogen source with a compound containing silicon or Si in the presence of said catalyst at high temperature, Producing;
c) reducing the temperature of the gas mixture immediately after the gasification to a temperature of less than 800 ° C to prevent decomposition of the silane;
d) separating the silane and hydrogen and optionally an inert gas from the gas mixture to form a co-purified silane mixture having less than 5.0 percent of other impurities.
제 1 항에 있어서,
h) 상기 동시 정제된 실란 혼합물에서 상기 실란을 분해하고, 상기 동시 정제된 실란 혼합물을 수소를 포함하는 반응된 기체 혼합물로 변환시킴으로써 실리콘 또는 실리콘 장치를 제조하는 단계;
i) 단계 e)로부터 단계 a)로 수소 공급원으로서 수소를 포함하는 반응된 기체 혼합물을 복귀시키는 단계;
j) 상기 촉매를 회수 및 재순환하고, 상기 기체화 단계로 복귀시키는 단계를 포함하는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
h) decomposing the silane in the co-purified silane mixture and converting the co-purified silane mixture to a reacted gas mixture comprising hydrogen to produce a silicon or silicon device;
i) returning a reacted gas mixture comprising hydrogen as a hydrogen source from step e) to step a);
j) recovering and recirculating the catalyst and returning to the gasification step.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매는 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 금속염, 금속 수소화물 또는 금속을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하고; 상기 금속은 귀금속 원소, 알칼리 및 알칼리 토류 금속 원소, 및 천이 금속 원소, 희토류 금속 원소, 및 저융점 금속 원소로 이루어지는 원소의 그룹으로부터 선택되는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst comprises at least one of a metal, a metal alloy, a metal oxide, a metal salt, a metal hydride or a compound containing a metal; Wherein the metal is selected from the group consisting of a noble metal element, an alkali and an alkaline earth metal element, and an element consisting of a transition metal element, a rare earth metal element, and a low melting point metal element.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매는 귀금속, 알칼리 금속, 및 천이 금속, 희토류 금속, 및 저융점 금속으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 금속 또는 금속 합금인, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst is a metal or metal alloy selected from the group consisting of a noble metal, an alkali metal, and a transition metal, a rare earth metal, and a low melting point metal.
제 1 항에 있어서,
si-재료는 실리콘 원소, 실리콘 합금 및 Si를 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하고; 상기 실리콘 합금은 귀금속 원소, 알칼리 및 알칼리 토류 금속 원소, 및 천이 금속 원소, 희토류 금속 원소, 및 저융점 금속 원소 중 하나 이상을 포함하는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
the si- material comprises at least one of a silicon element, a silicon alloy and a compound containing Si; Wherein the silicon alloy comprises at least one of a noble metal element, an alkali and an alkaline earth metal element, and a transition metal element, a rare earth metal element, and a low melting point metal element.
제 1 항에 있어서,
실리콘 원소, 실리콘 합금 및 Si를 함유하는 화합물을 포함하는 상기 si-재료는 잉곳, 슬래브, 벌크, 로드, 과립, 분말, 융체, 액체 내 현탁액, 및 기체상 증기의 형태를 포함하는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
The si- material comprising a silicon element, a silicon alloy and a compound containing Si may be in the form of an ingot, a slab, a bulk, a rod, a granule, a powder, a suspension in a liquid, ≪ / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 수소 공급원은 하기의 것 중 하나 또는 임의의 혼합물인, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
e) 수소 기체(H2 또는 D2, HD);
f) 산, 금속 수소화물, 또는 해리 산 내의 수소 이온;
g) 전기화학적 전지에 의해 발생되는 수소 이온; 및
h) (Ar과 같은 불활성 기체를 포함하거나 포함하지 않는) 플라즈마: DC 플라즈마, 마이크로파; 무선 주파수(RF), 핫 와이어 및 글로 방전 등 또는 그 조합에 의해 생성되는 원자형 수소.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen source is one or any combination of the following.
e) a hydrogen gas (H 2 or D 2, HD);
f) hydrogen ions in acids, metal hydrides, or dissociated acids;
g) hydrogen ions generated by an electrochemical cell; And
h) (with or without an inert gas such as Ar) Plasma: DC plasma, microwave; Atomic hydrogen generated by radio frequency (RF), hot wire, and glow discharge, or the like, or combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 기체 혼합물의 급냉은 사전 제조된 실란 혼합물 자체의 냉각 매체와의 신속한 열교환 또는 제조된 기체 혼합물의 신속한 압력 강하에 의에 실란의 분해를 방지하도록 상기 반응기의 직후에 실시되는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
The quenching of the gas mixture is preferably carried out immediately after the reactor to prevent rapid heat exchange with the cooling medium of the previously prepared silane mixture itself or rapid decomposition of the silane into the pressure drop of the gas mixture produced, fair.
제 1 항에 있어서,
상기 분리는 증류, 흡수 또는 여과에 의해 실시되는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
Wherein said separation is carried out by distillation, absorption or filtration.
제 1 항에 있어서,
상기 폴리실리콘 제조 공정은 중앙집중형 유동층 입자상 폴리실리콘 또는 증기로부터 액체 또는 지멘스 반응기 시스템인, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
Wherein the polysilicon manufacturing process is a liquid or Siemens reactor system from a centralized fluidized bed particulate polysilicon or vapor.
제 1 항에 있어서,
상기 적용은 대규모 중앙집중형 또는 현장 분배식 적용인, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
Wherein the application is a large scale centralized or field dispensing application.
제 2 항에 있어서,
상기 반응기 유형은 실리콘 분말의 충전층, 분류층, 유동층, 이동층, 또는 융체를 위한 교반층 및 티킹층(ticking bed)인, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
3. The method of claim 2,
Wherein the reactor type is a stirred layer and a ticking bed for a packed bed, a graded bed, a fluidized bed, a moving bed, or a frit of a silicon powder.
제 1 항에 있어서,
상기 반응 조건은,
온도: -30-3000 ℃;
압력: 0.001-1000 Mpa;
투입 기체 불활성 기체 내의 수소: 1-99.99999%;
배출 기체 : 수소 내 실란 0.5-99%;
기체의 체류 시간: 0.001 내지 1000 초인, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
The reaction conditions include,
Temperature: -30 to 3000 占 폚;
Pressure: 0.001-1000 MPa;
Input gas Hydrogen in inert gas: 1-99.99999%;
Exhaust gas: silane in hydrogen 0.5-99%;
And a residence time of the gas: 0.001 to 1000 seconds.
제 1 항에 있어서,
상기 기체화 촉매는 회수되고, 그리고 상기 원료에 재순환되는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
Wherein the gasification catalyst is recovered and recycled to the feedstock.
제 1 항에 있어서,
상기 수소 기체 및 불활성 기체는 상기 기체화 공정에 공급하기 위한 최종 적용 후 회수 및 재순환되는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen gas and the inert gas are recovered and recycled after the final application for feeding to the gasification process.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매는 실리콘 및 실리콘 합금 분말 입자 표면을 포함하는 Si를 함유하는 화합물 상에 투여되어 상기 융체 또는 용액 내에 혼입될 수 있는, 실리콘을 제조하기 위한 공정.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst is capable of being incorporated onto a Si-containing compound comprising silicon and silicon alloy powder particle surfaces to be incorporated into the melt or solution.
실란 혼합물을 제조하기 위한 반응기 시스템으로서,
a) 기체화 체임버;
b) 실리콘의 형태로 체임버 내에서 실리콘 및 합금 분말을 공급하는 수단인 실리콘-재료 공급통;
c) 상기 기체화 체임버 내에 공급될 수소 공급원을 위한 수소 공급 포트;
d) 플라즈마에 의한 원자형 수소 및 전기화학적 전지에 의한 수소 이온과 같은 실리콘 및 합금을 기체화하기 위한 수소 공급원;
상기 반응기 체임버에 수소 공급원 및 실리콘 공급원을 공급하는 수단;
e) 급냉 유닛
f) 내부 가열 유닛
g) 동시 정제 유닛
벌크, 실리콘 로드, 실리콘 분말의 흐름, 융체, 증기, 액체 용융염 내 현탁액, 및 임의의 형태의 고체, 액체 또는 증기 실리콘;
실리콘 및 합금에 상기 촉매를 투입하는 수단;
상기 반응 체임버 내에 존재하는 상기 기체를 급냉시키는 수단;
상기 생성물 기체 혼합물의 급냉 후 상기 실란 혼합물을 동시 정제하는 수단; 및 선택적으로
상기 공정의 말기에 상기 공정에서 회수되는 촉매, 수소 및 불활성 기체를 재순환시키는 수단을 포함하는, 실란 혼합물을 제조하기 위한 반응기 시스템.
A reactor system for making a silane mixture,
a) a gasification chamber;
b) a silicon-material supply cylinder which is means for supplying silicon and alloy powder in a chamber in the form of silicon;
c) a hydrogen supply port for a hydrogen source to be fed into the gasification chamber;
d) a hydrogen source for vaporizing silicon and alloys such as atomic hydrogen by plasma and hydrogen ions by an electrochemical cell;
Means for supplying a hydrogen source and a silicon source to the reactor chamber;
e) quench unit
f) Internal heating unit
g) Simultaneous purification unit
Bulk, silicon rod, flow of silicon powder, melt, vapor, suspension in liquid molten salt, and any form of solid, liquid or vapor silicon;
Means for injecting said catalyst into silicon and alloy;
Means for quenching the gas present in the reaction chamber;
Means for co-purifying said silane mixture after quenching said product gas mixture; And optionally
Means for recirculating catalyst, hydrogen and inert gas recovered in said process at the end of said process.
제 16 항에 있어서,
상기 반응 체임버는 실리콘 분말의 충전층, 분류층, 유동층, 이동층, 및 융체를 위한 교반층 및 티킹층으로부터 선택되는, 실란 혼합물을 제조하기 위한 반응기 시스템.
17. The method of claim 16,
Wherein the reaction chamber is selected from a packed bed of silicon powder, a grading layer, a fluidized bed, a moving bed, and a stirring bed and a teaking layer for fusing.
제 16 항에 있어서,
상기 기체화 체임버는 상기 기체화 온도에 견딜 수 있는 내화 재료로 라이닝되는, 실란 혼합물을 제조하기 위한 반응기 시스템.
17. The method of claim 16,
Wherein the gasification chamber is lined with a refractory material capable of withstanding the gasification temperature.
제 16 항에 있어서,
상기 반응 체임버를 둘러싸는 내부 가열 유닛을 더 장착하는, 실란 혼합물을 제조하기 위한 반응기 시스템.
17. The method of claim 16,
Further comprising an internal heating unit surrounding the reaction chamber.
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