KR20170015510A - 유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼의 제조를 위한 실리콘 시드 입자 - Google Patents

유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼의 제조를 위한 실리콘 시드 입자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼을 제조하는 데 사용될 수 있는 실리콘 시드 입자의 제조 공정으로서, 다결정 실리콘 그래뉼을 갖는 챔버 내로 분쇄 가스 스트림을 도입하는 단계를 포함하고, 그 결과로서 다결정 실리콘 그래뉼의 개별 입자가 다결정 실리콘 그래뉼의 다른 입자와 충돌하는 방식으로 가속화되며, 이 경우 다결정 실리콘 그래뉼이 분쇄되고, 분쇄 가스 스트림이 초경합금으로 제조된 하나 이상의 제트 노즐에 의해 챔버 내로 도입되는 것인 제조 공정에 관한 것이다.

Description

유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼의 제조를 위한 실리콘 시드 입자{SILICON SEED PARTICLES FOR THE PRODUCTION OF POLYCRYSTALLINE SILICON GRANULES IN A FLUIDIZED BED REACTOR}
본 발명은 유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼을 제조하기 위한 실리콘 시드 입자에 관한 것이다.
다결정 실리콘 그래뉼은 지멘스 공정(Siemens process)에서 제조된 폴리실리콘에 대한 대안이다. 지멘스 공정에서 폴리실리콘이 원통형 실리콘 로드로서 제조되고, 폴리실리콘이, 이의 추가 처리 전에, 칩 폴리(chip poly)이라고 칭하는 형태로 시간 소모적이면서 비싸게 분쇄되어야 하고 임의로 다시 정화되어야 하는 사실이 있으므로, 다결정 실리콘 그래뉼은 벌크한 제품 특성을 가지며, 예를 들면 광기전력 및 전자 산업에 있어 단결정 제조를 위한, 원료로서 직접 사용될 수 있다.
다결정 실리콘 그래뉼은 유동층 반응기에서 제조된다. 이는 유동층에서 가스 스트림에 의해 실리콘 입자를 유동화함으로써 달성되며, 여기서 이것은 가열 장치르 통해 고온으로 가열된다. 실리콘 함유 반응 가스를 첨가함으로써, 열화학적 반응이 진행되고, 여기서 원소 실리콘이 고온 입자 표면 상에 침착된다. 그 개별 입자는 직경이 성장한다. 성장된 입자를 규칙적으로 회수하고 보다 작은 실리콘 시드 입자를 첨가함으로써, 그 공정은 그와 연관된 모든 이점을 지니면서 연속적으로 조작될 수 있다. 실리콘 함유 시약 가스로서, 실리콘-할로겐 화합물(예를 들면, 클로로실란 또는 브로모실란), 모노실란((SiH4), 및 상기 가스와 수소의 혼합물이 기술되어 있다. 그러한 침착 공정 및 이를 위한 장치가, 예를 들면 US 4786477 A로부터 공지되어 있다.
고순도 다결정 실리콘 그래뉼을 제조하기 위해서, 실리콘 시드 입자가 필요하다.
가스 제트 밀, 예를 들면 US 7490785 B2로부터의 것은 그러한 실리콘 시드 입자의 제조를 위해 공지되어 있다.
그러한 장치는 크기가 300 ㎛ 내지 5000 ㎛인 실리콘 그래뉼로부터 50 ㎛ 내지 1000 ㎛ 크기의 실리콘 시드 입자를 제조하는데 적합하며, 제트 챔버의 저부에 제트 노즐을 갖는 원통형 단면을 갖는 수직 배열된 제트 챔버를 포함하고, 그 노즐을 통해 분쇄 가스 스트림이 제트 챔버, 제트 챔버에 바로 이어지는 역류식 중력 시프터(counterflow gravity sifter), 및 실리콘 그래뉼을 위한 유입구 내로 도입될 수 있으며, 여기서 제트 챔버가 제트 챔버의 단면으로 분쇄 가스를 팽창시키기 위해 충분히 길어야 하고, 제트 챔버가 역류식 중력 시프터보다 더 작은 유동 단면을 갖는다. 실리콘 그래뉼은, 고 고체 농도의 유동층이 분쇄 구역에서 실리콘 그래뉼로부터 형성되고, 저 고체 농도만이 존재하는 원통형 제트 챔버에서 실리콘 그래뉼의 개별 실리콘 입자가 고속 분쇄 가스 스트림에 의해 가속화되어 고 고체 농도의 유동층 상에 충돌하고, 여기서 실리콘 그래뉼 및 실리콘 입자가 비산된다는 점에서, 분쇄된다. 하나의 실시양태에서, 실리콘 입자와 접착하게 되는 장치의 부분은 코팅이 구비되어 있는 내벽을 갖는 외부 금속 시스로 구성된다. 코팅으로서, 단결정 또는 다결정 형태의 실리콘 또는 플라스틱이 사용된다.
하나의 실시양태에서, 실리콘 입자와 접촉하게 되는 장치의 부분은 코팅이 구비되어 있는 내벽을 갖는 외부 금속성 시스(external metallic sheath)로 구성된다. 코팅으로서, 단결정 또는 다결정 형태의 실리콘 또는 플라스틱이 사용된다.
그러나, 실리콘 또는 플라스틱으로 이루어진 코팅을 지닌 제트 노즐은, 특히 노즐의 배출 영역에서, 고 마모가 초래되는 것으로 밝혀졌다.
US 2011/073689 A2에는 제트 밀에 의해 미세 입자를 발생시키는 공정이 개시되어 있으며, 여기서 분쇄 가스가 4 bar(절대) 이하의 압력 및 100℃ 미만의 온도를 갖는다. 마찬가지로, 분쇄 가스로서 압축 가스를 사용하여 제트 밀에 의해 미세 입자를 발생시키는 공정이 기술되어 있고, 여기서 분쇄 가스가 4 bar(절대) 이하의 압력 및 100℃ 미만의 온도를 가지며, 분쇄 동안, 코팅 매질 또는 도핑 매질이 입자의 표면의 적어도 부분을 코팅 매질 또는 도핑 매질로 코팅하는 방식으로 첨가된다.
1250 ㎛ 초과의 입자 크기를 갖는 실리콘 시드 입자가 제조되어야 경우, 상기 기술된 제트 밀은 적합하지 않다. 그러나, 그러한 크기의 실리콘 시드 입자를 제조하기 위해서, 롤러 분쇄기가 이용될 수 있다. JP　57-067019 A에는 롤러 분쇄기에서 다결정 실리콘을 분쇄하고 체질에 의해 후속 분류화를 수행하는 것에 의한 실리콘 시드 입자의 제조가 개시되어 있다. 그 롤러는 고순도 실리콘으로부터 제조된다.
그러나, 이러한 경우, 롤러 상의 실리콘 코팅의 고 마모는, 롤러가 교체될 때까지 그 기기의 짧은 운전 시간만이 가능한 방식으로, 발생한다. 이로써, 실리콘 시드 입자의 경제적 제조가 가능하지 않다.
US 7549600 　B2에는 분쇄기에서 분쇄에 의해 미세 실리콘 분절을 제조하고, 그 미세 분절을 분급하기 위한 공정이 개시되어 있으며, 여기서 소정의 미세 실리콘 분절의 최대 가장자리 길이보다 더 작거나 그 길이와 동일한 가장자리 길이를 갖는 분쇄된 재료의 일부(분획 1)가 수집 용기(1)에서 수집되고, 소정의 실리콘 분절의 가장자리 길이보다 더 큰 가장자리 길이를 갖는 분쇄된 재료의 부분(분획 2)이 마찬가지로 수집된다. 한 실시양태에서, 분획 1로부터, 소정의 미세 실리콘 입자의 최소 길이보다 더 작은 가장자리 길이를 갖는 미세 분절의 일부가 분급에 의해 추출되어 수집된다(분획 3). 결과로 얻어지는 분획 1 및 3은 유동층 공정에서 다결정 실리콘을 침착시키기 위한 시드 입자로서 사용될 수 있다. 그 분쇄 도구는 초경합금(hard metal)(특히 바람직하게는 코발트 매트릭스 중의 탄화텅스텐) 또는 실리콘으로 이루어진 표면을 갖는다.
그러나, 이러한 경우, B, C, Zn, Ti, Mg, W, Fe, Co, Sb 및 Zr에 의한 원하지 않은 실리콘의 오염이 일어난다.
US 5637815 A에는 유동층 반응기에서 사용하기 위한 소결된 SiC로 제조된 노즐이 개시되어 있으며, 여기서 시약이 노즐을 통해 도입되고 혼합 또는 분산된다.
DE 100 520 21 B4에는 소결된 WC 분말로 이루어지는 수 제트 커터 고압 노즐이 개시되어 있다. 수 제트 커팅 기기가 고압 수 제트에 의해 재료, 예컨대 플라스틱, 금속 및 가죽 및 석재를 분리하기 위한 기기 도구이다.
본 발명의 목적은 기술된 문제들로부터 결과로 얻어졌다.
본 발명의 목적은 유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼을 제조하기 위한 실리콘 시드 입자의 제조 공정으로서, 다결정 실리콘 그래뉼을 갖는 챔버 내로 분쇄 가스 스트림(milling gas stream)을 도입하는 단계를 포함하고, 그의 결과로서, 다결정 실리콘 그래뉼의 개별 입자가, 이것이 다결정 실리콘 그래뉼의 다른 입자와 충돌하는 방식으로, 가속화되고, 이 경우 다결정 실리콘 그래뉼이 분쇄되며, 여기서 분쇄 가스 스트림이 초경합금(hard metal)으로 제조된 하나 이상의 제트 노즐에 의해 챔버 내로 도입되는 것인 제조 공정에 의해 달성된다.
그러므로, 본 발명은 초경합금으로 제조된 하나 이상의 제트 노즐에 의해 다결정 실리콘 그래뉼 상에 분쇄 가스 스트림을 유도하는 것, 및 다결정 실리콘 그래뉼을 서로 간의 충돌에 의해 분쇄하는 것을 제공한다.
분쇄 가스에 의해 가속화되는 입자가 보다 낮은 속도를 갖는 입자와 충돌하는 경우, 충격 응력이 결과로 얻어지고, 입자가 충격 에너지에 따라 비산된다.
상기 목적은 또한 유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼을 제조하기 위해 사용될 수 있는 실리콘 시드 입자에 의해 달성되며, 그 입자는 300 ㎛ 내지 500 ㎛의 질량 중앙 값을 갖는 50 ㎛ 내지 1000 ㎛의 크기를 갖고, 또한 그의 표면 상의 다음의 오염물: 1 ppmw 미만의 탄소, 2 ppbw 미만의 Fe, 0.5 ppbw 미만의 Cr, 1 ppbw 미만의 Ni, 및 0.1 ppbw 미만의 텅스텐을 갖는다.
본 발명은 또한 다결정 실리콘 그래뉼을 분쇄하기 장치로서, 수직 배열된 제트 챔버, 및 제트 챔버의 저부에 있는 제트 노즐를 포함하고, 그 노즐을 통해 분쇄 가스 스트림이 제트 챔버, 제트 챔버에 바로 이어지는 역류식 중력 시프터, 및 분쇄 재료를 위한 유입구 내로 도입될 수 있으며, 여기서 제트 챔버가 제트 챔버의 단면으로 분쇄 가스 스트림을 팽창시키기에 충분한 길이를 갖고, 제트 챔버는 역류식 중력 시프터보다 더 작은 유동 단면을 가지며, 제트 챔버가 원통형 또는 다각형 단면적을 갖고 내부적으로 실리콘 분절을 갖는 다중부분 라이닝(multipart lining)을 가지며, 제트 노즐이 초경합금으로 제조되는 것인 장치에 관한 것이다.
사용된 제트 노즐은 단일 수렴 노즐(single converging nozzle) 또는 라발 노즐(Laval nozzle)인 것이 바람직하다. 라발 노즐에 의해, 초음파 가스 속도가 노즐 배출구에서 발생될 수 있다.
바람직하게는, 제트 노즐은 탄화텅스텐(WC)으로 구성된다. 매우 특히 바람직하게는, 그것은 코발트의 바인더 매트릭스를 갖는 WC로 제조된 제트 노즐이다. 바람직하게는, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화크롬 및 탄화바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 탄화물이 추가로 존재한다.
바람직하게는 제트 노즐은 84.5 내지 93.4%의 탄화텅스텐, 15 내지 6%의 코발트, 및 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화크롬 및 탄화바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 0.5 내지 0.6%의 금속 탄화물로 이루어진다.
탄화텅스텐의 입자 크기는 0.5-0.8 ㎛인 것이 바람직하다. 특히 바람직한 실시양태에서, 탄화텅스텐의 입자 크기는 약 0.6 ㎛이다.
조성물은 ISO 코드 K05 내지 K40에 상응한다.
바람직하게는, 제트 노즐은 DLC(다이아몬드 유사 탄소) 코팅을 갖는다. 이 DLC 코팅의 층 두께는 1 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다.
제트 노즐 단면(내부 직경)은 300 m/s 초과, 바람직하게는 400 내지 800 m/s의 배출 속도가 달성되는 방식으로 치수화된다. 그 제트 노즐은 3 mm 내지 6 mm의 내부 직경을 갖는 것이 바람직하다.
선행 기술의 다양한 단점은 신규한 제트 노즐에 의해 달성될 수 있다. 종래에 일반적으로 사용된, 플라스틱 또는 실리콘으로 제조된 제트 노즐의 경우, 제트 노즐 팁에서 세척에 의한 추출로 인한 조기 마모가 일어난다. 그 마모는 제트 노즐 제트의 편향, 변경된 가스 배출 속도를 유발하고, 이로써 제트 노즐 및 분쇄 챔버 라이닝의 단축된 작동 수명을 유발한다. 게다가, 변경된 가스 배출구 속도는 분쇄 재료의 입자 크기에 대한 부작용을 갖는다. 게다가, 제트 노즐의 마모된 재료는 종종 분쇄된 Si 재료 상에서 그의 품질을 손상시키는 것으로 밝혀져 있다.
분쇄되어야 하는 다결정 실리콘 그래뉼은 300 ㎛ 내지 5000 ㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 그 생성된 실리콘 시드 입자는 300 ㎛ 내지 500 ㎛의 질량 중앙 값을 갖는 50 ㎛ 내지 1000 ㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 그 생성된 실리콘 시드 입자는 그 표면 상의 다음의 오염물: 1 ppmw 미만의 탄소, 2 ppbw 미만의 Fe, 0.5 ppbw 미만의 Cr, 1 ppbw 미만의 Ni, 및 0.1 ppbw 미만의 텅스텐을 갖는 것이 바람직하다.
다결정 실리콘 그래뉼은 유동층 반응기에서 계내 분쇄될 수 있다. 이러한 경우, 유동층에서 Si 그래뉼의 일부를 분쇄하여 실리콘 시드 입자를 형성하는 단일 고속 가스 제트가 발생된다.
제트 밀 또는 역류식 제트 밀을 사용하는 것이 동등하게 바람직하다. 이를 목적을 위해, US 7490785 B2에 사용된 장치가 적합하다. 제트 밀의 특수 설계에 관해서는, 특히 거기에 기술된 역류식 중력 시프터에 관해서는, 전체 내용이 본원에 참고 인용되어 있는 US 7490785 B2에 인용되어 있다. US 7490785 B2로부터 출발하여, 초경합금, 예를 들면 WC로 제조된 제트 노즐이 사용된다. 추가의 차이가 제트 챔버의 설계에 존재한다.
장치는, 특히 US 7490785 B2로부터 출발하여, 다각형 단면을 갖는 수직 배열된 제트 챔버를 갖는 것이 바람직하다. 장치는 8각형 단면을 갖는 수직 배열된 제트 챔버를 갖는 것이 특히 바람직하다.
제트 챔버는 금속성 외부 쉘을 포함하는 것이 바람직하고, 여기서 외부 쉘과 실리콘 라이닝 사이에는 실리콘 라이닝에 대한 손상을 검출 가능하게 만드는 데 적합한 검출 층이 존재한다. 이러한 목적을 위해, 검출 층은 분쇄 재료 상에 있는 검출 가능한 물질을 포함한다. 분쇄 재료를 검출가능한 물질로 오염시킴으로써, 라이닝에 대한 손상이 검출 가능하다. 분쇄 재료는 다결정 실리콘 그래뉼인 것이 바람직하다. 예를 들면, 탄소 및 금속이 다결정 실리콘 상에서 용이하게 검출 가능하다. 그러므로, 탄소 또는 금속을 함유하는 플라스틱으로 제조된 검출 층이 특히 바람직하다.
제트 노즐은 고 순도의 분쇄 가스를 사용하여 작동되는 것이 바람직하다. 고 순도는 5 ppmv 미만의 오염물을 의미하는 것으로 간주된다. 그 분쇄 가스는 공기, 아르곤, 헬륨, 질소 또는 상기 가스들로 된 혼합물인 것이 바람직하다.
제트 노즐의 배출 개구에서 초음파적 속도를 달성하기 위해서, 제트 노즐 형상이 라발 기하구조인 것이 특히 바람직하다.
제트 노즐의 외부 기하구조는 제트 챔버에서 수용을 위해 적합하게 되어 있고, 생성물 접촉 영역에서의 유동에 바람직하도록 형상화되어 있다.
제트 노즐은 상이한 헤드(평편형, 원통형, 육각형, 납작한 형상)를 갖는 스크류와 유사한 스크류-인 바디(screw-in body)로서 구성될 수 있다.
그 부착은 내부에서 외부로 향하게 또는 외부에서 내부로 향하게 이루어질 수 있다.
제트 노즐은 또한 제트 챔버의 장치 내로 클램프 바디로서 클램핑될 수 있다.
제트 노즐 형상의 선택에서는, 생성물 접촉 영역에서의 유동에 특히 바람직한 설계에 유의해야 한다.
본 발명은 또한 다결정 실리콘 그래뉼을 제조하기 위한 공정으로서, 가열 장치에 의해 가열되는 유동층에서의 가스 스트림으로 상기 기술된 공정에 의해 제조되는 실리콘 시드 입자를 유동화하는 단계를 포함하고, 여기서 실라콘 함유 반응 가스를 첨가함으로써, 열화학적 반응에 의해 다결정 실리콘이 고온 실리콘 시드 입자 표면 상에 참착되고, 그 결과로서, 다결정 실리콘 그래뉼이 형성되는 것인 공정에 관한 것이다.
그 공정은, 반응기로부터 침착에 의해 직경이 성장한 입자를 회수하고, 새로운 실리콘 시드 입자를 첨가함으로써 연속적으로 작동되는 것이 바람직하다.
실리콘 함유 반응은 모노실란일 수 있다. 반응 구역에서 유동층의 온도는 600-850℃인 것이 바람직하다.
그러나, 실리콘 함유 반응 가스는 또한 트리클로로실란일 수 있다. 이러한 경우 반응 구역에서 유동층의 온도는 바람직하게는 800-1200℃, 특히 바람직하게는 900-1050℃, 매우 특히 바람직하게는 920-970℃이다.
유동화 가스는 수소인 것이 바람직하다.
반응 가스는 하나 이상의 노즐을 통해 유동층 내로 주입된다.
노즐의 배출구에서 국소 가스 속도는 0.5 내지 200 m/s인 것이 바람직하다.
실리콘 함유 반응 가스의 농도는, 유동층을 통해 유동하는 총 가스 량을 기준으로, 10 mol% 내지 50 mol%인 것이 바람직하고, 15 mol% 내지 40 mol%인 것이 특히 바람직하다.
반응 가스 노즐에서 실리콘 함유 반응 가스의 농도는, 반응 가스 노즐을 통해 유동하는 총 가스 양을 기준으로, 20 mol% 내지 80 mol%인 것이 바람직하고, 30 mol% 내지 60 mol%인 것이 특히 바람직하다.
반응기 압력은 0 내지 7 bar 게이지의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 4.5 bar 게이지의 범위에 있다.
예를 들어 400 mm의 직경을 갖는 반응기의 경우에서, 실리콘 함유 반응 가스의 질량 유량은 200 내지 600 kg/h인 것이 바람직하다. 수소의 부피 유량은 100 내지 300 m3(S.T.P.)/h인 것이 바람직하다. 보다 큰 반응기에서는, 실리콘 함유 반응 가스 및 H2의 보다 큰 유량이 바람직하다.
일부 공정 매개변수가 반응기 크기에 따라 이상적으로 선택되기 때문에, 이후에는 반응기 단면적으로 정규화된 작동 데이터가 논의되어 있으며, 본 발명의 내용에서 기술된 공정이 유효성을 갖는다.
실리콘 함유 반응 가스의 특정 질량 유량은 1600-6500 kg/(hㆍm2)인 것이 바람직하다.
특정한 수소 부피 유량은 800-4000 m3(S.T.P.)/(hㆍm2)인 것이 바람직하다.
특정한 층 중량은 700-2000 kg/m2인 것이 바람직하다.
특정한 실리콘 시드 입자 계량 속도는 7-30 kg/(hㆍm2)인 것이 바람직하다.
특정한 반응기 가열 전력은 800-3000 kW/m2인 것이 바람직하다.
유동층에서 반응 가스의 체류 시간은 0.1 내지 10 s인 것이 바람직하고, 0.2 내지 5 s인 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 공정의 상기 기술된 실시양태에 관하여 인용된 특색은 본 발명에 따른 장치에 상응하게 적용될 수 있다. 그 반대로 마찬가지로, 본 발명에 따른 장치의 상기 기술된 실시양태에 관하여 인용된 특색은 본 발명에 따른 공정에 상응하게 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 실시양태들의 이러한 특색들 및 다른 특색들은 도면 및 청구범위의 설명에서 설명된다. 개별 특색은 본 발명의 실시양태로서 별도로 실시될 수 있거나, 또는 조합으로 실시될 수 있다.
도 1은 제트 노즐의 개략적 구조를 도시한 것이다.
도 2는 제트 챔버의 다각형 단면을 도시한 것이다.
도 3은 제트 챔버의 단면의 2가지 실시양태를 도시한 것이다.
도 4는 장착된 제트 노즐를 갖는 제트 챔버를 도시한 것이다.
이후에 기술된 예시적인 실시양태 또는 형태 또는 변형 실시양태에서. 기능적으로 또는 구조적으로 유사한 요소들에는 가능한 한 동일하거나 유사한 참조 번호가 부여된다. 그러므로, 특정한 예시적 실시양태의 개별 요소들의 특색을 이해하기 위해서, 본 발명의 다른 예시적인 실시양태 또는 일반적인 설명이 참조되어야 한다.
사용된 참조 번호의 목록
1: 분쇄 가스
2: 축
3: 제트 노즐 헤드
4: 제트 노즐
5: 제트 챔버
6: 외부 쉘
7: 검출 층
8: 라이닝
제트 노즐 기하구조는 도 1에 도시될 수 있다.
제트 노즐의 외부 형상은 이러한 예에서 스크류의 기하구조가 연상된다. 축(2)은 장치(예, 제트 밀)에서 제트 노즐을 수용하는 작용을 하며, 일반적으로 미터 또는 임페리얼 스레드(metric or imperial thread)로 구성되지만, 또한 클램핑 또는 클릭 패스너로서 구성될 수도 있다. 축(2)은 분쇄 재료와 접촉하지 않게 된다. 제트 노즐 헤드(3)는 생성물과 접촉하게 된다. 장치에서 제트 노즐의 단단한 시이팅(firm seating)을 보장하기 위해서, 주요 표면이 제트 노즐 헤드 상에 장착되고, 그 헤드에서 제트 노즐이 적합한 어셈블리 도구를 이용하여 장치에서 고정될 수 있다. 장치에 대한 제트 노즐 바디를 밀봉하기 위해서, 시일링이 스레드에서 달성되거나, 또는 별도의 시일이 제트 노즐 헤드와 장치 사이에 달성된다. 생성물 접촉 노즐 헤드는 유출 영역을 향한 유동을 촉진하는 방식으로 구성된다.
더구나, 본 발명은 다각형 단면적을 갖는 제트 챔버를 포함한다(도 2 참조).
US 7490785 B2에는 원통형 단면적을 갖는 제트 챔버가 기술되어 있다.
다각형 제트 챔버는, 원통형 단면적과 비교하여, 다중부분 방식으로 설계될 수 있으며, 특히 예를 들어 바람직한 실시양태에서 고순도 실리콘으로 구성되는 개별 평평한 성형물로 구성될 수 있는 이점을 갖는다.
결과로서, 오직 제한된 직경으로만 이용가능한, 전체 주변에 걸쳐 원 피스로 구성된 원통형 라이닝과는 대조적으로, 임의의 소정의 크기의 단면적이 유사하게 형성될 수 있다.
분쇄 성능 및 분쇄 품질은 제트 챔버(5)의 다각형 단면적에 의해 기본적으로 영향을 받지 않는다.
큰 단면적을 이용하면, 복수개의 제트 노즐이 장착될 수 있으며, 이로써 고 분쇄 성능이 달성된다.
그러나, 또한 원통형 제트 챔버(5)를 제공하고 다각형 제트 챔버(5)와 유사하게 분절 방식으로 제트 챔버의 라이닝(8)을 구성하는 것이 가능하다. 이 바람직한 실시양태가 도 3의 B에 도시되어 있다.
도 4는 제트 챔버(5)에서 제트 노즐(4)의 장착된 예를 도시한 것이다.
제트 노즐 헤드 시일은 단결정 또는 다결정 실리콘으로 구성되는 고순도 라이닝(8)에 의해 플러싱된다.
제트 노즐 바디는 금속성 외부 쉘(6)의 저부에서 스레드에 의해 고정된다.
외부 쉘(6)과 라이닝(8) 사이에는 탄소질 검출 층, 예를 들면 폴리프로필렌으로 제조된 것이 존재한다. 그러한 검출 층(7)을 사용하여, 라이닝(8)에 대한 손상 지점이 분쇄 재료의 오염을 용이하게 검출 가능한 것을 통해 관찰될 수 있다. 탄소는 탄소 분석기를 통해 미량으로 검출될 수 있다. 대안으로, 검출 층은 또한 금속 성분을 함유하는 플라스틱으로 구성될 수 있다. 금속은 마찬가지로 분쇄 재료에서 단호히 검출될 수 있다.
이후의 예시적인 실시양태들의 설명은 실시예로서 이해되어야 한다. 이와 같이 이루어진 개시내용은 해당 기술 분야의 당업자에게 첫째 본 발명 및 이와 연관된 이점을 이해하는 것을 허용하고, 둘째 또한 해당 기술 분야의 당업자의 이해 내에서 명백한 기술된 구조 및 공정의 수정예 및 변형예도 포함한다. 그러므로, 그러한 모든 수정예 및 변경예는, 이들이 수반하는 청구범위에서의 정의 및 이의 등가물에 따라 본 발명의 영역 내에 속한다는 전제 하에, 청구범위의 보호에 의해 포괄되어야 한다.
실시예 및 비교예
US 7490785 B2에 따른 분쇄 시스템에서는, 폴리아미드로 제조된 제트 노즐(비교예)를 ISO 코드 K05-K10과 일치하는 탄화텅스텐으로 제조된 제트 노즐(실시예)로 대체하였다.
제트 노즐의 내부 윤곽은 4 mm의 직경을 갖는 라발 노즐로서 구성하였다. 제트 챔버 기하구조는 실시예 및 비교예에서 동일하였다.
표 1은 제조된 실리콘 시드 입자의 탄소 및 텅스텐 오염 뿐만 아니라 그 노즐의 작동 수명을 나타낸 것이다.
폴리아미드로 제조된 제트 노즐은 단지 15 톤의 실리콘 시드 입자의 평균 작동 수명을 달성한다. 이어서, 그 제트 노즐은 마모 및 점점 더 불량해지는 관련된 분쇄 특징 때문에 교체되어야 한다.
탄화텅스텐으로 제조된 제트 노즐의 동일한 유형을 사용하는 경우, 동일한 매개변수(분쇄 가스 스트림, 공급 물질의 계량 속도)을 사용하여 분쇄 시스템을 작동하였고, 특정한 중단 지점 후에 제트 노즐 마모 및 제품 품질을 모니터링하였다.
비교예 실시예
제트 노즐 폴리아미드 WC
탄소에 의한 오염[ppmw] 1.6 0.6
텅스텐을 지닌 오염[ppbw] 0.091 0.092
작동 수명
(실리콘 시드 입자(톤))		 15 >200
100 톤의 표적 생성물 양에서, 제트 노즐(중량, 치수, SEM 화상)에서 측정 가능한 마모가 존재하지 않았다. 생성물 품질은 탄소에 관하여 개선되었다. 그러므로, WC로 제조된 제트 노즐은 PA로 제조된 제트 노즐보다 더 적은 탄소를 생성물로 명백히 방출하였다.
질량 분광법에 의하면, 출발 물질(다결정성 실리콘 그래뉼) 및 분쇄 생성물(실리콘 시드 입자)을 금속 오염에 대하여 검사하였다.
분쇄 생성물의 값은 텅스텐(참고, 표 1)의 경우 및 코발트 경우 모두 최대 0.01 ppbw만큼 출발 수준 위에 존재한다. 놀랍게도, 금속 무함유 플라스틱 노즐과 비교하여, 어떠한 차이도 인지할 수 없다.
발명의 효과
그러므로, 본 발명의 특정한 이점은 초경합금으로 제조된 제트 노즐에서는 전혀 없는 마모 또는 단지 최소만으로 있는 마모가 관찰 가능하다는 점이다. 그 결과로서, 제트 노즐 기하구조는 일정하게 유지하게 되고, 일정한 분쇄 성능 및 분쇄 품질을 보장하게 된다. 그 초경합금 노즐은 실질적으로 제한 없는 작동 수명을 나타낸다. 게다가, 제트 노즐 재료에 의한 오염이 전혀 없거나 또는 단지 최소만으로 있는 생성물이 인지할 수 있다.

Claims (16)

  1. 유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼을 제조하는 데 사용될 수 있는 실리콘 시드 입자의 제조 방법으로서, 다결정 실리콘 그래뉼을 갖는 챔버 내로 분쇄 가스 스트림(milling gas stream)을 도입하는 단계를 포함하고, 이의 결과로서, 다결정 실리콘 그래뉼의 개별 입자가, 이것이 다결정 실리콘 그래뉼의 다른 입자와 충돌하는 방식으로, 가속화되고, 이 경우 다결정 실리콘 그래뉼이 분쇄되며, 분쇄 가스 스트림이 초경합금으로 제조된 하나 이상의 제트 노즐에 의해 챔버 내로 도입되는 것인 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제트 노즐이 코발트의 바인더 매트릭스를 갖는 탄화텅스텐으로 구성되고, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화크롬 및 탄화바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 탄화물의 첨가제를 임의로 함유하는 것인 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 제트 노즐이 1 내지 10 ㎛의 두께를 갖는 다이아몬드 유사 탄소 코팅을 갖는 것인 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 제트 노즐로부터의 분쇄 가스 스트림의 배출 속도가 300 m/s 초과, 바람직하게는 400 내지 800 m/s인 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분쇄하고자 하는 다결정 실리콘 그래뉼이 300 ㎛ 내지 5000 ㎛의 크기를 가지며, 생성된 실리콘 시드 입자가 50 ㎛ 내지 1000 ㎛의 크기를 갖는 것인 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 다결정 실리콘 그래뉼의 분쇄가 유동층 반응기에서 진행되고, 유동층에서 다결정 실리콘 그래뉼의 일부를 분쇄하여 실리콘 시드 입자를 형성하는 단일 가스 제트가 발생되는 것인 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 다결정 실리콘 그래뉼의 분쇄가 제트 밀 또는 역류식 제트 밀에서 진행되는 것인 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제트 밀 또는 역류식 제트 밀의 수직 배열된 제트 챔버가 원통형 또는 다각형 단면을 가지며, 내부적으로 실리콘 분절을 갖는 다중부분 라이닝(multipart lining)을 갖고, 하나 이상의 제트 노즐이 제트 챔버의 저부에 장착되는 것인 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 분쇄 가스가 공기, 아르곤, 헬륨, 질소 또는 상기 가스들 중 복수로 된 혼합물이고, 분쇄 가스가 5 ppmv 미만의 오염물을 포함하는 것인 제조 방법.
  10. 유동층 반응기에서 다결정 실리콘 그래뉼을 제조하는 데 사용될 수 있는 실리콘 시드 입자로서, 300 ㎛ 내지 600 ㎛의 질량 중앙 값을 갖는 50 ㎛ 내지 1000 ㎛의 크기를 갖고, 또한 그의 표면 상에서의 다음의 오염물: 1 ppmw 미만의 탄소, 2 ppbw 미만의 Fe, 0.5 ppbw 미만의 Cr, 1 ppbw 미만의 Ni 및 0.1 ppbw 미만의 텅스텐을 갖는 실리콘 시드 입자.
  11. 다결정 실리콘 그래뉼을 분쇄하기 위한 장치로서,
    수직 배열된 제트 챔버, 및 제트 챔버의 저부에 있는 제트 노즐을 포함하고, 노즐을 통해 분쇄 가스 스트림이 제트 챔버, 제트 챔버에 바로 이어지는 역류식 중력 시프터(counterflow gravity sifter), 및 분쇄 재료를 위한 유입구 내로 도입될 수 있으며, 여기서 제트 챔버가 제트 챔버의 단면으로 분쇄 가스 스트림을 팽창시키기에 충분한 길이를 갖고, 제트 챔버가 역류식 중력 시프터보다 더 작은 유동 단면을 가지며, 제트 챔버가 원통형 또는 다각형 단면을 갖고 내부적으로 실리콘 분절을 갖는 다중부분 라이닝을 가지며, 제트 노즐이 초경합금으로 제조되는 것인 장치.
  12. 제11항에 있어서, 제트 노즐이 코발트의 바인더 매트릭스를 갖는 탄화텅스텐으로 구성되고, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화크롬 및 탄화바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 탄화물의 첨가제를 임의로 함유하는 것인 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 제트 노즐이 라발 노즐(Laval nozzle)인 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제트 노즐이 3 mm 내지 6 mm의 내부 직경을 갖는 것인 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제트 챔버가 금속 외부 쉘을 가지며, 이 외부 쉘과 실리콘 분절을 지닌 라이닝과의 사이에는 분쇄 재료 상에 검출가능한 물질을 함유하는 검출 층이 위치하고, 검출 층이 검출 가능한 물질에 의한 분쇄 재료의 오염에 의해 실리콘 분절을 지닌 라이닝에 대한 손상을 검출 가능하게 만드는 데 적합한 것인 장치.
  16. 다결정 실리콘 그래뉼의 제조 방법으로서,
    가열 장치에 의해 가열되는 유동층에서 가스 스트림에 의해 실리콘 시드 입자를 유동화하는 단계를 포함하고, 실리콘 함유 반응 가스를 첨가함으로써, 열화학적 반응에 의해 다결정 실리콘이 그 고온 시드 입자 표면 상에 침착되고, 그 결과로서 다결정 실리콘 그래뉼이 형성되며, 실리콘 시드 입자가 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되는 것인 제조 방법.
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