NO338623B1 - Stivnet silisiummasse fra smeltet tilstand og fremgangsmåte for å fremstille samme - Google Patents

Description

STIVNET SILIKONMASSE FRA SMELTET TILSTAND OG FREMGANGSMÅTE FOR Å FREMSTILLE SAMME

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en stivnet masse for et flerkrystallsilikonmateriale av høy renhet som fortrinnsvis anvendes for å fremstille krystalltypesilikoningoter for fotogalvaniske elementer og en fremgangsmåte for fremstilling av den stivnede massen. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen en silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand, en smeltetid som kan forkortes for å forbedre produksjonseffektivitet for silikoningoter i en ingotfremstillingsfremgangsmåte, og en fremgangsmåte for å fremstille den stivnede massen.

Bakgrunnsteknikk

Hovedstrømmen av fotogalvaniske elementer fremstilt for øyeblikket er silikonkrystalltype. I fremstillingsfremgangsmåten for krystalltype fotogalvaniske elementer finnes det flere trinn av et ingotfremstillingstrinn hvori et silikonmateriale av høy renhet midlertidig smeltes og deretter stivnes på nytt, et blokkdannende- eller skivedannende trinn, hvori den resulterende ingot utsettes for kutting eller skjæring i skiver, et cellefremstillingstrinn, hvori den resulterende skiven overføres med en batterifunksjon og et modulfremstillingstrinn, hvori de resulterende cellene anordnes for å gi en struktur i stand til å i praksis monteres.

I ingotfremstillingstrinnet er to typer fremgangsmåter for en enkel krystalliseringsprosess som anvender CZ-fremgangsmåte og en

flerkrystalliseringsprosess som anvender støpingsfremgangsmåte eller Bridgmans metode kjent som typiske prosesser. I enhver krystalltype av enkelkrystalltype eller flerkrystalltype, er trinnene av en prosess for å fremstille en silikoningot bredt klassifisert i et trinn for å pakke et silikonmateriale av høy renhet i en smeltedigel hver produksjonsbatch for å oppnå en ingot, et trinn for å levere varmeenergi fra smeltedigelens ytre periferi for å smelte pakningen, et trinn for å stivne smeiten på nytt mens det tas hensyn til krystallvekst og et trinn for å stivne den restivnede silikoningoten og ta den ut av smeltedigelen.

I ingotfremstillingstrinnet har egenskaper av silikonmaterialet med høy renhet stor innflytelse spesielt på tiden som kreves for smeltetrinnet av materialet blant trinnene nevnt over, og dette har stor innflytelse på selve ingotfremstillingseffektiviteten.

Som silikonmaterialet av høy renhet anvendes for tiden kornet silikon med en partikkel diameter på omkring 1 mm som fremstilles ved fluidisert sjiktmetode, stangsilikon oppnådd ved å brekke en silikonstang som er fremstilt ved Siemensmetoden, knust silikon oppnådd ved å knuse stangsilikonet i fragmenter på omkring 3 til 50 mm, skrapsilikon hovedsakelig bestående av rester og skrap oppnådd i et ingotfremstillingstrinn eller lignende.

Når den kornede eller knuste silikonet anvendes som silikonmaterialet av høy renhet, må et ekstremt høyt antall partikler pakkes da partiklene er små. En skjøt av partikler derimellom har imidlertid lav termisk konduktivitet og da antallet pakkede partikler har økt, blir antallet av partikkel skjøter større. Følgelig har et sjikt av de pakkede partiklene uunngåelig dårlig termisk konduktivitet og oppvarming av hele pakningssjiktet til en temperatur i nærheten av smeltepunktet krever en ekstremt lang tidsperiode.

På grunn av at selve de små partiklene har stort overflateareal, har de videre egenskaper som straks partiklenes omgivelser eksponeres for en smelte smelter partiklene relativt lett. I pakningstil standen hvor partikkel skjøtene er til stede er det imidlertid et problem at dersom temperaturen høynes til enn viss grad i oppvarmingsprosessen, sintres skjøtene sammen for å holde pakningens form, og den dårlige termiske konduktiviteten fortsetter også. Det vil si at selv om smelting av silikon starter på den indre periferien tilstøtende til en oppvarmet smeltedigel, er et pakningssjikt av de sammenføyde partiklene med en lav temperatur fremsdeles til stede inne i smeltedigelen og betydelig tid er nødvendig før hver partikkel inne i pakningssjiktet fuktes av smeiten.

Av ovennevnte årsak er det problemer ved anvendelsen av et silikonpakningssjikt av små partikler at lang tid er nødvendig fra begynnelsen av smelting til avslutningen av smeltingen og produksjonseffektiviteten er lav.

På den annen side har silikonstangen eller selve silikonmassen god termisk konduktivitet og varmes relativt raskt til en temperatur i nærheten av smeltepunktet, og smelting av silikonet starter ved silikonets ytre periferi. Silikon har imidlertid en stor mengde latent varmefusjon (smelting), slik at selv etter at silikonmassen eksponeres for en smelte med utmerket termisk konduktivitet smeltes massen gradvis fra dens overflate, og smelting av hele massen krever fremdeles lang tid, da massens overflateområde er lite for dets volum.

For å tilveiebringe flerkrystallsilikon som ikke skader grunnet flyting eller fall av en silikonpakke til en smeltedigel når det smeltes beskriver japansk patentsøknad nr. 104711/2003 (patentdokument 1) flerkrystallsilikon med en form som en smeltedigel, som oppnås ved å varmeselte en flerkrystallsilikonblokk, knuste fragmenter derav eller en blanding av blokken og fragmentene i en smeltedigel og deretter stivne silikonet i smeltedigelen for å stivne og forme det med form som en smeltedigel. I denne prosessen anvendes imidlertid en blokk av flerkrystallsilikon eller lignende slik at problemene ved at den tilsynelatende tettheten er for høy og at mye tid kreves for å smelte silikonet ikke har blitt løst.

I japansk patentsøknad nr. 314996/1999 (patentdokument 2) er det beskrevet en fremgangsmåte for fremstilling av enkle silikonkrystaller og flerkrystaller ved anvendelse av et gassfasekomponentmateriale, mer spesielt en fremgangsmåte for fremstilling av krystaller hvor et varmegenererende faststoff, en høyfrekvensspole anordnet motstående en nedre overflate på det varmegenererende faststoffet og minst én gassforsyningsåpning anordnet på spoleoverflaten er tilveiebrakt og som omfatter induksjonsoppvarming av det varmegenererende faststoffet med høyfrekvensspolen til en temperatur ikke lavere enn smeltepunktet til et avsetningskomponentelement eller - forbindelse, som blåser en råmaterialegass inneholdende minst én type av komponentelementet på det varmegenererende faststoffets nedre overflate gjennom minst én av gassleveringsåpningen for å utføre avsetting eller smelting av komponentelementet eller -forbindelsen på den nedre overflaten av det varmegenererende faststoffet, og slippe den avsatte smeiten eller tillate den å flyte nedover fra den nedre delen av det varmegenererende faststoffet for å fremstille krystaller.

I patentdokument 2 er det også beskrevet at smeiten således sluppet mottas av en smeltedigel, og ved å mate smeiten i smeltedigelen fremstilles en multikrystallingot. I patentdokument 2 er det videre beskrevet at ved anvendelsen av en krystallkime eller en enkelkrystallingot, utføres krystallvekst ved en drametode fra smeiten i smeltedigelen for å fremstille en flerkrystall- eller enkelkrystallingot. Dersom den resulterende ingoten tas ut utviser imidlertid ingoten en for høy tilsynelatende tetthet og det tar ekstremt lang tid å fullstendig smelte ingoten som beskrevet over. Det er videre også foreslått å mate smeiten i karet dråpe for dråpe. Som det kan ses fra beskrivelsen at karet varmes og holdes, er imidlertid den tydelige densiteten til den resulterende flerkrystallsilikonet høy og det kreves ofte lang tid for smelting.

I japansk patentsøknad nr. 316813/2002 (patentdokument 3) har foreliggende søker foreslått et flerkrystallsilikonskum inneholdende bobler og med en tilsynelatende tetthet på ikke mer enn 2,20 g/cm<3>. Silikonskummet fremstilt ved fremgangsmåten ifølge denne publikasjonen har en tilsynelatende tetthet på det samme nivået som den for massen ifølge foreliggende oppfinnelse, men den atskiller seg ved at enkelte partikler er mindre enn de ifølge foreliggende oppfinnelse. Avhengig av fremstillingsbetingelsene er skumene smeltebundet til hverandre for å danne en masse i visse tilfeller, men denne massen er svært sprø og dens termiske konduktivitet er ikke alltid høy. Når skummet anvendes i et ingotfremstillingstrinn, er smelteraten bedre enn tidligere. Utvikling av silikonmasse i stand til ytterligere å forbedre ingotfremstillingseffektiviteten har imidlertid vært ønsket.

IWO02/100777 (patentdokument 4) har foreliggende søker beskrevet en fremgangsmåte for fremstilling av silikon omfattende et trinn hvori en overflate av et substrat varmes til en temperatur lavere enn smeltepunktet for silikon og substratoverflaten bringes i kontakt med silaner ved å opprettholde temperaturen for silikonavsetning og et trinn hvori temperaturen for substratet høynes til å smelte en del av eller all silkonavsetningen og derved dryppe silikonet fra substratoverflaten og det dryppede silikonet gjenvinnes. Mer spesielt beskrives en fremgangsmåte (fremgangsmåte 1), hvori silikonavsetning på en indre veggoverflate av en sylindrisk oppvarmet del delvis smeltes ved grensesnittet mellom silikonet og reaktoren og dryppes, og en fremgangsmåte (fremgangsmåte 2), hvori den totale mengden silikonavsetning på en overflate av en stang eller V-formet oppvarmet del smeltes og dryppes.

I fremgangsmåte 1, på grunn av at slikonavsetningen smeltes ved grensesnittet mellom slikonet og reaktoren, dryppes imidlertid det meste av silikonet i en usmeltet tilstand, og derfor synes den tilsynelatende densiteten å bli høy. I eksempel 1 til 5 ble en del av en avsetning faktisk smeltet og dryppet, og i disse eksemeplene oversteg den tilsynelatende densiteten for det resulterende silikonet 2,3 g/cm<2>.

Fremgangsmåte 2 er en fremgangsmåte, hvori den totale mengden av silikonavsetningen smeltes og dryppes, og i eksempel 6 og 7 vist som spesifikke eksempler på fremgangsmåten, falt en silikonsmelte dråpevis på grunn av formen på den oppvarmede delen eller smeltebetingelsene, og det resulterende silikonet var nær det ovennevnte silikonskummet, slik at det er rom for forbedring i styrke og termisk konduktivitet.

Som beskrevet over, har det tidligere fremlagte flerkrystallsilikonet ulempen at når smelting av silikonet er tiltenkt for å fremstille en ingot, smeltes silikonet knapt og det kreves en lang tid for smelting. Av denne grunn er det problemer med dårlig produksjonseffektivitet og høy energikostnad. Videre er et annet problem det at dersom temperaturen høynes for å fremme smelting, blir en smeltedigel skadet for å dermed hemme normale ingotfremstillingsoperasjoner.

Patentdokument 1: Japansk patentsøknad nr. 104711/2003

Patentdokument 2: Japansk patentsøknad nr. 314996/1999

Patentdokument 3: Japansk patentsøknad nr. 316813/2002

Patentdokument 4: WO02/100777

Beskrivelse av oppfinnelsen

Problemer som skal løses ved oppfinnelsen

Det har blitt ønsket utvikling av et multikrystallsilikonmateriale av høy renhet med høy termisk konduktivitet og i stand til å smeltes ved oppvarming i en kort tidsperiode og en fremgangsmåte for fremstilling av det samme.

Følgelig er et mål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et multikrystallsilikonmateriale av høy renhet med en smeltetid som kan forkortes i et ingotfremstillingstrinn og en fremgangsmåte for fremstilling av det samme.

Måter å løse problemet på

For å løse ovennevnte problemer har foreliggende oppfinnere studert mye, og som et resultat har de funnet at en silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand som har en spesifikk omfattende styrke og en spesifikk tydelig tetthet, viser slik utmerket termisk konduktivitet som den for en masse når temperaturen høynes og har et så stort overflateområde som den med små partikler når den smeltes, slik at det er mulig å forene rask temperaturøkning og rask smelting, og denne stivnede massen er bemerkelsesverdig utmerket som et silikonmateriale av høy renhet. Basert på runnene har foreliggende oppfinnelse blitt utført. (1) Det vil si at silikonmassen stivnet fra smeltet tilstand ifølge foreliggende oppfinnelse er en stivnet masse som inneholder bobler og er fremstilt ved å dryppe smeltet silikon i et mottakskar og tillate karet å motta det smeltede silikonet, den stivnede massen har: (1) en tilsynelatende tetthet på ikke mindre enn 1,5 g/cm<3>og ikke mer enn 2,3 g/cm<3>, og (ii) en trykkfasthet på ikke mindre enn 5 MPa og ikke mer enn 50 MPa.

(2) Massen har fortrinnsvis et volum på ikke mindre enn 50 cm<3>.

(3) Massens form ligner fortrinnsvis nært en form på en smeltedigel anvendt for fremstilling av en silikoningot.

Silikonmaterialet av høy renhet med slike nye egenskaper er en masse inneholdende bobler i en viss utstrekning. Når massen pakkes i en smeltedigel har den en termisk konduktivitet på det samme nivået som den for en vanlig masse. Når temperaturen høynes, varmes derfor hele pakningen raskt til en temperatur i nærheten av smeltepunktet. På grunn av at massen inneholder bobler gjennomgår den videre selvkollaps (selvbryting) rett før smelting og øker spontant sitt eget overflateområde for å øke et kontaktområde med en smelte. Som et resultat, smeltes hele pakningen svært effektivt.

Foreliggende oppfinnere har videre fortsatt studier og lykkes i å finne en fremgangsmåte for fremstilling av en silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand med utmerket reproduserbarhet og inneholdende bobler med god kontrollbarhet. Det vil si at foreliggende oppfinnere har funnet at massen inneholdende bobler kan fremstilles ved å justere forholdet mellom dryppehastigheten for smeltet silikon og foreliggende betingelser for et mottakskar for å stivne og kondensere det smeltede silikonet i massefremstillingsfremgangsmåten på en riktig måte omfattende å dryppe det smeltede silikonet i mottakskaret og stivne det i karet. (4) Fremgangsmåten for fremstilling av en silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand ifølge foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte omfattende å smelte silikon i en atmosfære inneholdende hydrogen og nitrogen, dryppe det smeltede silikonet i et mottakskar og tillate karet å motta det smeltede silikonet, hvori: overflatetemperaturen for karet som mottar det smeltede silikonet er ikke lavere enn 0 °C og ikke høyere enn 1 000 °C, og mottakskaret tillates å motta det smeltede silikonet i en hastighet på 1 x IO"<3>til 5 x 10"<1>g/sek-cm<2>. (5) Det smeltede silikonet er fortrinnsvis ett oppnådd ved å bringe hydrogen og silan i kontakt med hverandre på en avsetningsoverflate med en temperatur på 600 til 1 700 °C for å avsette silikon i en fast tilstand eller en smeltet tilstand og smelte vesentlig alt det avsatte silikonet. (6) Formen på mottakskaret ligner fortrinnsvis svært på en form på smeltedigel anvendt i et ingotfremstillingstrinn.

Utbytte av oppfinnelsen

Ved anvendelsen av massen ifølge oppfinnelsen blir det mulig å forene rask temperaturøkning og rask smelting i et ingotfremstillingstrinn, og det blir derfor mulig å effektivt utføre massefremstilling og økt produksjon av silikoningoter.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 er en gruppe skjematiske blikk som hvert viser et indre overflateområde i et mottakskar ifølge foreliggende oppfinnelse.

Beste måte for utførelse av oppfinnelsen

Silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand

Silikonmassen stivnet fra smeltet tilstand ifølge oppfinnelsen er stivnet masse som er fremstilt ved å dryppe smeltet silikon i et mottakskar og tillate karet å motta det smeltede silikonet, den stivnede massen inneholder bobler og har: (i) en tilsynelatende tetthet på ikke mindre enn 1,5 g/cm<3>og ikke mer enn 2,3 g/cm<3>, og

(ii) en trykkfasthet på ikke mindre enn 5 MPa og ikke mer enn 50 MPa.

Boblene inneholdt i massen ifølge oppfinnelsen er viktige faktorer for å øke smeltehastigheten. Det vil si at etter at massens temperatur er tilstrekkelig økt på grunn av utmerket termisk konduktivitet kollapser massen spontant og blir små partikler på grunn av bruddkraft grunnet termisk ekspansjon av boblene for å øke overflateområdet, og de små partiklene kommer lett i kontakt med en smelte. Størrelsen på hver boble er vanligvis i området på 0,1 u.m til 2 mm.

Brudd (kollaps)-mekanismen for massen inkluderer ikke bare den ovennevnte termiske ekspansjonen av bobler, men også spenning til stede i massen selv om spenningen ikke er visuelt bekreftet. Det antas at spenningen forekommer mellom laminerte lag når en masse av en dryppet smelte lamineres etter hverandre, og det antas at spenningen vokser til en sprekk på grunn av en termisk ekspansjonsbelastning.

Dersom massen er svær, slik som en silikonstang, kan dens indre spenning måles ved en spenningsmåler eller lignende, men på grunn av at massene ifølge oppfinnelsen har forskjellige størrelser, er måling med en spenningsmåler vanskelig. For kvantitativt å uttrykke bruddletthet av massen innføres derfor trykkfasthet som en indikasjon i foreliggende oppfinnelse.

(i) Tilsynelatende tetthet

Boblene som forårsaker selvbrudd av massen når massen varmesmeltes vurderes til å være lukkede celler isolert fra en ekstern atmosfære, når man tar hensyn til ovennevnte mekanisme. Følgelig defineres og måles den tilsynelatende tettheten for massen ifølge oppfinnelsen med følgende målemetode.

Tilsynelatende tetthet = [Massevekt (g)]/[forskyvning (cm<3>) av masse nedsunket i vann]

Det er ønskelig at silikonmassen stivnet fra smeltet tilstand beskrevet i oppfinnelsen tatt ut av et lukket kar for fremstilling av massen og måles som sådan for tilsynelatende tetthet ved fremgangsmåten vist i formelen over. Massen knuses imidlertid av og til for å forenkle transport og håndtering og for å måle den tilsynelatende tettheten for knust silikon er det mulig at 10 knuste silikonfragmenter hvert med et volum på ikke mindre enn 1 cm<3>velges tilfeldig som prøver og de måles for tilsynelatende tetthet.

For å forkorte en smeltetid i et ingotdannende trinn, må massens tilsynelatende tetthet ikke være mer enn 2,3 g/cm<3>, fortrinnsvis ikke mer enn 2,2 g/cm<3>. Når den tilsynelatende tettheten er i området nevnt over, brytes massen lett i smelteprosessen.

Dersom den tilsynelatende tettheten er for lav, ledes ikke varme tilstrekkelig i visse tilfeller på grunn av for mange hull. På grunn av dette er det ønskelig at den tilsynelatende tettheten ikke er mindre enn 1,5/cm<3>, fortrinnsvis ikke mindre enn 1,8 g/cm<3>, for å tilstrekkelig holde massens termiske konduktivitet.

Boblene ifølge oppfinnelsen vurderes til å være dannet ved følgende to mekanismer.

Det vil si at det antas at en mekanisme for å danne bobler i silikonmassen stivnet fra smeltet tilstand ifølge oppfinnelsen er at når silikonet smeltes oppløses en gass (hovedsakelig hydrogen eller nitrogen), og når det smeltede silikonet stivnes, økes løseligheten for å avsette bobler inne i silikonfaststoffet, og den andre mekanismen er at en atomsfæregass stenges inne ved grensesnittet eller hullet mellom det dryppede smeltede silikonet og faststoffoverflaten (mottakskarets overflate eller overflaten på silikonmassen stivnet fra smeltet tilstand som allerede er akkumulert) som er i kontakt med smeiten for å danne bobler (dvs. bobler stengt inne blant partikler).

(ii) Trykkfasthet

I foreliggende oppfinnelse ønskes det at massens trykkfasthet ikke er mindre enn 5 MPa og ikke mer enn 50 MPa, fortrinnsvis 10 til 50 MPa. Dersom trykkfastheten er for høy, er selvbrudd under oppvarming i et ingotdannende trinn ikke tilstrekkelig og smelting krever noen ganger lang tid. Dersom trykkfastheten er for lav kan massens form lett brytes når massen transporteres eller håndteres, og således inntreffer nye problemer slik som kontaminasjon med urenheter og besværlig etterbehandling (feks. pakking) noen ganger.

I foreliggende oppfinnelse måles trykkfastheten ved anvendelse av for eksempel en Tensilon universaltester RTA-IT (varemerke, produsert av Orientec Co., Ltd.). Spesielt i tilfellet der en fremstilt masse anvendes som den er, velges 10 ulike deler av massen tilfeldig som prøver, og i tilfellet der massen anvendes etter knusing, velges 10 knuste fragmenter tilfeldig som prøver. Deretter prosesseres hver prøve til en kube med en lengde på en side på 1 cm og på kuben påføres det gradvis en last (feks. 1 tonn) med Tensilon-universaltesteren, og lasten på lastcellen måles for å bestemme en last ved toppen av en bølgeform. Når flere topper forekommer ved målingen av en prøve, brukes den høyeste lasten. Det tas gjennomsnittet av lastene av prøvene målt på denne måten og en trykkfasthet beregnes.

Trykkfastheten for en silikonmasse fremstilt ved en glassklokkeprosess eller lignende er omkring 70 til 80 MPa. Trykkfastheten for silikonskummet oppnådd i patentdokument 3 er mindre enn 5 MPa.

(iii) Massestørrelse

Massestørrelsen ifølge oppfinnelsen er ikke spesielt begrenset forutsatt at den ovennevnte tilsynelatende densiteten og trykkfastheten er tilfredsstillende.

Massen ifølge oppfinnelsen har høy termisk konduktivitet, slik at reduksjon av termisk konduktivitet grunnet de inneholdte boblene har hovedsakelig ingen betydning, og således økes massens temperatur raskt selv inne i massen.

Dersom små partikler anvendes, reduseres den termiske konduktiviteten noen ganger som tidligere beskrevet, slik at for å oppnå økonomisk effektiv reduksjon av en smeltetid, har massen ifølge oppfinnelsen ønskelig en viss størrelse eller mer. Det vil si at for å redusere påvirkning av sintring av masser samtidig som å øke termisk konduktivitet av et pakkesjikt i en smeltedigel, har massen ønskelig en størrelse (volum) på fortrinnsvis ikke mindre enn 50 cm<3>, mer foretrukket ikke mindre enn 100 cm<3>, enda mer foretrukket ikke mindre enn 1 000 cm<3>.

Når massen ifølge oppfinnelsen blir større, økes den termiske konduktiviteten for å forkorte en smeltetid, slik at det er mest foretrukket å tillate massens form å være nesten lik en smeltedigelform anvendt i et ingotfremstillingstrinn, hvorved massen kan smeltes mer effektivt.

Ved anvendelse av en slik masse ifølge oppfinnelsen blir det mulig å gjenvinne rask temperaturøkning og rask smelting i et ingotfremstillingstrinn, og det blir derfor mulig å effektivt utføre massefremstilling og økt fremstilling av silikoningoter.

Fremgangsmåte for å pakke masse i smeltedigel

For at effekten gitt ved anvendelsen av massen ifølge oppfinnelsen kan effektivt anvendes er volumet besatt av massen i smeltedigelen ønskelig så stort som mulig. I en mest foretrukket utførelsesform er volumet besatt av massen i en smeltedigel nesten likt smeltedigelens volum. For å oppnå denne utførelsesformen er massens størrelse den samme som den for den ingotfremstillende smeltedigelen eller massen knuses eller kuttes i en slik grad at håndteringen er enkel og de resulterende fragmentene pakkes tett i forbindelse i en smeltedigel som ikke levner noen plass blant fragmentene.

For at effekten ifølge oppfinnelsen kan anvendes mer effektivt pakkes massen ønskelig i en smeltedigel på en slik måte at volumet besatt av massen i smeltedigelen fortrinnsvis er minst 50 %, mer foretrukket minst 70 %. I dette tilfellet kan smeltedigelen pakkes med en masse eller et stort antall masser som hver har et volum på ikke mindre enn 100 cm<3>. Økning av massens besittelsesforhold over for smeltedigelens volum på ovennevnte måte fører til en økning av mengden silikonpakking i smeltedigelen og er foretrukket.

Når massen pakkes i en smeltedigel i et ingotfremstillingstrinn kan bare massen pakkes i smeltedigelen, eller dersom det dannes hull når massen pakkes i smeltedigelen, kan massen anvendes sammen med granulært silikon, knust silikon, silikonskum eller lignende.

Silikonmassen stivnet fra smeltet tilstand ifølge oppfinnelsen kan fremstilles ved følgende fremgangsmåte.

Fremgangsmåte for fremstilling av masse

Fremgangsmåten for fremstilling av silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand ifølge oppfinnelsen er en fremgangsmåte omfattende å dryppe smeltet silikon i et mottakskar og tillate karet å motta det smeltede silikonet, hvori: mottakskarets overflatetemperatur er ikke lavere enn 0 °C og ikke høyere enn 1 000 °C, og mottakskaret tillates å motta det smeltede silikonet i en hastighet på 1 x IO"<3>til 5 x 10"<1>g/sek-cm<2>.

Når det gjelder enheten " g/sek-cm<2>" for mottakshastigheten anvendt heri, betyr nevnerområdet et område av en indre overflate på mottakskaret som kommer i kontakt med silikonet, og dette kontaktområdet er i oppfinnelsen definert som følger. Det vil si at når det antas at silikonet som skal mottas av mottakskaret for smeltet silikon antatt som faststoffsilikon med en horisontal flat øvre overflate med en kompaktdensitet (2,33 g/cm<3>) stivnes og pakkes den, er området på mottakskarets indre overflate som kommer i kontakt med silikonet kontaktområde i oppfinnelsen . Tilstanden til kontaktområdet er vist på for eksempel figur 1 (a) til figur 1 (c).

For øvrig atskiller mottakskarets område som delvis kommer i kontakt med den stivnede silikonmassen seg litt fra området definert over, avhengig av innholdet av bobler i massen og graden av horisontalhet og flathet av den øvre overflaten, men ifølge definisjonen av fremstillingsfremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er en slik forskjell tenkt å ha vesentlig ingen betydning.

Mottakskarets form er ikke spesielt begrenset, og det kan være en hvilken som helst av prismeform, sylindrisk form og kuleform som vist i figur 1.

I tilfellet hvor silikonmassen stivnet fra smeltet tilstand allerede er til stede i mottakskaret, kan den smeltede silikonet ytterligere dryppes på eller rundt massen for å gi en oppsamling. Når en slik operasjon utføres, vurderes formen på mottakskarets mottaksdel å være en form inneholdende silikonmassen slik at den stivnede massens overflateområde kan tilsettes ved beregning av kontaktområdet mellom mottakskaret og det dryppede silikonet.

I ovennevnte tilfelle er det ikke spesielt nødvendig å varme karet for å motta smeltet silikon. For å tillate massen å faktisk inneholde bobler, opprettholdes mottakskaret ønskelig ved en temperatur ikke lavere enn 0 °C og lavere enn smeltepunktet for silikon, fortrinnsvis ikke lavere enn 0°C og lavere enn 1 200 °C, mest foretrukket lavere enn 0 °C og lavere enn 1 000 °C. For mottakskaret kan forskjellige materialer slik som metaller, keramikk, glass, silikon og karbon anvendes alene eller i kombinasjon.

For å forhindre forurensing av silikon er materialet av minst en del av mottakskaret som kommer i kontakt med det smeltede silikonet fortrinnsvis varmeresistent keramikk, kvartsglass, karbon eller silikon. Av disse materialene er silikon eller karbon mest foretrukket. Den delen av mottakskaret som kommer i kontakt med det smeltede silikonet må bare være fremstilt av silikon eller karbon, og derfor kan mottakskaret kun være laget av silikon eller karbon, eller en kledning av silikon eller karbon kan være tilveiebrakt på mottakskaret. For eksempel kan en kledning av karbon være tilveiebrakt i et mottakskar laget av silikon eller en kledning av silikon kan være tilveiebrakt i et mottakskar laget av karbon.

I foreliggende oppfinnelse dryppes smeltet silikon, og det er foretrukket å utføre drypping av smeltet silikon i en hydrogenatmosfære og/eller en nitrogenatmosfære, da bobler kan være inneholdt i det smeltede silikonet. Hydrogen og nitrogen løses i smeltet silikon, og når silikonet er størknet avsettes det som bobler, hvorved silikonet kan inneholde bobler. Som et resultat, kan en masse hvis tilsynelatende tetthet har blitt passende kontrollert oppnås. Argon løses knapt (hardly) i smeltet silikon, slik at bobler dannes i små mengder, og dersom dryppehastigheten (mottakshastighet) for smeltet silikon er høy, kan den tilsynelatende tettheten ikke reduseres tilstrekkelig i visse tilfeller.

I foreliggende oppfinnelse tillates mottakskaret å motta det smeltede silikonet i en gjennomsnittlig hastighet på 1 x IO"<3>til 5 x IO"<1>g/sek-cm<2>, fortrinnsvis 1 x IO"<3>til 3,5 x IO"<1>g/sek-cm<2>, mest foretrukket 5 x IO"<3>til 3,5 x IO"<1>g/sek-cm<2>. Når smeltet silikon dryppes i en slik gjennomsnittshastighet, blir det dryppede silikonet ikke små partikler og kan smeltebindes til annet dryppet silikon for å fremstille en masse.

Takke være ovennevnte fremstillingsfremgangsmåte kan en silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand med ovennevnte tilsynelatende tetthet og trykkfasthet oppnås.

Kontroll av den tilsynelatende tettheten og trykkfastheten kan utføres ved å kontrollere ovennevnte mottakshastighet, temperatur, dryppetid (dryppehastighet og stivningshastighet), etc, slik at det er vanskelig å nevne det uten å gjøre forskjell. Det antas imidlertid at når mottaksraten økes oppnås en masse med høyere tilsynelatende tetthet og høyere trykkfasthet, og når mottakshastigheten reduseres, oppnås en masse med lavere tilsynelatende tetthet og trykkfasthet.

Som det smeltede silikonet for anvendelse i oppfinnelsen, kan silikon oppnådd ved å smelte fast silikon slik som en ingot anvendes, men for å redusere energikostnader er det foretrukket å fremstille en silikonmasse av silikon stivnet fra smeltet tilstand direkte under fremgangsmåten for fremstilling av et silikonmateriale av høy renhet.

Det smeltede silikonet er mer foretrukket smeltet silikon oppnådd ved å bringe hydrogen og silan i kontakt med hverandre på en avsetningsoverflate med en temperatur på 600 til 1 700°C for å avsette silikon i en stivnet tilstand eller en smeltet tilstand og smelte vesentlig alt det avsatte silikonet.

Uttrykket "vesentlig alt" betyr at det meste av silikonet er i en smeltet tilstand selv om en del av silikonet kan være i en fast tilstand.

Foretrukne eksempler av silaner inkluderer klorsilaner inneholdende hydrogen i et molekyl, slik som triklorsilan og diklorsilan. Som forholdet av hydrogen til klorsilanen, tas allment kjente forholder i bruk uten noen restriksjoner.

Det er spesielt foretrukket å tillate at formen av mottakskaret for smeltet silikon nesten ligner en smeltedigelform anvendt i et ingotfremstillingstrinn for derved å oppnå en stivnet masse med en form nær smeltedigelformen, slik at målet med oppfinnelsen mest effektivt oppnås.

Den bobleinneholdende massen som fremstilles ved den ovennevnte fremstillingsfremgangsmåte kan pakkes som den er i en smeltedigel i et ingotfremstillingstrinn eller for å forenkle håndtering, kan massen passende knuses eller kuttes innen begrensningene beskrevet i oppfinnelsen før anvendelse.

I foreliggende oppfinnelse, gjennomgår til og med silikonmassen med en form som nært ligner en smeltedigelform selvbrudd og smeltes lett når smeltedigelen varmes. Varme ledes derfor lett gjennom silikonet og smelting krever ikke lang tid. Tiden for oppvarming og holding av smeltedigelen er følgelig kort, og videre fremvises også en synergistisk effekt om at energikostnad kan reduseres.

Apparatet for å utføre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er ikke spesielt begrenset, og reaksjonsapparater beskrevet i for eksempel japansk patentsøknad nr. 316813/2002 er anvendbar uten noen begrensinger. For eksempel anvendes et sylindrisk kar beskrevet i japansk patentsøknad nr. 316813/2002, som på dens nedre ende har en åpning som blir en fjerningsåpning, som et reaksjonskar. Til et slikt reaksjonskar mates en blandet gass av klorsilan og en hydrogengass kontinuerlig, hvorved silikon avsettes kontinuerlig. Selv om oppvarmingsanordningen anvendt heri ikke er spesielt begrenset forutsatt at temperaturen kan justeres til ovennevnte temperatur, anvendes en høyfrekvens spole eller lignende. For å forbedre kontakteffektivitet mellom den blandede gassen som et råmateriale og reaksjonskaret, kan en forøkning av områdeanordning strømingsresistens slik som en åpning tilveiebringes på en indre overflate på det syndriske karet.

Eksempler

Foreliggende oppfinnelse beskrives videre med referanse til de etterfølgende eksemplene, men det må ikke tolkes som om oppfinnelsen på noen måte er begrenset til disse eksemplene.

Eksempel 1

En blandet gass av hydrogen og triklorsilan ble passert gjennom en karbonsylinder, som hadde blitt oppvarmet til en temperatur på 1 200 til 1 400 °C, for å avsette omkring 2 kg silikon på den indre karbonveggoverflaten. I den samme hydrogenatmosfæren ble deretter karbonsylinderens temperatur høynet til et smeltepunkt for silikon eller høyere for å smelte og dryppe det avsatte silikonet. Fra begynnelsen av drypping av litt silikon til avslutningen av drypping av den totale mengden silikon krevdes det 10 minutter.

Et silikonsmeltemottakskar laget av rustfritt stål, som hadde blitt kantet med en silikonplate med en tykkelse på 5 mm på bunnoverflaten og sideoverflaten, ble plassert under karbonsylinderen med en avstand på omkring 2,5 m fra karbonsylinderen, og det smeltede silikonet ble mottatt a mottakskaret. Innsiden (kledingen) av mottakskaret hadde den dimensjon på 10 cm bredde x 10 cm dybde x 50 cm høyde.

Når det antas at 2 kg silikon med en kompaktdensitet er inneholdt i mottakskaret, beregnes sikkerhetshøyden til å være omkring 8,6 cm. Kontaktområdet på mottakskaret der silikonet hadde blitt dryppet under de ovennevnte silikondryppebetingelsene ble derfor beregnet til å være 444 cm<2>, det vil si at totalen av bunnoverflatearealet 100 cm<2>(10 cm x 10 cm) og sideoverflateområdet 344 cm<2>(10 cm x 8,6 cm) x 4 sider. På grunn av at 2 kg silikon ble smeltet og dryppet i mottakskaret i løpet av en periode på 10 minutter, var silikonmottakshastigheten for mottakskaret beregnet som følger: 2 000 g/600 sek/ 400 cm<2>= 7,5 x IO"<3>g/sek cm<2>.

Silikonmassen oppnådd ved drypping av smeltet silikon og mottaking av det ved gjenvinningskar ble stivnet, deretter tatt ut av karet og målt som sådan på dens tilsynelatende tetthet. Som et resultat, var den tilsynelatende tettheten 1,85 g/cm<3>. Massen ble passende knust, deretter ble 10 knuste fragmenter tilfeldig valgt, og hvert av fragmentene ble ytterligere prosessert til en kube med en lengde av én side på 1 cm, etterfulgt av måling av en trykkfasthet. Som et resultat var trykkfastheten i gjennomsnitt 25 MPa.

En silikomasse på 10 kg fremstilt under de samme betingelsene som over ble passende knust for derved å oppnå knuste fragmenter som hver har et volum på 50 til 100 cm<3>, og fragmentene ble pakket i en smeltedigel på et lite støpingsapparat. Deretter ble hull blant de således pakkede fragmentene ytterligere pakket med knuste fragmenter på 1 til 5 mm. Pakkingen ble oppvarmet og smeltet og som et resultat var tiden nødvendig for å smelte alt silikonfaststoffet omkring 70 minutter.

Som det kan sees ved sammenligning med de senere beskrevne sammenlignende eksemplene, var tiden nødvendig for smelting ekstremt mye kortere i dette eksemplet. Dette indikerer at det er mulig raskt å forsone temperaturøkning og rask smelting i et ingotfremstillingstrinn.

Eksempel 2

I en varmesmeltingsovn med en hydrogenatmosfære ble 20 kg silikon smeltet, og deretter ble den totale mengden smeltet silikon dryppet i et mottakskar plassert 2,5 m under ovnen i løpet av en periode på 30 sekunder.

Selv om befatningen til mottakskaret var det samme som i eksempel 1, hadde silikonkledningsplaten en indre dimensjon på 20 cm bredde x 20 cm dybde x 1 m høyde.

Den samme beregningen som i eksempel 1 ble utført. Som et resultat var kontaktområdet på mottakskaret der silikonet hadde blitt dryppet under de ovennevnte silikondryppebetingelsene omkring 2 120 cm<2>, og silikonmottakshastigheten for mottakskaret var 3,1 x 10"<1>g/sek cm<2>.

Silikonmassen oppnådd ved å dryppe smeltet silikon og motta det i gjenvinningskaret ble stivnet, deretter tatt ut av karet og målt på dets tilsynelatende tetthet. Som et resultat var den tilsynelatende tettheten 2,13 g/cm<3>. Massens trykkfasthet var 4,0 MPa.

Den resulterende silikonmassen ble knust og pakket på den samme måten som i eksempel 1, og smelting ved oppvarming ble utført i det samme lille støpeapparatet som i eksempel 1. Som et resultat var tiden nødvendig for å smelte alle silikonfaststoffene omkring 70 minutter.

Sammenlignende eksempel 1

ved anvendelse av det samme silikonavsetningsapparatet som i eksempel 1 ble karbonsylinderen oppvarmet til 1 500 til 1 700 °C for å utføre avsetning av silikon. Samtidig med avsetning ble silikonet smeltet og dryppet etter hverandre. Silikonfremstillingshastigheten var omkring 14 g/min, og silikon i den totale mengden på 2 kg ble fremstilt og dryppet.

Et silikonmottakskar med de samme betingelsene som i eksempel 1 ble plassert og det smeltede silikonet ble dryppet og mottatt.

Den samme beregningen som i eksempel 1 ble utført. Som et resultat var kontaktområdet for mottakskaret for silikonet som hadde blitt dryppet under de ovennevnte silikondryppebetingelsene 444 cm<2>som i eksempel 1, og silikonmottakshastigheten for mottakskaret var 5,3 x IO"<4>g/sek cm<2>.

Silikonet oppnådd ved å dryppe smeltet silikon og motta det ved gjenvinningskaret ble stivnet, deretter tatt ut av karet og målt for dets tilsynelatende tetthet. Som et resultat var den tilsynelatende tettheten 1,65 g/cm<3>. Trykkfastheten var 3 MPa.

Silikon fremstilt under de samme betingelsene som over ble knust og pakket på den samme måten som i eksempel 1, og smelting ved oppvarming ble utført i det samme lille støpeapparatet som i eksempel 1. Som et resultat var tiden nødvendig for å smelte all silikonfaststoffet omkring 90 minutter.

Sammenlignende eksempel 2

Ved anvendelse av det samme apparatet som i eksempel 2 ble 20 kg silikon smeltet i en argonsmelteatmosfære. Deretter ble den totale mengden smeltet silikon dryppet i et mottakskar plassert 2,5 m under ovnen i lOpet av en periode på 30 sekunder.

Mottakskaret var det samme som i eksempel 2. Det vil si at kontaktområdet for mottakskaret med silikonet som hadde blitt dryppet under de ovennevnte dryppebetingelsene var omkring 2 120 cm<2>, og silikonmottakshastigheten for mottakskaret var 6,3 x 10"<1>g/sek cm<2>.

Silikonmassen oppnådd ved å dryppe smeltet silikon og motta det ved gjenvinningskaret ble stivnet, deretter tatt ut av karet og målt for tilsynelatende tetthet. Som et resultat var den tilsynelatende tettheten 2,31 g/cm<3>. Massens trykkfasthet var 60 MPa.

Den resulterende silikonmassen ble knust og pakket på den samme måten som i eksempel 1, og smelting ved oppvarming ble utført i det lille støpeapapratet som i eksempel 1. Som et resultat var tiden nødvendig for å smelte alt silikonfaststoffet omkring 120 minutter.

Sammenlignende eksempel 3

En grafittsylinder med en indre diameter på 50 mm, en lengde på 300 mm og en tykkelse på 10 mm ble varmet til omkring 1 400 °C ved høye frekvenser på 8 kHz, og hydrogen og triklorsilan ble matet i sylinderen for å avsette silikon. Når omkring 370 g silikon ble avsatt ble grafittsylinderens temperatur høynet til 1 500 °C for å dryppe avsetningen. Det gjenvunne silikonet var i en slik tilstand at bare kontaktoverflaten med grafitt ble smeltet, men det meste av andre deler ble ikke smeltet og dryppet som et faststoff.

Den tilsynelatende tettheten for det gjenvunne silikonet var omkring 2,32 g/cm<3>, og trykkfastheten var omkring 70 MPa.

En silikonmasse fremstilt under de samme betingelsene som over ble knust og pakket på samme måte som i eksempel 1, og smelting ved oppvarming ble utført i det samme lille støpeapparatet som i eksempel 1. Som et resultat var tiden nødvendig for å smelte alt silikonfaststoffet omkring 120 minutter.

Sammenlignende eksempel 4

I et lukket kar ble en V-formet grafittstang med en diameter på 20 mm og en lengde på én side på 300 mm anordnet, og en vekselstrøm ble påført på grafittstangen for å varme den til omkring 1 300 °C. Deretter ble hydrogen og triklorsilan matet i det lukkede karet for å avsette omkring 250 g silikon på den V-formede stangen. Deretter ble strømmen som ble anvendt økt, og som et resultat ble nesten den totale mengden av silikonavsetning smeltet og dryppet.

Den tilsynelatende tettheten for silikon gjenvunnet i et gjenvinningskar laget av silikon var 1,6 g/cm<3>, og trykkfastheten var 2 MPa.

Silikon fremstilt under de samme betingelsene som over ble knust og pakket på samme måte som i eksempel 1, og smelting ved oppvarming ble utført i det lille støpeapparatet som i eksempel 1. Sm et resultat var tiden nødvendig for å smelte alt silikonfaststoffet omkring 100 minutter.

Claims (7)

1. Silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand, som er en stivnet silikonmasse fremstilt ved å dryppe smeltet silikon i et mottakskar og tillate karet å motta det smeltede silikonet, den stivnede massen inneholder bobler og har: (i) en tilsynelatende tetthet på ikke mindre enn 1,5 g/cm<3>og ikke mer enn 2,3 g/cm<3>, og (ii) en trykkfasthet på ikke mindre enn 5 MPa og ikke mer enn 50 MPa.

2. Silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand ifølge krav 1, som har et volum på ikke mindre enn 50 cm<3>.

3. Silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand ifølge krav 1 eller 2, hvori massens form nesten ligner en form på en smeltedigel anvendt i et ingotfremstillingstrinn.

4. Fremgangsmåte for fremstilling av en silikonmasse stivnet fra smeltet tilstand, omfattende å dryppe smeltet silikon i et mottakskar og tillate karet å motta det smeltede silikonet, hvori overflatetemperaturen for karet som mottar det smeltede silikonet er ikke lavere enn 0 °C og ikke høyere enn 1 000 °C, og mottakskaret tillates å motta det smeltede silikonet i en hastighet på 1 x IO"<3>til 5 x 10"<1>g/sek-cm<2>.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, hvori det smeltede silikonet er et oppnådd ved å bringe hydrogen og silan i kontakt med hverandre på en avsetningsoverflate med en temperatur på 600 til 1 700 °C for å avsette silikon i en fast tilstand eller en smeltet tilstand og smelte vesenlig alt det avsatte silikonet i en atmosfære inneholdende hydrogen og/eller nitrogen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, hvori formen på mottakskaret nesten ligner en form på en smeltedigel anvendt i et ingotfremstillingstrinn.

7. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 til 6, hvori en del av mottakskaret som kommer i kontakt med silikon, er laget av karbon.