RU2026814C1

RU2026814C1 - Method of high-pure silicon preparing

Info

Publication number: RU2026814C1
Authority: RU
Inventors: Л.В. Черняховский; А.А. Бахтин; Л.П. Кищенко; А.В. Кауров
Priority date: 1991-07-08
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1995-01-20

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy. SUBSTANCE: metallurgic silicon is treated with alkali and mineral acids and then converted to the silicon carbide by its high-temperature interaction with carbon. Silicon carbide prepared is treated successively with hydrochloric and hydrofluoric acids at boiling points of latters following by their interaction with stoichiometric concentration of high-pure silica up to the preparing of elemental silicon at 1900-2100 C. EFFECT: improved method of silicon preparing. 1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению полупроводникового кремния, который может быть использован для изготовления солнечных элементов. The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular to the production of semiconductor silicon, which can be used for the manufacture of solar cells.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является техническое решение, согласно которому металлургический кремний измельчают и подвергают обработке раствором минеральной кислоты. Однако этот способ не позволяет достичь высокой степени очистки. The closest in technical essence and the achieved result is a technical solution, according to which metallurgical silicon is crushed and subjected to treatment with a solution of mineral acid. However, this method does not allow to achieve a high degree of purification.

Задачей изобретения является повышение степени очистки кремния. The objective of the invention is to increase the degree of purification of silicon.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения высокочистого кремния, включающем получение технического кремния, измельчение его, обработку щелочью и минеральной кислотой, после обработки щелочью и кислотой металлургический кремний переводят в карбид кремния путем высокотемпературного взаимодействия его с углеродом, который обрабатывают соляной и плавиковой кислотами при их температуре кипения, затем приводят во взаимодействие со стехиометрическим количеством высокочистого кремнезема при температуре 1900 - 2000^оС до получения элементарного кремния.The problem is solved in that in a method for producing high-purity silicon, including the production of technical silicon, grinding it, treatment with alkali and mineral acid, after treatment with alkali and acid, metallurgical silicon is converted to silicon carbide by high-temperature interaction with carbon, which is treated with hydrochloric and hydrofluoric acids at their boiling temperature, then are reacted with a stoichiometric amount of high-purity silica at a temperature of 1900 - 2000 ^C to poluch Nia elemental silicon.

При этом обработку карбида кремния ведут кислотами с концентрацией 15 - 20%. In this case, silicon carbide is treated with acids with a concentration of 15 - 20%.

Техническая сущность поясняется следующим. The technical essence is illustrated by the following.

Для достижения высокой степени чистоты кремния технический кремний переводят в карбид кремния, кристаллическая структура которого состоит из монокристаллов. To achieve a high degree of purity of silicon, industrial silicon is converted to silicon carbide, the crystal structure of which consists of single crystals.

При кристаллизации карбида кремния элементы примесей будут вытесняться из тела монокристалла и, оставаясь на поверхности, могут быть легко удалены дальнейшей кислотной обработкой. During crystallization of silicon carbide, impurity elements will be displaced from the single crystal body and, remaining on the surface, can be easily removed by further acid treatment.

Возможно, что часть примеси перейдет в образовавшийся монокристалл карбида кремния. В этом случае в монокристалле возникнет дефект кристаллической решетки, на месте которого в первую очередь происходит разлом при измельчении продукта, а частицы примеси при этом оказываются на поверхности и становятся легкодоступными для обработки. It is possible that part of the impurity will pass into the formed silicon carbide single crystal. In this case, a defect of the crystal lattice will arise in the single crystal, in the place of which the fracture occurs first when the product is ground, while the impurity particles appear on the surface and become easily accessible for processing.

Обработку карбида кремния проводят кислотами при температуре их кипения. При этом достигается лучшее перемешивание реагентов и ускорение отвода образующихся газообразных и мелкодисперсных соединений примесей за счет разрушения диффузионного слоя вокруг частиц карбида кремния. Кроме того, при температуре кипения повышается химическая активность кислоты, а некоторые примеси только при температуре кипения вступают во взаимодействие с ней. The processing of silicon carbide is carried out with acids at their boiling point. In this case, better mixing of the reagents and acceleration of the removal of the resulting gaseous and finely dispersed compounds of impurities due to the destruction of the diffusion layer around the particles of silicon carbide is achieved. In addition, at the boiling point, the chemical activity of the acid increases, and some impurities only interact with it at the boiling point.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что:
- после обработки щелочью и кислотой металлургический кремний переводят в карбид кремния путем высокотемпературного взаимодействия его с углеродом;
- полученный карбид кремния обрабатывают последовательно соляной и плавиковой кислотами при температуре их кипения с концентрацией 15 - 20%;
- обработанный кислотами карбид кремния приводят во взаимодействие со стехиометрическим количеством высокочистого кремнезема при температуре 1900 - 2100^оС до получения элементарного кремния.A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the inventive method differs from the known one in that:
- after treatment with alkali and acid, metallurgical silicon is converted to silicon carbide by high-temperature interaction with carbon;
- the resulting silicon carbide is treated sequentially with hydrochloric and hydrofluoric acids at a boiling point with a concentration of 15 to 20%;
- acid-treated silicon carbide is reacted with a stoichiometric amount of high-purity silica at a temperature of 1900 - 2100 ^C to produce elemental silicon.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the proposed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty."

Анализ известных технических решений в данной и смежных областях показал, что известен способ получения карбида кремния путем высокотемпературного взаимодействия его с углеродом. Analysis of the known technical solutions in this and related fields has shown that a method for producing silicon carbide by means of its high-temperature interaction with carbon is known.

Известен также способ получения элементарного кремния при взаимодействии карбида кремния с кремнеземом. There is also a method of producing elemental silicon by the interaction of silicon carbide with silica.

Кроме того, известны способы получения высокочистого кремния путем перевода технического кремния в кремнийсодержащие соединения, преимущественно галосиланы, с последующим восстановлением их до металлического кремния. In addition, there are known methods for producing high-purity silicon by converting technical silicon into silicon-containing compounds, mainly halosilanes, followed by their reduction to metallic silicon.

Однако при реализации способа возникают технические трудности, связанные с обеспечением разделения продуктов реакции. However, when implementing the method there are technical difficulties associated with the separation of reaction products.

Предлагаемый способ также предусматривает перевод технического кремния в кремнийсодержащее соединение с последующим взаимодействием его с высокочистым кремнеземом. The proposed method also provides for the conversion of technical silicon into a silicon-containing compound, followed by its interaction with high-purity silica.

Однако согласно предлагаемому способу, кремнийсодержащее соединение является твердым кристаллическим продуктом, при кристаллизации которого примеси остаются за пределами кристаллов и могут быть легко удалены обработкой кислотами. При взаимодействии очищенного карбида кремния с высокочистым кремнеземом получают кремний высокого качества. However, according to the proposed method, the silicon-containing compound is a solid crystalline product, during crystallization of which impurities remain outside the crystals and can be easily removed by treatment with acids. In the interaction of purified silicon carbide with high purity silica get high-quality silicon.

Известен также способ двухстадийного получения кремния, предусматривающий получение на первой стадии карбида кремния взаимодействием кремнезема и углерода, на второй стадии - получение кремния взаимодействием карбида кремния и кремнезема. There is also a known method of two-stage production of silicon, which provides for the preparation of silicon carbide by the interaction of silica and carbon in the first stage, and the preparation of silicon by the interaction of silicon carbide and silica in the second stage.

Для получения высокочистого кремния способ является непригодным, поскольку при получении чистого монокристалла карбида кремния необходимо использовать глубокоочищенное углеродсодержащее сырье, которое по отношению к двуокиси кремния обладает низкой реакционной способностью, что ведет к низкому извлечению продукта. To obtain high-purity silicon, the method is unsuitable, since in obtaining a pure single crystal of silicon carbide it is necessary to use a highly purified carbon-containing raw material, which with respect to silicon dioxide has a low reactivity, which leads to low recovery of the product.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого способа образуют новую совокупность и последовательность признаков способа получения высокочистого кремния, а именно такая совокупность и последовательность известных признаков является необходимой и достаточной для получения более чистого продукта (Si = =99,99%) по сравнению с прототипом. Поэтому заявляемая совокупность признаков соответствует критерию изобретения "существенные отличия". Thus, the distinguishing features of the proposed method form a new combination and sequence of features of the method for producing high-purity silicon, namely, such a combination and sequence of known features is necessary and sufficient to obtain a cleaner product (Si = 99.99%) compared to the prototype. Therefore, the claimed combination of features meets the criteria of the invention "significant differences".

Пример выполнения способа. An example of the method.

Измельченный в порошок до размера зерна < 80 мкм технический кремний массой 1 кг обрабатывают одним литром раствора 15% КОН в течение 0,5 ч. Затем кремний отфильтровывают и промывают 3 л горячей воды, после чего обрабатывают 1 л горячего раствора 15% HCl в течение 8 ч, снова фильтруют, промывают горячей водой и сушат. Powdered to a grain size <80 μm, technical silicon weighing 1 kg is treated with one liter of a 15% KOH solution for 0.5 h. Then, silicon is filtered and washed with 3 L of hot water, after which 1 L of a hot solution of 15% HCl is treated for 8 hours, filtered again, washed with hot water and dried.

Высушенный кремний смешивают с 430 г порошка графита марки МГ-ОСЧ (С = = 99,999% ) и помещают на 3 ч в печь сопротивления при 2100^оС до получения карбида кремния.Dried silica was mixed with 430 g of graphite powder brand of MG-OFS (C = 99.999%) and placed for 3 hours in a resistance furnace at 2100 ^C to obtain silicon carbide.

После охлаждения карбид кремния измельчают до крупности < 20 мкм, обрабатывают 1,5 л раствора 20% HCl при температуре кипения в течение 5 ч, отфильтровывают и промывают водой. Аналогичным способом проводят обработку плавиковой кислотой. Для обработки используют кислоты марки ОСЧ. После этого 1,4 кг очищенного карбида кремния смешивают с 1,05 кг порошка кварца (SiO₂ - 99,999%) и помещают в печь сопротивления на 1 ч при 2000^оС до получения элементарного кремния. Полученный продукт содержит 99,990% кремния.After cooling, silicon carbide is crushed to a particle size <20 μm, treated with 1.5 L of a solution of 20% HCl at boiling point for 5 hours, filtered and washed with water. In a similar way, hydrofluoric acid is treated. For processing use acid brand OSH. Thereafter, 1.4 kg of refined silicon carbide was mixed with 1.05 kg of quartz powder (SiO ₂ - 99.999%) and placed in a resistance furnace for 1 hour at 2000 ^C to produce elemental silicon. The resulting product contains 99.990% silicon.

В таблице показано качество продукта, полученного по предлагаемому способу и прототипу, а также влияние обработки кислотами карбида кремния, полученного в качестве промежуточного продукта предлагаемым способом, на качество конечного продукта. The table shows the quality of the product obtained by the proposed method and prototype, as well as the effect of acid treatment of silicon carbide, obtained as an intermediate product by the proposed method, on the quality of the final product.

Как следует из таблицы, лучшие результаты очистки кремния достигаются при обработке карбида кремния кислотами при температуре кипения (105, 110^оС) и концентрации 15% и выше.As follows from the table, the best silicon purification results are achieved when the processing of silicon carbide acid at reflux temperature (105, 110 ^C) and a concentration of 15% and above.

Предлагаемый способ позволяет повысить чистоту кремния по сравнению с прототипом с 99,986 до 99,990%. The proposed method allows to increase the purity of silicon compared with the prototype from 99.986 to 99.990%.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING HIGH PURE SILICON, including grinding technical silicon and treating it with a mineral acid solution, characterized in that technical silicon is treated with an alkali solution before being treated with a mineral acid solution, after being treated with an acid solution, it is subjected to high-temperature interaction with carbon, the silicon carbide obtained is treated with a solution in sequence hydrochloric and hydrofluoric acids at their boiling point and after separation, silicon carbide is subjected to interaction with ysokochistym silica, taken in steiohmetricheskom quantity at 1900 - 2100 ^o C.

2. The method according to claim 1, characterized in that the silicon carbide is treated with a 15 to 20% acid solution.