RU2327639C2 - Method of producing high purity silicon - Google Patents
Method of producing high purity silicon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2327639C2 RU2327639C2 RU2006130023/15A RU2006130023A RU2327639C2 RU 2327639 C2 RU2327639 C2 RU 2327639C2 RU 2006130023/15 A RU2006130023/15 A RU 2006130023/15A RU 2006130023 A RU2006130023 A RU 2006130023A RU 2327639 C2 RU2327639 C2 RU 2327639C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- purity
- monoxide
- pure
- high purity
- Prior art date
Links
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству высокочистого кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов.The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular to the production of high-purity silicon, which can be used in the manufacture of solar cells.
Известен способ получения кремния высокой чистоты из трихлорсилана восстановлением его водородом. При этом получается кремний полупроводниковой чистоты, который используется в электронной промышленности. Способ описан в книге «Технология полупроводникового кремния» под редакцией Э.С.Фалькевича. М.: Металлургия, 1992 г., с.107. Однако низкий выход продукта (менее 10%) приводит к его высокой стоимости, что делает способ нерентабельным для получения «солнечного» кремния. Кроме того, сам процесс получения трихлорсилана и его очистки является сложным, дорогостоящим и экологически опасным.A known method of producing high purity silicon from trichlorosilane by its reduction with hydrogen. This produces silicon semiconductor purity, which is used in the electronics industry. The method is described in the book "Technology of semiconductor silicon" edited by E.S. Falkevich. M .: Metallurgy, 1992, p. 107. However, the low yield of the product (less than 10%) leads to its high cost, which makes the method unprofitable for obtaining "solar" silicon. In addition, the process of obtaining trichlorosilane and its purification is complex, expensive and environmentally hazardous.
Известен способ получения высокочистого кремния карботермическим восстановлением кварца высокой чистоты в электродуговой печи с использованием углеродного восстановителя. Способ описан в статье А.А.Бахтина, Л.В.Черняховского, Л.П.Кищенко, П.С.Меньшикова «Влияние качества сырьевых материалов на производство кремния высокой чистоты», журнал «Цветные металлы», №1, 1992 г., с.29-32. Недостатками этого способа являются большие потери чистых исходных материалов в процессе восстановления и высокое для солнечного кремния содержание примесей (до 2·10-2 вес.%).A known method of producing high-purity silicon carbothermal reduction of high purity quartz in an electric arc furnace using a carbon reducing agent. The method is described in the article by A. A. Bakhtin, L. V. Chernyakhovsky, L. P. Kishchenko, P. S. Menshikov “Influence of the quality of raw materials on the production of high-purity silicon”, journal “Non-ferrous metals”, No. 1, 1992 ., p.29-32. The disadvantages of this method are the large losses of pure starting materials in the recovery process and the high content of impurities for solar silicon (up to 2 · 10 -2 wt.%).
Наиболее близким к данному изобретению является техническое решение, предложенное в патенте РФ №2173738 от 23.12.1999 г. Для получения кремния, пригодного в технологии изготовления солнечных элементов, используют процесс восстановления диоксида кремния (природного кварца) в две стадии - сначала до монооксида кремния, а затем до элементарного кремния:Closest to this invention is the technical solution proposed in the patent of the Russian Federation No. 2173738 dated 12/23/1999. To obtain silicon suitable in the technology of manufacturing solar cells, the process of reducing silicon dioxide (natural quartz) in two stages is used - first to silicon monoxide, and then to elemental silicon:
Такой процесс позволяет совмещать получение кремния с его очисткой от примесей, поскольку летучесть большинства примесей значительно ниже летучести монооксида кремния SiO при условиях его образования.Such a process allows combining the production of silicon with its purification from impurities, since the volatility of most impurities is much lower than the volatility of silicon monoxide SiO under the conditions of its formation.
На первой стадии высокочистый кремний расплавляют в тигле и при температуре 1900°С вводят в тигель измельченный высокочистый кварц. Образующийся при этом монооксид кремния поступает на вторую стадию, где восстанавливается до элементарного кремния. Для этого в поток SiO вводят мелкодисперсный углерод - сажу, и процесс восстановления протекает во взвешенном состоянии при температуре 1900-2000°С. Полученный жидкий кремний подвергают затем направленной кристаллизации.At the first stage, high-purity silicon is melted in a crucible and crushed high-purity quartz is introduced into the crucible at a temperature of 1900 ° C. The silicon monoxide formed in this process enters the second stage, where it is reduced to elemental silicon. To do this, finely dispersed carbon — soot — is introduced into the SiO stream, and the reduction process proceeds in suspension at a temperature of 1900–2000 ° С. The resulting liquid silicon is then subjected to directional crystallization.
Способ позволяет получить кремний чистотой 99,998 вес.%, что соответствует суммарному содержанию примесей в нем 0,002 вес.% или 20 ppm (частей на миллион). Степень извлечения кремния составляет при этом 94,7-95%. Однако этому способу присущи следующие недостатки:The method allows to obtain silicon with a purity of 99.998 wt.%, Which corresponds to a total content of impurities in it of 0.002 wt.% Or 20 ppm (parts per million). The degree of extraction of silicon is 94.7-95%. However, this method has the following disadvantages:
- низкая производительность процесса, поскольку исходный жидкий кремний в тигле быстро расходуется на получение монооксида кремния и тигель необходимо часто заменять;- low productivity of the process, since the initial liquid silicon in the crucible is quickly consumed to obtain silicon monoxide and the crucible must often be replaced;
- в отходы идет более 20% исходного кремния высокой чистоты, который загрязняется примесями в процессе образования монооксида кремния;- more than 20% of high-purity silicon source material, which is contaminated by impurities during the formation of silicon monoxide, is wasted;
- чистота полученного кремния недостаточна для его использования в современной солнечной энергетике. В частности, он содержит много углерода, который требует значительных затрат на его удаление.- the purity of the obtained silicon is insufficient for its use in modern solar energy. In particular, it contains a lot of carbon, which requires significant costs for its removal.
Целью изобретения является повышение качества получаемого кремния и снижение затрат на его изготовление.The aim of the invention is to improve the quality of silicon and reduce the cost of its manufacture.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения кремния высокой чистоты, включающем введение в кремнийсодержащий расплав твердого диоксида кремния с образованием монооксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния углеродным восстановителем, в качестве кремнийсодержащего расплава используют диоксид кремния, в который вводят смесь порошков диоксида кремния с элементарным кремнием, взятых в стехиометрическом соотношении, а в качестве углеродного восстановителя используют метан.This goal is achieved in that in a method for producing high purity silicon, comprising introducing solid silicon dioxide into a silicon-containing melt with the formation of silicon monoxide and then reducing silicon monoxide to elemental silicon with a carbon reducing agent, silicon dioxide is used as a silicon-containing melt, into which a mixture of dioxide powder is introduced silicon with elemental silicon, taken in a stoichiometric ratio, and methane is used as a carbon reducing agent.
Сущность изобретения состоит в том, что в реакции образования SiO расходуется смесь порошков диоксида кремния и элементарного кремния, а расплав диоксида кремния в тигле служит реакционной средой и растворителем, но не расходуется. При накоплении в расплаве высоких концентраций примесей его заменяют, но количество замен на порядок меньше по сравнению с прототипом. Материальные потери от загрязнения кварца невелики, так как его стоимость в 10-15 раз ниже стоимости кремния такой же чистоты. В результате производительность процесса повышается и снижаются материальные затраты.The essence of the invention lies in the fact that in the reaction of the formation of SiO a mixture of powders of silicon dioxide and elemental silicon is consumed, and the molten silicon dioxide in the crucible serves as a reaction medium and solvent, but is not consumed. With the accumulation of high concentrations of impurities in the melt, it is replaced, but the number of replacements is an order of magnitude lower compared to the prototype. Material losses from pollution of quartz are small, since its cost is 10-15 times lower than the cost of silicon of the same purity. As a result, the productivity of the process rises and material costs are reduced.
Реакцию восстановления диоксида кремния проводят в электродуговой установке, которая состоит из аргонового плазмотрона, дозатора порошков и реакционной камеры с системой нагрева тигля. Температура восстановления SiO2 до SiO составляет 1900°С. Продукты реакции транспортируются аргоном в блок восстановления SiO.The reduction reaction of silicon dioxide is carried out in an electric arc installation, which consists of an argon plasma torch, a powder dispenser and a reaction chamber with a crucible heating system. The reduction temperature of SiO 2 to SiO is 1900 ° C. The reaction products are transported by argon to the SiO reduction unit.
Восстановление монооксида осуществляют в газовой фазе чистым метаном CH4 при температуре 2300-2500°С. Метан нагревается до указанной температуры с помощью дугового плазмотрона. Реакция восстановления проводится в вихревом реакторе с тангенциальной подачей газа-восстановителя. При этом образующийся кремний осаждается на стенки реактора и стекает в виде жидкой пленки вниз, в приемник кремния. Температура жидкого кремния в тигле-приемнике поддерживается на уровне 1500°С.The reduction of the monoxide is carried out in the gas phase with pure methane CH 4 at a temperature of 2300-2500 ° C. Methane is heated to the indicated temperature using an arc plasmatron. The reduction reaction is carried out in a vortex reactor with a tangential feed of reducing gas. In this case, the silicon formed is deposited on the walls of the reactor and flows down into the silicon receiver in the form of a liquid film. The temperature of liquid silicon in the receiver crucible is maintained at a level of 1500 ° C.
Использование метана уменьшает загрязнение кремния углеродом из-за отсутствия прямого контакта жидкого кремния с углеродом (сажей). Кроме того, это более технологично по сравнению с использованием мелкодисперсной сажи, а реакция в газовой фазе более управляема и воспроизводима. В результате качество получаемого кремния повышается по сравнению с прототипом.The use of methane reduces silicon carbon pollution due to the lack of direct contact of liquid silicon with carbon (soot). In addition, it is more technologically advanced compared to the use of fine soot, and the reaction in the gas phase is more controllable and reproducible. As a result, the quality of the resulting silicon is improved compared to the prototype.
Пример выполнения способаAn example of the method
В качестве исходных материалов для получения высокочистого кремния используют кварцевую крупку чистотой 99,99 вес.% SiO2 и кристаллический кремний в гранулах такой же чистоты. Чтобы приготовить смесь порошков кварца и кремния, эти материалы измельчают до размеров частиц 70-100 мкм и дозируют в соотношении SiO2:Si=2,14:1 по весу. Затем порошки перемешивают час в барабанном смесителе и готовую смесь загружают в питатель реактора. Масса загрузки в питателе - около 30 кг. Для загрузки в тигель используют кварцевую крупку без предварительного размола (с размером частиц 6-8 мм). Эту крупку загружают в графитовый тигель с покрытием из нитрида кремния в количестве 30 кг.As starting materials for obtaining high-purity silicon, quartz grains with a purity of 99.99 wt.% SiO 2 and crystalline silicon in granules of the same purity are used. To prepare a mixture of quartz and silicon powders, these materials are ground to a particle size of 70-100 microns and dosed in a ratio of SiO 2 : Si = 2.14: 1 by weight. Then the powders are stirred for an hour in a drum mixer and the finished mixture is loaded into the reactor feeder. The loading mass in the feeder is about 30 kg. For loading into the crucible, quartz grains are used without preliminary grinding (with a particle size of 6-8 mm). This grain is loaded into a graphite crucible coated with silicon nitride in an amount of 30 kg.
Всю систему для проведения процесса герметизируют, откачивают в вакууме до остаточного давления ~10-4 мм рт.ст. и промывают аргоном в течение 30 минут. Затем все электронагреватели доводят до рабочих температур и запускают в работу плазмотроны для нагрева и подачи в систему газовых потоков аргона и метана. После получения расплава кварца в тигле смесь порошков SiO2 и кремния подают через дозатор в сопло плазмотрона. Продукты реакции (монооксид кремния) переносятся потоком аргона в реактор восстановления SiO, где они смешиваются с потоком нагретого до 2400°С метана. Полученный жидкий кремний собирается в тигле-приемнике. В непрерывном процессе за 3 часа получают 15 кг кремния с параметрами, приведенными ниже.The entire system for the process is sealed, pumped out in vacuum to a residual pressure of ~ 10 -4 mm Hg and washed with argon for 30 minutes. Then, all electric heaters are brought to operating temperatures and plasmatrons are put into operation to heat and supply gas flows of argon and methane to the system. After obtaining the molten quartz in the crucible, a mixture of SiO 2 and silicon powders is fed through a dispenser to the plasma torch nozzle. The reaction products (silicon monoxide) are transferred by a stream of argon to a SiO reduction reactor, where they are mixed with a stream of methane heated to 2400 ° C. The resulting liquid silicon is collected in the receiver crucible. In a continuous process, 15 kg of silicon are obtained in 3 hours with the parameters given below.
Результаты примера и других экспериментов приведены в таблице.The results of the example and other experiments are shown in the table.
Сопоставление способа, являющегося предметом данного изобретения, с прототипом показывает следующие преимущества:The comparison of the method, which is the subject of this invention, with the prototype shows the following advantages:
- разработанный способ позволяет получить кремний, содержащий меньше примесей, особенно углерода, по сравнению с прототипом, т.е. значительно повышает качество получаемого продукта;- the developed method allows to obtain silicon containing less impurities, especially carbon, in comparison with the prototype, i.e. significantly improves the quality of the resulting product;
- производительность процесса получения кремния высокой чистоты увеличивается на 20%, что снижает производственные затраты.- the productivity of the process for producing high purity silicon is increased by 20%, which reduces production costs.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006130023/15A RU2327639C2 (en) | 2006-08-22 | 2006-08-22 | Method of producing high purity silicon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006130023/15A RU2327639C2 (en) | 2006-08-22 | 2006-08-22 | Method of producing high purity silicon |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006130023A RU2006130023A (en) | 2008-02-27 |
RU2327639C2 true RU2327639C2 (en) | 2008-06-27 |
Family
ID=39278533
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006130023/15A RU2327639C2 (en) | 2006-08-22 | 2006-08-22 | Method of producing high purity silicon |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2327639C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7964172B2 (en) | 2009-10-13 | 2011-06-21 | Alexander Mukasyan | Method of manufacturing high-surface-area silicon |
RU2542274C1 (en) * | 2013-08-20 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Method for preparing silicon |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2497753C1 (en) * | 2012-06-28 | 2013-11-10 | Борис Георгиевич Грибов | Method of obtaining high purity silicon |
-
2006
- 2006-08-22 RU RU2006130023/15A patent/RU2327639C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ФАЛЬКЕВИЧ Э.С. и др. Технология полупроводникового кремния. - М.: Металлургия, 1992, с.130-137. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7964172B2 (en) | 2009-10-13 | 2011-06-21 | Alexander Mukasyan | Method of manufacturing high-surface-area silicon |
RU2542274C1 (en) * | 2013-08-20 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Method for preparing silicon |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006130023A (en) | 2008-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108821292B (en) | Method and device for producing silicon monoxide | |
US20230174382A1 (en) | Method, Apparatus, and System for Producing Silicon-Containing Product by Utilizing Silicon Mud Byproduct of Cutting Silicon Material with Diamond Wire | |
Marchal et al. | A low cost, low energy route to solar grade silicon from rice hull ash (RHA), a sustainable source | |
US7964172B2 (en) | Method of manufacturing high-surface-area silicon | |
WO2010029894A1 (en) | High-purity crystalline silicon, high-purity silicon tetrachloride, and processes for producing same | |
NO174694B (en) | Apparatus and method for producing uniform, fine, boron-containing ceramic powders | |
TW201033123A (en) | Method for manufacturing a silicon material with high purity | |
RU2451635C2 (en) | Method of producing highly pure elementary silicon | |
Kong et al. | Recycling high-purity silicon from diamond-wire saw kerf slurry waste by vacuum refining process | |
KR20110112334A (en) | Method for producing high-purity silicon nitride | |
KR20110112223A (en) | Method and system for manufacturing silicon and silicon carbide | |
RU2367600C1 (en) | Method for preparation of high-purity silicon | |
RU2327639C2 (en) | Method of producing high purity silicon | |
JP2024026145A (en) | Silicon granules for preparing trichlorosilane and related manufacturing methods | |
CN103159190B (en) | A kind of superpure nitrogen compound raw powder's production technology | |
JP2010100508A (en) | Production method of high purity silicon | |
JPH0352402B2 (en) | ||
JP2019085303A (en) | Manufacturing method and manufacturing device of silicon | |
RU2354503C1 (en) | Method of sodium diboride nano-powders production | |
KR101124708B1 (en) | Fabrication Method of Silicon Powder by Combustion Synthesis using Molten Salt | |
JP5811002B2 (en) | Method and apparatus for producing SiO using hollow carbon electrode | |
RU2385291C1 (en) | Method of production of high purity crystal silicon (versions) | |
RU2173738C1 (en) | Method for production of multi- and monocrystalline silicon | |
WO2009065444A1 (en) | A method of producing polycrystalline and single crystal silicon | |
JP2010030873A (en) | High purity silicon and production method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090823 |