RU2388691C2 - Method of purifying powdered silicon (versions) - Google Patents

Method of purifying powdered silicon (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2388691C2
RU2388691C2 RU2008116574/15A RU2008116574A RU2388691C2 RU 2388691 C2 RU2388691 C2 RU 2388691C2 RU 2008116574/15 A RU2008116574/15 A RU 2008116574/15A RU 2008116574 A RU2008116574 A RU 2008116574A RU 2388691 C2 RU2388691 C2 RU 2388691C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
chemical etching
carried out
particles
impurities
Prior art date
Application number
RU2008116574/15A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008116574A (en
Inventor
Виталий Викторович Заддэ (RU)
Виталий Викторович Заддэ
Дмитрий Семенович Стребков (RU)
Дмитрий Семенович Стребков
Александр Калистратович Лесников (RU)
Александр Калистратович Лесников
Петр Александрович Лесников (RU)
Петр Александрович Лесников
Original Assignee
Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)
Виталий Викторович Заддэ
Дмитрий Семенович Стребков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ), Виталий Викторович Заддэ, Дмитрий Семенович Стребков filed Critical Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)
Priority to RU2008116574/15A priority Critical patent/RU2388691C2/en
Publication of RU2008116574A publication Critical patent/RU2008116574A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2388691C2 publication Critical patent/RU2388691C2/en

Links

Landscapes

  • Silicon Compounds (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention can be used to obtain highly pure silicon. The method involves chemical etching and high-temperature treatment of the surface of silicon while stirring particles of the powdered silicon at 800 - 1410° C and feeding silicon particles into a gas stream which is chemically active towards impurities and silicon. In another version a layer of porous silicon is formed on the surface of powdered silicon particles first.
EFFECT: invention shortens the purification process and consumption of chemically active gas.
8 cl, 3 ex

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению кремния повышенной чистоты.The invention relates to metallurgy, in particular to the production of silicon of high purity.

Металлургический кремний, содержащий более 98,8% Si, используется для производства кремнийорганических соединений и трихлорсилана - исходного сырья для получения полупроводникового кремния. Производство металлургического кремния высокой степени чистоты восстановлением кварца в электродуговых печах затруднено из-за недостаточной чистоты стенок печи, электродов, углеродистых восстановителей и кварца (И.М.Абдюханов «Разработка основ технологии производства металлургического кремния повышенной чистоты для наземной фотоэнергетики», Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2001, т. XLV, №5-6). Предварительная химическая очистка этих материалов требует значительных капитальных затрат, поэтому экономически целесообразно выплавлять металлургический кремний из обычного сырья по общепринятой технологии, а затем осуществлять его рафинирование.Metallurgical silicon, containing more than 98.8% Si, is used to produce organosilicon compounds and trichlorosilane, the feedstock for the production of semiconductor silicon. The production of metallurgical silicon of high purity by the reduction of quartz in electric arc furnaces is difficult due to the insufficient purity of the furnace walls, electrodes, carbon reducing agents and quartz (I.M. G. (J. Ros. Chemical Society of D.I. Mendeleev), 2001, v. XLV, No. 5-6). Chemical preliminary cleaning of these materials requires significant capital expenditures; therefore, it is economically feasible to melt metallurgical silicon from conventional raw materials using conventional technology, and then refine it.

Последующая очистка жидкого металлургического кремния от металлических примесей путем продувки газообразными галогенсодержащими реагентами дает положительные результаты, но сопровождается вредными выбросами в атмосферу и ухудшает экологическую обстановку.Subsequent purification of liquid metallurgical silicon from metal impurities by purging with gaseous halogen-containing reagents gives positive results, but is accompanied by harmful emissions into the atmosphere and worsens the environmental situation.

Известным способом является кислотная очистка измельченного металлургического кремния, основанная на большом различии в растворимости примесей в жидком и твердом состояниях (патент США № 4241037, кл. С01В 33/02, 1979). В охлажденном кремнии примеси располагаются по границам зерен и при дроблении вскрываются, что дает возможность в водных растворах неорганических кислот и их смесях при низких температурах удалить до 90% металлических примесей. Порошок кремния обрабатывают водным раствором минеральных кислот, содержащим 10% HCl и 10% HF, взятым в количестве в 1,5-5 раз превышающим массу кремния. После кислотной обработки в течение длительного времени (20-50 ч) при температуре до 353 K продукт очищают от примесей промывкой, затем фильтруют.A known method is the acid purification of crushed metallurgical silicon, based on a large difference in the solubility of impurities in liquid and solid states (US patent No. 4241037, CL 01/33/02, 1979). In cooled silicon, impurities are located at the grain boundaries and are opened during crushing, which makes it possible to remove up to 90% of metallic impurities in aqueous solutions of inorganic acids and their mixtures at low temperatures. Silicon powder is treated with an aqueous solution of mineral acids containing 10% HCl and 10% HF, taken in an amount of 1.5-5 times the mass of silicon. After acid treatment for a long time (20-50 h) at a temperature of up to 353 K, the product is purified from impurities by washing, then filtered.

Недостаток этого способа состоит в том, что требуется значительный расход неорганических кислот. В соответствии с этим возрастают расходы, связанные с нейтрализацией отработанных кислотных растворов и их утилизацией. Кроме того, использование кислотных растворов, содержащих значительную концентрацию высокотоксичной фтористоводородной кислоты, создает экологически опасную обстановку для окружающей среды, ухудшает работу оборудования и усложняет процесс нейтрализации отработанных растворов.The disadvantage of this method is that it requires a significant consumption of inorganic acids. In accordance with this, the costs associated with the neutralization of spent acid solutions and their disposal increase. In addition, the use of acidic solutions containing a significant concentration of highly toxic hydrofluoric acid creates an environmentally hazardous environment, impairs the operation of equipment and complicates the process of neutralizing spent solutions.

Наиболее близким аналогом является пат. заявка США №20070202029 «Method of removing impurities from metallurgical grade silicon to produce solar grade silicon», где металлургический кремний измельчают в порошок с размером частиц менее 5 мм и выдерживают в вакууме при температуре от 1000 до 1410°С.The closest analogue is US Pat. US application No. 20070202029 "Method of removing impurities from metallurgical grade silicon to produce solar grade silicon", where metallurgical silicon is pulverized to a particle size of less than 5 mm and kept in vacuum at a temperature of from 1000 to 1410 ° C.

Недостатком этого способа является большая длительность процесса очистки (свыше 30 часов) и ограниченный набор удаляемых примесей, обладающих высоким давлением пара при температуре 1000-1410°С.The disadvantage of this method is the long duration of the cleaning process (over 30 hours) and a limited set of removable impurities with high vapor pressure at a temperature of 1000-1410 ° C.

Задачей изобретения является разработка способа получения порошка кремния высокой чистоты, обеспечивающего эффективную экстракцию из кремния практически любых примесей.The objective of the invention is to develop a method for producing silicon powder of high purity, providing effective extraction from silicon of virtually any impurities.

Технический результат повышения степени чистоты металлургического кремния достигается тем, что в способе очистки порошкообразного кремния, включающем химическое травление поверхности кремния и высокотемпературную термообработку, химическое травление проводят при температуре от 800 до 1410°С при погружении частиц кремния в поток химически активного по отношению к примесям и кремнию газа, при этом химическое травление и термообработку проводят одновременно при перемешивании частиц порошкообразного кремния.The technical result of increasing the purity of metallurgical silicon is achieved by the fact that in the method of cleaning powdered silicon, including chemical etching of the silicon surface and high-temperature heat treatment, chemical etching is carried out at a temperature of from 800 to 1410 ° C when the silicon particles are immersed in a stream chemically active with respect to impurities and silicon gas, while chemical etching and heat treatment are carried out simultaneously with mixing particles of powdered silicon.

В варианте способа очистки порошкообразного кремния, включающем химическое травление поверхности кремния и высокотемпературную термообработку, на поверхности частиц порошкообразного кремния создают слой пористого кремния и проводят химическое травление при температуре от 800 до 1410°С при погружении частиц кремния в поток химически активного по отношению к примесям и кремнию газа, при этом химическое травление и термообработку проводят одновременно при перемешивании частиц порошкообразного кремния.In a variant of the method for cleaning powdered silicon, including chemical etching of the silicon surface and high-temperature heat treatment, a layer of porous silicon is created on the surface of the particles of powdered silicon and chemical etching is carried out at a temperature of 800 to 1410 ° C when the silicon particles are immersed in a stream chemically active with respect to impurities and silicon gas, while chemical etching and heat treatment are carried out simultaneously with mixing particles of powdered silicon.

Для снижения загрязнения окружающей среды в способе очистки порошкообразного кремния химически активный газ создают при пониженном давлении плазмохимическим разрядом токами высокой частоты.To reduce environmental pollution in a method for purifying silicon powder, a chemically active gas is created under reduced pressure by a plasma-chemical discharge by high-frequency currents.

Для снижения продолжительности процесса в способе очистки химическое травление и термообработку проводят одновременно при перемешивании частиц порошкообразного кремния.To reduce the duration of the process in the cleaning method, chemical etching and heat treatment are carried out simultaneously with mixing particles of powdered silicon.

Для дополнительного снижения расхода химически активного газа в способе очистки химическое травление проводят в смеси газов.To further reduce the consumption of reactive gas in the purification method, chemical etching is carried out in a mixture of gases.

Очистка кремния осуществляется следующим образом.Purification of silicon is as follows.

Отливки металлургического кремния измельчают до размера частиц менее 1 мм (предпочтительно около 0,1 мм), полученный порошок кремния помещают в кварцевую камеру печи, нагревают кремний до температуры быстрой диффузии примесей в кремнии (выше 800°С, но ниже точки плавления кремния 1410°С) и через камеру печи пропускают химически активный по отношению к примесям и кремнию газ, содержащий галогены, например хлор или хлористый водород. В результате взаимодействия примесей с потоком газа, содержащим галогены, образуются легколетучие соединения, которые переносятся потоком газа из рабочей зоны печи и улавливаются либо во внешнем фильтре, либо конденсируются в низкотемпературной зоне печи. Таким образом, на поверхности частиц порошка кремния создаются условия для оттока примесей и возникает градиент распределения примесей, под действием которого происходит диффузия примесей из объема на поверхность кремния.Metallurgical silicon castings are crushed to a particle size of less than 1 mm (preferably about 0.1 mm), the resulting silicon powder is placed in a quartz chamber of the furnace, silicon is heated to the temperature of rapid diffusion of impurities in silicon (above 800 ° C, but below the melting point of silicon 1410 ° C) and gas containing halogens, such as chlorine or hydrogen chloride, is reactive with impurities and silicon through a furnace chamber. As a result of the interaction of impurities with a gas stream containing halogens, volatile compounds are formed that are transported by a gas stream from the furnace working zone and are trapped either in the external filter or condense in the low-temperature zone of the furnace. Thus, conditions for the outflow of impurities are created on the surface of particles of silicon powder and an impurity distribution gradient arises under the influence of which the diffusion of impurities from the bulk onto the silicon surface occurs.

Чем больше удельная поверхность частиц кремния, тем интенсивнее идет отток примесей к поверхности, поэтому предпочтительным является проведение предварительной обработки частиц для образования на поверхности слоя пористого кремния, способного в 10-100 раз увеличить площадь поверхности и в результате снизить продолжительность процесса термообработки, что повышает производительность оборудования и сокращает энергозатраты на процесс очистки. Одновременно с образованием пористого слоя кремния происходит первый этап удаления примесей с поверхности порошкообразного кремния.The larger the specific surface area of silicon particles, the more intensive is the outflow of impurities to the surface; therefore, it is preferable to pre-treat the particles to form a layer of porous silicon that can increase the surface area by 10-100 times and as a result reduce the duration of the heat treatment process, which increases productivity equipment and reduces energy costs for the cleaning process. Simultaneously with the formation of a porous silicon layer, the first stage of removal of impurities from the surface of powdered silicon occurs.

Второй этап удаления оставшихся примесей из кремния происходит в разогретой камере печи при сухом газовом травлении поверхности частиц кремния. Минимальное значение расхода химически активных газов достигается при использовании пониженного давления газа и подбора состава их смеси, в которой обеспечивается минимальное взаимодействие с кремнием и максимальное с примесными элементами.The second stage of removal of the remaining impurities from silicon occurs in the heated chamber of the furnace during dry gas etching of the surface of silicon particles. The minimum value of the flow rate of chemically active gases is achieved by using reduced gas pressure and selecting the composition of their mixture, which provides the minimum interaction with silicon and the maximum with impurity elements.

Условие погружения частиц кремния в поток химически активного газа достигается путем использования непрерывного перемешивания частиц с помощью, например, ультразвуковых колебаний или вращения рабочей камеры печи.The condition for immersing silicon particles in a stream of reactive gas is achieved by using continuous mixing of the particles using, for example, ultrasonic vibrations or rotation of the working chamber of the furnace.

Предложенный способ очистки кремния иллюстрируется следующими примерами.The proposed method for purifying silicon is illustrated by the following examples.

Пример 1. Порошкообразный кремний при перемешивании загружают в химическую ванну со смесью 1-2 части азотной кислоты на 100 частей плавиковой кислоты на время около 1 минуты для образования слоя пористого кремния и растворения примесей, находящихся на поверхности частиц кремния. Порошок промывают водой и сушат в ИК-печи. Дальнейший процесс очистки продолжается в газовой среде. Сухое травление порошка кремния ведут в во вращающейся вдоль продольной оси кварцевой трубе, помещенной горизонтально в трубчатую печь с температурой в рабочей зоне около 1150°С. Через трубу пропускают смесь газов из йода и хлора. Процесс ведут в течение 3 часов.Example 1. Powdered silicon with stirring is loaded into a chemical bath with a mixture of 1-2 parts of nitric acid per 100 parts of hydrofluoric acid for about 1 minute to form a layer of porous silicon and dissolve impurities located on the surface of silicon particles. The powder is washed with water and dried in an infrared oven. A further cleaning process continues in the gaseous medium. Dry etching of silicon powder is carried out in a quartz tube rotating along the longitudinal axis, placed horizontally in a tubular furnace with a temperature in the working zone of about 1150 ° C. A mixture of gases from iodine and chlorine is passed through the pipe. The process is conducted within 3 hours.

Пример 2. В отличие от примера 1 процесс сухого травления порошка кремния ведут в плазменном высокочастотном разряде при натекании в рабочую камеру шестифтористой серы + хлористый водород при откачке газов вакуумным насосом.Example 2. In contrast to example 1, the process of dry etching of silicon powder is carried out in a plasma high-frequency discharge when sulfur hexafluoride + hydrogen chloride flows into the working chamber during the pumping of gases by a vacuum pump.

Пример 3. В отличие от примера 1 процесс сухого травления порошка кремния ведут, меняя поочередно через каждые 15 минут смесь газов - барботаж азота через POCl3 на шестифтористую серу. При этом на поверхности кремния поочередно возникает, а затем стравливается пленка фосфорносиликатного стекла, обладающая хорошими геттерирующими свойствами по отношению к примесям.Example 3. In contrast to example 1, the process of dry etching of silicon powder is carried out, alternating every 15 minutes, a mixture of gases - nitrogen sparging through POCl 3 to sulfur hexafluoride. At the same time, a phosphorosilicate glass film, which has good gettering properties with respect to impurities, appears and is subsequently etched on the silicon surface.

Claims (8)

1. Способ очистки порошкообразного кремния, включающий химическое травление поверхности кремния и высокотемпературную термообработку, отличающийся тем, что химическое травление проводят при температуре от 800 до 1410°С при погружении частиц кремния в поток химически активного по отношению к примесям и кремнию газа, при этом химическое травление и термообработку проводят одновременно при перемешивании частиц порошкообразного кремния.1. The method of cleaning powdered silicon, including chemical etching of the silicon surface and high-temperature heat treatment, characterized in that the chemical etching is carried out at a temperature of from 800 to 1410 ° C when the silicon particles are immersed in a gas stream chemically active with respect to impurities and silicon, while etching and heat treatment are carried out simultaneously with mixing particles of powdered silicon. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что химически активный газ создают плазмохимическим разрядом токами высокой частоты при пониженном давлении.2. The method according to claim 1, characterized in that the reactive gas is created by plasma-chemical discharge by high frequency currents under reduced pressure. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что химическое травление проводят в смеси газов.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the chemical etching is carried out in a mixture of gases. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что химическое травление проводят в смеси газов, образующих на кремнии стеклообразующую пленку.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the chemical etching is carried out in a mixture of gases forming a glass-forming film on silicon. 5. Способ очистки порошкообразного кремния, включающий химическое травление поверхности кремния и высокотемпературную термообработку, отличающийся тем, что на поверхности частиц порошкообразного кремния создают слой пористого кремния и проводят химическое травление при температуре от 800 до 1410°С при погружении частиц кремния в поток химически активного по отношению к примесям и кремнию газа, при этом химическое травление и термообработку проводят одновременно при перемешивании частиц порошкообразного кремния.5. A method of cleaning powdered silicon, including chemical etching of the silicon surface and high-temperature heat treatment, characterized in that a porous silicon layer is created on the surface of the silicon powder particles and chemical etching is carried out at a temperature of from 800 to 1410 ° C. when the silicon particles are immersed in a chemically active stream with respect to impurities and silicon gas, while chemical etching and heat treatment is carried out simultaneously with mixing particles of powdered silicon. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что химически активный газ создают плазмохимическим разрядом токами высокой частоты при пониженном давлении.6. The method according to claim 5, characterized in that the reactive gas is created by plasma-chemical discharge by high frequency currents under reduced pressure. 7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что химическое травление проводят в смеси газов.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the chemical etching is carried out in a mixture of gases. 8. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что химическое травление проводят в смеси газов, образующих на кремнии стеклообразующую пленку. 8. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the chemical etching is carried out in a mixture of gases forming a glass-forming film on silicon.
RU2008116574/15A 2008-04-29 2008-04-29 Method of purifying powdered silicon (versions) RU2388691C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008116574/15A RU2388691C2 (en) 2008-04-29 2008-04-29 Method of purifying powdered silicon (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008116574/15A RU2388691C2 (en) 2008-04-29 2008-04-29 Method of purifying powdered silicon (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008116574A RU2008116574A (en) 2009-11-10
RU2388691C2 true RU2388691C2 (en) 2010-05-10

Family

ID=41354191

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008116574/15A RU2388691C2 (en) 2008-04-29 2008-04-29 Method of purifying powdered silicon (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2388691C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008116574A (en) 2009-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5032223B2 (en) Method for cleaning polysilicon crushed material
JP4856738B2 (en) Manufacturing method of high purity silicon material
TWI527759B (en) Method for the purification of fluorine
KR102303581B1 (en) Polycrystalline silicon rod and manufacturing method thereof
JP5768714B2 (en) Method for producing silicon
RU2451635C2 (en) Method of producing highly pure elementary silicon
WO2010029894A1 (en) High-purity crystalline silicon, high-purity silicon tetrachloride, and processes for producing same
JP5291098B2 (en) Technology for the production of polycrystalline silicon from fluorosilicic acid solution and equipment for its production
KR20110112223A (en) Method and system for manufacturing silicon and silicon carbide
WO2006019334A1 (en) Method for producing silicon, method for separating silicon from molten salt and method for producing tetrafluoride
JP2010095438A (en) Method of refining carbon part for production of polycrystalline silicon
JP2003012317A (en) Method for refining silicon
RU2388691C2 (en) Method of purifying powdered silicon (versions)
WO2011016167A1 (en) Silicon oxide removal apparatus, and inert gas collection facility for silicon monocrystal production apparatus
JP2004137118A (en) Method for recovering hydrochloric acid from waste iron-hydrochloric acid treatment liquid
CN116254547A (en) Preparation method of nitrogen trifluoride
JP3103507B2 (en) Purification method of impure diamond powder
JP2007261944A (en) Purification method for silicon
JP2011178586A (en) Method for refining polycrystalline silicon
RU2356834C2 (en) Method of obtaining polycrystalline silicon in form of spherical granules
RU2415080C2 (en) Method and apparatus for purifying silicon
JP2012005929A (en) Method of removing fluorine-containing compound gas
Mukhachev et al. Zircon processing in sodium carbonate melt
RU2635157C1 (en) Method of technical silicon cleaning
JPH0531487B2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120430