WO2001027029A1 - Verfahren zur herstellung von hochreinem, granularem silizium bei niedrigem druck - Google Patents

Verfahren zur herstellung von hochreinem, granularem silizium bei niedrigem druck Download PDF

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WO2001027029A1
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reactor
pressure
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Leslaw Mleczko
Heiko Herold
Sigurd Buchholz
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Solarworld Aktiengesellschaft
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing high-purity, granular silicon by decomposing a silicon-containing gas, in particular silanes, under reduced pressure. Furthermore, the invention relates to the use of the elemental silicon thus produced in photovoltaics and semiconductor technology.
  • Gases containing silicon are understood to mean silicon compounds or mixtures of silicon compounds which are gaseous under the conditions according to the invention. Silicon-free gases in the sense of this invention are gases which contain no silicon compounds.
  • thermal decomposition of volatile silicon compounds are known for obtaining elemental silicon of a purity grade which permits its use in photovoltaics or in semiconductor technology. Such thermal decompositions are carried out, for example, in Siemens reactors. In this type of reactor, thermal decomposition takes place at the
  • Fluidized bed reactors are also suitable, in which small silicon particles are placed and these are fluidized by the inflow of a suitable silicon-containing gas or gas mixture. Ideally, the thermal decomposition of the volatile silicon compound should only take place on the surface of the silicon particles.
  • US 3,012,861 discloses a process for producing elemental silicon in a fluidized bed reactor.
  • Silanes and halosilanes which can be diluted with other gases, are used as silicon compounds. Suitable gases for dilution are argon or helium; in the case of silane, hydrogen can also be used.
  • the reaction can take place over a wide pressure range. leads. If undiluted SiH or SÜ 4 is used as the silicon compound, reaction control at low pressure is advantageous, according to US Pat. No. 3,012,861.
  • a preferred pressure of about 5 mmHg (about 6.7 mbar) and below is mentioned.
  • undiluted Sil 4 the preferred pressure range is below 0.1 ⁇ bar.
  • the silicon compound is undiluted
  • the silicon dust has a very large specific surface area and is therefore so easily contaminated that it has no other
  • No. 4,684,513 also describes the formation of silicon dust as a problem in silane pyrolysis.
  • silane pyrolysis is carried out in a special reactor, the structure of which enables a very specific temperature profile to be achieved.
  • Pyrolysis is supplied, is preferably diluted with 50 vol .-% of another gas or gas mixture.
  • Zones exist, the silicon-containing gas not being supplied via internals for gas distribution but directly via a nozzle. According to this method, it is possible to thermally decompose silicon-containing gases without adding a diluent gas in such a way that the formation of silicon dust is reduced. However, a complete push back of dust formation is not possible.
  • the implementation of the method is also associated with a high level of equipment.
  • Thermal silicon deposition from silicon-containing gases usually takes place above the Tammann temperature of silicon (approx. 52% of the melting temperature of silicon). From this temperature, materials behave "sticky" and the bed particles can agglomerate. This leads to defluidization and clogging of the reactor or the gas distributor. This leads to a critical silane concentration (> 15 to 20 vol% silane based on that total gas supplied) for agglomeration and defluidization of the bed in fluidized bed reactors, while silane concentrations below this critical value have the disadvantage that only moderate space-time yields are achieved.
  • the hydrogen content of the silicon formed by deposition is also a problem.
  • the residual hydrogen content of silicon plays a major role in the deposition of silicon from hydrogen-containing compounds. If the hydrogen content is high, difficulties arise in melting the silicon.
  • the present invention had for its object to provide a method by which high-purity, granular silicon suitable for photovoltaics and semiconductor technology can be obtained in high yield by decomposing a silicon-containing gas, in particular a gaseous silane, in a moving bed reactor or a fluidized bed reactor, being the above
  • the present invention relates to a method for producing high-purity, granular silicon by decomposing a silicon-containing gas, characterized in that the decomposition is carried out at a pressure of 100 to 900 mbar.
  • SiH 4 can be converted almost quantitatively by the method according to the invention. Yields of the desired high-purity, granular silicon of> 90%, based on the SiH used, are achieved.
  • the process according to the invention can be carried out in different reactor types.
  • the use of a fluidized bed reactor is preferred.
  • Suitable reactors, in particular fluidized bed reactors, are already known.
  • Reactors with bubble-forming or circulating fluidized beds may be mentioned here, as well as bubble bed and downpipe reactors.
  • the process can be carried out, for example, continuously or batchwise. The continuous one is preferred
  • the high-purity, granular silicon formed can be discharged continuously or batchwise, for example, from the reactor used.
  • Silanes As a silicon-containing gas, silanes, silicon iodides and halosilanes of chlorine, bromine and iodine come into question. Mixtures of the compounds mentioned can also be used. It is irrelevant whether the silicon compound is already gaseous at room temperature or whether it first has to be converted into the gas state. The conversion into the gas state can, for example, take place thermally.
  • Silanes are preferably used. Examples include SiH, Si 2 H 6 , Si 3 H 8 , Si 4 H 10 and Si 6 H ⁇ . S1H4 is particularly preferred.
  • the process according to the invention is carried out at pressures from 100 to 900 mbar, preferably at pressures from 200 to 800 mbar.
  • the pressure range is particularly preferably 300 to 700 mbar, particularly preferably 400 to 600 mbar. All specified pressure values are absolute pressure values. If the process according to the invention is carried out in a fluidized bed reactor, the pressure mentioned is to be understood as the pressure which, seen in the direction of flow of the gas stream supplied, prevails behind the fluidized bed.
  • a silicon-free gas up to 50% by volume of a silicon-free gas, based on the total gas supplied.
  • the amount of silicon-free gas added is preferably 0 to 40% by volume, particularly preferably 0 to 20% by volume.
  • the addition of the silicon-free gas reduces the formation of silicon dust, on the other hand, such an addition requires more energy and leads to a reduced space-time yield.
  • the embodiment without the addition of a silicon-free gas is preferred.
  • Suitable silicon-free gases are, for example, the noble gases, nitrogen and, in the event that silane is used as the silicon-containing gas, hydrogen, it being possible for the silicon-free gases to be used individually or in any combination. Nitrogen and hydrogen are preferred, and hydrogen is particularly preferred.
  • the temperature can be varied in the temperature range from 300 ° C to 1 400 ° C. However, it must be high enough to ensure the decomposition of the silicon-containing gas and must not exceed the melting temperature of the silicon produced.
  • the advantageous temperature range is between 500 ° C and 1400 ° C.
  • a decomposition temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. is preferred, particularly preferably 620 ° C. to 700 ° C.
  • Sil 4 lies the corresponding range between 850 ° C and 1250 ° C, for halosilanes between 500 ° C and 1400 ° C.
  • solid particles are placed in fluidized bed reactors in the reaction space.
  • the particles can be supplied batchwise or continuously from the outside. However, particles which are generated in the reaction space can also be used as particles.
  • the particles form a fixed bed through which the supplied gas flows.
  • the inflow rate of the supplied gas is adjusted so that the fixed bed is fluidized and a fluidized bed is formed.
  • the corresponding procedure is known per se to the person skilled in the art.
  • the inflow speed of the supplied gas must at least correspond to the loosening speed. Loosening speed is understood to mean the speed at which a gas flows through a bed of particles and below which the fixed bed is retained, i.e. below which the bed particles remain largely stationary. Above this speed the fluidization of the bed begins, i.e. the bed particles move and the first bubbles form.
  • the inflow speed of the supplied gas is preferred for this
  • Embodiment one to ten times, preferably one and a half to seven times the loosening speed.
  • Particles with a diameter of 50 to 5000 ⁇ m are advantageously used.
  • the particles used are preferably silicon particles. These silicon particles advantageously have the purity that is also desired for the high-purity, granular silicon produced. However, it is also possible to use silicon particles with certain doping if doped material it is asked for. Particles that are not made of silicon are also suitable as long as they are stable under the reaction conditions.
  • doped material it can also be done, for example, by adding suitable substances during the manufacturing process.
  • Suitable substances are, for example, compounds of phosphorus or boron or aluminum.
  • the silicon produced by the method according to the invention can be used in various areas. For example in the field of photovoltaics, e.g. as a starting material for the production of solar cells or in semiconductor technology, e.g. in the manufacture of electronic components.
  • Wall temperature of a technical fluidized bed reactor for the thermal decomposition of silicon compounds determined using the example of silane.
  • reactor diameter 1.5 m
  • Reactor height 4 m
  • Particle diameter 800 ⁇ m
  • Gas velocity at the reactor inlet 1.35 ms "1.
  • the heat transfer coefficient was calculated after a correlation of the VDI heat atlas.
  • Wall temperature 676 657 It is clear from the table that the specific power requirement for the vacuum mode with the same production rate is only about one fifth of the power requirement for a mode with normal pressure with hydrogen as the fluidizing gas.
  • the wall temperature of the reactor is also 20 ° C below the wall temperature in normal pressure operation. In vacuum operation there are therefore fewer
  • a vacuum experiment (500 mbar abs.) was carried out in the test reactor described in Example 2, in which the concentration of silane was kept at 100% by volume. The experiments were carried out in the reactor described in Example 2. After heating the bed (800 g Si, particle diameter: 250-355 ⁇ m,) to a temperature of 650-670 ° C, the silane concentration was adjusted to 100% by volume. The fluidized bed was operated stably over a period of more than 40 minutes. 293.0 g of silicon were deposited on the bed particles and 39.9 g were collected as fine dust in the cyclone and filter downstream of the reactor.
  • silane concentration can be increased up to 100% and there is nevertheless a stable fluidization of the bed and long run times of the experiments, during and after which no defluidization and agglomeration is observed.
  • the silicon produced according to Examples 2b and 3 was analyzed by surface analysis (XPS) and volume analysis (ICP). The contamination level was below the detection limit of the two methods.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von hochreinem, granularem Silizium durch Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases, insbesondere eines Silans in einem Druckbereich von 100 bis 900 mbar, wobei bis zu 50 Vol-%, bezogen auf das insgesamt zugeführte Gas, eines siliziumfreien Gases zugegeben werden können.

Description

Verfahren zur Herstellung von hochreinem, granulärem Silizium bei niedrigem Druck
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem, granulärem Silizium durch Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases, insbesondere von Silanen bei reduziertem Druck. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des so hergestellten elementaren Siliziums in der Photovoltaik und der Halbleitertechnologie.
Unter siliziumhaltigen Gasen werden Siliziumverbindungen oder Gemische von Siliziumverbindungen verstanden, die unter den erfindungsgemäßen Bedingungen gasförmig sind. Siliziumfreie Gase im Sinne dieser Erfindung sind solche Gase, die keine Siliziumverbindungen enthalten.
Zur Gewinnung von elementarem Silizium eines Reinheitsgrades, das dessen Verwendung in der Photovoltaik beziehungsweise in der Halbleitertechnologie erlaubt, sind Verfahren zur thermischen Zersetzung von flüchtigen Siliziumverbindungen bekannt. Solche thermischen Zersetzungen werden beispielsweise in Siemens-Reak- toren durchgeführt. In diesem Reaktortyp erfolgt die thermische Zersetzung an der
Oberfläche eines Stabes. Geeignet sind auch Wirbelschichtreaktoren, in denen kleine Siliziumpartikel vorgelegt und diese durch Einströmen eines geeigneten siliziumhaltigen Gases oder Gasgemisches fluidisiert werden. Die thermische Zersetzung der flüchtigen Siliziumverbindung soll im Idealfall ausschließlich auf der Oberfläche der vorgelegten Siliziumpartikel stattfinden.
US-3.012.861 offenbart ein Verfahren zur Herstellung elementaren Siliziums in einem Wirbelschichtreaktor. Als Siliziumverbindungen werden Silane und Halo- silane verwendet, die mit weiteren Gasen verdünnt sein können. Geeignete Gase zur Verdünnung sind etwa Argon oder Helium, im Falle von Silan kann auch Wasserstoff eingesetzt werden. Die Reaktion kann in einem großen Druckbereich durchge- führt werden. Wird als Siliziumverbindung unverdünntes SiH oder SÜ4 verwendet, ist laut US-3.012.861 eine Reaktionsfuhrung bei niedrigem Druck vorteilhaft. Für unverdünntes SiELi wird ein bevorzugter Druck von etwa 5 mmHg (etwa 6,7 mbar) und darunter genannt. Für unverdünntes Sil4 liegt der bevorzugte Druckbereich unterhalb von 0,1 μbar. In Beispiel 3 wird als Siliziumverbindung unverdünntes
SiH bei einem Reaktionsdruck von 1 mmHg (etwa 1,3 mbar) eingesetzt. Die Ausbeute an erhaltenem Silizium bezogen auf eingesetztes SiH4 beträgt nur 14 %. Wird, wie in Beispiel 4, hingegen bei nahezu Atmosphärendruck gearbeitet, so kommt es zur vermehrten Bildung von Siliziumstaub. Der Siliziumstaub hat eine sehr große spezifische Oberfläche und wird deshalb so leicht kontaminiert, dass er keine weitere
Verwendung auf dem Gebiet der Photovoltaik oder der Halbleitertechnologie findet. Demzufolge ist die Staubbildung unerwünscht. Das Zugeben von Wasserstoff in einem 25-fachen molaren Überschuss, wie in Beispiel 7, führt bei Reaktionsfuhrung bei nahezu Atmosphärendruck zu einer Siliziumausbeute bezogen auf eingesetztes SiH von größer 95 % und einer Siliziumstaubbildung kleiner 1 %.
Auch in US-4.684.513 wird die Bildung von Siliziumstaub als Problem bei der Silanpyrolyse beschrieben. Um die Staubbildung zu vermindern, wird die Silan- pyrolyse in einem speziellen Reaktor durchgeführt, durch dessen Aufbau sich ein ganz bestimmtes Temperaturprofil realisieren lässt. Das siliziumhaltige Gas, das der
Pyrolyse zugeführt wird, wird bevorzugt mit 50 Vol.-% eines weiteren Gases oder Gasgemischs verdünnt.
Die Zugabe eines Gases zur Verdünnung hat jedoch mehrere Nachteile. Das zusätz- liehe Einbringen einer Komponente in den Reaktionsraum birgt das Risiko, Verunreinigungen einzutragen, die die Reinheit des hergestellten Siliziums verringern. Der verwendete Reaktor muss für eine vorgegebene Produktionsmenge größer sein und der Energieverbrauch steigt, da nicht nur das Reaktionsgas, d.h. die gasförmige Siliziumverbindung, sondern auch das als Verdünnungsgas eingesetzte siliziumfreie Gas auf die für die thermische Zersetzung der Siliziumverbindung benötigte Temperatur gebracht werden muss. Zudem muss aus wirtschaftlichen Gesichtspunken das verwendete Gas rezykliert werden, was zusätzliche apparative Maßnahmen erfordert.
US-5.798.137 beschreibt ein Verfahren für die Abscheidung von Silizium aus einem siliziumhaltigen Gas in einem speziellen Wirbelschichtreaktor, der aus mehreren
Zonen besteht, wobei das siliziumhaltige Gas nicht über Einbauten zur Gasverteilung sondern direkt über eine Düse zugeführt wird. Nach diesem Verfahren ist es möglich, siliziumhaltige Gase ohne Zugabe eines Verdünnungsgases thermisch so zu zersetzen, dass die Bildung von Siliziumstaub verringert wird. Ein vollständiges Zurück- drängen der Staubbildung gelingt jedoch nicht. Die Durchführung des Verfahrens ist zudem mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden.
Neben den bereits erwähnten Problemen, treten bei der thermischen Zersetzung sili- ziumhaltiger Gase weitere Probleme auf. Ein Überblick über solche Probleme ist beispielsweise in US-5.798.137 gegeben.
Die thermische Siliziumabscheidung aus siliziumhaltigen Gasen erfolgt in der Regel oberhalb der Tammann-Temperatur von Silizium (ca. 52% der Schmelztemperatur von Silizium). Ab dieser Temperatur verhalten sich Materialien „klebrig" und es kann zur Agglomeratrion der Bettpartikeln kommen. Dies führt zur Defluidisierung und zum Verstopfen des Reaktors oder des Gasverteilers. So kommt es oberhalb einer kritischen Silankonzentration (>15 bis 20 Vol-% Silan bezogen auf das insgesamt zugeführte Gas) regelmäßig zur Agglomeration und Defluidisierung des Bettes in Wirbelschichtreaktoren. Silankonzentrationen unterhalb dieses kritischen Werts haben andererseits den Nachteil, dass nur mäßige Raum-Zeit-Ausbeuten erreicht werden.
Problematisch ist weiterhin ein hoher Energiebedarf und Abscheidungen von Silizium an den Reaktorwänden. Liegt die Wandtemperatur des zur Zersetzung verwen- deten Reaktors hoch, so kommt es zur vermehrten Abscheidungen von Silizium auf den Wänden des Reaktors (vergleiche US-4.818.495 und US-4.684.513). Dies kann unter anderem zu einem verschlechterten Wärmeübergang, zur Beschädigung des Reaktors durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Reaktorwand und abgeschiedener Siliziumschicht (vergleiche US-3.963.838) und zur Verunreinigung der Partikel durch Diffusion von Metallen aus dem Reaktormantel in die durch die Wandabscheidung gebildete Siliziumschicht fuhren.
Ein Problem ist auch der Wasserstoffgehalt des durch Abscheidung gebildeten Siliziums. Bei der Abscheidung von Silizium aus wasserstoffhaltigen Verbindungen spielt der Restwasserstoffgehalt des Siliziums eine große Rolle. Ist der Wasserstoff- gehalt hoch, so kommt es zu Schwierigkeiten beim Aufschmelzen des Siliziums.
Diese Probleme sind als sogenanntes „Popcorning" bekannt: Beim Aufschmelzen platzen die Partikel auf und es bilden sich poröse Strukturen aus, die den Flusspro- zess stören. Dieses Problem beim Aufschmelzen ist allgemein bekannt und wird beispielsweise in US-5.810.934 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, nach dem für die Photovoltaik und die Halbleitertechnologie geeignetes, hochreines, granuläres Silizium in hoher Ausbeute durch Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases, insbesondere eines gasförmigen Silans, in einem Wanderbettreaktor oder einem Wirbelschichtreaktor gewonnen werden kann, wobei die oben genannten
Probleme weitgehend zurückgedrängt werden sollten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem, granulärem Silizium durch Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zersetzung bei einem Druck von 100 bis 900 mbar durchgeführt wird.
Überraschenderweise können in dem erfϊndungsgemäß anzuwendenden Druckbereich sowohl die Nachteile des Arbeitens bei höheren Drucken (Staubbildung, Zusatz großer Mengen an Fremdgas und damit verbunden hoher Energiebedarf bzw. hohe
Temperaturen der Reaktorwand) und die Nachteile des Arbeitens bei niedrigeren Drucken (geringe Ausbeuten bezogen auf die Menge der eingesetzten Siliziumverbindung und geringe Raum-Zeit-Ausbeute) vermieden werden. Unerwarteterweise lassen sich auch in Wirbelschichtreaktoren Konzentrationen von siliziumhaltigem Gas bis zu 100 Vol-% an gesamt zugeführtem Gas realisieren, ohne dass es zur Defluidisierung der Wirbelschicht, d.h. zur Agglomeration der Bettpartikel kommt. Auch die Probleme des sogenannten „Popcorning" werden aufgrund des geringeren Wasserstoffpartialdrucks zurückgedrängt. Es wäre zu erwarten gewesen, dass in einem mittleren Druckbereich die Nachteile der Arbeitsweise bei höherem und zusätzlich die Nachteile der Arbeitsweise bei niedrigerem Druck auftreten.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich beispielsweise SiH4 nahezu quantitativ umsetzen. Es werden Ausbeuten an gewünschtem hochreinem, granulärem Silizium von >90 %, bezogen auf eingesetztes SiH , erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Reaktortypen durchgeführt werden. Bevorzugt ist die Verwendung eines Wirbelschichtreaktors. Geeignete Reaktoren, insbesondere Wirbelschichtreaktoren sind bereits bekannt. Beispielhaft seien hier Reaktoren mit blasenbildender oder zirkulierender Wirbelschicht genannt, des Weiteren Sprudelbett- und Fallrohrreaktoren. Das Verfahren lässt sich beispielsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich durchführen. Bevorzugt ist die kontinuierliche
Vorgehensweise.
Der Austrag des gebildeten hochreinen, granulären Siliziums aus dem verwendeten Reaktor kann beispielsweise kontinuierlich oder absatzweise erfolgen.
Als siliziumhaltiges Gas kommen Silane, Siliziumiodide und Halosilane des Chlors, Broms und Iods in Frage. Es können auch Gemische der genannten Verbindungen verwendet werden. Dabei ist es unerheblich, ob die Siliziumverbindung bei Raumtemperatur bereits gasförmig ist oder zunächst in den Gaszustand überführt werden muss. Die Überführung in den Gaszustand kann beispielsweise thermisch erfolgen. Bevorzugt werden Silane eingesetzt. Beispielhaft seien SiH , Si2H6, Si3H8, Si4H10 und Si6Hι genannt. Besonders bevorzugt ist S1H4.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Drucken von 100 bis 900 mbar, bevorzugt bei Drucken von 200 bis 800 mbar durchgeführt. Besonders bevorzugt ist der Druckbereich 300 bis 700 mbar, insbesondere bevorzugt 400 bis 600 mbar. Alle angegebenen Druckwerte sind absolute Druckwerte. Wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Wirbelschichtreaktor durchgeführt, ist unter dem genannten Druck der Druck zu verstehen, der, in Strömungsrichtung des zugeführten Gasstroms gesehen, hinter der Wirbelschicht herrscht.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung hochreinen, granulären Siliziums werden bis zu 50 Vol-% eines siliziumfreien Gases, bezogen auf das insgesamt zugeführte Gas, zugesetzt. Vorzugsweise beträgt die zugesetzte Menge an siliziumfreiem Gas 0 bis 40 Vol-%, besonders bevorzugt 0 bis 20 Vol-%. Der Zusatz des siliziumfreien Gases verringert die Bildung von Siliziumstaub, andererseits erfordert ein solcher Zusatz einen höheren Energieaufwand und führt zu einer verringerten Raum-Zeit-Ausbeute. Bevorzugt ist die Ausführungsform ohne Zusatz eines siliziumfreien Gases.
Geeignete siliziumfreie Gase sind beispielsweise die Edelgase, Stickstoff und, für den Fall, dass als siliziumhaltges Gas Silan eingesetzt wird, Wasserstoff, wobei die siliziumfreien Gase einzeln oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden können. Bevorzugt sind Stickstoff und Wasserstoff, besonders bevorzugt ist Wasserstoff.
Die Temperatur kann im Temperaturbereich von 300°C bis 1 400°C variiert werden. Sie muss jedoch so hoch sein, dass die Zersetzung des siliziumhaltigen Gases gewährleistet ist und darf die Schmelztemperatur des hergestellten Siliziums nicht überschreiten. Bei Verwendung von SiH liegt der vorteilhafte Temperaturbereich zwischen 500°C und 1400°C. Bevorzugt ist eine Zersetzungstemperatur von 600°C bis 1000°C, besonders bevorzugt 620°C bis 700°C. Bei Verwendung von Sil4 liegt der entsprechende Bereich zwischen 850°C und 1250°C, bei Halosilanen zwischen 500°C und 1400°C.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Wirbelschichtreaktoren im Reaktionsraum Feststoffpartikel, im Weiteren Partikel genannt, vorgelegt. Die Partikel können absatzweise oder auch kontinuierlich von außen zugeführt werden. Als Partikel können jedoch auch solche Partikel Verwendung finden, die im Reaktionsraum generiert werden. Die Partikel bilden ein Festbett, durch das das zugeführte Gas eingeströmt wird. Die Einströmgeschwindigkeit des zugeführten Gases wird so eingestellt, dass das Festbett fluidisiert wird und sich eine Wirbelschicht ausbildet. Die entsprechende Vorgehensweise ist dem Fachmann an und für sich bekannt. Die Einströmgeschwindigkeit des zugeführten Gases muss mindestens der Lockerungsgeschwindigkeit entsprechen. Unter Lockerungsgeschwindigkeit wird dabei die Geschwindigkeit verstanden, mit der ein Gas durch ein Bett aus Partikeln strömt und unterhalb derer das Festbett erhalten bleibt, d.h. unterhalb derer die Bettpartikel weitgehend unbewegt bleiben. Oberhalb dieser Geschwindigkeit beginnt die Fluidisierung des Betts, d.h. die Bettpartikel bewegen sich und es bilden sich erste Blasen.
Die Einströmgeschwindigkeit des zugeführten Gases beträgt bei dieser bevorzugten
Ausführungsform die ein- bis zehnfache, bevorzugt die eineinhalb- bis siebenfache Lockerungsgeschwindigkeit.
Vorteilhaft werden Partikel eingesetzt, die einen Durchmesser von 50 bis 5000 μm aufweisen.
Bei den verwendeten Partikeln handelt es sich vorzugsweise um Siliziumpartikel. Vorteilhafter Weise haben diese Siliziumpartikel die Reinheit, die auch für das hergestellte hochreine, granuläre Silizium gewünscht wird. Es ist aber auch möglich Siliziumpartikel mit bestimmten Dotierungen einzusetzen, wenn dotiertes Material gewünscht wird. Es eignen sich auch Partikel, die nicht aus Silizium bestehen, solange sie unter den Reaktionsbedingungen stabil sind.
Wird dotiertes Material gewünscht, kann beispielsweise auch so vorgegangen werden, dass während des Herstellungsprozesses geeignete Stoffe zugesetzt werden.
Geeignete Stoffe sind beispielsweise Verbindungen des Phosphors oder des Bors oder Aluminiums.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Silizium kann in verschie- denen Bereichen eingesetzt werden. Beispielsweise auf dem Gebiet der Photovoltaik, z.B. als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Solarzellen oder in der Halbleitertechnologie, z.B. bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen.
Durch die folgenden Beispiele wird das erfindungsgemäße Verfahren weiter illustriert, wobei die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Beispiele
Beispiel 1: Berechnungsbeispiel
Es wurde anhand eines Berechnungsmodells der spezifische Energiebedarf und die
Wandtemperatur eines technischen Wirbelschichtreaktors für die thermische Zersetzung von Siliziumverbindungen am Beispiel Silan ermittelt.
Bei den Berechnungen wurde aufgrund des Standes der Technik von den folgenden Annahmen ausgegangen: Reaktordurchmesser: 1,5 m; Reaktorhöhe: 4 m; Partikeldurchmesser: 800 μm; Gasgeschwindigkeit am Reaktoreingang: 1,35 m-s"1. Es wurde den Berechnungen ein Partialdruck von Silan von p(SiH ) = 200 mbar zugrundegelegt. Der Wäremeübergangskoeffizient wurde nach einer Korrelation des VDI- Wärmeatlas berechnet.
Tabelle
Vergleich der Normal- und Unterdruckfahrweise bei der thermischen Zersetzung von Silan
Druck, bar 1 0,2 p(SiH4), bar 0,2 0,2
Silanstrom, kg-h"1 720 720
H2-Strom, kg-"1 192 -
Wärmeübergangskoeffϊzient α, 1140 722
W-m2-K"'
Leistungsbedarf, kW 558 98
Spez. Leistugsbedarf, kJ-kg(Si)"1 3000 560
Wandtemperatur 676 657 Aus der Tabelle wird deutlich, dass der spezifische Leistungsbedarf bei der Unter- druckfahrweise bei gleicher Produktionsrate nur etwa ein Fünftel des Leistungsbedarfes einer Fahrweise bei Normaldruck mit Wasserstoff als Fluidisierungsgas beträgt. Die Wandtemperatur des Reaktors liegt darüber hinaus 20°C unterhalb der Wand- temperatur bei Normaldruckbetrieb. Im Unterdruckbetrieb sind daher weniger
Abscheidungen auf der Wand des Reaktors zu erwarten. Diese beiden Werte illustrieren die Vorteile der Unterdruckfahrweise.
Beispiel 2:
a) SiH4-Zersetzung bei Normaldruck (Vergleich)
In einem Versuchswirbelschichtreaktor (Durchmesser = 52,4 mm, Höhe mit expandiertem Kopf = 1600 mm) wurden 600 g Siliziumpartikeln mit einem Durchmesser von 250-355 μm vorgelegt. Das Experiment wurde bei leichtem Überdruck (ca. 150 mbar) im Reaktor durchgeführt, um den Druckverlust über Gasverteiler, fluidisierte Partikeln und Ventile auszugleichen. Nach dem Anfahren und Aufheizen des Wirbelbettes auf eine Temperatur von 650°C wurde eine Silankonzentration (SiH4) am Eingang des Reaktors von 10 Vol-% bezogen auf das Fluidisierungsgas Wasserstoff eingestellt. Direkt nach dem Einstellen der Silankonzentration agglomerierten die
Siliziumpartikeln im Bett und es kam zu einer irreversiblen Defluidisierung (Verkleben des Materials). Stabile Betriebszustände wurden bei Normaldruck reproduzierbar für längere Zeit nur bei Silankonzentrationen <10 Vol-% bezogen auf das Fluidisierungsgas Wasserstoff erhalten.
b) SiH -Zersetzung bei Unterdruck und geringer Silankonzentration (Vergleich)
Es wurde nun bei Unterdruck (p = 800 mbar abs.) im oben beschriebenen Reaktor gearbeitet. Der Unterdruck wurde durch eine Vakuumpumpe gehalten. Es wurden erneut 600 g Siliziumpartikeln mit einem Durchmesser von 250-355 μm vorgelegt.
Nach dem Einstellen der Silankonzentration auf 10 Vol-% bezogen auf das Fluidisie- rungsgas Wasserstoff wurde die thermische Zersetzung der Partikeln problemlos für mehr als 30 Minuten durchgeführt. Der Silanumsatz lag bei nahezu 100 % und es wurden insgesamt 81,08 g Si abgeschieden. Eine Analyse der Reaktionsprodukte zeigte nach der Reaktionsdurchführung, dass das zersetzte Silan zu 98,7 % auf den Bettpartikeln abgeschieden war und zu 1,3 % als Feinstaub in einem nachgeschalteten Zyklon und Filter gesammelt wurde. Versuch 2b zeigt, dass ein Arbeiten bei Unterdruck die Defluidisierung verhindert.
Beipiel 3:
In dem in Beispiel 2 beschriebenen Versuchsreaktor wurde ein Unterdruckexperiment (500 mbar abs.) durchgeführt, bei dem die Konzentration von Silan bei 100 Vol.-% gehalten wurde. Die Experimente wurden in dem in Beispiel 2 beschriebenen Reaktor durchgeführt. Nach dem Aufheizen des Bettes (800 g Si, Partikeldurch- messer: 250-355 μm,) auf eine Temperatur von 650-670°C wurde die Silankonzentration auf 100 Vol.-% eingestellt. Die Wirbelschicht wurde stabil über einen Zeitraum von mehr als 40 Minuten betrieben. Dabei wurden 293,0 g Silizium auf den Bettpartikeln abgeschieden und 39,9 g wurden als Feinstaub in den dem Reaktor nachgeschalteten Zyklon und Filter gesammelt.
Dieses Beispiel zeigt, dass bei einem Druck im Reaktor von 500 mbar abs. die Silankonzentration auf bis zu 100 % erhöht werden kann und sich dennoch eine stabile Fluidisierung des Bettes und lange Laufzeiten der Experimente ergeben, während und nach der keine Defluidisierung und Agglomeration beobachtet wird.
Das nach Beispiel 2b und 3 produzierte Silizium wurde oberflächenanalytisch (XPS) und volumenanalytisch (ICP) analysiert. Der Gehalt an Verunreinigungen lag unterhalb der Nachweisgrenze der beiden Methoden.

Claims

Patentansprttche
1. Verfahren zur Herstellung von hochreinem, granulärem Silizium durch Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases, dadurch gekennzeichnet, dass die Zer- setzung bei einem Druck von 100 bis 900 mbar durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck 200 bis 800 mbar beträgt.
3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum siliziumhaltigen Gas bis zu 50 Vol-% eines siliziumfreien Gases, bezogen auf die Gesamtmenge des zugeführten Gases, zugegeben werden.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als siliziumfreies Gas Wasserstoff und/oder Stickstoff verwendet wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Zersetzung in Gegenwart von Partikeln durchgeführt wird, die vom zugeführten Gas derart durchströmt werden, dass die Partikel fluidisiert werden und sich eine Wirbelschicht ausbildet.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass als Partikel Siliziumpartikel verwendet werden.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen Durchmesser zwischen 50 und 5000 μm aufweisen.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe von Partikeln und der Austrag des hergestellten Siliziums kontinuierlich oder absatzweise durchgeführt wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als sihziumhaltiges Gas ein Silan, bevorzugt SiH verwendet wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich- net, dass als siliziumhaltiges Gas SiH verwendet und bei Temperaturen von
500 bis 1400°C gearbeitet wird.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstromgeschwindigkeit des zugeführten Gases im Verhält- nis zur Lockerungsgeschwindigkeit Werte von 1 bis 10 annimmt.
12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass während des Herstellungsprozesses geeignete Stoffe zugesetzt werden, die zu einer Dotierung des entstehenden Siliciums führen.
13. Verwendung des gemäß der Ansprüche 1 bis 12 hergestellten Siliziums in der Photovoltaik.
14. Verwendung des gemäß der Ansprüche 1 bis 12 hergestellten Siliziums zur Herstellung von elektronischen Bauteilen.
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