RU2405674C1 - Способ получения гранул кремния высокой чистоты - Google Patents
Способ получения гранул кремния высокой чистоты Download PDFInfo
- Publication number
- RU2405674C1 RU2405674C1 RU2009129661/05A RU2009129661A RU2405674C1 RU 2405674 C1 RU2405674 C1 RU 2405674C1 RU 2009129661/05 A RU2009129661/05 A RU 2009129661/05A RU 2009129661 A RU2009129661 A RU 2009129661A RU 2405674 C1 RU2405674 C1 RU 2405674C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- granules
- crucible
- melt
- cooling
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 58
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 55
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 239000008187 granular material Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 22
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 13
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 9
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 6
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 4
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N trichlorosilane Chemical compound Cl[SiH](Cl)Cl ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005052 trichlorosilane Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical group [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
- B29B9/00—Making granules
- B29B9/10—Making granules by moulding the material, i.e. treating it in the molten state
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2/00—Processes or devices for granulating materials, e.g. fertilisers in general; Rendering particulate materials free flowing in general, e.g. making them hydrophobic
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Способ включает загрузку в тигель исходного кремния, его нагрев в инертной атмосфере выше температуры плавления, формирование капель расплава кремния путем его вытекания через калибровочное отверстие в дне тигля, охлаждение капель расплава до затвердевания с образованием гранул. Причем исходный кремний загружают в тигель на слой особо чистой кварцевой крупки толщиной не менее 2 см. Далее нагрев исходного кремния производят до температуры не менее 1600°C с выдержкой не менее 40 мин. Затем проводят охлаждение капель расплава в деионизованной воде, масса которой превышает массу исходного кремния не менее чем в 5 раз. Способ позволяет получать гранулы кремния с более низким содержанием примесей, обеспечивает получение гранул кремния без оксидного слоя на поверхности и большую производительность процесса. 1 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству высокочистого кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов.
Известен способ получения гранул высокочистого кремния из трихлорсилана при его восстановлении водородом в реакторе кипящего слоя. Способ описан в патенте США №6007869, МКИ B29B 9/10, 1999 г. Он позволяет производить гранулированный кремний, пригодный для роста монокристаллов по Чохральскому и получения слитков мультикремния. Однако процессы получения трихлорсилана, его очистки и восстановления являются сложными, дорогостоящими и экологически опасными.
Известен способ получения гранул кремния из капель расплава с последующим охлаждением. Способ описан в патенте США №6074476, НПК C30B 9/00, 2000 г. и включает загрузку исходного материала в камеру, его нагрев в инертной атмосфере до получения расплавленной массы, вытекание расплава через сопло по каплям, охлаждение падающих капель в газовой среде и их затвердевание с образованием гранул. Способ позволяет получать гранулы заданной формы и определенной кристаллической структуры, но не обеспечивает получение гранул кремния высокой чистоты.
Наиболее близким к данному изобретению является техническое решение, предложенное в патенте США №7001543 В2, МКИ B29B 9/10 от 21.02.2006 г. Для получения гранул кремния высокой чистоты используют капельный вариант гранулирования, включающий: загрузку в тигель исходного высокочистого кремния и его нагрев выше температуры плавления (до 1450°C) в инертной газовой среде; создание условий для вытекания расплавленного кремния через калибровочное отверстие в дне тигля с образованием капель расплава, охлаждение и затвердевание капель расплава кремния в инертной газовой среде с образованием гранул определенной формы и размера.
Указанный способ позволяет работать с высокочистым исходным материалом и получать из него мелкие гранулы сферической формы и заданной кристаллической структуры. Однако этот способ непригоден для гранулирования менее чистых исходных материалов по следующим причинам:
- не обеспечивает очистку исходного материала от ряда примесей,
- не обеспечивает получение гранул кремния без оксидного слоя на поверхности. Кроме того, данный способ имеет очень низкую производительность, что не дает возможности использовать его для объемов, требуемых в промышленном производстве кремния.
Целью изобретения является получение высокочистого кремния, пригодного для выращивания монокристаллов (по методу Чохральского), из менее чистого, окисленного кремниевого порошка и других отходов кремниевого производства, что позволит значительно снизить стоимость производства кремния высокой чистоты.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения гранул кремния высокой чистоты, включающем загрузку в тигель исходного кремния, его нагрев в инертной атмосфере выше температуры плавления, формирование капель расплава кремния путем его вытекания через калибровочное отверстие в дне тигля, охлаждение капель расплава до затвердевания с образованием гранул, исходный кремний загружают в тигель на слой особо чистой кварцевой крупки толщиной не менее 2 см, нагревание исходного кремния производят до температуры не менее 1600°C с выдержкой не менее 40 мин, охлаждение капель расплава проводят в деионизованной воде, масса которой превышает массу исходного кремния не менее чем в 5 раз.
Сущность изобретения состоит в том, что расплавленный кремний перед вытеканием из тигля фильтруется через слой кварцевой крупки для удаления диоксида и карбида кремния, а также силицидов и оксидов других элементов. Толщина слоя 2 см необходима и достаточна для хорошей адсорбции указанных примесей. Таким образом, процесс получения гранул кремния совмещается с их очисткой от примесей. Нагревание расплава до температуры не менее 1600°C с выдержкой не менее 40 мин необходимо для снижения его вязкости, что обеспечивает эффективную фильтрацию и соответственно очистку. Использование деионизованной воды для формирования гранул кремния не только увеличивает производительность процесса гранулирования, но и способствует удалению остатков углерода и бора из кремния под воздействием перегретого водяного пара, образующегося при попадании капель расплава в воду.
Для получения гранул высокочистого кремния согласно настоящему изобретению используют аппарат, представленный на чертеже, состоящий из кварцевой плавильной камеры 1 с водяным охлаждением, высокочастотного индуктора 2, графитового нагревателя 3 и графитового тигля 4 с отверстиями в дне диаметром от 3 до 6 мм. Плавильная камера 1 соединена с кварцевой капельной трубой 5, в нижней части которой имеется диффузор (диспергатор) 6, а еще ниже - ванна с деионизованной водой 7 и поддон 8. Подачу чистого аргона производят в плавильную камеру сверху, и весь процесс гранулирования идет в инертной среде.
Способ получения гранул кремния высокой чистоты на данной установке описан в примере.
Пример №1
В качестве исходного материала для гранулирования используют порошок кремния чистотой 99,9 вес.% с размером частиц 30-100 мкм или скрап кристаллического кремния из процессов роста монокристаллов. В качестве фильтра для расплава кремния применяют кварцевую крупку чистотой 99,995 вес.% SiO2 с размером частиц 100-400 мкм. Кварцевую крупку засыпают в тигель равномерным слоем толщиной 2 см, а сверху загружают кремниевый порошок массой 500 г.
Тигель устанавливают в плавильную камеру, герметизируют при помощи уплотнительного устройства и продувают всю систему чистым аргоном для удаления воздуха. В ванну заливают 5 л деионизованной воды.
Нагрев тигля производят в атмосфере чистого аргона, температуру в тигле контролируют оптическим пирометром. После того, как кремний расплавится и температура расплава достигнет 1600°C, производят выдержку расплава при этой температуре в течение 40 минут, чтобы обеспечить максимальный выход расплавленного кремния в виде капель. Падающие капли кремния диспергируются на более мелкие части диффузором и затем попадают в воду. Охлаждаясь в воде, они застывают в виде гранул.
Полученные гранулы высушивают при температуре 180-200°С в инертной среде в течение 30 минут. Вес гранул составляет 400 г и более. Визуальный контроль показывает полное отсутствие оксидного слоя на поверхности гранул. Результаты примера и других экспериментов приведены в таблице.
Из данных таблицы следует, что превышение значений толщин слоя крупки, температуры и времени выдержки, а также массы деионизованной воды по сравнению со значениями в примере №1 нецелесообразно, так как полученные результаты остаются на уровне примера №1.
Сопоставление способа, являющегося предметом данного изобретения, с прототипом показывает следующие преимущества:
1) заявляемый способ позволяет получать гранулы кремния с более низким содержанием примесей;
2) заявляемый способ обеспечивает получение гранул кремния без оксидного слоя на поверхности;
3) заявляемый способ имеет гораздо большую производительность, что позволяет использовать его в производственных процессах по гранулированию кремния.
Отсюда следует, что заявляемый способ можно использовать в производстве гранул кремния высокой чистоты из отходов кремниевого производства, а получаемые таким образом гранулы пригодны для роста монокристаллов кремния по Чохральскому.
| Таблица | ||||||||
| № п/п | Толщина слоя крупки, см | Температура расплава кремния, °C | Время выдержки температуры, мин | Масса воды на 1 кг кремния, кг | Содержание суммы примесей в гранулах кремния, ppm | Содержание углерода в гранулах кремния, ppm | Степень извлечения кремния, % | Производительность по гранулам кремния, кг/час |
| 1 | 2,0 | 1600 | 40 | 5 | 10 | 2-3 | 80 | 5 |
| 2 | 1,5 | 1550 | 30 | 4 | 17 | 4-5 | <60 | 2 |
| 3 | 2,5 | 1650 | 50 | 6 | 10 | 2-3 | 80 | 5 |
| Прототип | - | 1450 | - | - | 20 | 5 | 70 | 0,1 |
| ppm - 10-4 вес.% | ||||||||
Claims (1)
- Способ получения гранул кремния высокой чистоты, включающий загрузку в тигель исходного кремния, его нагрев в инертной атмосфере выше температуры плавления, формирование капель расплава кремния путем его вытекания через калибровочное отверстие в дне тигля, охлаждение капель расплава до затвердевания с образованием гранул, отличающийся тем, что исходный кремний загружают в тигель на слой особо чистой кварцевой крупки толщиной не менее 2 см, нагрев исходного кремния производят до температуры не менее 1600°C с выдержкой не менее 40 мин, охлаждение капель расплава проводят в деионизованной воде, масса которой превышает массу исходного кремния не менее чем в 5 раз.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009129661/05A RU2405674C1 (ru) | 2009-08-04 | 2009-08-04 | Способ получения гранул кремния высокой чистоты |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009129661/05A RU2405674C1 (ru) | 2009-08-04 | 2009-08-04 | Способ получения гранул кремния высокой чистоты |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2405674C1 true RU2405674C1 (ru) | 2010-12-10 |
Family
ID=46306365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009129661/05A RU2405674C1 (ru) | 2009-08-04 | 2009-08-04 | Способ получения гранул кремния высокой чистоты |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2405674C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2477684C1 (ru) * | 2011-09-28 | 2013-03-20 | Борис Георгиевич Грибов | Способ получения гранул кремния высокой чистоты |
| RU2778933C1 (ru) * | 2021-12-01 | 2022-08-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Адв-Инжиниринг" | Устройство для грануляции веществ |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2131843C1 (ru) * | 1998-03-30 | 1999-06-20 | Институт геохимии им.Виноградова А.П. СО РАН | Способ получения кремния высокой чистоты |
| US6074476A (en) * | 1998-07-10 | 2000-06-13 | Ball Semiconductor, Inc. | Non-contact processing of crystal materials |
| RU2159213C2 (ru) * | 1999-02-25 | 2000-11-20 | Абдюханов Мансур Абдрахманович | Способ очистки кремния и устройство для его осуществления |
| US7001543B2 (en) * | 2001-10-23 | 2006-02-21 | Kyocera Corporation | Apparatus and method for manufacturing semiconductor grains |
-
2009
- 2009-08-04 RU RU2009129661/05A patent/RU2405674C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2131843C1 (ru) * | 1998-03-30 | 1999-06-20 | Институт геохимии им.Виноградова А.П. СО РАН | Способ получения кремния высокой чистоты |
| US6074476A (en) * | 1998-07-10 | 2000-06-13 | Ball Semiconductor, Inc. | Non-contact processing of crystal materials |
| RU2159213C2 (ru) * | 1999-02-25 | 2000-11-20 | Абдюханов Мансур Абдрахманович | Способ очистки кремния и устройство для его осуществления |
| US7001543B2 (en) * | 2001-10-23 | 2006-02-21 | Kyocera Corporation | Apparatus and method for manufacturing semiconductor grains |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2477684C1 (ru) * | 2011-09-28 | 2013-03-20 | Борис Георгиевич Грибов | Способ получения гранул кремния высокой чистоты |
| RU2778933C1 (ru) * | 2021-12-01 | 2022-08-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Адв-Инжиниринг" | Устройство для грануляции веществ |
| RU2780215C1 (ru) * | 2021-12-01 | 2022-09-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Адв-Инжиниринг" | Способ грануляции веществ |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101460398B (zh) | 通过闭合环路方法生产硅 | |
| CN101585536B (zh) | 一种提纯太阳能级多晶硅的装置与方法 | |
| TW200914371A (en) | Processing of fine silicon powder to produce bulk silicon | |
| US8236266B2 (en) | Method and apparatus for purifying metallurgical silicon for solar cells | |
| JP2012211070A (ja) | 合成非晶質シリカ粉末及びその製造方法 | |
| CN102066250A (zh) | 用于制备高纯度冶金级硅的方法 | |
| JPWO2011083710A1 (ja) | 合成非晶質シリカ粉末及びその製造方法 | |
| JP2021508311A (ja) | トリクロロシランを調製するためのシリコン顆粒、及び関連する製造方法 | |
| FR2880013A1 (fr) | Procede de purification de silice en poudre | |
| JP4788925B2 (ja) | 金属珪素の精製方法 | |
| RU2405674C1 (ru) | Способ получения гранул кремния высокой чистоты | |
| JP2001220126A (ja) | 結晶質合成シリカ粉体及びこれを用いたガラス成形体 | |
| KR20070112407A (ko) | 액체 Ｚｎ에 의한 ＳｉＣｌ₄의 환원에 의해 Ｓｉ의 제조방법 | |
| JP5635985B2 (ja) | 金属ケイ素から非金属不純物を除去する方法 | |
| CN102674366B (zh) | 一种真空连续熔炼提纯太阳能级硅材料的设备 | |
| JPH05262512A (ja) | シリコンの精製方法 | |
| RU2588627C1 (ru) | Способ рафинирования металлургического кремния | |
| CN101671027B (zh) | 一种冶金硅提纯方法及一种在线造渣除硼方法 | |
| US20110120365A1 (en) | Process for removal of contaminants from a melt of non-ferrous metals and apparatus for growing high purity silicon crystals | |
| JP5574295B2 (ja) | 高純度シリコン微粉末の製造装置 | |
| JP2007284259A (ja) | シリコンの製造方法及び製造装置 | |
| RU2477684C1 (ru) | Способ получения гранул кремния высокой чистоты | |
| JP2013199395A (ja) | 粒状シリコンの製造方法 | |
| JPS62292613A (ja) | 高純度けい素の精製方法 | |
| JP2008156184A (ja) | サファイア結晶成長方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120805 |