NO171968B - Fremgangsmaate for fraskillelse av forurensninger fra silisium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fraskillelse av forurensninger fra silisium.

For en rekke anvendelser, f.eks. ved fremstillingen av Sis^ av silisiumpulver for meget rene keramiske materialer eller innenfor den fotoelektriske teknikken, er det behov for meget rent silisium. Idag anvendes for dette formålet overveiende det meget rene, men også dyre, halvledersilisiumet.

For å oppnå en bedre økonomisk situasjon arbeides det idag over hele verden med utviklingen av billige fremgangsmåter for fremstilling av rent silisium. De fremgangsmåtene som er utviklet lengst bygger på rensingen av billig, men for-urenset, silisium som utvinnes i store mengder ved karbotermisk reduksjon av kvarts, fremstillingen av rent silisium ved anvendelse av på forhånd renset karbon og kvarts ved den karbotermiske reduksjonen og den aluminotermiske reduksjonen av silisiumtetraklorid med aluminium.

I alle tilfeller er ytterligere rensoperasjoner påkrevet for å redusere de høye innholdene av fremmedatomer i form av bor, fosfor, karbon, metaller, metalloksyder og oksygen til konsentrasjoner i ppm-området.

Fremgangsmåter er kjente hvorved innholdet av disse forurensningene kan reduseres. For å redusere høye innhold av silisiumdioksyd og karbon, som overveiende foreligger i form av silisiumkarbid, i silisium utvunnet ved karbotermisk reduksjon av kvarts angis i DE-A 3.411.955 og EP-Å 0.160.294 fremgangsmåter hvorved smelteflytende silisium filtreres over filtere av grafitt eller SiC/Si-komposittmaterialer, hvorved de faste bestanddelene blir igjen i filteret. Denne fremgangsmåten er fra et økonomiske synspunkt ikke tilfreds-stillende idet f iltersj iktet under drift går tett og det kommer dermed til avbrudd av renseoperasjonen. For å fjerne forstyrrelsen må reaktoren avkjøles fra ca. 1420°C, renses og filtermaterialet kastes.

Videre er det fra DE-A 34 03 131 kjent en fremgangsmåte hvorved silisiumet smeltes i en grafittdigel, hvorved den ikke-reduserte kvartsen og det ikke-omsatte kullet samles på digelveggen. Ved kontinuerlig drift kommer det derved til slaggansamlinger på digelveggene som til sist fører til at digelen blir ubrukbar, hvorved høye kostnader forårsakes.

I patentpublikasjonene DE-A 3.416.559 og DE-A 3.303.691 beskrives fremgangsmåter hvorved faste SiC- og Si02-forurensninger fraskilles fra silisiumsmelter ved sentrifugering og sedimentering.

For å fjerne uoppløste forurensninger fra smelteflytende silisium er det fra patentlitteraturen kjent fremgangsmåter (DE-A 2.623.413, DE-A 2.929.089, EP-A 7063, DE-A 3.504.723, BR-A 83/6289, US-A 4.312.849, FR-A 2.465.684, US-A 4.298.423, DE-A 2-944.975), hvor smeiten behandles med forskjellige gasser.

Med de omtalte fremgangsmåtene er en økonomisk fjernelse av metalloksyder, spesielt aluminiumoksyd, imidlertid ikke mulig. Videre kan ingen av fremgangsmåtene drives kontinuerlig.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er følgelig å til-veiebringe en fremgangsmåte for fraskillelse av forurensninger fra silisium som ikke oppviser de ovenfor nevnte ulempene.

Overraskende er det nå funnet at det ved frembringelse av tynne silisiumsmeltesjikt i nær kontakt med silisiumresistente stoffer, kan oppnås en sterk reduksjon av de nevnte forurensningene.

Dersom man sørger for at silisiumsmelten kan renne av, blir forurensningene tilbake som belegg som lett kan fjernes. Gjenstand for foreliggende oppfinnelse er følgelig en fremgangsmåte for fraskillelse av forurensninger fra silisium som er kjennetegnet ved at silisiumet i form av pulver eller granulat smeltes til en silisiumsmeltefilm som over en stor flate er i kontakt med et silisiumresistent legeme og smeiten får renne av, mens urenhetene blir igjen på overflaten til legemet.

Forhistorien for silisiumet som skal renses er derved uten betydning.

Det kan f.eks. anvendes et oppmalt metallurgisk silisium med en renhet på ca. 98# eller også det ifølge EP-A 123.100 fremstilte silisiumgranulatet fra den aluminotermiske reduksjonen av silisiumtetraklorid.

En foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen består i at silisiumsmeltefilmen frembringes på en skråttstilt flate med en vinkel på 5° til 60°, fortrinnsvis 25° .

Spesielt gode resultater oppnås ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen når overflateforholdet mellom silisiumsmelten i kontakt med den skråttstilte flaten i forhold til dens volum, er større enn 1 cm-<*>, fortrinnsvis mellom 10 cm-<*> og 30 cm-<*.>

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan uten ulempe anvendes i forskjellige atmosfærer. Herved kan det både dreie seg om inertgassatmosfære som argon eller helium, og også om reaktive gasser hvormed ytterligere kjemiske reaksjoner i smeiten kan gjennomføres. Herved kommer i første rekke halogenholdige reaktive gasser, som f.eks. SiCl4 eller klorsilaner, på tale, men også blandinger med hydrogen eller inerte gasser.

For å fjerne uoppløste gasser fra smeiten er det gunstig å gjennomføre en vakuumavgasning ved avslutningen av fremgangsmåten .

Ifølge oppfinnelsen består det silisiumresistente legemet, hvorpå silisiumsmeltefilmen frembringes, av keramiske materialer, blandings-keramiske materialer, meget tett grafitt og/eller kvarts. Spesielt egnet ved foreliggende oppfinnelse er som keramisk materiale SiC, Si3N4 og/eller Å1203.

En spesielt fordelaktig variant av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen sammenlignet med andre kjente rensefremgangs-måter består i at fremgangsmåten gjennomføres kontinuerlig.

Ofte kan det, for gjennomførbarheten av fremgangsmåten, være en fordel at silisiumet før smeltingen er oksydert på overflaten.

Oppfinnelsen skal belyses ved hjelp av de følgende eks-emplene .

Eksempel 1

Forsøkene på kontinuerlig smelting og samtidig rensing av silisium ble gjennomført med en silisiumsand som var oppnådd ved en fra EP-Å 0.123.100 kjent fremgangsmåte ved reduksjon av SiCl4 med aluminiumsand. Ved denne fremgangsmåten oppstår en silisiumsand med en korndiameter på ca. 1 mm.

Denne sanden ble, ved hjelp av en transportskrue, ført inn i et skråttstilt grafittrør oppvarmet til silisiumsmeltetemp-eraturen, smeltet over rørlengden og ved enden av røret fjernet som smelte, henholdsvis som et over en fallstrekning stivnet silisiumgranulat. Ved en rørskråning på 25° ble det oppnådd en optimal produktstrøm. Som beskyttelsesgass ble det anvendt argon. Ved en doseringshastighet på 1 kg Si/time ble smeltingen drevet kontinuerlig i 10 timer.

Tinder den kontinuerlige smeltingen ble det observert en adskillelse av slagg og Si-smelte. Under smeltingen utskilles slagget og anrikes ved produktinnføringssiden av smelterøret som løst støv. Slagget ble støtt ut mekanisk ved hjelp av en sjaber. I smeiten foregikk en utskillelse av slaggdannende elementer som Al, Ca og Mg (se tabell 1).

Eksempler 2 til 4

Ved forsøksgjennomføring tilsvarende eksempel 1 ble det undersøkt forskjellige rørmaterialer. Det ble anvendt kvartsglass, Si3N4~ og A^Os-keramiske materialer. For fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen egner alle rørmaterialene seg like godt, idet det i alle tilfeller ble observert en god adskillelse av slagg og smelte, samt en rensevirkning tilsvarende eksempel 1. Avhengig av det anvendte rørmateri-alet finnes det i slagget ytterligere, ved reaksjon med smeiten, dannede bestanddeler (se tabell 2).

Eksempel 5

Fjernelsen av rest-reduksjonsmidlet lykkes også ved nærvær av stoffer som danner slagg med reduksjonsmidlet. Følgelig ble silisiumgranulatet som skulle renses i et ytterligere forsøk først oksydert med luft for dannelse av S102 på overflaten, og deretter ble den kontinuerlige smeltingen gjennomført.

Herved ble det oppnådd en støkiometrisk reduksjon av aluminiuminnholdet. Denne effekten kan også oppnås ved tilsats av finfordelt Si02 til silisiumet som skal smeltes.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for fråskilleise av forurensninger fra silisium, karakterisert ved at silisiumet i form av pulver eller granulat smeltes til en silisiumsmeltefilm som over en stor flate er i kontakt med et silisiumresistent legeme og smeiten får renne av, mens urenhetene blir igjen på overflaten til legemet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at silisiumsmeltefilmen frembringes på en skråttstilt flate med en helningsvinkel på 5" til 60° , fortrinnsvis til 25° .

3. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at overflateforholdet mellom silisiumsmelten i kontakt med den skråttstilte flaten og dens volum er større en 1 cm~^, fortrinnsvis mellom 10 cm-<*> og 30 cm-1.

4. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1 til 3, karakterisert ved at det silisiumresistente legemet består av keramiske materialer, blandingskeramiske materialer, meget tett grafitt og/eller kvarts.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det som keramisk materiale anvendes SiC, Si3N4 og/eller AI2O3.

6. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1 til 5, karakterisert ved at fremgangsmåten gjennomføres kontinuerlig.

7. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1 til 6, karakterisert ved at silisiumet før smelting oksyderes på overflaten. i