DE102011100884B4

DE102011100884B4 - METHOD AND DEVICE FOR REMOVING CONTAMINATION FROM METALLURGICAL SILICON

Info

Publication number: DE102011100884B4
Application number: DE201110100884
Authority: DE
Inventors: Dr. Weber Frank; Louis c. Parous III
Original assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Current assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Priority date: 2011-05-08
Filing date: 2011-05-08
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2031-05-09
Also published as: DE102011100884A1; WO2012152435A1

Abstract

Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus metallurgischem Silizium mit folgenden Schritten: Schmelzen des metallurgischen Siliziums; Einleiten des geschmolzenen Siliziums in eine Prozesskammer, wobei das geschmolzene Silizium beim Einleiten über eine Gasströmung zerstäubt wird, und anschließend zum Boden der Prozesskammer fällt; Erzeugen einer reaktiven Atmosphäre in der Prozesskammer, wobei die reaktive Atmosphäre ein Prozessgas enthält, das mit Verunreinigungen in dem geschmolzenen Silizium reagiert, um diese aus dem geschmolzenen Silizium zu entfernen.A method of removing contaminants from metallurgical silicon comprising the steps of: melting the metallurgical silicon; Introducing the molten silicon into a process chamber, wherein the molten silicon is atomized when introduced via a gas flow, and then falls to the bottom of the process chamber; Generating a reactive atmosphere in the process chamber, wherein the reactive atmosphere includes a process gas that reacts with impurities in the molten silicon to remove them from the molten silicon.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus metallurgischem Silizium.The present invention relates to a method and apparatus for removing contaminants from metallurgical silicon.

Silizium ist ein weitverbreiteter Werkstoff in unterschiedlichen Technologien, wie beispielsweise der Halbleitertechnik oder der Photovoltaik. Während in der Halbleitertechnik hochreine Silizium-Einkristalle zum Einsatz kommen, wird in der Photovoltaik in der Regel hochreines polykristallines Silizium eingesetzt. Dabei sind in der Photovoltaik in der Regel die Anforderungen hinsichtlich der Reinheit des Siliziums geringer als in der Halbleitertechnik, aber immer noch so hoch, dass üblicherweise kein metallurgisches Silizium eingesetzt werden kann. Dabei bezeichnet der Begriff metallurgisches Silizium, Silizium mit einem Reinheitsgrad von ca. 99%.Silicon is a widely used material in various technologies, such as semiconductor technology or photovoltaics. While high-purity silicon monocrystals are used in semiconductor technology, photovoltaics generally use high-purity polycrystalline silicon. In photovoltaics, the requirements with regard to the purity of the silicon are generally lower than in semiconductor technology, but still so high that usually no metallurgical silicon can be used. The term metallurgical silicon, silicon with a purity of about 99%.

Silizium für Photovoltaik-Anwendungen wird in der Regel über das sogenannte Siemens-Verfahren auf einen Reinheitsgrad von ungefähr 99,99999% (N5) oder höher gebracht. Das Siemens-Verfahren ist jedoch mit einem hohen Energieeinsatz verbunden, und erzeugt darüber hinaus erhebliche Mengen an Abfall.Silicon for photovoltaic applications is typically brought to a purity level of about 99.99999% (N5) or higher by the so-called Siemens process. However, the Siemens process involves a high energy input and also generates significant amounts of waste.

Aus der US 5 128 116 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Si-Pulver bekannt. Die Vorrichtung weist einen Abschnitt zum Aufschmelzen und behandeln von Siliziummaterial auf. Von diesem Abschnitt besteht eine Zuleitung zu einer Zerstäubungseinheit, in der das geschmolzene Siliziummaterial in einer Prozesskammer bei Unterdruck und in einer inerten Gasatmosphäre zerstäubt wird. Innerhalb der Prozesskammer werden durch die Zerstäubung gebildeten Tröpfchen verfestigt und bilden Partikel, die zum Boden der Prozesskammer fallen. Am Boden der Kammer werden die Partikel und das inerte Gas ausgeleitet und anschließend voneinander getrennt. Das inerte Gas wird gefiltert und anschließend wieder dem Prozess zugeführt. Die Partikel werden gesiebt und einer Lagerung in einer inerten Gasatmosphäre zugeführt.From the US 5 128 116 A For example, a method and apparatus for producing Si powder is known. The device has a section for melting and treating silicon material. From this section there is a supply line to a sputtering unit, in which the molten silicon material is atomized in a process chamber under reduced pressure and in an inert gas atmosphere. Within the process chamber, droplets formed by the atomization are solidified and form particles that fall to the bottom of the process chamber. At the bottom of the chamber, the particles and the inert gas are discharged and then separated from each other. The inert gas is filtered and then returned to the process. The particles are sieved and fed to storage in an inert gas atmosphere.

Die CN 101 525 136 A zeigt ein Verfahren zur Reinigung von Silizium, bei dem eine Si-Schmelze unter dem Schutz eines inerten Gases in einer mit Unterdruck beaufschlagten Prozesskammer zerstäubt wird. Durch den Unterdruck bei erhöhter Temperatur und die Zerstäubung soll ein Verflüchtigen von Phosphor gefördert werden.The CN 101 525 136 A shows a method for cleaning of silicon, in which an Si melt is atomized under the protection of an inert gas in a pressurized process chamber. The negative pressure at elevated temperature and the atomization to promote volatilization of phosphorus.

Ferner sei auf die WO 2010 024 310 A1 hingewiesen, die ein Verfahren zur Reinigung von Silizium zeigt, bei dem Silizium in einem Schmelztiegel mittels eines Plasmas im Unterdruck aufgeschmolzen wird. Anschließend wird auf die Oberfläche der Schmelze ein oxidierendes Gas geleitet wird, um Verunreinigungen, wie Bor zu oxidieren und hierdurch aus der Schmelze zu entfernen.Furthermore, be on the WO 2010 024 310 A1 , which shows a process for the purification of silicon, in which silicon is melted in a crucible by means of a plasma in a vacuum. Subsequently, an oxidizing gas is passed to the surface of the melt to oxidize impurities such as boron and thereby remove them from the melt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus metallurgischem Silizium vorzusehen, das einen geringeren Energiebedarf besitzt und darüber hinaus weniger Abfallprodukte erzeugt, um gegebenenfalls mit weiteren Schritten einen Einsatz in der Photovoltaik zu ermöglichen.The present invention is therefore based on the object to provide a method for removing impurities from metallurgical silicon, which has a lower energy consumption and, moreover, generates less waste products, in order to possibly allow further use in photovoltaics.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 17 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 17. Further embodiments of the invention will become apparent from the respective dependent claims.

Das Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus metallurgischem Silizium weist das Schmelzen des metallurgischen Siliziums, sowie das Einleiten des geschmolzenen Siliziums in eine Prozesskammer auf, wobei das geschmolzene Silizium beim Einleiten über eine Gasströmung zerstäubt wird und anschließend zum Boden der Prozesskammer fällt. Innerhalb der Prozesskammer wird eine reaktive Gasatmosphäre erzeugt, die ein Prozessgas enthält, das mit Verunreinigungen in dem geschmolzenen Silizium reagiert und diese hierdurch wenigstens teilweise aus dem geschmolzenen Silizium entfernt.The method for removing contaminants from metallurgical silicon comprises melting the metallurgical silicon, and introducing the molten silicon into a process chamber, wherein the molten silicon is atomized when introduced via a gas flow and then falls to the bottom of the process chamber. Within the process chamber, a reactive gas atmosphere is created containing a process gas which reacts with impurities in the molten silicon and thereby at least partially removes them from the molten silicon.

Das Zerstäuben des geschmolzenen Siliziums führt dazu, dass das Silizium eine große Oberfläche besitzt, welche mit dem reaktiven Gas in Kontakt steht, wodurch sich eine große Reaktionsfläche ergibt. Hierdurch lässt sich eine gute Reinigung des metallurgischen Siliziums insbesondere das Entfernen metallischer Verunreinigungen erreichen.The sputtering of the molten silicon causes the silicon to have a large surface area in contact with the reactive gas, resulting in a large reaction area. This makes it possible to achieve a good cleaning of the metallurgical silicon, in particular the removal of metallic impurities.

Bei einer bevorzugen Ausführungsform der Erfindung wird das geschmolzene Silizium über eine Gasströmung, insbesondere eine Gasströmung aus dem reaktiven Prozessgas, die eine Überschallgeschwindigkeit aufweist, zerstäubt. Hierdurch ergibt sich eine gute Zerstäubungswirkung mit einem gleichzeitigen guten Kontakt zwischen dem reaktiven Prozessgas und den durch die Zerstäubung entstandenen Tröpfchen aus geschmolzenem Silizium. Vorteilhafterweise wird kontinuierlich Prozessgas aus der Prozesskammer abgesaugt, gereinigt und für die Zerstäubung des geschmolzenen Siliziums rezirkuliert. Hierdurch kann ein im Wesentlichen geschlossener Kreislauf des Prozessgases vorgesehen werden, wodurch der Anfall von Abfallprodukten, insbesondere von schädlichen Abfallprodukten, reduziert werden kann. Dabei kann die Reinigung beispielsweise eine Destillation und/oder chemische Absorption aufweisen, um im Gas befindliche Verunreinigungen zu entfernen.In a preferred embodiment of the invention, the molten silicon is atomized via a gas flow, in particular a gas flow from the reactive process gas, which has a supersonic velocity. This results in a good sputtering effect with a simultaneous good contact between the reactive process gas and the atomized droplets of molten silicon. Advantageously, process gas is continuously aspirated from the process chamber, cleaned and recirculated for the atomization of the molten silicon. As a result, a substantially closed circuit of the process gas can be provided, whereby the accumulation of waste products, in particular of harmful waste products, can be reduced. The cleaning may, for example, have a distillation and / or chemical absorption in order to remove impurities present in the gas.

Bei einer Ausführungsform wird vor und/oder während des Einleitens des geschmolzenen Siliziums Unterdruck in der Prozesskammer erzeugt. Der Unterdruck kann Verunreinigungen an die Oberfläche der durch die Zerstäubung entstandenen Tröpfchen aus flüssigem Silizium ziehen. Hierdurch lässt sich ein guter Reinigungseffekt insbesondere für Bor, Phosphor und metallische Verunreinigungen erreichen. In one embodiment, negative pressure is generated in the process chamber before and / or during the introduction of the molten silicon. The negative pressure may attract contaminants to the surface of the droplets of liquid silicon resulting from the sputtering. This makes it possible to achieve a good cleaning effect, in particular for boron, phosphorus and metallic impurities.

Vorzugsweise wird in der Prozesskammer ein Unterdruck von < 50 mbar, insbesondere < 15 mbar erzeugt, um die Verunreinigungen innerhalb der zerstäubten Tröpfchen aus geschmolzenem Silizium an die Oberfläche zu ziehen.Preferably, a negative pressure of <50 mbar, in particular <15 mbar is generated in the process chamber in order to draw the contaminants within the atomized droplets of molten silicon to the surface.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Einleiten des geschmolzenen Siliziums ein reaktives Gas, das mit Verunreinigungen in dem geschmolzenen Silizium reagiert, durch die Schmelze des Siliziums hindurchgeleitet, um schon vor der Zerstäubung eine teilweise Entfernung von Verunreinigungen zu ermöglichen. Auch hierbei kann das reaktive Gas nach dem Hindurchleiten durch die Siliziumschmelze gereinigt und rezirkuliert werden. Das in der Schmelze eingesetzte reaktive Gas kann ein anderes oder auch das gleiche Gas sein, das zum Zerstäuben des geschmolzenen Gases eingesetzt wird.In another embodiment of the invention, prior to introduction of the molten silicon, a reactive gas which reacts with impurities in the molten silicon is passed through the melt of the silicon to allow for partial removal of contaminants prior to atomization. Again, the reactive gas can be cleaned and recirculated after passing through the silicon melt. The reactive gas used in the melt may be another or the same gas used to atomize the molten gas.

Um die Zerstäubung des geschmolzenen Siliziums zu fördern, und gegebenenfalls die Tröpfchengröße zu verringern, kann das geschmolzene Silizium vor dem Zerstäuben mit Ultra- oder Megaschall beaufschlagt werden. Unter Megaschall sollen dabei Schallfrequenzen zwischen 400 kHz und 2 MHz verstanden werden, während Ultraschall Frequenzen von etwa 10 kHz bis 400 kHz umfasst.In order to promote the atomization of the molten silicon and, if necessary, to reduce the droplet size, the molten silicon may be subjected to ultrasound or megasonic sound before being sputtered. Megasound should be understood as sound frequencies between 400 kHz and 2 MHz, while ultrasound frequencies of about 10 kHz to 400 kHz.

Um die Fallzeit der zerstäubten Siliziumtröpfchen aus geschmolzenem Silizium innerhalb der Prozesskammer und damit die Kontaktzeit mit dem reaktiven Prozessgas zu erhöhen, kann innerhalb der Prozesskammer eine wenigstens teilweise nach oben gerichtete Gasströmung erzeugt werden. Um die Fallzeit zu erhöhen, kann innerhalb der Prozesskammer zusätzlich oder auch alternativ eine kreis- oder spiralförmige Gasströmung erzeugt werden.In order to increase the fall time of the atomized silicon droplets of molten silicon within the process chamber and thus the contact time with the reactive process gas, an at least partially upwardly directed gas flow can be generated within the process chamber. In order to increase the fall time, a circular or spiral gas flow can additionally or alternatively be generated within the process chamber.

Vorzugsweise enthält das Prozessgas als reaktive Komponente Chlor, ein anderes Halogen, insbesondere Halogenwasserstoff oder Siliziumhalogenid und/oder eine Mischung von wenigstens zwei der Komponenten. Diese reaktiven Komponenten sind besonders geeignet mit metallischen Verunreinigungen innerhalb des Siliziums flüchtige Metallverbindungen, zum Beispiel Metallchloride zu bilden, die mit dem Prozessgas aus der Prozesskammer abgesaugt werden können. Dabei kann dem Prozessgas Argon beigemischt sein.Preferably, the process gas contains as the reactive component chlorine, another halogen, in particular hydrogen halide or silicon halide and / or a mixture of at least two of the components. These reactive components are particularly suitable for forming metallic contaminants within the silicon with volatile metal compounds, for example metal chlorides, that can be extracted from the process chamber with the process gas. In this case, argon can be added to the process gas.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verfestigt sich das zerstäubte, geschmolzene Silizium wenigstens teilweise auf dem Weg zum Boden der Prozesskammer und es sammeln sich hierdurch Si-Partikel am Boden der Prozesskammer an. Das Verfahren kann die Si-Partikel gegenüber einem Unterdruck von < 10^–3 mbar, insbesondere < 10^–4 mbar aussetzen, um beispielsweise über den Unterdruck bestimmte Verunreinigungen, insbesondere Phosphor aus den Partikel herauszuziehen. Hierbei ist die geringe Größe der Partikel und deren große Oberfläche vom Vorteil. Die durch Zerstäubung können beispielsweise sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 20 μm bis 400 μm vorteilhaft erzeugt werden. Vorzugsweise werden die Si-Partikel abwechselnd dem Unterdruck und einer reaktiven Gasatmosphäre mit einem höheren Druck als dem Unterdruck ausgesetzt. Dabei können die Si-Partikel Außerhalb der Prozesskammer oder in einem Haltebereich der Prozesskammer, der zuvor gegenüber dem Rest der Prozesskammer isoliert wurde dem Unterdruck und/oder der reaktiven Gasatmosphäre ausgesetzt werden.According to one embodiment of the invention, the atomized, molten silicon solidifies at least partially on the way to the bottom of the process chamber and thereby Si particles accumulate at the bottom of the process chamber. The method can expose the Si particles to a negative pressure of <10 ^-3 mbar, in particular <10 ^-4 mbar, in order, for example, to extract certain impurities, in particular phosphorus, from the particles via the reduced pressure. The advantage here is the small size of the particles and their large surface area. By sputtering, for example, spherical particles having an average diameter of 20 .mu.m to 400 .mu.m can be advantageously produced. Preferably, the Si particles are alternately exposed to the negative pressure and a reactive gas atmosphere having a pressure higher than the negative pressure. In this case, the Si particles outside of the process chamber or in a holding region of the process chamber, which was previously isolated from the rest of the process chamber, the negative pressure and / or the reactive gas atmosphere can be exposed.

Die Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus metallurgischem Silizium weist folgendes auf: eine Schmelzeinheit mit einem Schmelztiegel zum Aufnehmen von metallurgischem Silizium und wenigstens eine Heizeinheit zum Schmelzen von metallurgischem Silizium im Schmelztiegel; eine Prozesskammereinheit mit einer Prozesskammer; wenigstens eine Leitung, die vom Schmelztiegel zur Prozesskammer erstreckt und sich in diese öffnet; und wenigstens eine Gas-Zirkulationseinheit. Die Gas-Zirkulationseinheit weist wiederum folgendes auf: wenigstens eine erste Pumpe, die mit der Prozesskammer verbunden ist, und die geeignet ist, ein Gas aus der Prozesskammer abzusaugen; eine Gasaufbereitungseinheit die mit einem Auslass der wenigstens einen ersten Pumpe verbunden ist und die geeignet ist aus der Prozesskammer abgesaugtes Gas von Verunreinigungen zu reinigen; wenigstens eine erste Gas-Einlasseinheit, die mit der Gasaufbereitungseinheit in Verbindung stehen, um Gas aus der Gasaufbereitungseinheit in die Prozesskammer zu zirkulieren, und wenigstens eine zweite Pumpe zum Fördern von Gas von der Gasaufbereitungseinheit zur wenigstens einen Gas-Einlasseinheit. Die wenigstens eine erste Gas-Einlasseinheit weist wenigstens eine Auslassleitung mit einer Auslassöffnung benachbart zum sich zur Prozesskammer öffnenden Ende der Leitung auf, wobei die Auslassleitung und die Auslassöffnung so angeordnet sind, dass sie schräg auf einen Austrittsbereich der Leitung gerichtet sind. Eine solche Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens mit den oben genannten Vorteilen. Vorzugesweise ist die erste Pumpe so ausgelegt ist, das sie in der Lage ist einen Unterdruck, insbesondere einen Unterdruck < 50 mbar, in der Prozesskammer einzustellen.The device for removing impurities from metallurgical silicon comprises: a melting unit having a crucible for receiving metallurgical silicon and at least one heating unit for melting metallurgical silicon in the crucible; a process chamber unit having a process chamber; at least one conduit extending from and opening into the process chamber from the crucible; and at least one gas circulation unit. The gas circulation unit again comprises: at least a first pump connected to the process chamber and adapted to exhaust a gas from the process chamber; a gas conditioning unit connected to an outlet of the at least one first pump and adapted to clean gas extracted from the process chamber from impurities; at least one first gas inlet unit communicating with the gas conditioning unit to circulate gas from the gas conditioning unit into the process chamber and at least one second pump for conveying gas from the gas conditioning unit to the at least one gas inlet unit. The at least one first gas inlet unit has at least one outlet conduit with an outlet opening adjacent the end of the conduit opening to the process chamber, the outlet conduit and the outlet opening being arranged to be obliquely directed to an exit region of the conduit. Such a device makes it possible to carry out the method described above with the advantages mentioned above. Preferably, the first pump is designed so that it is capable of a negative pressure, in particular a Negative pressure <50 mbar, to be set in the process chamber.

Vorzugsweise sind die wenigstens eine zweite Pumpe und die wenigstens eine erste Gaseinlasseinheit so ausgelegt, dass an der Auslassöffnung der wenigstens einen Auslassleitung eine Gasströmung mit Überschallgeschwindigkeit erzeugt werden kann.Preferably, the at least one second pump and the at least one first gas inlet unit are designed such that a gas flow at supersonic speed can be generated at the outlet opening of the at least one outlet line.

Für eine gute Reinigung von aus der Prozesskammer abgesaugten Gasen ist vorzugsweise wenigstens eine Filter-, Destillations- und/oder chemische Absorptionseinheit vorgesehen.For a good cleaning of gases extracted from the process chamber, at least one filter, distillation and / or chemical absorption unit is preferably provided.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Gas-Zirkulationseinheit ferner wenigstens eine dritte Pumpe und eine zweite Gas-Einlasseinheit auf. Die zweite Gas-Einlasseinheit weist wenigstens eine Auslassleitung mit einer sich zur Prozesskammer öffnenden Auslassöffnung auf, wobei die Auslassleitung und die Auslassöffnung schräg nach oben in die Prozesskammer gerichtet sind.In one embodiment of the invention, the gas circulation unit further comprises at least a third pump and a second gas inlet unit. The second gas inlet unit has at least one outlet line with an outlet opening which opens toward the process chamber, wherein the outlet line and the outlet opening are directed obliquely upwards into the process chamber.

Vorzugsweise ist wenigstens ein Ultra- oder Megaschallwandler vorgesehen, der benachbart zur Leitung derart angeordnet ist, dass er Ultra- oder Megaschall in die Leitung einbringen kann.Preferably, at least one ultra or megasonic transducer is provided, which is arranged adjacent to the line such that it can bring in ultra or megasonic in the line.

Um die Reinigung des metallurgischen Siliziums zu verbessern, können ferner Mittel zum Einleiten eines Prozessgases in den Schmelztiegel vorgesehen sein. Diese kann dasselbe sein, dass in der Prozesskammer eingesetzt wird oder auch ein anderes.In order to improve the purification of the metallurgical silicon, means may also be provided for introducing a process gas into the crucible. This can be the same that is used in the process chamber or another.

Bei einer Ausführungsform weist die Prozesskammer am Roden einen Haltebereich auf, der gegenüber der Prozesskammer isolierbar und/oder Trennbar ist, um beispielsweise eine Transport zu einer weiteren Verarbeitung zu ermöglichen, oder direkt eine weitere Verarbeitung im Haltebereich vorsehen zu können. Hierzu können zum Beispiel Mittel zum erzeugen eines Unterdrucks und/oder zum Einleiten eines Prozessgases in den Haltebereich vorgesehen sein.In one embodiment, the process chamber at the bottom has a holding region which is isolatable and / or separable from the process chamber, for example to enable transport to further processing, or to be able to directly provide further processing in the holding region. For this purpose, for example, means for generating a negative pressure and / or for introducing a process gas may be provided in the holding area.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 näher erläutert, die eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus metallurgischem Silizium zeigt.The invention will be described below with reference to FIGS 1 which shows a schematic sectional view through a device for removing contaminants from metallurgical silicon.

Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten relativen Begriffe, wie zum Beispiel links, rechts, über und unter beziehen sich auf die Zeichnungen und sollen die Anmeldung in keiner Weise einschränken, auch wenn sie sich auf bevorzugte Anordnungen beziehen können.The relative terms used in the following description, such as left, right, over and under, refer to the drawings and are not intended to limit the application in any way, even though they may refer to preferred arrangements.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum Entfernen von Verunreinigungen aus metallurgischem Silizium. Die Vorrichtung 1 weist eine Schmelzeinheit 3, eine Prozesskammereinheit 5 und eine Gas-Zirkulationseinheit 7 auf. 1 shows a schematic sectional view through a device 1 for removing contaminants from metallurgical silicon. The device 1 has a melting unit 3 , a process chamber unit 5 and a gas circulation unit 7 on.

Die Schmelzeinheit 3 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 8, einer Schmelztiegeleinheit 9 und einer Heizeinheit 10.The melting unit 3 consists essentially of a housing 8th , a crucible unit 9 and a heating unit 10 ,

Das Gehäuse 8 ist aus einem geeigneten Material, das bei den erforderlichen Prozesstemperaturen zum Schmelzen von Siliziummaterial beständig ist, und das keine Verunreinigung für geschmolzenes Silizium vorsieht. Das Gehäuse weist eine entsprechende Isolierung auf und kann darüber hinaus als Unterdruckgehäuse ausgebildet sein, das heißt, dass es im Wesentlichen gasdicht ist. Das Gehäuse kann mit einer nicht dargestellten Unterdruckpumpe in Verbindung stehen, um einen Innenraum des Gehäuses 8, in dem die Schmelztiegeleinheit 9 und die Heizeinheit 10 aufgenommen sind, auf einen Unterdruck abzupumpen. Das Gehäuse besitzt eine nicht näher dargestellte Be-/Entladeöffnung zum Laden von metallurgischem Silizium in die Schmelztiegeleinheit 9.The housing 8th is of a suitable material which is stable at the required process temperatures for melting silicon material and which does not provide contamination to molten silicon. The housing has a corresponding insulation and can also be designed as a vacuum housing, that is, that it is substantially gas-tight. The housing may communicate with a vacuum pump, not shown, to an interior of the housing 8th in which the crucible unit 9 and the heating unit 10 are absorbed, pump down to a vacuum. The housing has a non-illustrated loading / unloading for loading metallurgical silicon in the crucible unit 9 ,

Die Schmelztiegeleinheit 9 besteht im Wesentlichen aus einem Schmelztiegel 12 mit einem daran angeschlossenen Leitungselement 13. Der Schmelztiegel 12 besteht aus einem geeigneten Material, das den für das Aufschmelzen von metallurgischem Silizium erforderlichen Temperaturen standhält und darüber hinaus keine Verunreinigungen für das Silizium vorsieht. Beispielsweise könnte ein Schmelztiegel aus Graphit oder Siliziumnitrid (Si3N4) vorgesehen sein. Natürlich können für den Schmelztiegel 12 auch andere Materialien eingesetzt werden.The crucible unit 9 consists essentially of a crucible 12 with a line element connected thereto 13 , The melting pot 12 It is made of a suitable material that withstands the temperatures required for the melting of metallurgical silicon and, moreover, does not impose any contamination on the silicon. For example, a crucible of graphite or silicon nitride (Si3N4) could be provided. Of course, for the crucible 12 also other materials are used.

Der Schmelztiegel 12 besitzt eine umlaufende Seitenwand sowie eine sich konisch nach unten verjüngende Bodenwand. In der Bodenwand ist am tiefsten Punkt eine Öffnung vorgesehen, die mit dem Leitungselement 13 in Verbindung steht. Wie der Fachmann erkennen kann, kann somit innerhalb des Schmelztiegels 12 geschmolzenes Silizium über das Leitungselement 13 aus dem Schmelztiegel 12 abfließen.The melting pot 12 has a circumferential side wall and a conically tapered bottom wall. In the bottom wall, an opening is provided at the lowest point, which with the conduit element 13 communicates. As the person skilled in the art can see, can thus be within the crucible 12 molten silicon over the conduit element 13 from the crucible 12 flow away.

Das Leitungselement 13 ist wiederum aus einem Material, das den erforderlichen Temperaturen beim Schmelzen von metallurgischem Silizium beständig ist, und keine störenden Verunreinigungen in das geschmolzene Silizium einträgt.The pipe element 13 is in turn made of a material which is resistant to the temperatures required to melt metallurgical silicon and does not introduce any interfering impurities into the molten silicon.

Das Leitungselement 13 erstreckt sich von dem Boden des Schmelztiegels 12 zu einem oberen Bereich der Prozesskammereinheit 5 und öffnet sich in diese hinein, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.The pipe element 13 extends from the bottom of the crucible 12 to an upper area of the process chamber unit 5 and opens into it, as will be explained in more detail below.

Die Heizeinheit 10 besteht aus einem oder mehreren Heizelementen 15, welche seitlich bezüglich des Schmelztiegels 12 angeordnet sind. In der Figur sind zwei getrennte Heizelemente gezeigt, die irgendeines beliebigen Typs sein können, der in der Lage ist, innerhalb des Schmelztiegels 12 befindliches metallurgisches Silizium auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts aufzuheizen. Insbesondere kann das Heizelement 15 auch als eine Induktionsspule ausgebildet sein, welche das metallurgische Silizium mittels Induktion aufheizt. Alternativ kann das Heizelement 15 jedoch auch ein Widerstandsheizelement sein, um den Schmelztiegel 15 und darin aufgenommenes metallurgisches Silizium beispielsweise mittels Wärmestrahlung aufzuheizen, Obwohl das Heizelement 15 beabstandet zum Schmelztiegel 12 dargestellt ist, kann es diesen gegebenenfalls direkt kontaktieren. The heating unit 10 consists of one or more heating elements 15 which laterally with respect to the crucible 12 are arranged. In the figure, two separate heating elements are shown, which may be of any type capable of being inside the crucible 12 heating metallurgical silicon to a temperature above its melting point. In particular, the heating element 15 Also be designed as an induction coil which heats the metallurgical silicon by means of induction. Alternatively, the heating element 15 however, it may also be a resistance heating element around the crucible 15 and metallurgical silicon received therein, for example, by means of heat radiation, Although the heating element 15 spaced from the crucible 12 is shown, it may contact them directly if necessary.

Die Prozesskammereinheit 5 weist im Wesentlichen ein Gehäuse 17 auf, das im Inneren eine Prozesskammer 18 bildet, sowie einen Auffangbehälter 19 auf. Das Gehäuse 17 besitzt eine ebene obere Wand 21 sowie eine umlaufende Seitenwand 22. Die obere Wand 21 besitzt eine Durchführöffnung für das Leitungselement 13, das in abgedichteter Weise durch die obere Wand 21 hindurchgeführt ist. Die obere Wand 21 ist in abgedichteter Weise mit der umlaufenden Seitenwand 22 ausgebildet. Die Seitenwand 22 besitzt bevorzugt einen runden Querschnitt, kann aber auch eine andere Konfiguration haben.The process chamber unit 5 essentially has a housing 17 on, inside a process chamber 18 forms, as well as a collection container 19 on. The housing 17 has a flat upper wall 21 as well as a circumferential sidewall 22 , The upper wall 21 has a passage opening for the conduit element 13 in a sealed way through the top wall 21 passed through. The upper wall 21 is in a sealed manner with the circumferential side wall 22 educated. The side wall 22 preferably has a round cross section, but may also have a different configuration.

Die Seitenwand 22 besitzt einen oberen, sich verjüngenden Bereich 22a, einen mittleren sich vertikal erstreckenden Bereich 22b, sowie einen unteren sich verjüngenden Bereich 22c. Der obere Bereich 22a der Seitenwand 22 sieht ausgehend von dem mittleren Bereich 22b eine sich zur oberen Wand 21 erstreckende Verjüngung vor. Der untere Bereich 22c der Seitenwand 22 sieht wiederum ausgehend vom mittleren Bereich 22b eine Verjüngung nach unten hin vor, die in einen sich vertikal erstreckenden Bereich 22d übergeht. Durch diese Konfiguration der Seitenwand 22 besitzt die Prozesskammer 18 daher von oben nach unten zunächst einen sich erweiternden Bereich, gefolgt von einem Bereich mit gleichbleibendem Durchmesser, an den sich ein verjüngender trichterförmiger Bereich anschließt, der wiederum in einen Ausgangsbereich mit gleichbleibendem Durchmesser übergeht.The side wall 22 has an upper, tapered area 22a , a middle vertically extending area 22b , as well as a lower tapered area 22c , The upper area 22a the side wall 22 looks starting from the middle area 22b one to the upper wall 21 extending rejuvenation. The lower area 22c the side wall 22 looks again from the middle area 22b a taper down in front, which extends into a vertically extending area 22d passes. By this configuration of the side wall 22 owns the process chamber 18 Therefore, from top to bottom first a widening area, followed by a region of constant diameter, which is followed by a tapered funnel-shaped area, which in turn merges into an exit area with a constant diameter.

In der Seitenwand 22 ist im mittleren Bereich 22b eine Auslassöffnung 23 vorgesehen, die nachfolgend, wie noch näher erläutert wird, mit der Gaszirkulationseinheit 7 in Verbindung steht. Die Auslassöffnung 23 befindet sich vorzugsweise oberhalb einer Mitte der Prozesskammer 18 (in Höhenrichtung). In der Seitenwand 22 ist ferner eine Vielzahl von Gaseinlassöffnungen 24 vorgesehen. Diese stehen wie nachfolgend noch näher erläutert wird, ebenfalls mit der Gas-Zirkulationseinheit 7 in Verbindung. Die Gaseinlassöffnungen 24 befinden sich vorzugsweise unterhalb einer Mitte der Prozesskammer 18 (in Höhenrichtung). Die Prozesskammer besitzt bevorzugt eine Höhe von 8 bis 20 Meter.In the sidewall 22 is in the middle range 22b an outlet opening 23 provided, which, as will be explained in more detail below, with the gas circulation unit 7 communicates. The outlet opening 23 is preferably located above a center of the process chamber 18 (in the height direction). In the sidewall 22 is also a plurality of gas inlet openings 24 intended. These are as will be explained in more detail below, also with the gas circulation unit 7 in connection. The gas inlet openings 24 are preferably located below a center of the process chamber 18 (in the height direction). The process chamber preferably has a height of 8 to 20 meters.

Am unteren Ende der umlaufenden Seitenwand 22 ist ein Befestigungsflansch 25 vorgesehen. Dieser kann mit einem Befestigungsflansch 26 des Auffangbehälters 19 zusammenwirken, um den Auffangbehälter 19 gasdicht an dem Gehäuse 17 zu befestigen. Der Auffangbehälter 19 weist den zuvor genannten Befestigungsflansch 26 und ein sich von dort nach unten erstreckendes wannenförmiges Gehäuse 28 zur Bildung einer nach oben offenen Auffangkammer 29 auf. Über die Befestigungsflansche 25, 26 ist der Auffangbehälter 19 in gasdichter Weise lösbar an dem Gehäuse 17 befestigbar, so dass die Prozesskammer 18 und der Auffangraum 29 einen gasdicht abgeschlossenen Raum bilden.At the bottom of the revolving side wall 22 is a mounting flange 25 intended. This can with a mounting flange 26 of the collection container 19 interact to collect the container 19 gas-tight on the housing 17 to fix. The collection container 19 has the aforementioned mounting flange 26 and a trough-shaped housing extending downwardly therefrom 28 to form an upwardly open collecting chamber 29 on. About the mounting flanges 25 . 26 is the collection container 19 in a gas-tight manner detachable on the housing 17 attachable, so that the process chamber 18 and the collection room 29 form a gas-tight closed space.

Der Auffangbehälter 19 kann optional über nicht näher dargestellt Mittel gegenüber der Prozesskammer 18 isoliert werden und gegebenenfalls mit einem Unterdruck und oder einem reaktiven Gas beaufschlagt werden. Dadurch, dass der Auffangbehälter 19 ein wesentlich geringeres Volumen aufweist als die Prozesskammer 18 kann hier einfacher ein hohes Vakuum eingestellt werden, als in der Prozesskammer 18. Insbesondere könnten Mitte vorgesehen sein, die im Auffangbehälter eine Druck von < 10^–3 mbar, insbesondere < 10^–4 erzeugen können. Der Auffangbehälter 19 kann auch optional von der Prozesskammer 18 abgenommen werden, vorzugsweise derart, dass der Auffangraum gegenüber der Umgebung isoliert ist, um darin gesammeltes Silizium aus der Prozesskammer 18 zu entnehmen und um gegebenenfalls als Transport und Prozessbehälter zu dienen. So kann einem Gehäuse 17 zum Beispiel eine Vielzahl von Auffangbehältern 19 zugeordnet sein, die solange sie nicht am Gehäuse 17 befestigt sind als Transport-, Aufbewahrungs- und/oder Prozessbehälter dienen können.The collection container 19 Optionally via means not shown in detail opposite the process chamber 18 be isolated and optionally applied with a negative pressure and or a reactive gas. Because of the collection container 19 has a much smaller volume than the process chamber 18 It is easier to set a high vacuum here than in the process chamber 18 , In particular, centers could be provided which can produce a pressure of <10 ^-3 mbar, in particular <10 ^-4 , in the collecting container. The collection container 19 can also be optional from the process chamber 18 are removed, preferably such that the collection space is isolated from the environment, to silicon collected therein from the process chamber 18 and optionally to serve as a transport and process container. So can a housing 17 For example, a variety of collection containers 19 be assigned, as long as they are not on the case 17 attached are as transport, storage and / or process container can serve.

Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann wenigstens eine Heizeinheit vorgesehen sein, um die Prozesskammer auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen.Although not shown, at least one heating unit may be provided to heat the process chamber to a predetermined temperature.

Die Gas-Zirkulationseinheit 7 besteht im Wesentlichen aus einem Feinstaubabscheider 31, einer erste Pumpe 33, einer Gasaufbereitungseinheit 35, einer zweiten Pumpe 37, einer ersten Einlasseinheit 38, einer dritten Pumpe 41 und einer zweiten Einlasseinheit 42.The gas circulation unit 7 consists essentially of a fine dust separator 31 , a first pump 33 , a gas processing unit 35 , a second pump 37 , a first inlet unit 38 , a third pump 41 and a second intake unit 42 ,

Der Feinstaubabscheider 31 kann irgendeines geeigneten Typs sein, der für die hohen Temperaturen innerhalb der Prozesskammer 18 geeignet ist. Der Feinstaubabscheider 31 steht über eine Leitung 44 mit der Auslassöffnung in der Seitenwand 22 des Gehäuses 17 in Verbindung. Über eine Leitung 45 steht der Feinstaubabscheider 31 mit der ersten Pumpe 33 in Verbindung, die als Vakuumpumpe ausgebildet sein kann. Wie der Fachmann erkennen kann, könnte daher über den Feinstaubabscheider 31 die Prozesskammer 18 mittels der ersten Pumpe 33 entlüftet werden, um sie auf einen Unterdruck abzupumpen. Dabei sind die Pumpe 33 und die Prozesskammer 18 vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass ein Unterdruck von kleiner 50 mbar und besonders vorzugsweise ein Unterdruck von kleiner 15 mbar in der Prozesskammer 18 eingestellt werden kann. Allerdings ist es auch möglich einen Anderen Pumpentyp zu wählen, wenn in der Prozesskammer atmosphärische Drücke für den Prozess geeignet sind.The fine dust separator 31 may be of any suitable type for the high temperatures within the process chamber 18 suitable is. The fine dust separator 31 is about one management 44 with the outlet opening in the side wall 22 of the housing 17 in connection. About a line 45 is the Feinstaubabscheider 31 with the first pump 33 in conjunction, which may be formed as a vacuum pump. As one skilled in the art would recognize, therefore, it would be possible to use the particulate matter separator 31 the process chamber 18 by means of the first pump 33 be vented to pump it to a vacuum. Here are the pump 33 and the process chamber 18 preferably coordinated so that a negative pressure of less than 50 mbar and more preferably a negative pressure of less than 15 mbar in the process chamber 18 can be adjusted. However, it is also possible to choose a different type of pump if atmospheric pressures in the process chamber are suitable for the process.

Die erste Pumpe 33 steht über eine Leitung 46 mit der Gasaufbereitungseinheit 35 derart in Verbindung, dass aus der Prozesskammer 18 abgesaugtes Gas in die Gasaufbereitungseinheit 35 geleitet wird. Obwohl dies nicht näher dargestellt ist, kann auch noch eine weitere Leitung oder Abzweigung vorgesehen sein, um über die Pumpe 33 aus der Prozesskammer 18 abgesaugtes Gas in die Umgebung abzuleiten. Dies kann beispielsweise für ein anfängliches Abpumpen der Prozesskammer 18, nachdem sie zur Entnahme von Silizium geöffnet wurde zweckmäßig sein. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich primär Umgebungsgas in der Prozesskammer 18, das nicht der Gasaufbereitungseinheit zugeführt werden muss.The first pump 33 is over a line 46 with the gas treatment unit 35 in such a way that out of the process chamber 18 extracted gas into the gas treatment unit 35 is directed. Although this is not shown in detail, also another line or branch may be provided to over the pump 33 from the process chamber 18 evacuated gas into the environment. This can, for example, for an initial pumping out of the process chamber 18 After it has been opened for removal of silicon it should be expedient. At this time, there is primarily ambient gas in the process chamber 18 that does not need to be supplied to the gas treatment unit.

In der Gasaufbereitungseinheit 35 kann aus der Prozesskammer 18 abgesaugtes Gas insbesondere ein Prozessgas, das beispielsweise flüchtige metallische Verunreinigungen, Phosphor, Bor und/oder ähnliches enthält, aufbereitet werden. Dabei soll die Aufbereitung beispielsweise eine Filterung für partikelförmige Verunreinigungen vorsehen, sofern diese nicht schon ausreichend durch den Feinstaubabscheider 31 vorgesehen wird. Darüber hinaus sollen aber insbesondere in der Gasaufbereitungseinheit 35 flüchtige Verunreinigungen, insbesondere metallische Verunreinigungen in Form von beispielsweise Metallhalogeniden entfernt werden. Hierzu kann die Gasaufbereitungseinheit 35 beispielsweise eine Destillationseinheit und/oder eine chemische Absorptionseinheit aufweisen.In the gas processing unit 35 can out of the process chamber 18 aspirated gas, in particular a process gas containing, for example, volatile metallic impurities, phosphorus, boron and / or the like, are treated. The treatment should provide, for example, a filtration for particulate impurities, if they are not already sufficient through the fine dust 31 is provided. In addition, but especially in the gas treatment unit 35 volatile impurities, in particular metallic impurities are removed in the form of, for example, metal halides. For this purpose, the gas processing unit 35 For example, have a distillation unit and / or a chemical absorption unit.

Obwohl dies nicht näher dargestellt ist, kann die Gasaufbereitungseinheit 35 einen Speicher für gereinigtes Gas oder aus dem Gas destillierte Flüssigkeit aufweisen. Darüber hinaus kann auch eine externe Versorgungseinheit für Prozessgas vorgesehen sein. Für eine Reinigung von metallurgischem Silizium werden beispielsweise SiCl₄, Chlor, HCl, Silane, Halogenide und/oder Mischungen derselben in Betracht gezogen. Im Bereich der Gasaufbereitungseinheit 35 und/oder der externen Versorgungseinheit können die Grundmaterialien gegebenenfalls in flüssiger Form vorliegen und über entsprechendes Erwärmen vor dem Einleiten in die Prozesskammer 18 in Gasform gebracht werden, wie der Fachmann erkennen kann.Although this is not shown in detail, the gas conditioning unit 35 have a storage for purified gas or gas distilled from the gas. In addition, an external supply unit for process gas can also be provided. For purification of metallurgical silicon, for example SiCl ₄ , chlorine, HCl, silanes, halides and / or mixtures thereof are contemplated. In the field of gas treatment unit 35 and / or the external supply unit, the base materials may optionally be in liquid form and via appropriate heating prior to introduction into the process chamber 18 be made in gaseous form, as the skilled artisan can recognize.

Die Gasaufbereitungseinheit 35 steht über eine Leitung 47 mit der zweiten Pumpe 37 in Verbindung, die aus der Gasaufbereitungseinheit 35 oder auch der externen Versorgungseinheit Prozessgas oder einen Prekursor für das Prozessgas über eine Leitung 48 zur ersten Einlasseinheit 38 leitet. In oder an der Leitung 47 kann eine Heizeinheit vorgesehen sein, um das Prozessgas oder den Prekursor aufzuheizen und sicherzustellen, dass es/er beim Einleiten in die Prozesskammer eine erhöhte Temperatur besitzt und gasförmig ist. Es kann von Vorteil sein, dass das Prozessgas beim Eintritt in die Prozesskammer eine Temperatur von über 800, vorzugsweise über 1000°C hat, um eine Verfestigung von geschmolzenem Silizium zu verzögern.The gas conditioning unit 35 is over a line 47 with the second pump 37 in connection, coming from the gas treatment unit 35 or the external supply unit process gas or a precursor for the process gas via a line 48 to the first inlet unit 38 passes. In or on the line 47 For example, a heating unit may be provided to heat up the process gas or precursor and ensure that it has an elevated temperature and is gaseous when introduced into the process chamber. It may be advantageous for the process gas to reach a temperature of more than 50.degree. When entering the process chamber 800 , preferably above 1000 ° C, to retard solidification of molten silicon.

Die erste Einlasseinheit 38 besteht aus einem Gehäuse 50, das eine Durchführöffnung 51 für das Leitungselement 13 aufweist. Im Inneren des Gehäuses 50 sind eine Ringleitung 52 sowie eine Vielzahl von Auslassleitungen 53 ausgebildet. Die Ringleitung 52 steht mit der Leitung 48 in Verbindung und kann über die Pumpe 37 mit Gas beaufschlagt werden. Die Ringleitung 52 umgibt die Durchführöffnung 51 für das Leitungselement 13 konzentrisch.The first inlet unit 38 consists of a housing 50 that has a passage opening 51 for the conduit element 13 having. Inside the case 50 are a ring line 52 and a plurality of outlet lines 53 educated. The ring line 52 stands with the line 48 in conjunction and can via the pump 37 be acted upon with gas. The ring line 52 surrounds the passage opening 51 for the conduit element 13 concentric.

Ausgehend von der Ringleitung 52 erstreckt sich eine Vielzahl von Auslassleitungen 53 nach innen in Richtung der Durchführöffnung 51 für das Leitungselement 13. Die Auslassleitungen 53 sind so angeordnet, dass sie einen sich radial erstreckenden Abschnitt sowie einen sich schräg nach unten erstreckenden Abschnitt aufweisen. Der sich schräg nach unten erstreckende Abschnitt mündet jeweils in einer Auslassöffnung. Diese Auslassöffnung ist jeweils benachbart zur Durchgangsöffnung 51 für das Leitungselement 13 angeordnet. Der schräg angeordnete Abschnitt mit der entsprechenden Auslassöffnung kann somit eine auf einen Austrittsbereich des Leitungselements 13 gerichtete schräge Gasströmung vorsehen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Dabei sei erwähnt, dass das Leitungselement 13 so in der Durchführöffnung 51 des Gehäuses 50 aufgenommen ist, dass es mit einer Unterseite des Gehäuses 50 oder auch schon im Bereich der Durchführöffnung 51 selbst endet.Starting from the ring line 52 extends a plurality of outlet lines 53 inward towards the passage opening 51 for the conduit element 13 , The outlet pipes 53 are arranged so that they have a radially extending portion and an obliquely downwardly extending portion. The obliquely downwardly extending section opens in each case in an outlet opening. This outlet opening is in each case adjacent to the passage opening 51 for the conduit element 13 arranged. The obliquely arranged portion with the corresponding outlet opening can thus one on an outlet region of the conduit element 13 directed oblique gas flow provide, as will be explained in more detail below. It should be mentioned that the line element 13 so in the passage opening 51 of the housing 50 It is included with a bottom of the case 50 or already in the area of the passage opening 51 even ends.

Der schräge Abschnitt der Auslassleitung 53 sieht einen sich zur Auslassöffnung verjüngenden Strömungsquerschnitt vor, um im Bereich der Austrittsöffnung hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorzusehen. Insbesondere sind die Pumpe 37 und die Einlasseinheit 38 derart aufeinander abgestimmt, dass im Bereich der Austrittsöffnungen der Auslassleitungen 53 eine Hochgeschwindigkeitsgasströmung, insbesondere eine Gasströmung mit einer Überschallgeschwindigkeit erzeugt werden kann.The sloping section of the outlet pipe 53 provides a flow cross-section tapering to the outlet opening in order to provide high flow velocities in the region of the outlet opening. In particular, the pump 37 and the inlet unit 38 coordinated so that in the area of the outlet openings of the outlet 53 a high-velocity gas flow, in particular a gas flow with a supersonic speed can be generated.

Optional kann in dem Gehäuse 50 ein benachbart zum Leitungselement 13 angeordneter Ultraschall- oder Megaschallwandler (nicht gezeigt) vorgesehen sein, der in der Lage ist, Ultra- oder Megaschall in das Leitungselement 13 bzw. darin befindliche Siliziumschmelze einzuleiten. Ein entsprechender Ultra- oder Megaschallwandler kann auch in einem anderen Bereich benachbart zum Leitungselement 13 vorgesehen sein.Optionally, in the housing 50 one adjacent to the conduit element 13 arranged ultrasound or megasonic transducer (not shown), which is capable of ultra or megasonic in the conduit element 13 or to initiate therein silicon melt. A corresponding ultra or megasonic transducer can also be located in another area adjacent to the line element 13 be provided.

Die Gasaufbereitungseinheit 35 steht über eine weitere Leitung 57 mit der dritten Pumpe 41 in Verbindung. Die Pumpe 41 steht über eine Leitung 58 mit der zweiten Einlasseinheit 42 in Verbindung. Die zweite Einlasseinheit 42 besteht im Wesentlichen aus einem außen an der Seitenwand 22 des Gehäuses 17 angebrachten, ringförmigen Gehäuse 60, das im Inneren eine Ringleitung 62 sowie eine Vielzahl von Auslassleitungen 53 aufweist.The gas conditioning unit 35 is over another line 57 with the third pump 41 in connection. The pump 41 is over a line 58 with the second inlet unit 42 in connection. The second inlet unit 42 consists essentially of an outside on the side wall 22 of the housing 17 mounted, annular housing 60 inside a loop 62 and a plurality of outlet lines 53 having.

Die Ringleitung 62 im Gehäuse 60 steht mit der Leitung 58 in Verbindung. Somit wird der Fachmann erkennen, dass Gas aus der Gasaufbereitungseinheit 35 über die Pumpe 41 in die Ringleitung 62 der zweiten Einlasseinheit 42 geleitet werden kann. Die Ringleitung 62 steht mit der Vielzahl von Auslassleitungen 63 in Verbindung. Die Auslassleitungen 63 erstrecken sich jeweils schräg nach oben von der Ringleitung 62 und münden in den Einlassöffnungen 24 in der Seitenwand 22 des Gehäuses 17. Wie der Fachmann erkennen kann, ist die zweite Einlasseinheit 42 in Kombination mit der Pumpe 41 somit in der Lage, innerhalb der Prozesskammer 18 eine schräg nach oben gerichtete Gasströmung zu erzeugen. Zusätzlich oder auch alternativ können die Auslassleitungen 63 auch so angeordnet sein, dass sie in der Prozesskammer 18 eine kreis- oder spiralförmige Strömung erzeugen.The ring line 62 in the case 60 stands with the line 58 in connection. Thus, those skilled in the art will recognize that gas from the gas processing unit 35 over the pump 41 in the ring line 62 the second inlet unit 42 can be directed. The ring line 62 stands with the multitude of outlet pipes 63 in connection. The outlet pipes 63 each extend obliquely upwards from the loop 62 and flow into the inlet openings 24 in the sidewall 22 of the housing 17 , As those skilled in the art will recognize, the second intake unit is 42 in combination with the pump 41 thus able, within the process chamber 18 to produce an obliquely upward gas flow. Additionally or alternatively, the outlet conduits 63 also be arranged so that they are in the process chamber 18 create a circular or spiral flow.

Nachfolgend wird der Betrieb der Vorrichtung 1 unter Bezugnahme auf die 1 näher erläutert.The operation of the device will be described below 1 with reference to the 1 explained in more detail.

Zunächst befindet sich die Vorrichtung 1 in einem Ausgangszustand, bei dem metallurgisches Silizium in den Schmelztiegel 12 der Schmelztiegeleinheit 9 geladen ist. Der Auffangbehälter 19 ist in gasdichter Weise an dem Gehäuse 17 befestigt. Die Prozesskammer 18 wird über die Vakuumpumpe 33 entlüftet, wobei das abgesaugte Gas zunächst in die Umgebung abgegeben werden kann. Hierdurch wird die Prozesskammer beispielsweise auf einen Druck kleiner 50 mbar, und vorzugsweise kleiner 15 mbar abgepumpt. Das metallurgische Silizium wird über die Heizeinheit 10 in dem Schmelztiegel 12 geschmolzen, so dass in dem Leitungselement 13 geschmolzenes Silizium ansteht. Das geschmolzene Silizium kann gegebenenfalls über eine entsprechende Ventileinheit (nicht dargestellt) in Richtung der Prozesskammer 18 geleitet werden. Das Leitungselement 13 kann so bemessen sein, dass das geschmolzene Silizium nicht ohne zusätzlich Krafteinwirkung wie um Beispiel ein Unterdruck in der Prozesskammer und/oder Strömungseffekte durch eingeleitetes Prozessgas dort hindurch fließen würde.First, the device is located 1 in an initial state, in which metallurgical silicon in the crucible 12 the crucible unit 9 loaded. The collection container 19 is in a gas-tight manner to the housing 17 attached. The process chamber 18 is via the vacuum pump 33 vented, the extracted gas can first be discharged into the environment. As a result, the process chamber is pumped off, for example, to a pressure of less than 50 mbar, and preferably less than 15 mbar. The metallurgical silicon is passed over the heating unit 10 in the crucible 12 melted, leaving in the conduit element 13 molten silicon is present. If appropriate, the molten silicon can be conveyed via a corresponding valve unit (not shown) in the direction of the process chamber 18 be directed. The pipe element 13 may be such that the molten silicon would not flow through there without additional force such as, for example, a negative pressure in the process chamber and / or flow effects by the process gas introduced.

Wenn geschmolzenes Silizium an dem Leitungselement 13 ansteht und in Richtung der Prozesskammer 18 fließt, wird über die Pumpe 37 Prozessgas, das beispielsweise die schon oben genannten Elemente enthält, über die erste Einlasseinheit 38 in die Prozesskammer 18 eingeleitet. Im Nachfolgenden wird davon ausgegangen, dass das Prozessgas ein Chlor enthaltendes Prozessgas, insbesondere SiCl₄ ist. Dabei besitzt das Prozessgas beim Eintritt in die Prozesskammer 18 eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, vorzugsweise eine Überschallgeschwindigkeit.When molten silicon on the pipe element 13 is pending and in the direction of the process chamber 18 flows, is via the pump 37 Process gas containing, for example, the above-mentioned elements, via the first inlet unit 38 in the process chamber 18 initiated. In the following, it is assumed that the process gas is a chlorine-containing process gas, in particular SiCl ₄ . The process gas has access to the process chamber 18 a high flow rate, preferably a supersonic speed.

Durch das Leitungselement 13 hindurch tretendes geschmolzenes Silizium wird durch diese Gasströmung in feine Tröpfchen zerstäubt. Die derart zerstäubten Tröpfchen aus geschmolzenem Silizium fallen dann innerhalb der Prozesskammer 18 nach unten, und werden schließlich, nachdem sie sich gegebenenfalls verfestigt haben innerhalb des Auffangbehälters 19 in Form von Siliziumpartikeln aufgenommen. Während dieses freien Falls stehen die Tröpfchen mit dem Prozessgas SiC14 in Kontakt. Das Prozessgas, und insbesondere der Chlorbestandteil reagiert mit metallischen Verunreinigungen in den Tröpfchen und bildet Metallchloride. Verunreinigungen aus Bor und Phosphor bilden beispielsweise BCl₃ bzw. PCl₃, welche bei den Temperaturen in der Prozesskammer 18 flüchtig sind. Es können aber auch ähnliche Reaktionen mit anderen insbesondere metallischen Verunreinigungen stattfinden. Das Leitungselement 13 kann beispielsweise zusätzlich mit einer Widerstandsheizung oder einer anderen Heizung beheizt sein, um zu gewährleisten, dass das flüssige Silizium sich in diesem während des Prozesses nicht verfestigt.Through the conduit element 13 passing molten silicon is atomized by this gas flow into fine droplets. The thus atomized droplets of molten silicon then fall within the process chamber 18 down, and eventually, after they have possibly solidified within the collection container 19 taken in the form of silicon particles. During this free fall, the droplets are in contact with the SiC14 process gas. The process gas, and in particular the chlorine component reacts with metallic impurities in the droplets and forms metal chlorides. Impurities of boron and phosphorus form, for example, BCl ₃ or PCl ₃ , which at the temperatures in the process chamber 18 are fleeting. But it can also take place similar reactions with other particular metallic impurities. The pipe element 13 For example, it may be additionally heated with a resistance heater or other heater to ensure that the liquid silicon does not solidify in it during the process.

Durch den Unterdruck in der Prozesskammer 18 werden die metallischen Verunreinigungen bevorzugt an die Oberfläche der Tröpfchen gezogen. Durch die Tröpfchenbildung wird eine sehr große Oberfläche vorgesehen, so dass das Prozessgas gut mit den metallischen Verunreinigungen reagieren kann, und diese zu einem großen Prozentsatz aus dem geschmolzenen Silizium herausziehen kann. Um die Fallzeit innerhalb der Prozesskammer 18 zu erhöhen, wird über die zweite Einlasseinheit 42 eine schräg nach oben gerichtete Gasströmung innerhalb der Prozesskammer 18 erzeugt. Diese besteht wiederum aus dem Prozessgas, sodass eine gute Vermischung der Tröpfchen mit dem Prozessgas stattfinden kann.Due to the negative pressure in the process chamber 18 The metallic impurities are preferably drawn to the surface of the droplets. Droplet formation provides a very large surface area so that the process gas can react well with the metallic contaminants and extract them to a large extent from the molten silicon. To the fall time within the process chamber 18 increase is via the second intake unit 42 an obliquely upward gas flow within the process chamber 18 generated. This in turn consists of the process gas, so that a good mixing of the droplets with the process gas can take place.

Über die Pumpe 33 wird während dieses Vorgangs ständig Gas abgesaugt, insbesondere das eingeleitete Prozessgas sowie durch die Reaktion mit den Verunreinigungen entstehende flüchtige Bestandteile. Dabei werden natürlich auch wenigstens teilweise Partikel angesaugt, die innerhalb des Feinstaubabscheiders 31 abgeschieden werden. Die Gase und die flüchtigen Verunreinigungsbestandteile werden über die Pumpe 33 in die Gasaufbereitungseinheit 35 eingeleitet. Dort wird das Gas beispielsweise durch Filtern, Destillation und/oder chemische Absorption gereinigt, um die metallischen Verunreinigungen aus dem Gas zu entfernen. Über die Pumpe 37 oder 41 kann das Gas dann wieder über die Prozesskammer 18 rezirkuliert werden.About the pump 33 During this process, gas is constantly being sucked off, in particular the process gas introduced and volatile constituents resulting from the reaction with the impurities. Of course, at least partially particles are sucked in, which are within the fine dust 31 be deposited. The gases and volatile impurity components are pumped through 33 in the gas treatment unit 35 initiated. There, the gas is purified, for example by filtering, distillation and / or chemical absorption to remove the metallic impurities from the gas. About the pump 37 or 41 then the gas can be returned through the process chamber 18 be recirculated.

Wenn die Schmelze komplett oder auch nur teilweise in der obigen Weise behandelt wurde, kann der Prozess beendet werden, und im Auffangbehälter 19 gesammeltes Silizium kann entnommen und gegebenenfalls direkt weiteren Prozessen zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, wie oben angedeutet, weitere Prozesse direkt im Auffangbehälter 19 durchzuführen, wie zum Beispiel das Aussetzten von Si-Partikeln gegenüber einem Unterdruck und/oder einem reaktiven Gas, insbesondere im Wechsel. Hierzu kann der Auffangbehälter 19 vorzugsweise gegenüber der Prozesskammer 18 isoliert werden, wodurch sich en wesentlich verkleinertes Prozessvolumen ergibt. Der Auffangbehälter kann aber auch als Transport- und/oder Aufbewahrungsbehälter eingesetzt und beispielsweise mit einem inerten Gas beaufschlagt werden.When the melt has been completely or even partially treated in the above manner, the process can be stopped, and in the catch tank 19 Collected silicon can be removed and optionally fed directly to other processes. But it is also possible, as indicated above, other processes directly in the collection container 19 perform such as the exposure of Si particles to a vacuum and / or a reactive gas, especially in alternation. For this purpose, the collecting container 19 preferably opposite the process chamber 18 be isolated, which results in a much smaller process volume. The collecting container can also be used as a transport and / or storage container and acted upon, for example, with an inert gas.

Optional kann während wenigstens eines Teilabschnitts des obigen Prozesses auch ein Gas durch die Schmelze im Schmelztiegel geleitet werden, um schon dort eine teilweise Reinigung vorzusehen. Diese kann gegebenenfalls durch Erzeugen eines Unterdrucks im Gehäuse 8 der Schmelzeinheit 3 noch gefördert werden. Dabei kann das in den Schmelztiegel eingeleitete Gas ein anderes als das in der Prozesskammer eingesetzte Gas sein, um unterschiedliche Reinigungsmechanismen vorzusehen. Auch dieses Gas kann gegebenenfalls nach einer Aufbereitung rezirkuliert werden. Zusätzlich kann in diesem Bereich gegebenenfalls auch noch eine elektronenstrahl- und/oder plasmaunterstützte Oberflächenreinigung der Schmelze im Schmelztiegel vorgesehen werden.Optionally, during at least a portion of the above process, a gas may also be passed through the melt in the crucible to provide partial cleaning already there. This may optionally by generating a negative pressure in the housing 8th the melting unit 3 still be promoted. In this case, the gas introduced into the crucible may be different from the gas used in the process chamber in order to provide different cleaning mechanisms. This gas can also optionally be recirculated after treatment. In addition, an electron beam and / or plasma-assisted surface cleaning of the melt in the crucible can optionally also be provided in this area.

Vorzugsweise kann der Betrieb auch kontinuierlich, das heißt durch fortlaufendes Befüllen der Aufschmelzeinheit und durch fortlaufende Entnahme des gereinigten Materials, geschehen.Preferably, the operation can also be continuous, that is to say by continuous filling of the melting unit and by continuous removal of the cleaned material.

Der oben beschriebene Prozess sieht somit eine gute Reinigungsmöglichkeit für metallurgisches Silizium vor, um insbesondere metallische Verunreinigungen sowie Bor und Phosphor auf einfache und kostengünstige Weise aus dem Silizium zu entfernen. Insbesondere kann zum Beispiel Phosphor nach der Gaszerstäubung und der anschließenden Verfestigung von Si-Partikeln in einem hohen Unterdruck aus den Si-Partikeln entfernt werden. Die üblicherweise sphärische Form der Si-Partikel mit entsprechend geringen Durchmessern von beispielsweise 20 bis 400 μm fördert die Entfernung von Phosphor im Unterdruck.The process described above thus provides a good cleaning option for metallurgical silicon, in particular to remove metallic impurities and boron and phosphorus in a simple and cost-effective manner from the silicon. In particular, for example, phosphorus can be removed from the Si particles after the gas atomization and the subsequent solidification of Si particles in a high negative pressure. The usually spherical shape of the Si particles with correspondingly small diameters of, for example, 20 to 400 microns promotes the removal of phosphorus in the vacuum.

Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformung der Erfindung näher erläutert, ohne auf diese konkrete Ausführungsform beschränkt zu sein. Insbesondere ist die zweite Gas-Einlasseinheit 42 nur optional zu sehen. Ferner sei bemerkt, dass das geschmolzene Silizium insbesondere auch seitlich zum Beispiel über eine entsprechende Gasströmung nach oben gerichtet oder von unten in die Prozesskammer eingeleitet werden kann.The invention has been explained in detail above with reference to a preferred embodiment of the invention, without being limited to this specific embodiment. In particular, the second gas inlet unit 42 only optional to see. It should also be noted that the molten silicon can in particular also be directed laterally, for example via a corresponding gas flow, or introduced from below into the process chamber.

Claims

Process for removing contaminants from metallurgical silicon, comprising the following steps: Melting the metallurgical silicon; Introducing the molten silicon into a process chamber, wherein the molten silicon is atomized when introduced via a gas flow, and then falls to the bottom of the process chamber; Generating a reactive atmosphere in the process chamber, wherein the reactive atmosphere includes a process gas that reacts with impurities in the molten silicon to remove them from the molten silicon.

The method of claim 1, wherein the molten silicon via a gas flow of the process gas, in particular a supersonic gas flow of the process gas, is atomized.

The method of claim 1 or 2, wherein gas is continuously drawn from the process chamber, and wherein the gas is cleaned and at least partially recirculated for the atomization of the molten silicon and / or the generation of the reactive atmosphere in the process chamber.

The method of claim 3, wherein the purification comprises a distillation and / or chemical absorption to remove impurities present in the gas.

Method according to one of the preceding claims, wherein before and / or during the initiation of the molten silicon vacuum is generated in the process chamber.

A method according to claim 5, wherein in the process chamber, a negative pressure of <50 mbar, preferably <15 mbar is generated.

A method according to any one of the preceding claims, wherein prior to passing the molten silicon into the process chamber, a reactive gas which reacts with impurities in the molten silicon to remove them therefrom, is passed through the melt of the silicon.

The method of claim 7, wherein the reactive gas is purified and at least partially recirculated.

Method according to one of the preceding claims, wherein the molten silicon is applied before sputtering with ultra or megasonic.

Method according to one of the preceding claims, wherein within the process chamber an at least partially upwardly directed gas flow, in particular from process gas, is generated.

Method according to one of the preceding claims, wherein within the process chamber, a circular or spiral gas flow, in particular from process gas, is generated.

Method according to one of the preceding claims, wherein the process gas as a reactive component chlorine, another halogen, in particular hydrogen halide or silicon halide and / or a mixture of at least two of the components.

Method according to one of the preceding claims, wherein argon is added to the process gas.

The method of any one of the preceding claims, wherein the atomized molten silicon at least partially solidifies on the way to the bottom of the process chamber and thereby Si particles accumulate at the bottom of the process chamber, the method further comprising the steps of: exposing the Si particles to one another a negative pressure of <10 ^-3 mbar, in particular <10 ^-4 mbar.

The method of claim 14, wherein the Si particles are exposed alternately to the negative pressure and a reactive gas atmosphere having a pressure higher than the negative pressure.

The method of claim 14 or 15, wherein the Si particles outside of the process chamber or in a holding region of the process chamber, which was previously isolated from the rest of the process chamber, the negative pressure and / or the reactive gas atmosphere are exposed.

A device for removing impurities from metallurgical silicon, comprising: a melting unit ( 3 ) with a crucible ( 9 ) for receiving metallurgical silicon and at least one heating unit ( 10 ) for melting metallurgical silicon in the crucible ( 9 ); a process chamber unit ( 5 ) with a process chamber ( 18 ); at least one line ( 13 ) extending from the crucible ( 9 ) to the process chamber ( 18 ) and opens into it; and at least one gas circulation unit ( 7 ), comprising: at least one first pump ( 33 ) connected to the process chamber ( 18 ), and which is adapted to dispense a reactive process gas capable of reacting with impurities in the molten silicon to remove them from the molten silicon from the process chamber (10). 18 ) to suck off; a gas conditioning unit ( 35 ) connected to an outlet of the at least one first pump ( 33 ) and which is suitable from the process chamber ( 18 ) to purify extracted process gas from the impurities; at least one first gas inlet unit ( 38 ) connected to the gas conditioning unit ( 35 ) is connected to process gas from the gas treatment unit ( 35 ) to circulate in the process chamber, wherein the at least one first gas inlet unit ( 38 ) at least one outlet line ( 53 ) with an outlet opening adjacent to the process chamber ( 18 ) opening end of the line ( 13 ), wherein the outlet line ( 53 ) and the outlet opening are arranged so that they obliquely to an outlet region of the conduit ( 13 ) are directed; and at least one second pump ( 37 ) for conveying process gas from the gas processing unit ( 35 ) to the at least one gas inlet unit ( 38 ).

Apparatus according to claim 17, wherein the first pump is designed so that it is able to set a negative pressure, in particular a negative pressure <50 mbar, in the process chamber.

Apparatus according to claim 17 or 18, wherein the at least one second pump ( 37 ) and the gas inlet unit ( 38 ) are designed so that at the outlet opening of the at least one outlet line, a gas flow at supersonic speed can be generated.

Device according to one of claims 17 to 19, wherein the gas conditioning unit ( 35 ) has at least one distillation and / or chemical absorption unit and optionally a filter.

Device according to one of claims 17 to 20, wherein the gas circulation unit ( 7 ) at least one third pump ( 38 ) and a second gas inlet unit ( 42 ), the at least one outlet ( 63 ) with a to process chamber ( 18 ) has opening outlet opening, wherein the outlet line ( 63 ) and the outlet opening obliquely upward into the process chamber ( 18 ) are directed.

Device according to one of claims 17 to 21, wherein at least one ultra or megasonic transducer is provided, which adjacent to the line ( 13 ) is arranged in such a way that it can transmit ultrasound or megasonic into the line ( 13 ) can contribute.

Apparatus according to any of claims 17 to 22, further comprising means for introducing a process gas into the crucible (16). 9 ) having.

Device according to one of claims 17 to 23, wherein the process chamber ( 18 ) on the ground a holding area ( 19 ), which is isolatable from the process chamber.

Apparatus according to claim 24, further comprising means for generating a negative pressure and / or for introducing a process gas into the holding area (Fig. 19 ) having.