RU2592629C1 - Method of producing silicon - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to processing of siliceous rocks in production of semiconductor materials, which can be used for making solar collectors and elements of electronic equipment. Method involves breaking down and processing siliceous rock to produce silica powder, irradiation, cleaning and reduction to silicon, wherein after irradiation powdered silica is subjected to tempering at 950-1,000 °C in a protective or reducing medium.

EFFECT: invention increases depth of decomposition of ore components by affecting kinetics of decomposition of raw material at early stage of production of silicon, reduces concentration of impurities and power consumption when grinding.

1 cl, 4 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к переработке кремнистых пород при получении полупроводниковых материалов, которые могут быть использованы для изготовления солнечных коллекторов и элементов электронной техники.The invention relates to the metallurgical industry, in particular to the processing of siliceous rocks in the preparation of semiconductor materials that can be used for the manufacture of solar collectors and electronic components.

Известен способ получения кремния, включающий разрушение кремнистых пород на куски, измельчение, обогащение, восстановление кремнезема в электрической печи, химико-металлургическую очистку и получение слитков (Брук В.А., Гаршенин В.В., Курносов А.И. Производство полупроводниковых приборов. Учебник для индивидуального бригадного обучения рабочих на производстве. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1968, с. 49-52).A known method of producing silicon, including the destruction of siliceous rocks into pieces, grinding, beneficiation, recovery of silica in an electric furnace, chemical and metallurgical treatment and obtaining ingots (Brook V.A., Garshenin V.V., Kurnosov A.I. Production of semiconductor devices A textbook for individual brigade training for workers in production, 2nd ed., Revised and supplemented, Moscow: Vysshaya Shkola, 1968, pp. 49-52).

Недостатком известного способа является то, что при разложении сырьевых компонентов остается повышенное содержание примесей, которые приводят к структурным неоднородностям в слитке и, следовательно, невозможности получения кремния высокой чистоты.The disadvantage of this method is that when the decomposition of raw materials remains an increased content of impurities, which lead to structural inhomogeneities in the ingot and, therefore, the impossibility of obtaining high-purity silicon.

Известен способ получения монокристаллов кремния путем облучения с последующей зонной плавкой в вакууме (SU 793412, МПК С30В 13/06, 30.12.1980).A known method of producing silicon single crystals by irradiation followed by zone melting in vacuum (SU 793412, IPC С30В 13/06, 12/30/1980).

Недостатком данного способа является то, что облучение кремния проводят тепловыми нейтронами в процессе выращивания монокристаллов, т.е. на позднем этапе формирования структуры твердого тела, что не позволяет получать кремний высокого кристаллографического совершенства.The disadvantage of this method is that the irradiation of silicon is carried out by thermal neutrons in the process of growing single crystals, i.e. at a late stage in the formation of the structure of a solid, which does not allow obtaining silicon of high crystallographic perfection.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения кремния, включающий разрушение и переработку кремнистой породы до порошкообразного состояния, очистку, облучение гамма квантами или нейтронами и восстановление кремнезема в электрической дуге до получения кремния, химико-металлургическую очистку и измельчение в порошок (RU 2441838, МПК С01В 33/02, C30B 29/06, C30B 30/00, 10.02.2012).Closest to the claimed technical solution is a method for producing silicon, including the destruction and processing of siliceous rock to a powder state, cleaning, irradiation with gamma quanta or neutrons and the restoration of silica in an electric arc to obtain silicon, chemical metallurgical cleaning and grinding into powder (RU 2441838, IPC С01В 33/02, C30B 29/06, C30B 30/00, 02/10/2012).

Недостатком прототипа является невозможность обеспечения необходимой глубины разложения и соответственно получения кремния высокой чистоты.The disadvantage of the prototype is the inability to provide the necessary depth of decomposition and, accordingly, obtaining high purity silicon.

Технический результат сводится к увеличению глубины разложения сырьевых компонентов при помоле, снижению концентрации примесей и энергетических затрат. Это достигается тем, что в способе получения кремния, включающем разрушение и переработку кремнистой породы до порошкообразного состояния, облучение гамма квантами, очистку, согласно изобретению в технологический процесс вводят операцию прокалки с последующим восстановлением до кремния.The technical result is reduced to an increase in the depth of decomposition of raw materials during grinding, a decrease in the concentration of impurities and energy costs. This is achieved by the fact that in the method for producing silicon, including the destruction and processing of siliceous rock to a powder state, irradiation with gamma quanta, and purification, according to the invention, a calcining operation is introduced into the technological process, followed by reduction to silicon.

Предлагаемый способ позволит увеличить глубину разложения рудных компонентов, воздействуя на кинетику разложения сырьевого материала на ранней стадии получения кремния, снизить концентрацию примесей и энергетические затраты при помоле.The proposed method will increase the depth of decomposition of ore components, affecting the kinetics of decomposition of raw materials at an early stage of silicon production, reduce the concentration of impurities and energy costs during grinding.

Механизм разрушения твердого тела под действием облучения непосредственно связан с физическими особенностями структуры на атомно-молекулярном уровне. В порошкообразном концентрате облучение способствует созданию дополнительных активных центров, приводящих к ослаблению связи между зернами, а нагрев стимулирует подвижность дефектов, приводящих к разрыву внутримолекулярных связей, образуя зародышевые трещины. По таким микротрещинам разрушение происходит с меньшими затратами энергии при дальнейшем измельчении, обеспечивая выравнивание структуры. Кроме того, измельченное сырье характеризуется высокой открытой пористостью, а выход примесей на поверхность порошковых компонентов облегчает процесс очистки.The mechanism of destruction of a solid under irradiation is directly related to the physical features of the structure at the atomic-molecular level. In a powdery concentrate, irradiation contributes to the creation of additional active centers, leading to a weakening of the bond between the grains, and heating stimulates the mobility of defects, leading to the breaking of intramolecular bonds, forming embryonic cracks. In such microcracks, fracture occurs with less energy during further grinding, ensuring the alignment of the structure. In addition, the crushed raw materials are characterized by high open porosity, and the release of impurities to the surface of the powder components facilitates the cleaning process.

Способ получения кремния осуществляют следующим образом.The method of producing silicon is as follows.

Кремнистую породу разрушают и перерабатывают до получения порошкообразного кремнезема, подвергают облучению, прокалке. Причем прокалку осуществляют в аргоне или вакууме при 950-1000°С. Затем восстанавливают расплавлением в электропечи до кремния. Полученный после восстановления кремний подвергают химико-металлургической очистке с последующим выращиванием монокристаллов.The siliceous rock is destroyed and processed to obtain silica powder, subjected to irradiation, calcination. Moreover, the calcination is carried out in argon or vacuum at 950-1000 ° C. Then restore by melting in an electric furnace to silicon. The silicon obtained after reduction is subjected to chemical metallurgical purification followed by the growth of single crystals.

Достижение технического результата подтверждается экспериментальными данными, полученными при осуществлении данного способа.The achievement of the technical result is confirmed by experimental data obtained during the implementation of this method.

Пример 1. Кремнистую породу разрушают и перерабатывают до получения порошкообразного кремнезема, подвергают облучению, а затем прокалке при 950°С в вакууме, восстанавливают расплавлением в электрической печи и подвергают химико-металлургической очистке с последующим выращиванием монокристаллов (табл. 1).Example 1. Siliceous rock is destroyed and processed to obtain powdered silica, subjected to irradiation, and then calcined at 950 ° C in vacuum, restored by melting in an electric furnace and subjected to chemical metallurgical purification followed by the growth of single crystals (Table 1).

Пример 2. Кремнистую породу разрушают и перерабатывают до получения порошкообразного кремнезема, подвергают облучению гамма-квантами, а затем прокалке при 950°С в вакууме, восстанавливают расплавлением в электрической печи и подвергают химико-металлургической очистке с последующим выращиванием монокристаллов, (табл. 2).Example 2. Siliceous rock is destroyed and processed to obtain powdered silica, irradiated with gamma rays, and then calcined at 950 ° C in vacuum, restored by melting in an electric furnace and subjected to chemical-metallurgical purification followed by the growth of single crystals (table. 2) .

Пример 3. Кремнистую породу разрушают и перерабатывают до получения порошкообразного кремнезема, подвергают облучению гамма-квантами, а затем прокалке при 1000°С в аргоне, восстанавливают расплавлением в электрической печи и подвергают химико-металлургической очистке с последующим выращиванием монокристаллов (табл. 3).Example 3. Siliceous rock is destroyed and processed to obtain powdered silica, irradiated with gamma rays, and then calcined at 1000 ° C in argon, restored by melting in an electric furnace and subjected to chemical-metallurgical purification followed by the growth of single crystals (Table 3).

Пример 4. Кремнистую породу разрушают и перерабатывают до получения порошкообразного кремнезема, подвергают облучению гамма-квантами, а затем прокалке при 1000°С в аргоне, восстанавливают расплавлением в электрической печи и подвергают химико-металлургической очистке с последующим выращиванием монокристаллов.Example 4. Siliceous rock is destroyed and processed to obtain powdered silica, irradiated with gamma rays, and then calcined at 1000 ° C in argon, restored by melting in an electric furnace and subjected to chemical-metallurgical purification followed by the growth of single crystals.

Прокалка облученного сырья в защитной среде для снятия внутренних напряжений и последующего провоцирования зарождения и раскрепощения примесных включений приводит к существенному изменению зернистости, а последующая обработка в 20% HCl обеспечивает дополнительную очистку от примесей (табл. 4).Calcination of the irradiated raw materials in a protective medium to relieve internal stresses and subsequent provoking the nucleation and liberation of impurity inclusions leads to a significant change in grain size, and subsequent processing in 20% HCl provides additional purification from impurities (Table 4).

Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволит снизить энергетические затраты при помоле, увеличить глубину разложения рудных компонентов и уменьшить концентрацию примесей.Using the proposed method in comparison with the prototype will reduce energy costs during grinding, increase the depth of decomposition of ore components and reduce the concentration of impurities.

Claims (1)

Способ получения кремния, включающий разрушение и переработку кремнистой породы до получения порошкообразного кремнезема, его облучение, очистку и восстановление до кремния, отличающийся тем, что после облучения порошкообразный кремнезем подвергают прокалке при температурах 950-1000°C в защитной или восстановительной среде. A method of producing silicon, including the destruction and processing of siliceous rock to obtain powdered silica, its irradiation, purification and recovery to silicon, characterized in that after irradiation, powdered silica is calcined at temperatures of 950-1000 ° C in a protective or reducing environment.