金屬硅的生產(chǎn)和應用的制作方法
【專利摘要】本文描述了使用液相還原硅烷、以制備金屬硅的生產(chǎn)方法。在液相中操作允許更小巧的裝置設計，并且提供顯著降低的資本成本。
【專利說明】金屬硅的生產(chǎn)和應用
[0001]優(yōu)先權(quán)請求
[0002]本申請要求共同擁有的、待審的2011年5月16日申請的美國臨時專利申請編號61/486,429的優(yōu)先權(quán)，其公開的內(nèi)容在此通過引用并入本文。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及高純度金屬硅的制備。
【背景技術】
[0004]作為半導體產(chǎn)品的基礎和作為大多數(shù)光電管(PV)的重要成分，金屬硅均非常有用。用于這些應用的金屬硅需要非常純，通常PV管需要99.9999% (6N)或更高的純度，并且半導體應用通常需要9N或更高的純度。該純度的硅常在大型并且資本非常密集的設備中生產(chǎn)，其中使用氣相化學蒸汽沉積從含硅氣體中產(chǎn)生高純度金屬硅。兩種主要使用的氣體是三氯硅烷(SiHCl3)和硅烷或甲硅烷(SiH4)。
[0005]在本發(fā)明中，描述了使用液相還原硅烷，以制備金屬娃的生產(chǎn)方法。在液相中操作允許更小巧的裝置設計，并且提供顯著降低的資本成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明涉及金屬硅的制備，該制備方法特別便利并且還具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢。
[0007]本發(fā)明的一個優(yōu)選方法包括: [0008]在足以保證還原劑是液體的溫度下，將硅烷氣體引入含有所述還原劑的反應容器，所述還原劑優(yōu)選為堿金屬或堿土金屬或它們的結(jié)合，更優(yōu)選的所述還原劑為鈉金屬、鉀金屬，和它們的合金；
[0009]從反應容器中的還原劑中分離反應產(chǎn)物(金屬硅和過量還原劑的混合物)；
[0010]將反應產(chǎn)物加熱到使任何還原劑氫化物分解為還原劑和氫氣氣體的溫度；并且
[0011]從金屬娃中除去任何過量還原劑。
[0012]因此，制成的金屬是金屬粉末或具有內(nèi)部氣孔的伸展的團聚體結(jié)構(gòu)的形式。
[0013]該方法制成的粒徑通過多個因素控制，所述多個因素包括反應溫度、反應物的相對濃度、和金屬硅的熔點。
[0014]該方法制成的金屬可通過熔化致密，以制備高純度的硅。通過控制硅烷和還原劑的純度，可制備適合用于光電管、和甚至半導體裝置的純度的硅。
[0015]最后，本文記載的所有方法可使用氣相還原劑替代優(yōu)選的液相還原劑完成。
[0016]本發(fā)明的一個實施方式是通過包括將硅烷氣體(SiH4)與一種或多種堿金屬或堿土金屬反應的液體或蒸汽，將硅烷氣體轉(zhuǎn)化為金屬硅的方法。在某些實施方式中，堿金屬或堿土金屬包括鈉、或鉀、或它們的合金。在某些實施方式中，堿金屬或堿土金屬在方法中被獲取并回收以便重復使用。
[0017]在某些實施方式中，該方法的反應產(chǎn)物包括金屬硅、和至少0.1%的金屬鈉。在某些實施方式中，該方法的反應產(chǎn)物包括金屬硅、和至少1%的金屬鈉。另一種反應產(chǎn)物是氫氣氣體。如需要，方法中產(chǎn)生的氫氣可被回收并用于商業(yè)應用中。
[0018]在某些實施方式中，除去過量鈉后，金屬硅具有至少99.9%的純度。在某些實施方式中，除去過量鈉后，金屬硅具有至少99.99%的純度。在某些實施方式中，除去過量鈉后，金屬硅具有至少99.999%的純度。在某些實施方式中，除去過量鈉后，金屬硅具有至少99.9999%的純度。在某些實施方式中，除去過量鈉后，金屬硅具有至少99.99999%的純度。在某些實施方式中，金屬硅具有小于I微米的一次粒子直徑。
[0019]具有本文提供的純度的金屬硅可應用于光電裝置中。具有本文提供的純度的金屬硅可應用于半導體裝置中。具有本文提供的純度的金屬硅可應用于濺射靶中。
[0020]本發(fā)明涉及的領域的普通技術人員應當理解為，涉及本發(fā)明的任何特定方面和/或?qū)嵤┓绞降谋疚拿枋龅娜魏翁卣?，在保證結(jié)合的兼容性的修飾下，可與本文描述的一個或多個本發(fā)明的任何其他方面和/或?qū)嵤┓绞降钠渌魏翁卣鹘Y(jié)合。這樣的結(jié)合被認為是本公開所構(gòu)思的本發(fā)明的一部分。
[0021]應當理解的是，前述的一般描述和以下的詳細描述均僅是示例性和解釋性的，而不是對要求保護的發(fā)明的限制。從本文記載的本發(fā)明的說明書和實踐的考慮，其他實施方式本領域技術人員來說顯而易見。
【具體實施方式】
[0022]如上所述，硅烷可被注入熔化的還原劑，并在其中還原為微粒形式的金屬硅。硅顆粒的典型尺寸是反應溫度、 反應物流速、和硅的擴散特性的函數(shù)。通過對反應條件的謹慎控制，可選擇典型金屬粒徑的范圍。金屬的表面積與粒徑有關，并且金屬粒子的表面積在商業(yè)應用中決定金屬的很多重要物理性質(zhì)。粒徑被總結(jié)在如下表格中:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.通過包括一種或多種堿金屬或堿土金屬的液體或蒸汽將硅烷氣體轉(zhuǎn)化為金屬硅的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中堿金屬或堿土金屬包括鈉、或鉀、或它們的合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法的反應產(chǎn)物，包括金屬硅和至少0.1%的金屬鈉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法的反應產(chǎn)物，包括金屬硅和至少1%的金屬鈉。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的金屬硅，除去過量鈉后，其中所述金屬硅具有至少99.9%的純度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的金屬硅，除去過量鈉后，其中所述金屬硅具有至少99.99%的純度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的金屬硅，除去過量鈉后，其中所述金屬硅具有至少99.999%的純度。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的金屬硅，除去過量鈉后，其中所述金屬硅具有至少99.9999%的純度。
9.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的金屬硅，除去過量鈉后，其中所述金屬硅具有至少99.99999% 的純度。
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9任一所述的金屬娃,其中所述金屬娃具有小于I微米的一次粒子直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中堿金屬或堿土金屬在方法中被獲取并回收以便重復使用。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法中產(chǎn)生的氫氣在商業(yè)應用中的用途。
13.根據(jù)權(quán)利要求5-9中任一所述的金屬娃制備的光電設備。
14.根據(jù)權(quán)利要求5-9中任一所述的金屬制備的半導體設備。
15.根據(jù)權(quán)利要求5-9中任一所述的金屬硅制備的濺射靶。
【文檔編號】C01B33/021GK103702937SQ201280023994
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月16日
【發(fā)明者】安德魯·馬西森 申請人:波士頓硅材料有限公司