Способ получения кремния из газообразного тетрафторида кремния и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области химии, в частности к восстановлению кремния с применением непрерывного лазерного излучения для стимулирования реакции. Сущность изобретения: газообразный тетрафторид кремния подвергают воздействию лазерного излучения СО₂-лазера мощностью 2-10 кВт в реакционной камере под давлением 100-200 мм р.ст. Через коаксиальный патрубок в реакционную камеру одновременно с тетрафторидом кремния подают водород, связывающий фтор и аргон. Кремний осаждают на улавливатель внутри камеры. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Заявляемое изобретение относится к области химии, в частности, к способам восстановления кремния из газообразного тетрафторида кремния с использованием лазерного излучения для стимулирования химических реакций.

Технологическая операция производства кремния связана с извлечением его из различных соединений, очисткой от соответствующих примесей и формированием необходимых свойств.

Известны способы получения кремния путем восстановления кремнийсодержащих соединений водородом. В качестве кремнийсодержащих соединений обычно используют трихлорсилан, дихлорсилан, реже тетрафторид кремния. Процессы получения кремния химическим путем являются опасными и сложными.

Известны исследования и эксперименты, проведенные с целью перевода молекул SiF₄ в возбужденное состояние под действием излучения СО₂-лазера с последующим распадом SiF₄ и выделением радикала Si. (N.R. Jsenor. Сanadien Jurnal Physic 51, 1281, 1973).

Известны исследования и эксперименты по использованию тетрафторида кремния (SiF₄) в качестве кремнийсодержащего соединения для получения кремния с помощью физических процессов, в частности, путем разложения газообразного SiF₄ под действием лазерного излучения. Были проведены эксперименты, в которых газообразный тетрафторид кремния (SiF₄) при давлении в несколько торр в замкнутом объеме подвергался воздействию излучения СО₂-лазера мощностью ((μ 10,6 мкм) 10-100 Вт. В объеме кюветы визуально наблюдалось появление "тумана" частичек конденсированной фазы размером около микрона и более. Было обнаружено увеличение давления газа в кювете во время реакции, а также достоверно было обнаружено появление кремния на стенках. В другой серии экспериментов было обнаружено разложение SiF₄ и получение порошка аморфного кремния. Согласно проведенным экспериментам сфокусированное излучение СО₂-лазера, имеющего мощность 10-100 Вт, приводило к разрушению тетрафторида кремния в потоке.

Лазерные методы разделения газовых смесей, получение кремния, в частности, из газообразного тетрафторида кремния, научно обоснованы и теоретически разработаны в Институте общей физики Российской Академии наук. Данные о технологических процессах и параметрах, достаточных для получения кремния из тетрафторида кремния с использованием лазерного излучения для практического осуществления в полупромышленных или промышленных условиях, в публикациях не приводятся.

Необходимость разработки технологического процесса и устройства для получения кремния из газообразного тетрафторида кремния по лазерной технологии обусловлена тем, что в процессе производства гексафторида урана может быть очищен и выделен в больших количествах газообразный тетрафторид кремния их отходов в виде Na₂SiF₆. В этом случае лазерная технология получения кремния из тетрафторида кремния представляется достаточно эффективной.

Предлагаемые способ и устройство осуществлены при использовании мощного непрерывного излучения СО₂-лазера (2-10 кВт), введенного в реакционную камеру (замкнутый объем), в котором одновременно создают циркуляцию газообразного тетрафторида кремния и водорода, связывающего фтор в процессе распада тетрафторида кремния, а также аргона для защиты оптических свойств входного и выходного окон реакционной камеры. Тетрафторид кремния вводят в реакционную камеру под давлением 100-200 мм рт.ст. таким образом, чтобы поток SiF₄ проходил в зоне сфокусированного лазерного луча. Осаждение кремния происходит внутри камеры на улавливателе, установленном на одной оси с вводимым в камеру газообразным тетрафторидом кремния. Откачку реакционных газов из камеры производят непрерывно с помощью вакуумного насоса и очищают с помощью фильтра. Процесс взаимодействия тетрафторида кремния и водорода в реакционной камере регулируют соотношением, определяющим полное реагирование фтора и водорода.

На чертеже изображено устройство для осуществления предлагаемого способа.

Заявляемое устройство состоит из СО₂-лазера 1 мощностью 2-10 кВт с фокусирующей линзой 2, реакционной камеры 3, представляющей собой замкнутый объем в виде трубы, на торцах которой установлены входное и выходное прозрачные окна 4 для ввода лазерного луча из пластин кристалла хлористого калия (КСl). Для одновременной подачи тетрафторида кремния и водорода в центре верхней части камеры 3 установлен патрубок 5, состоящий из двух коаксиально размещенных трубок: внутренняя для подачи SiF₄ и внешняя для подачи водорода. Патрубок 5 установлен на одной оси с точкой фокусирования внутри реакционной камеры 3 лазерного луча и улавливателя кремния 6. Для подачи в реакционную камеру 3 аргона установлены патрубки 7. Отсос реакционных газов, содержащих F, HF и непрореагированный SiF₄, осуществляется через патрубок 8, соединенный с вакуумным насосом 9 и фильтром 10. Тетрафторид кремния, водород и аргон подают соответственно из баллонов 11, 12, 13. Подачу газов в реакционную камеру 3 и отсасывающую вакуумную систему регулируют дросселирующими вентилями 14 и контролируют манометрами 15.

Предлагаемый способ получения кремния из тетрафторида кремния и устройство для его осуществления реализуется следующим образом: В качестве лазера 1 используется СО₂-лазер типа ЛТУ-0501 мощностью до 5 кВт, изготовленный на Ангарском электролизном химическом комбинате. Реакционная камера 3 выполняется в виде трубки из нержавеющей стали диаметром 40 мм, длиной 140 мм, толщина стенки 3 мм, с обеих сторон которой торцевые отверстия-окна в трубке закрываются пластинами 4 из хлористого калия. Перед началом работы полость реакционной камеры 3 подвергается откачке с помощью вакуумного насоса 9 до 2·10^-2 мм рт.ст. При включении СО₂-лазера 1 лазерный луч с помощью фокусирующей линзы 2 из хлористого калия с фокусным расстоянием 132 мм вводят через пластины 4 в полость реакционной камеры 3 и фокусируют на струе тетрафторида кремния диаметром 0,5 мм, поступающей в реакционную камеру 3.

Одновременно с поступлением водорода из баллона 12 вводят аргон через патрубки 7 из баллона 13. Скорость напуска аргона составляет 0,1 л/мин. При включении вакуумного насоса 9 в реакционной камере 3 создают циркуляцию газов.

Количество тетрафторида кремния, подаваемого из баллона 11, определяют по расходомеру (оно составляет 5 г/мин.). Одновременно из реакционной камеры 3 откачивают избыточный газ и в камере поддерживают давление 100-200 мм рт. ст. Давление в камере, регулируемое вентилями 14, контролируют манометром 16. Под действием лазерного излучения в реакционной камере 3 создавалась низкотемпературная плазма из молекул SiF₄ и происходил ее распад по суммарной реакции: лазерное излучение +SiF₄+ 2H₂_→ Si + 4HF. При этом кремний в виде мелкодисперсного порошка осаждался на улавливателе 6, установленном соосно струе SiF₄, поступающей через патрубок 5. После прекращения процесса улавливатель кремния 6 удаляют из реакционной камеры 3.

В течение 3-4 мин работы на улавливателе 6 осаждалось 1,5-2 г кремния с чистотой 99% Реакционные газы, удаляемые из реакционной камеры 3 через патрубок 8, подвергают очистке на фильтре 10.

Описанный способ и устройство создают основу для проектирования промышленной установки по производству кремния из тетрафторида кремния.

При промышленном применении заявляемого способа и устройства может быть решена проблема уменьшения стоимости чистого кремния.

Один моль квантов СО₂-лазера составит при КПД 20% около 1,34·10^-2 кВт/ч. Если считать, что только половина лазерной энергии идет на распад тетрафторида кремния, то один моль кремния вместе с двумя молями фтора будут стоить 0,81 кВт/ч. Соответственно 1 г кремния будет стоить 2,8·10^-2 кВт/ч, если считать фтор побочным продуктом. Экономическая эффективность получения кремния из тетрафторида кремния по лазерной технологии при использовании отходов производства гексафторида урана может стать одним из стимулов конверсии в атомной промышленности.

Формула изобретения

1. Способ получения кремния из газообразного тетрафторида кремния, включающий воздействие на тетрафторид кремния непрерывным излучением СО₂-лазера в реакционной камере, отличающийся тем, что газообразный тетрафторид кремния подвергают воздействию лазерного излучения мощностью 2-10 Квт под давлением 100-200 мм рт.ст. и одновременно вводят в реакционную камеру водород и аргон при непрерывной циркуляции этих газов и отводе газообразных продуктов реакции, причем кремний осаждают внутри камеры, а взаимодействие SiF₄ и Н₂ осуществляется при молярном соотношении 2:1 соответственно.

2. Устройство для получения кремния из газообразного тетрафторида кремния, содержащее СО₉-лазер с фокусирующей линзой, реакционную камеру с оптическими окнами для ввода и вывода лазерного луча, установленными в торцах камеры, отличающееся тем, что ввод газообразного тетрафторида кремния и водорода в реакционную камеру выполнен в виде патрубка, состоящего из двух трубок, коаксиально расположенных одна в другой, и установлен в средней части камеры на одной оси с точкой фокусирования лазерного луча и улавливателем кремния, при этом внутренняя трубка служит для введения в камеру тетрафторида кремния, наружная для введения водорода, по краям реакционной камеры установлены патрубки для ввода аргона, в нижней части камеры установлен патрубок для отвода реакционных газов, соединенный с вакуумным насосом и фильтром.

РИСУНКИ

Рисунок 1