Устройство для рафинирования кремния

Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования для последующего производства полупроводникового и солнечного кремния. Устройство для рафинирования кремния путем выделения примесей металлов на металлических поверхностях кристаллизатора выполнено в виде тел вращения, при этом кристаллизатор состоит из круглого прямого цилиндра 1, расположенного по вертикальной оси симметрии, и коаксиально по отношению к нему расположенных цилиндрических труб 2, 3, связанных горизонтальными крестообразными стяжками 4, 7 в поверхностном и придонном слоях расплава 5. Изобретение позволяет получать высококачественное сырье с низким содержанием примесей. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования для целей последующего производства полупроводникового и солнечного кремния.

Уровень техники

Известно, что технический кремний по ГОСТ 2169-69 содержит до 4 масс. % примесей и без дополнительной глубокой доочистки не пригоден в технологии получения как «полупроводникового», так и «солнечного» кремния. Существуют многочисленные физические, химические и физико-химические методы и устройства для его очистки от примесей. На заключительных этапах используются обычно прецизионное физическое оборудование и приемы фракционной перегонки, диспропорционирования газофазных соединений кремния, зонная плавка, выращивание монокристаллов [Э.С. Фалькевич, Э.О. Пульнер и др. Технология полупроводникового кремния. М.: «Металлургия», 1992, 407 с.]. Среди них имеется устройство для выделения примесей с помощью полого, охлаждаемого газом тела, погруженного в расплав кремния (JP 2000351616 А, 19.12.2000). Известно также устройство по патенту РФ №2600055 от 26.05.2015, в котором металлические кристаллизаторы выполнены в виде тел вращения. Оба эти патента являются аналогами настоящего изобретения. Однако охлаждение кристаллизатора с продувкой через него газа, предусмотренное в японском патенте, не может быть эффективным, так как теплоемкость и теплопроводность любой газовой фазы на несколько порядков меньше, чем чугуна, стали или кремния. Наиболее близким прототипом является патент РФ №2600055, в котором, как и в настоящей заявке, кристаллизаторы и их элементы выполнены сплошными, а не продуваемыми «cooling gas» [Application number 11-159620; Applicant SHOWA ALUM CORP; SHARP CORP.].

Необходимо найти и разработать устройство для быстрого и высокопроизводительного процесса рафинирования кремния от интерметаллических соединений и твердых растворов примесей железа, титана, ванадия, марганца и других тугоплавких металлов и неметаллических примесей.

В устройстве-прототипе кристаллизаторы выполнены в виде тел вращения - шаров, конусов или цилиндров, но не предусмотрены решения, позволяющие получить, возможно, большую поверхность массообмена и кристаллизации. Шар, например, представляет собой тело, обладающее минимальной поверхностью для заданной массы кристаллизатора. Использование многих цилиндрических или конусных тел, не связанных в единую конструкцию, не позволяет организовать потоки расплава и получить максимальную эффективность работы устройства.

Сущность изобретения

В изобретении обеспечивается кристаллизация примесей из переохлажденного метастабильного состояния расплава, кремний же, как элемент-растворитель, остается, главным образом, в жидком расплаве. Скорость кристаллизации примесей пропорциональна сечению потока, в частности величине поверхности кристаллизации, а также действующему градиенту факторов интенсивности - температуры и концентрации. Значительная роль принадлежит также степени используемой метастабильности (удаления от равновесия) системы.

Кристаллизация примесей - твердофазных кристалликов интерметаллических соединений и твердых растворов, взвешенных в переохлажденном метастабильном расплаве, протекает на помещенном в расплав массивном холодном теле практически мгновенно, что и обеспечивает в предложенной конструкции возможность их быстрого удаления и получения более чистого сырья для последующего производства полупроводникового и солнечного кремния.

Сущность изобретения устройства заключается в том, что основная часть его выполнена из круглого прямого цилиндра, расположенного по его вертикальной оси симметрии, и коаксиально по отношению к нему расположенных цилиндрических толстостенных труб, связанных горизонтальными крестообразными стяжками в поверхностном и придонном слоях рафинируемого кремния. Кристаллизация в нашем устройстве рассредоточена по всему объему расплава, что также увеличивает интегральную скорость и производительность процесса рафинирования.

Перечень фигур чертежей и описание взаимодействия

На Фиг. 1 и Фиг. 2 показан вертикальный разрез устройства кристаллизатора. Здесь 1 - сплошной круглый цилиндр; 2 - первый трубчатый цилиндр; 3 - второй трубчатый цилиндр; 4 - верхняя крестообразная стяжка; 5 - расплав рафинируемого кремния; 6 - футерованная емкость для рафинирования; 7 - нижняя крестообразная стяжка.

Кристаллизатор подвешивается в точке С на подъемно-транспортном устройстве, с помощью которого он погружается в рафинируемый расплав и извлекается из него. Металлический кристаллизатор выполняется, например, из чугуна методом литья. При медленном погружении кристаллизатора в расплав, начальная температура которого составляет около 1500°С, более холодные конвективные струи расплава, окружающие сплошной цилиндр 1, опускаются вниз, как это показано на Фиг. 1.

Вытесняемые струи разогретого расплава поднимаются вверх по кольцевым промежуткам, образованным первым (2) и вторым (3) трубчатыми цилиндрами. В том же направлении вытесняются слои более горячего расплава между вторым трубчатым цилиндром (3) и футеровкой (6). Далее в верхней части устройства поднявшиеся струи вновь направляются вниз по кольцевому каналу, образованному сплошным круглым цилиндром (1) и первым трубчатым цилиндром (2). Базисные направления циркуляции качественно показаны стрелками на Фиг. 1. При этом диффузионные потоки, вызванные кристаллизацией на всех металлических поверхностях, направлены в радиальном направлении в сторону вертикальной оси симметрии устройства.

Общее время выделения кристаллов интерметаллических соединений, твердых растворов, а также кристаллов неметаллических включений углерода, оксидов, карбидов металлов не должно превышать 1-2 минут. Конечно, во время операций рафинирования должен быть обеспечен контроль и поддержание надлежащих температурных и тепловых условий работы устройства, так же как и требования охраны труда.

Технический результат разработки заключается в получении высококачественного сырья с низким содержанием примесей. Особенно это относится к примесям тугоплавких металлов, входящих в состав интерметаллических соединений (ИМС) и твердых растворов (TP). Среди ИМС это такие соединения, как TiSi2, TiSi и Ti5Si3; V5Si3 и V3Si; CrSi, CrSi2; Cr3Si; Cr5Si3; 7 соединений марганца; FeSi и FeSi2; Ni3Si; Ni5Si2; CoSi и Co3Si. [M. Хансен, К. Андерко. Структуры двойных сплавов, с англ., т. 1, М., 1962, 608 с.; т. 2, М., 1962, 1488 с.; Р.П. Эллиот. Структуры двойных сплавов, с англ., т. 1, М., 1970, 455 с.; т. 2, М., 1970, 472 с. Ф. Шанк. Структуры двойных сплавов, с англ., М., 1973, 759 с.].

Неметаллические примеси также образуют в кремнии твердые растворы (TP). Так кислород кроме включений SiO2 представлен TP внедрения, являющимся перенасыщенным при температурах ниже 1270 К [См. выше Э.С. Фалькевич и др., с. 292, также представлен твердым раствором [Э.С. Фалькевич и др., с. 294-295; Nosaki Т., Yatsurugi Y., Akiyamata N // J. Electrochem. Soc., 1970, v. 117, №12, p 1566-1571].

В условиях метастабильного переохлажденного расплава кремния кристаллики ИМС и TP практически моментально выпадают из пограничного слоя на поверхностях кристаллизации и легко могут быть удалены вместе с устройством из обрабатываемого расплава. Скорость кристаллизации, как отмечено выше, в условиях диффузионной кинетики гетерогенного процесса пропорциональна сечению диффузионного потока, которое практически совпадает с величиной кажущейся рабочей поверхности кристаллизатора. При высоте устройства 1,4 м, диаметре сплошного круглого цилиндра 0,2 м, внешнем и внутреннем диаметрах первого трубчатого цилиндра 0,8 м и 0,5 м; второго трубчатого цилиндра 1,2 м и 1,0 м суммарная поверхность кристаллизации составит около 22 м2. Эта поверхность на порядок и более выше, чем в изобретении-прототипе, что обеспечивает такую же кратность увеличения глубины или производительности процесса рафинирования.

Оптимальное количество цилиндров, их диаметры, все размеры конструктивных элементов устройства могут быть определены в результате выполнения последующих исследовательских и опытно-конструкторских работ. В конечном итоге производительность процесса рафинирования по сравнению с прототипом может быть повышена на несколько порядков. Изобретение может использоваться не только для рафинирования технического кремния, но и на конечных стадиях подготовки к получению полупроводникового и солнечного кремния.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, и его потенциальную эффективность

Возможность и неизбежность массового выпадения кристалликов ИМС и TP из переохлажденного метастабильного расплава кремния на поверхностях кристаллизации представляется физически очевидной. Это так же неизбежно, как появление кристалликов льда из переохлажденного насыщенного пара воздуха на холодном оконном стекле в осенне-зимний период.

Цены на технический кремний составляют порядка 2600-2800 USD/t. При этом стоимость полупроводникового кремния колеблется около 280.000 USD/t, т.е. выше в 100 раз, а стоимость кремния «солнечного» качества (SOG - Si) может достигать и 700.000 USD/t [Немчинова Н.В. Поведение примесей элементов при производстве и рафинировании кремния. М., 2008, 236 с; с. 32]. Представляется очевидным, что повышение качества кремния-сырца неизбежно приведет к снижению стоимости как «полупроводникового», так и «солнечного» кремния, что будет способствовать переходу к солнечной энергетике.

Устройство заявленного типа при использовании его на стадиях, непосредственно предшествующих получению монокристаллов «полупроводникового» и «солнечного» кремния, приведет дополнительно к снижению стоимости этих продуктов.

Устройство для рафинирования кремния путем выделения примесей металлов на металлических поверхностях кристаллизатора, выполненного в виде тел вращения, отличающееся тем, что кристаллизатор состоит из круглого прямого цилиндра, расположенного по вертикальной оси симметрии, и коаксиально по отношению к нему расположенных цилиндрических труб, связанных горизонтальными крестообразными стяжками в поверхностном и придонном слоях расплава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области формирования эпитаксиальных слоев кремния на изоляторе. Способ предназначен для изготовления эпитаксиальных слоев монокристаллического кремния n- и p-типа проводимости на диэлектрических подложках из материала с параметрами кристаллической решетки, близкими к параметрам кремния с помощью химической газофазной эпитаксии.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов путем выращивания легированных нитевидных нанокристаллов кремния на кремниевых подложках по схеме пар→жидкая капля→кристалл (ПЖК).

Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования. Способ рафинирования технического кремния осуществляют методом направленной кристаллизации, при этом расплав кремния охлаждают до 1420°С, погружают в него на 3-30 с металлические кристаллизаторы с начальной температурой примерно 150-200°С, выделяют на их поверхностях примеси металлов в виде интерметаллических соединений и твердых растворов с кремнием, после чего кристаллизаторы вместе с примесями удаляют из расплава и перемещают в перегретый флюс для стекания с них кремния, обогащенного примесями.
Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния.
Изобретение относится к технологии лекарственных средств, касается получения лекарственных форм на основе кремния диоксида. Поставленная задача решается за счет того, что в мешалку засыпается кремния диоксид мезопористый, в реактор добавляют поглощаемый раствор или расплав лекарственного и вспомогательных веществ и интенсивно перемешивают в течение 5-7 минут.

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.

Изобретение относится к технологии получения поликристаллического кремния путем осаждения на кремниевой электродной проволоке методом Siemens. Способ включает первую стадию с относительно низкой подачей газа, последнюю стадию с относительно высокой подачей газа и промежуточную стадию, на которой количество подаваемого газа увеличивают от величины подачи на первой стадии до величины подачи на последней стадии при подаче исходного газа, содержащего газообразные хлорсиланы и газообразный водород, в реактор через входное отверстие с сопловой, при этом все три стадии осуществляют при температуре реакции от 900°С до 1250°С и под давлением от 0,3 до 0,9 МПа, скорость у входного отверстия с сопловой насадкой составляет 150 м/с или более при максимальной подаче исходного газа на последней стадии, и подачу газа и температуру кремниевого стержня регулируют в соответствии со следующими условиями А-С в зависимости от диаметра D стержня поликристаллического кремния, который изменяется в ходе реакции осаждения после ее начала: условие А (количество подаваемых газообразных хлорсиланов): газообразные хлорсиланы подают в количестве одной трети или менее максимальной подачи газообразных хлорсиланов до тех пор, пока не будет достигнута заданная величина D1 от 15 мм до 40 мм, подаваемое количество увеличивают постепенно или поэтапно до достижения максимальной подачи газообразного хлорсилана между тем, когда достигнута величина D1, и тем, когда будет достигнута заданная величина D2 от 15 мм до 40 мм, которая больше D1, максимальную подачу газообразного хлорсилана поддерживают после достижения величины D2; условие В (количество подаваемого газообразного водорода): газообразный водород подают так, чтобы концентрация газообразных хлорсиланов в исходном газе составляла от 30 мол.% до менее чем 40 мол.% до тех пор, пока не достигнута величина D1, отношение количества подаваемого газообразного водорода к количеству газообразного хлорсилана увеличивают постепенно или поэтапно после достижения D1, газообразный водород подают так, чтобы концентрация газообразных хлорсиланов в исходном газе составляла от 15 мол.% до менее чем 30 мол.% после достижения величины D2; и условие С (температура кремниевого стержня): температуру уменьшают по мере увеличения диаметра кремниевого стержня после достижения величины D2.

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов. Наноразмерный порошок кремния получают травлением монокристаллического кремния в ячейке электрохимического травления с контрэлектродом U-образной формы из нержавеющей стали с последующим механическим отделением пористого слоя от подложки, его измельчением в изопропиловом спирте в ультразвуковой ванне и сушкой в естественных условиях, при этом в качестве электролита используют раствор диметилформамида с добавлением плавиковой кислоты и 20% по объему перекиси водорода (30%).
Изобретение относится к способам выращивания ориентированных поликристаллов кремния из расплавов методами направленной кристаллизации и рассчитано на получение материала для изготовления пластин для фотоэлектропреобразователей (солнечных батарей) из металлургического кремния.
Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к области создания микроструктурных элементов электронных устройств. Способ получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния включает подготовку полупроводниковой пластины путем нанесения на ее поверхность мелкодисперсных металлических частиц катализатора с последующим покрытием их тонкой пленкой тетрабората натрия (безводного), помещение пластины в радиационную печь, ее нагрев, создание в пластине поперечного, направленного от лицевой к тыльной стороне пластины градиента температуры в диапазоне от 10 до 100 К/см, создание недосыщения атомарного кремния в газовой фазе за счет подачи в нее тетрахлорида кремния и химическое газофазное травление пластины по схеме кристалл→жидкая капля→пар.

Изобретение относится к металлургии, в частности к флюсам для электрошлаковых технологий, для сталелитейного производства и для рафинирования и модифицирования сталей.

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для рафинирования стали в агрегатах «ковш-печь» и вакууматорах. Шлакообразующая смесь содержит в качестве флюса отходы производства вторичного алюминия и шлаковую составляющую и дополнительно двууглекислый натрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: двууглекислый натрий 1,0-2,0, отходы производства вторичного алюминия 10,0-30,0, шлаковая составляющая остальное.

Изобретение относится к специальной металлургии и может быть использовано при электрошлаковом переплаве отработанных изделий из различных металлов и сплавов в слитки.

Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования. Способ рафинирования технического кремния осуществляют методом направленной кристаллизации, при этом расплав кремния охлаждают до 1420°С, погружают в него на 3-30 с металлические кристаллизаторы с начальной температурой примерно 150-200°С, выделяют на их поверхностях примеси металлов в виде интерметаллических соединений и твердых растворов с кремнием, после чего кристаллизаторы вместе с примесями удаляют из расплава и перемещают в перегретый флюс для стекания с них кремния, обогащенного примесями.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для производства лигатуры алюминий-скандий-иттрий, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении из вторичного алюминиевого сырья глиноземсодержащих гранул для рафинирования и формирования шлакообразующего материала при выплавке стали, а также при производстве упомянутых гранул.
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при электрошлаковой выплавке сплошных и полых слитков из конструкционных борсодержащих сталей. Флюс содержит, мас.%: оксид алюминия 7-10, оксид магния 3-8, фторид кальция 48-57, фторид магния 28-35.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к карбонатным смесям, используемым при рафинировании и модифицировании алюминиевых сплавов. Карбонатная смесь содержит, мас.%: 50-95 карбоната кальция и 5-50 карбоната стронция, при этом смесь состоит из частиц фракции 40-60 мкм.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для порционного рафинирования алюминиевых сплавов. В качестве флюса используют отход производства - шлам соляных закалочных ванн.

Предложен способ пирометаллургической переработки никельсодержащего сульфидного материала с использованием флюсовой композиции, содержащей соединение кальция.

Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования. Способ рафинирования технического кремния осуществляют методом направленной кристаллизации, при этом расплав кремния охлаждают до 1420°С, погружают в него на 3-30 с металлические кристаллизаторы с начальной температурой примерно 150-200°С, выделяют на их поверхностях примеси металлов в виде интерметаллических соединений и твердых растворов с кремнием, после чего кристаллизаторы вместе с примесями удаляют из расплава и перемещают в перегретый флюс для стекания с них кремния, обогащенного примесями.

Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования для последующего производства полупроводникового и солнечного кремния. Устройство для рафинирования кремния путем выделения примесей металлов на металлических поверхностях кристаллизатора выполнено в виде тел вращения, при этом кристаллизатор состоит из круглого прямого цилиндра 1, расположенного по вертикальной оси симметрии, и коаксиально по отношению к нему расположенных цилиндрических труб 2, 3, связанных горизонтальными крестообразными стяжками 4, 7 в поверхностном и придонном слоях расплава 5. Изобретение позволяет получать высококачественное сырье с низким содержанием примесей. 2 ил.

Наверх