СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОГО КРЕМНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C01B33/27 

Изобретение относится к процессам и аппаратам для получения кремния высокой чистоты.

Известен способ получения кремния высокой чистоты в Сименс-реакторе путем термического разложения кремнийсодержащих соединений в газовой фазе и осаждения кремния на поверхности нагреваемых электрическим током стержнях из кремния до температуры около 1100°С в случае трихлорсилана (Пат. США №3286685) и около 800°С для моносилана (Пат. США №4148814 и 4150168). Недостатком известного способа является низкая скорость получения кремния из-за малой площади стержней из кремния и, как следствие, большие суммарные затраты энергии.

Для увеличения осаждаемой поверхности и скорости получения кремния ведут процесс в кипящем слое, в котором кремнийсодержащий газ разлагается до кремния на поверхности большого числа нагретых мелких кристаллических частиц кремния, находящихся в псевдокипящем слое (Пат. США 3102861, 3102862, 4207360 и 3963838). Недостатком известного способа является недостаточно высокая степень чистоты получаемого кремния и трудности последующего переплава кремния в процессе выращивания монокристаллов.

Известен способ получения кремния путем термического разложения моносилана (SiH₄) или водородного восстановления хлорсодержащих соединений кремния путем нагрева частиц кремния в реакторе с кипящим слоем микроволновым излучением СВЧ-плазмы с частотой 915-2450 МГц через кварцевые охлаждаемые стенки реактора (Пат. США №4900411). Недостатком известного способа является недостаточная чистота получаемого кремния и низкая производительность процесса.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения кремния путем пропускания кремнийсодержащего газа через наклонную трубу из графита, нагретую до температуры плавления кремния («Review on 2-nd Solar Silicon Conference» Photon International. May. 2005. pp.24-35). Кремний осаждается на трубу с высокой скоростью, плавится и стекает в приемную камеру. Недостатком известного способа является недостаточная чистота получаемого кремния из-за образования большого количества включений карбида кремния.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение чистоты получаемого кремния, снижение стоимости используемого оборудования и затрат энергии, увеличение производительности процесса получения кремния.

Технический результат достигается тем, что в способе получения кремния путем термического разложения кремнийсодержащих соединений в газовой фазе кремнийсодержащие соединения пропускают в дисперсном состоянии через слой расплавленного кремния.

Дополнительное увеличение производительности достигается тем, что кремнийсодержащие соединения барботируют через слой расплавленного кремния и создают в зоне барботажа УЗ-колебания интенсивностью 0,1-10 Вт/см² с частотой 20-60 кГц.

Дополнительное увеличение степени диспергирования достигается тем, что кремнийсодержащие соединения пропускают по газопроводу, где возбуждают акустические колебания с частотой 10-60 кГц, и барботируют через слой расплавленного кремния.

В устройстве для получения кремния высокой чистоты путем термического разложения кремнийсодержащих соединений в газовой фазе, содержащем реакционную камеру с системой подачи кремнийсодержащих соединений, реакционная камера выполнена в виде тигля с расплавленным кремнием и тигель содержит систему трубопроводов с отверстиями размером 0,1-5 мм² для выхода кремнийсодержащих соединений в расплавленный кремний.

Для повышения степени диспергирования кремнийсодержащих соединений система трубопроводов соединена с волноводом, излучающим УЗ-колебания интенсивностью 0,1-10 Вт/см² с частотой 20-60 кГц.

Для упрощения устройства диспергирования кремнийсодержащих соединений система трубопроводов содержит генератор акустических колебаний с частотой 10-60 кГц.

Способ изготовления кремния высокой чистоты и устройство для его осуществления схематично иллюстрируются на чертежах, где на фиг.1 показан простейший вариант конструкции устройства для барботирования кремнийсодержащих соединений через расплавленный кремний, на фиг.2 показано устройство для барботирования кремнийсодержащих соединений через расплавленный кремний с использованием УЗ-колебаний и на фиг.3 - устройство для барботирования кремнийсодержащих соединений через расплавленный кремний с использованием генератора акустических колебаний.

На фиг.1 тигель 1 с расплавленным кремнием 2 нагревают с помощью нагревателя 3. В расплав кремния погружен трубопровод 4 с множеством отверстий 5. Компрессор 6 создает давление, необходимое для выхода кремнийсодержащего вещества в расплавленный кремний. Конфигурация отверстий 5 и величина давления обеспечивают получение большого числа мелких газовых пузырьков 7 в объеме расплавленного кремния, имеющего точку плавления 1417°С. Вообще кремнийсодержащей газ может вводиться и сквозь отверстия в дне тигля.

Под действием температуры кремнийсодержащий газ разлагается с выделением кремния, пополняя объем расплавленного кремния. Скорость процесса разложения можно легко увеличить, повысив температуру расплавленного кремния, а количество получаемого кремния увеличивается с ростом расхода кремнийсодержащего газа и повышения степени его диспергирования - снижения размера пузырьков.

В варианте конструкции устройства на фиг.2 дополнительное диспергирование кремнийсодержащих веществ достигается путем подсоединения к трубопроводу 4 с множеством отверстий 5 волновода 8, через который от генератора 9 в расплавленный кремний 2 передаются ультразвуковые колебания интенсивностью 0,1-10 Вт/см² с частотой 20-60 кГц.

В варианте конструкции устройства на фиг.3 дополнительное диспергирование кремнийсодержащего газа, по сравнению с устройством на фиг.1, достигается тем, что после компрессора 6 газ проходит через генератор 10, создающий акустические колебания в трубопроводе 4 с частотой 10-60 кГц.

Пример реализации способа и устройства получения чистого кремния

Тигель 1 и трубопровод 4 выполняют из высокочистого инертного по отношению к расплавленному кремнию материала, имеющего точку плавления выше, чем у кремния, например кварц, силицированный графит, карбид или нитрид кремния. В начале и конце цикла нагревания тигля в трубопровод нагнетают под высоким давлением инертный газ, препятствуя проникновению во внутренний объем кремния. После расплавления кремния с помощью графитового нагревателя 3 в трубопровод подают моносилан под давлением, превышающим вес столба расплавленного кремния. В расплавленном кремнии образуются газовые полости размером в несколько миллиметров, в которых идет реакция разложения моносилана на кремний и водород. За время подъема газовых пузырьков на поверхность происходит полное 100% разложение моносилана. В результате кремний пополняет объем расплавленного кремния, а водород выходит из расплавленного кремния. Диспергирование пузырьков моносилана достигается, или генерацией УЗ-колебаний с помощью магнитострикционного преобразователя, или созданием акустических колебаний в трубопроводе за счет формирования в нем специальной геометрии и пульсации давления.

С целью экономии электроэнергии целесообразно тигель 1 с расплавленным кремнием 2 соединить дополнительным трубопроводом с тиглем установки, где происходит процесс выращивания слитков моно- или мультикристаллического кремния. Это позволяет создать установку с непрерывным процессом выращивания слитков кремния с одновременной подпиткой объема расплавленного кремния.

Изобретение относится к химической и электронной промышленности и может использоваться при получении кремния высокой чистоты. Кремнийсодержащее вещество подается в тигель с расплавом кремния через систему трубопроводов с отверстиями 0,1-5 мм² для получения пузырьков газа. Происходит термическое разложение кремнийсодержащего газа, при этом полученный кремний пополняет расплав. Предложенное изобретение позволяет повысить производительность процесса и чистоту полученного кремния при снижении стоимости оборудования и затрат энергии. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения кремния путем термического разложения кремнийсодержащих соединений в газовой фазе, отличающийся тем, что кремнийсодержащие соединения пропускают в дисперсном состоянии через слой расплавленного кремния.2. Способ получения кремния по п.1, отличающийся тем, что кремнийсодержащие соединения барботируют через слой расплавленного кремния и создают в зоне барботажа УЗ-колебания интенсивностью 0,1-10 Вт/см² с частотой 20-60 кГц.3. Способ получения кремния по п.1, отличающийся тем, что кремнийсодержащие соединения пропускают по газопроводу, где возбуждают акустические колебания с частотой 10-60 кГц, и барботируют через слой расплавленного кремния.4. Устройство для получения кремния высокой чистоты путем термического разложения кремнийсодержащих соединений в газовой фазе, содержащее реакционную камеру с системой подачи кремнийсодержащих соединений, отличающееся тем, что реакционная камера выполнена в виде тигля с расплавленным кремнием, и тигель содержит систему трубопроводов с отверстиями размером 0,1-5 мм² для выхода кремнийсодержащих соединений в расплавленный кремний.5. Устройство для получения кремния высокой чистоты по п.4, отличающееся тем, что система трубопроводов соединена с волноводом, излучающим УЗ-колебания интенсивностью 0,1-10 Вт/см² с частотой 20-60 кГц.6. Устройство для получения кремния высокой чистоты по п.4, отличающееся тем, что система трубопроводов содержит генератор акустических колебаний с частотой 10-60 кГц.