РЕАКТОР ВОДОРОДНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C01B33/03 

Изобретение относится к аппаратам химической технологии, а именно к реакторам водородного восстановления кремния.

Известен реактор для получения стержней поликристаллического кремния, содержащий водоохлаждаемый корпус с патрубками подачи и отвода парогазовой смеси, в котором установлены кремниевые стержни-подложки, соединенные с токовводами (пат. ФРГ №2854707, МПК⁷ С01В 33/035, опубл. 1980 г.).

Недостатком известной конструкции реактора является крепление стержней с токовводами на нижнем основании реактора, что ужесточает требования, предъявляемые к исходным стержням, для исключения аварийных ситуаций в результате возможного отклонения стержней от вертикального положения.

Известен реактор для получения поликристаллического кремния, не имеющий вышеуказанного недостатка, принятый в качестве прототипа (пат. РФ №2205905, МПК⁷ С30В 28/12, опубл. 2003 г.).

Реактор содержит разъемный цилиндрический корпус с днищем, снабженный крышкой, на которой закреплены исходные кремниевые стержни с токовводами. К донной части реактора подведены магистрали исходных реагентов и удаления продуктов реакции.

Конструктивное оформление реактора предназначено для осуществления газофазного процесса с подачей и выводом реагентов и продуктов реакции только в газовой фазе.

Задачей изоретения является разработка конструкции реактора, позволяющая дополнительно, кроме проведения основного процесса, перерабатывать сконцентрированные отходы высококипящих хлорсиланов и тетрахлорида кремния их гидрированием и получением целевых продуктов в виде трихлорсилана и тетрахлорида кремния, с их использованием в процессе водородного восстановления кремния.

Поставленная задача решается тем, что в известном водоохлаждаемом реакторе, содержащем корпус с патрубками ввода исходных реагентов и вывода продуктов реакции и крышкой с приспособлением для крепления кремниевых стержней на токовводах, дополнительно предусмотрен съемный стакан, выполненный из материала инертного по отношению к реакционной среде и размещенный в зоне теплового излучения кремниевых стержней. В крышке реактора предусмотрен патрубок для подачи в стакан жидкофазного продукта, содержащего высококипящие хлорсиланы и тетрахлорид кремния.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически представлен предлагаемый реактор, где (1) - крышка реактора с установленными стержнями-основами (5), соединенные с изолированными от корпуса крышки реактора токовводами (2). На крышке (1) размещен ввод (3) сконцентрированных жидких высококипящих хлорсиланов и тетрахлорида кремния в заданном соотношении к водороду. Кроме того, к верхней крышке реактора крепится стакан-испаритель (4) хлорсиланов, который выполнен из инертного по отношению к реакционной среде в реакторе материала, например графита или кварца.

Для монтажа исходных стержней-основ отстыковываются патрубки ввода парогазовой смеси (9) и вывода парогазовой смеси (8), а затем отстыковываются средняя (6) и нижняя (7) царги.

Реактор работает следующим образом. После монтажа стакана-испарителя к верхней крышке реактора и кремниевых стержней-основ с помощью узла крепления к токовводам производится продувка газообразным азотом реактора, магистральных трубопроводов и вспомогательного оборудования. А после опрессовки реактора и соответствующего оборудования производится разогрев стержней-основ от внешнего источника, где плазмообразующим газом является, например, азот.

Пропусканием тока через кремниевые подложки их разогревают до температуры 1100°С и подают водород. Затем в реактор подают парогазовую смесь, состоящую из трихлорсилана и водорода, приготовленную в испарителе путем барботажа водорода через подогретый до температуры кипения трихлорислан.

На разогретых кремниевых стержнях ведут процесс водородного восстановления трихлорсилана до получения заданного диаметра, после чего:

- перекрывается подача трихлорсилана;

- устанавливают заданный расход водорода;

- в патрубок крышки реактора в жидкой фазе подают сконцентрированные высококипящие жидкие отходы хлорсиланов (полисиланхлориды и тетрахлорид кремния) в количестве, соответствующем заданному мольному соотношению.

В реакторе происходит процесс разложения полисиланхлоридов с одновременным гидрированием продуктов разложения и тетрахлорида кремния. В результате образуется трихлорсилан, восстанавливающийся на основах водородом до кремния.

Вывод отходящей парогазовой смеси производится из нижней части реактора, которая после ступенчатого охлаждения до температуры минус 95°С конденсируется и затем направляеся на ректификационное разделение хлорсиланов.

Заявляемая конструкция реактора позволяет перерабатывать отходы хлорсиланов (трихлорсилан, тетрахлорсилан и высококипящие хлорсиланы) с получением в водородной среде кремния. Кроме того, предлагаемая конструкция реактора позволяет получить поликристаллический кремний водородным восстановлением трихлорсилана, тетрахлорсилана или их смесей на кремниевых стержнях под давлением в реакторе до 0,8 МПа.

Известно, что температура кипения при нормальных условиях равна Si₂Cl₆ - 149°C, Si₆Cl₄ - 200°C, Si₃Cl₈ - 215°C, что делает невозможным использование стандартных испарителей.

В предлагаемой конструкции реактора кипение и испарение хлорсиланов обеспечивается средней температурой парогазовой смеси в реакторе.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет следующее:

1. Проводить водородное восстановление хлорсиланов с получением поликристаллического кремния под повышенным давлением, например, до 0.8 МПа.

2. Заявленный реактор позволяет осуществить переработку хлорсиланов, в том числе высококипящих полисиланхлоридов, с получением ценных продуктов.

Изобретение может быть использовано для водородного восстановления кремния. На разогретых кремниевых стержнях-основах 5 ведут процесс водородного восстановления трихлорсилана. Затем перекрывают подачу в реактор трихлорсилана и подают в патрубок ввода 3 в крышке реактора 1 отфильтрованную смесь тетрахлорсилана и полисиланхлоридов. Устанавливают заданный расход водорода. В реакторе происходит процесс разложения полисиланхлоридов с одновременным гидрированием продуктов разложения и тетрахлорида кремния. В результате этого образуется трихлорсилан, восстанавливающийся на стержнях-основах 5 водородом до кремния. Изобретение позволяет кроме проведения основного процесса дополнительно перерабатывать отходы высококипящих хлорсиланов и тетрахлорида кремния. 1 ил.

Реактор водородного восстановления кремния, содержащий корпус с патрубками ввода исходных реагентов и вывода продуктов реакции, снабженный крышкой с приспособлением для крепления кремниевых стержней на токовводах, отличающийся тем, что он снабжен съемным стаканом, выполненным из материала, инертного по отношению к реакционной среде, и размещенным в зоне теплового излучения кремниевых стержней, а в верхней крышке реактора установлен патрубок для подачи в стакан жидкофазного продукта.