СПОСОБ ВЫВОДА ПОЛИСИЛАНХЛОРИДОВ ИЗ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ, ОТХОДЯЩЕЙ ОТ УСТАНОВОК ВОДОРОДНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C01B33/107 

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к производству полупроводникового кремния, к созданию устройства для вывода полисиланхлоридов, образующихся при проведении процесса водородного восстановления кремния, из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния.

В «Технологии полупроводникового кремния», автор Фалькевич Э.С. и др., издательство «Металлургия», 1992, стр.239, 240 подтверждается образование в установках водородного восстановления кремния "слоя полисиланхлоридов [SiCl_2n·H₂ и SiCl_2n+2]". "Для обеспечения безопасных условий труда при извлечении стержней из водоохлаждаемого металлического реактора после их охлаждения, слой полисиланхлоридов смывают потоком жидкого хлорсилана ...".

Автором не приведены способы вывода полисиланхлоридов в процессе конденсации при получении кремния на установках его водородного восстановления.

Известен способ (см. патент SU №1791380 А1 от 19.02.91 МПК⁷ С01В 33/08) выделения хлорсиланов из их газовой смеси с водородом и установки для его осуществления, предполагающие рециркуляцию сжиженного конденсата поэтапного охлаждения газовой смеси с отбором жидкой фазы конденсата хлорсиланов и направлением его в качестве абсорбента для доизвлечения хлорсиланов.

Недостатком данного способа является то, что он не предусматривает вывода полисиланхлоридов на какой-либо стадии охлаждения парогазовой смеси в аппаратах конденсации.

Вышеприведенные примеры не предусматривают освобождения конденсата от полисиланхлоридов, а предполагают дальнейшую переработку всей массы охлажденной смеси хлорсиланов на колоннах ректификации с целью разделения их на составляющие: трихлорсилан, тетрахлорид кремния и полисиланхлориды, выводящиеся с кубовыми остатками из общей массы.

Целью изобретения является вывод полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, посредством ее барботажа через слой жидких хлорсиланов.

Представлен способ вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, который заключается в разделении получаемого конденсата на две части, одна из которых, сконденсированная при температуре минус 95÷105°С, направляется на получение поликристаллического кремния, а вторая часть, сконденсированная при температуре минус 10÷12°C, направляется в емкость, барботируется парогазовой смесью, отходящей от установок водородного восстановления кремния, причем температуру жидкой фазы поддерживают в пределах минус 5 ÷ плюс 5°С.

Устройство для вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, содержащее корпус со сферическими боковыми стенками, патрубками для приема и выдачи конденсата и вывода парогазовой смеси, дополнительно снабжается патрубком перелива конденсата, расположенным на высоте 2/3 объема корпуса и газораспределительным устройством, установленным на дне емкости, имеющим патрубок для подвода парогазовой смеси, для осуществления барботажа конденсата хлорсиланов, полученного при температуре минус 10÷12°C, парогазовой смесью, отходящей от установок водородного восстановления кремния, снизу газораспределительного устройства выполнены отверстия, причем проходное сечение отверстий газораспределительного устройства равно проходному сечению патрубка подачи парогазовой смеси.

При исследовании отличительных признаков способов вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся их использования или реализации путем слива конденсата в устройство для вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, полученного при температуре минус 10÷12°C, и его барботажа парогазовой смесью, отходящей от установок водородного восстановления кремния.

Проведенный заявителем анализ уровня развития техники по имеющимся патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, заявителем не обнаружен.

Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения, что, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения условию "новизна".

Результаты дополнительного поиска известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа, показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из определенного заявителем уровня техники не выявлено влияние преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение технического результата. Поэтому заявитель предполагает соответствие данного изобретения критерию "изобретательский уровень".

Разделение жидких хлорсиланов после конденсации на два потока позволяет один поток направить на получение поликристаллического кремния, а второй поток использовать для очистки парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, сразу от полисиланхлоридов, посредством теплового взаимодействия с жидкими трихлорсиланом и тетрахлоридом кремния, за счет распределенного потока парогазовой смеси через жидкую фазу, с одновременной конденсацией полисиланхлоридов в этом же объеме, при этом устройство выполнено таким образом, что газовый поток после прохождения через жидкость направляется на блок конденсации, далее на очистку и на установку водородного восстановления кремния, а жидкая фаза по трубопроводу перелива постоянно выводится из емкости и направляется на ректификацию, при этом в емкости постоянно поддерживается уровень 2/3 объема корпуса с фактором исключения попадания полисиланхлоридов через парогазовую смесь на установку водородного восстановления кремния, а температуру в емкости поддерживают в пределах минус 5 ÷ плюс 5°С, для достижения полного растворения полисиланхлоридов в жидкой фазе и исключения конденсации трихлорсилана.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА И УСТРОЙСТВА

Способ вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, схематично представлен на фиг.2, а устройство для его осуществления представлено в разрезе на фиг.1.

Устройство для вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, показано в разрезе на фиг.1, и представляет собой цилиндрическую емкость, состоящую из металлического корпуса (1) с двумя полусферическими днищами, располагаемую горизонтально на фундаментах (2).

Одно из днищ снабжено патрубком (3), присоединенным к газораспределительному устройству парогазовой смеси (4), отходящей от установок водородного восстановления кремния. Газораспределительное устройство - заглушенная с противоположного конца по ходу парогазовой смеси труба, снабженная по нижней части отверстиями (5) для истечения газа в жидкую ванну. Снизу газораспределительного устройства выполнены отверстия, причем проходное сечение отверстий газораспределительного устройства равно проходному сечению патрубка подачи парогазовой смеси. Устройство имеет также патрубок для приема сливающегося конденсата (6) от теплообменных аппаратов блока конденсации хлорсиланов. Уровень смеси в ванне поддерживается за счет открытого переливного патрубка (7), установленного на высоте 2/3 объема корпуса. Парогазовая смесь (8) после контакта с конденсатом (9) выводится в теплообменные аппараты блока конденсации через патрубок (10). Кроме этого, корпус устройства снабжается патрубком (11) для слива конденсата при аварийных ситуациях и смотровым люком (12) для зачистки.

Пример осуществления способа вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, представлен на фиг.2, включающий подачу водорода (13) и трихлорсилана (14) в установку водородного восстановления кремния (15), с выводом продуктов реакции из него: парогазовой смеси (16), состоящей из непрореагировавших водорода и трихлорсилана, образовавшихся тетрахлорид кремния, хлористого водорода и полисиланхлоридов и осаждением на разогретых до плюс 1100÷1150°С основах поликристаллического кремния (17). Парогазовую смесь направляют в блок конденсации хлорсиланов (18), с целью поэтапного охлаждения и вывода хлорсиланов из парогазовой смесив в жидком виде, при этом жидкая фаза разделяется на два потока. Один поток сливающегося конденсата с температурой минус 10÷12°С от теплообменных аппаратов блока конденсации хлорсиланов направляется в устройство для вывода полисиланхлоридов (19), в котором осуществляется барботаж парогазовой смесью, отходящей от установок водородного восстановления кремния, имеющей температуру плюс 40÷50°С, тяжелые и распыленные полисиланхлориды растворяются при этом в смеси тетрахлорида и трихлорсилана. Перед началом процесса конденсации устройство для вывода полисиланхлоридов заполняют на 2/3 объема конденсатом от предыдущего процесса конденсации отходящей от установок водородного восстановления кремния парогазовой смеси. Сливающийся с устройства первый поток конденсата (20) состоит на 80÷90% из тетрахлорида кремния и 10÷20% трихлорсилана, с полностью растворенными в них полисиланхлоридами и направляется на ректификацию, а второй поток конденсата (21), получаемый в баке-сборнике (22) при охлаждении парогазовой смеси до температуры минус 95÷105°С и состоящий на 80÷90% из трихлорсилана и 10÷20% тетрахлорида кремния, направляется в установку водородного восстановления кремния для повторного использования. Несконденсированные водород и хлористый водород (23) направляются после блока конденсации на их разделение, с повторным использованием водорода в процессе водородного восстановления кремния, а хлористый водород утилизируется.

Предложенный способ и устройство позволяют осуществлять непрерывный вывод полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, причем в смеси, содержащей до 80% тетрахлорида и 20% трихлорсилана, концентрируется до 100% полисиланхлоридов. Оставшиеся до 80% трихлорсилан и 20% тетрахлорид кремния возвращаются непосредственно в процесс по получению поликристаллического кремния. Возвращаемая в процесс парогазовая смесь проходит дополнительную высокотемпературную обработку в установке водородного восстановления кремния, составляет до 20÷30% от общего количества исходного трихлорсилана, разгружает работу колонн ректификации, что позволяет увеличить их флегмовое число, а следовательно, увеличить степень очистки с улучшением качества получаемого поликристаллического кремния.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Парогазовую смесь, отходящую от установок водородного восстановления кремния, конденсируют и разделяют на 2 потока. Поток, сконденсированный при температуре минус 95÷105°С, направляют на получение поликристаллического кремния. Поток, сконденсированный при температуре минус 10÷12°С, направляют в емкость и барботируют через слой жидких хлорсиланов. Температуру жидкой фазы при барботировании парогазовой смесью поддерживают в пределах минус 5 ÷ плюс 5°С. Устройство для вывода полисиланхлоридов содержит корпус 1 со сферическими боковыми стенками, патрубок для приема конденсата 6 и патрубок вывода парогазовой смеси 10. В боковой стенке корпуса установлен патрубок 7 перелива конденсата. На дне емкости установлены газораспределительное устройство 4, соединенное с патрубком 3 подвода парогазовой смеси. Внизу газораспределительного устройства 4 выполнены отверстия 5, проходное сечение которых равно проходному сечению патрубка парогазовой смеси 3. Предложенное изобретение позволяет осуществить непрерывный вывод полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящих от установок водородного восстановления. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, включающий конденсацию хлорсиланов, отличающийся тем, что после конденсации хлорсиланы разделяют на два потока, один поток, сконденсированный при температуре минус 95÷105°С, направляют на получение поликристаллического кремния, а второй поток, сконденсированный при температуре минус 10÷12°С, направляют в емкость, барботируют парогазовую смесь, отходящую от установок водородного восстановления кремния через слой жидких хлорсиланов в емкости, температуру жидкой фазы поддерживают в пределах минус 5 ÷ плюс 5°С.2. Устройство для вывода полисиланхлоридов из парогазовой смеси, отходящей от установок водородного восстановления кремния, содержащее корпус со сферическими боковыми стенками, патрубками для приема и выдачи конденсата и вывода парогазовой смеси, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжается патрубком перелива конденсата, установленным на высоте 2/3 объема корпуса, и газораспределительным устройством, установленным на дне емкости, имеющим патрубок для подвода парогазовой смеси, снизу газораспределительного устройства выполнены отверстия, причем проходное сечение отверстий газораспределительного устройства равно проходному сечению патрубка подачи парогазовой смеси.