СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА КРЕМНИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ ИЗ СМЕСИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ И АЛЮМИНИЯ Российский патент 2018 года по МПК C01B33/23 C30B29/06 B22F9/16 B22F9/04 

Изобретение относится к процессам и аппаратам для получения кристаллического кремния повышенной чистоты.

Для производства кристаллического кремния полупроводникового качества в мировой практике применяется хлоридный метод, при этом порошок технического кремния, полученного карботермическим восстановлением в руднотермических печах, подвергается гидрохлорированию с образованием газообразных хлорсодержащих соединений кремния (хлорсиланы). После очистки и разделения газов, покидающих реактор, где происходит гидрохлорирование кремния, выделяют особо чистый трихлорсилан, который подвергается водородному восстановлению, в результате получают ГХК с содержанием суммы примесей меньше, чем 10^-4 мас.%. Полученный поликристаллический кремний (ПКК) идет на изготовление моно- и мультикристаллических слитков для использования их в полупроводниковом производстве. Способ описан в книге "Технология полупроводникового кремния" под ред. Э.С. Фалькевича. М.: Металлургия, 1992 г. Недостатками способа являются сложность и многозвенность технологии, а использование хлора требует особых условий для обеспечения экологической безопасности.

Наиболее близким по своей сущности к данному изобретению является техническое решение, изложенное в патенте DE №102004025654, 22.12.2005. Предлагается способ и установка для получения из смеси кварцевого песка и легких металлов (алюминиевого или магниевого скрапа) высокочистого кремния (или его соединений) путем восстановления кремнезема в плазме, образуемой при введении водяного пара в пламя высокотемпературной горелки. Установка для реализации предлагаемого способа представляет собой вертикальный реактор с водоохлаждаемыми стенками, в верхней части которого располагается горелка, в пламя которой через стенки реактора подается водяной пар и исходная смесь для получения кремния. Снизу реактора расположена вытеснительная турбина в виде вращающихся валков, играющая роль выгрузочного устройства для готового продукта/

Однако этот способ не обеспечивает получение кремния нужной степени чистоты для солнечных элементов, что связано с трудностями поддержания высокой степени чистоты компонентов, значительными температурными градиентами в реакторе и поэтому большим количеством непрореагировавшего материала. Нерешенными остаются экологические проблемы, обусловленные необходимостью очистки больших потоков высокотемпературных газов на выходе из реактора от пыли диоксида кремния, что приводит к высокой стоимости полученного кремния.

Задачей настоящего изобретения является получение высокочистого кремния экологически безопасным способом с низкими потерями кремния и низкой себестоимостью.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения кристаллического кремния высокой чистоты, включающем термическое восстановление кремнийсодержащего соединения до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия, шихту, содержащую стехиометрическое количество диоксида кремния и алюминиевую пудру (порошок) перемешивают, брикетируют и подают в реактор. Процесс восстановления ведут в электротермическом реакторе в две стадии. На первой стадии восстановления при температуре 900-1000°С происходит образование соединения Al₂SiO₅, выдержка времени на первой стадии 3-5 мин. На второй стадии температуру в реакторе повышают до 1100°С, выдержка времени 60-90 с, при этом завершается восстановление кремния и брикеты, прошедшие обработку, состоят из мелкодисперсного кремния и оксида алюминия. Разделение кремния и оксида алюминия после дробления брикетов осуществляется флотационным методом.

В варианте - способе получения кристаллического кремния высокой чистоты, включающем термическое восстановление кремнийсодержащего соединения до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия, процесс восстановления ведут в электротермическом реакторе с двумя зонами нагрева, а в качестве газовой среды вводят в реактор аргон для создания инертной атмосферы и повышения выхода кремния.

Пример 1.

Шихтовую смесь, состоящую из кварцевой крупки фракции 100-150 мкм и алюминиевой пудры в массовом соотношении 63:37? прессуют в брикеты. Брикеты подаются в реактор, где нагреваются до температуры 900°С, при этом протекает реакция образования Al₂SiO₅ и кристаллического кремния, который образуется не более 5-7%, время выдержки брикетов 5 мин, после этого температуру поднимают до 1100°С, при этом протекает экзотермическая реакция разложения Al₂SiO₅ и образования кристаллического кремния, время выдержки 90 с. После охлаждения и рассева получается кремний с чистотой 99,99993 в количестве 23% от массы шихты(теоретический выход кремния 29%).

Пример 2.

Шихтовую смесь, состоящую из кварцевой крупки фракции 100-150 мкм и алюминиевой пудры в массовом соотношении 63:37, прессуют в брикеты. Брикеты подаются в реактор, где нагреваются до температуры 900°С в атмосфере аргона, время выдержки брикетов 3 мин, после этого температуру поднимают до 1100°С, время выдержки 90 с. После охлаждения и рассева получается кремний с чистотой 99,9995 в количестве 26% от массы шихты (теоретический выход кремния 29%).

Изобретение относится к технологии получения чистых металлов и может быть использовано для производства кремния полупроводникового качества. Порошок кремния высокой чистоты получают термическим восстановлением диоксида кремния до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия, при этом процесс восстановления ведут в электротермическом реакторе в две стадии, на первой из которых температура составляет 900-1000°C с выдержкой 3-5 мин, на второй стадии температуру в реакторе повышают до 1100°C с выдержкой в течение 60-90 с, после чего разделение кремния и оксида алюминия после дробления брикетов осуществляют флотационным методом. Технический результат – экологически безопасное получение кремния высокой чистоты за счет проведения процесса методом алюмотермии, при котором примеси в основном остаются в матрице оксида алюминия и не переходят в кремний. 2 пр.

1. Способ получения порошка кремния высокой чистоты термическим восстановлением диоксида кремния до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия, отличающийся тем, что процесс восстановления ведут в электротермическом реакторе в две стадии, на первой из которых температура составляет 900-1000°C с выдержкой 3-5 мин, на второй стадии температуру в реакторе повышают до 1100°C с выдержкой в течение 60-90 с, после чего разделение кремния и оксида алюминия после дробления брикетов осуществляют флотационным методом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в реактор вводят инертный газ.