Спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок, наприклад, бору і фосфору

1. Спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок, наприклад, бору і фосфору, що включає розігрів неочищеного кремнію до утворення розплаву з використанням висококонцентрованого джерела енергії, обробку газовою фазою, яка включає інертний газ, відновлювальний газ та па 3 нішньої частини стінки тигля на рівні поверхні розплаву і при нагріві електронним променем, сконцентрованим на мінімальній площі, переважно центральній частині поверхні розплаву кремнію. При цьому від зовнішньої частини стінки тигля відводять не менше 50 % тепла від тепла, що підводиться електронним променем. При цьому з боку череня тигля можна здійснювати додаткову подачу тепла. Недоліками цього методу є використання для проведення процесу стандартної апаратури електронно-променевої плавки, що включає електронно-променеві гармати які погано працюють при підвищенні тиску при випарюванні домішок і введенні окисників типу - пари води. Крім того, обмежена можливість зміни окислювального потенціалу газової атмосфери. В результаті, з одного боку, збільшуються енерговитрати на проведення процесу очищення від домішок з високою пружністю пари, з іншого боку відсутні умови для утворення оксидів домішок, пружність пари яких нижча пружності пари кремнію, і ускладнено їх видалення. Найбільш близьким по своїй суті до способу що заявляється є спосіб очищення кремнію і пристрій для його здійснення (Патент РФ № 2159213 МПК С01В33/037 від 20.11.2000). За цим способом реалізується плазмова технологія очищення кремнію для фотоелектронної промисловості. Виконують розігрівання неочищеного кремнію плазмовим факелом до отримання розплаву і подальшу обробку розплаву інертними, відновними газами і парами води в тиглі що обертається, з отриманням розплаву циліндричної форми. При цьому вдається отримати кремній підвищеної чистоти з однорідним розподілом домішок за об'ємом, що скорочує час очищення і знижує енергетичні і матеріальні витрати. Недоліком цього способу є попередня підготовка і очищення газів, що використають для утворення плазми, погані умови для видалення фосфору. В основу корисної моделі «Спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок, наприклад, бору і фосфору» поставлено задачу покращення ступеню очищення кремнію від шкідливих домішок промисловим способом, зниження енергетичних і матеріальних витрат, скорочення часу очищення. Технічний результат полягає в тому, що підвищується швидкість очищення кремнію від домішок вакуумним випаром при одночасному окисленні, наприклад, домішок бору і видалення його у виді оксиду. Для вирішення поставленої задачі очищення кремнію у способі очищення кремнію від шкідливих домішок, наприклад, бору і фосфору, що включає розігрів неочищеного кремнію до утворення розплаву з використанням висококонцентрованого джерела енергії обробку газовою фазою, яка включає інертний газ, відновлювальний газ та пари води, згідно запропонованої корисної моделі для розігріву неочищеного кремнію до утворення розплаву як висококонцентроване джерело енергії використовують низьковакуумну газорозрядну електронну гармату, а спосіб очищення ведуть поступово в три стадії: на першій стадії при тисках 58120 4 50-100 Па, на другій 10-50 Па, на третій 0,2-10 Па, при цьому на першій стадії додатково проводять нагрів додатковим джерелом енергії, на першій та другій стадії здійснюють електромагнітне перемішування розплаву, на третій стадії створюють умови направленої кристалізації. В запропонованій корисній моделі як і у прототипі використовують для розплавлення кремнію висококонцентроване джерело енергії, а також для видалення бору обробку розплаву інертним газом наприклад аргоном, відновлювальним газом та парами води. Відмінною суттєвою ознакою запропонованого рішення є використання як висококонцентрованого джерела енергії низьковакуумної газорозрядної електронної гармати, тристадійність процесу очищення: на першій стадії при тисках 50-100 Па, на другій 10-50 Па, на третій 0,2-10 Па, на першій та другій стадії здійснюють електромагнітне перемішування розплаву, обробку газовою фазою виконують пропусканням інертного газу, відновлювального газу та парів води через весь шар неочищенного кремнію, що суттєво збільшує площу обробки, що забезпечує видалення шкідливих домішок, наприклад бору і фосфору до показників не більше 0,2 ррm і 0,1 ррm відповідно. Приклади здійснення способу. На першій стадії у реактор в залежності від потужності устаткування поміщають розраховану кількість подрібненого неочищенного кремнію, пропускають газову фазу яка включає інертний газ наприклад аргон, технологічні гази - окислювальний (кисень) відновлювальний газ (водень, моно оксид вуглецю, вуглеводні), пари води. За допомогою висококонцентрованого джерела енергії - низьковакуумної газорозрядної гармати, а при необхідності додаткового джерела енергії наприклад індукційного нагріву, проводять розплавлення кремнію. У результаті взаємодії парів води з променем висококонцентрованого джерела енергій при тиску 50-100 Па вони дисоціюють на кисень і водень, активований кисень ефективно окислює бор у поверхневому шарі кремнію, перетворюючи його у летючі оксиди ВО, ВО2, В2О3. На другій стадії при тиску 10-50 Па видаляють утворені оксиди бору з забезпеченням показників вмісту бору у кремнію не більше 0,2 ррm. Після розплавлення на першій та на другій стадії проводять електромагнітне перемішування розплаву що суттєво збільшує площу обробки. На третій стадії при тиску 0,2-10 Па забезпечується видалення шкідливих домішок вакуумним випаровуванням наприклад фосфор видаляється до показників 0,1 ррm, після цього створюють умови для направленої кристалізації зливка кремнію, а оскільки більшість домішок має коефіцієнт розподілу значно менше одиниці вони суттєво перерозподіляються по висоті зливка, і після видалення верхньої частини отримують очищений кремній. В таблиці наведені порівняльні характеристики способу що пропонується та прототипу та продукту що отримано за способом прототипом та запропонованим способом. Як видно з таблиці, видалення домішок бору з кремнію згідно з запропонованою корисною мо 5 58120 деллю порівняно з прототипом підвищується у 1,5 рази, зменшуються енергетичні витрати на 20 %, а вміст в очищеному кремнію такої шкідливої домішки як фосфор, що у прототипі практично не вида 6 ляється і потребує допоміжного вакуумування, складає 0,1 ррm. Запропоновану корисну модель випробувано в умовах електронно-променевої лабораторії НМетАУ Таблиця Показники очистки кремнію від бору та фосфору Найменування показників Приклади пропонуємий Витрати газової суміші (г/с) Витрати електричної енергії (кВтч/ кг) Вміст бору в очищеному кремнію (ррm). Вміст фосфору в очищеному кремнію (ррm). Маса оброблюваного матеріалу (кг.) Видалення шкідливих домішок вакуумним випаровуванням Видалення шкідливих домішок направленою кристалізацією зливка кремнію Комп’ютерна верстка І.Скворцова Підписне прототип 5 10 0,3 0,8 2,5 0,2 8 0,2 0,1 10 + + Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601