Пристрій і спосіб для осадження ультратонких частинок з газової фази

1. Пристрій для термічного розкладання летючих сполук і осадження частинок, що потім утворюються, який включає щонайменше такі характерні ознаки: посудину (1) під тиском, щонайменше одну реакційну трубку (2), відкритий кінець (2с) якої продовжується у посудину під тиском, а інший кінець якої розташований зовні посудини під тиском і забезпечений засобом подання (3) газу, поздовжня вісь реакційної трубки орієнтована у напрямі сили ваги і паралельно поздовжній осі посудини (1d) під тиском, а реакційна трубка може бути нагрітою (2а) на стороні впускання газу і охолодженою (2b) на посудина (1) під тиском в її нижній частині має стороні газовідводу, збиральну лійку (1а), причому відкритий кінець реакційної трубки (2с) продовжується у газовий простір збиральної лійки (1b), збиральна лійка (1а) з'єднана з вихідним затвором (6) для частинок (Р), і вузол (7) випуску газу, який забезпечений напрямною (7а) для газу, область впускання (7b) газу якого з'єднана з газовим простором (1b) збиральної лійки (1а), фільтрувальною системою (8) і газовідводом (9), який розташований зовні посудини під тиском. 2. Пристрій за п. 1, де зовнішні стінки посудини (1) під тиском є охолоджуваними (1с). 3. Пристрій за п. 1 або 2, де реакційна трубка (2) має довжину від 60 до 700см. 4. Пристрій за будь-яким з пп. 1-3, де реакційна трубка (2) має діаметр від 30 до 400мм. 5. Пристрій за будь-яким з пп. 1-4, де реакційна трубка (2) виконана з металу, нітриду кремнію, 2 (19) 1 3 85073 4 що перевищує температуру розкладання субстрату, у разі SiH4, від 800 до 1100°С. 16. Спосіб за п. 14 або 15, де нижню частину реакційних трубок (2b, 2с) охолоджують до температури ≤100°С. 17. Спосіб за будь-яким з пп. 14-16, де моносилан, не розбавлений (G) або розбавлений воднем (G), подають у реактор піролізу. 18. Спосіб за п. 17, де одержують порошок (Р) кремнію високої чистоти, причому продукт (Р) вивантажують із збиральної лійки періодично через систему з подвійним клапаном (6а, 6b) вихідного вузла затвора (6). Винахід стосується пристрою (також згадуваному нижче як апарат, реактор або реактор піролізу) і способу для осадження ультратонких частинок з газової фази, більш конкретно, пилоподібного кремнію для фотоелектричних і електронних вживань. Давно було відоме виробництво кремнію високої чистоти піролізом з газової фази моносилану [див. також патент США 4676967, DE 3311650, DE 752280, DE1180346]. Проблема, якою всі ці способи, загалом, займаються, полягає у виробництві ультратонких частинок настільки ефективно, наскільки можливо, і потім у їх відділенні від газу і їх збиранні. Цей спосіб недавно був розроблений також в університеті Дуйсбурга [Wiggers, Starke, Roth: "Silicon Particle Formation Pyrolysis Silane in a Hot wall Gasphase Reactor" ("Формування частинок кремнію піролізом силану в газофазному реакторі з гарячими стінками"), Chem. Eng. Technol. 24 (2001) 3, сторінки з 261 по 264]. Починаючи з моносилану, пилоподібний кремній виробляють згідно з наступним загальним рівнянням реакції: SiH4®Si + 2H 2 Установки, які придатні для цього способу, загалом, сконструйовані таким чином: реактор піролізу містить вертикально розташовану трубку, можливо, виготовлену з SiSiC або кварцового скла. Вона може бути нагрітою у верхній половині і встановленою всередині охолоджуваного спеціального сталевого корпусу. Щоб запобігати спіканню на стінках трубки, цю область продувають воднем зверху. Моносилан інжектують в чистій формі або розбавлений відповідним газом зверху і розкладають в гарячій зоні. Частинки, які формуються, агломерують далі нижче в трубці і охолоджують разом з воднем, що утворюється в реакції, і воднем, що використовується для продування. Кремній і водень залишають трубку в нижній області. Потім продувають 100%-ий азот, щоб охолоджувати суміш водень/тверді частинки і дозволяти твердим частинкам переноситися пневматично з великим успіхом. Кремній в цьому способі проходить через трубопровід у фільтр для пилу, де його збирають і відділяють від водню металевими фільтрувальними свічками, які можуть бути обчищені пневматично. Водень залишає фільтр і, загалом, проходить на стадію спалювання відхідного газу. Кремній збирають в уловлювальну посудину і вивантажують. Недолік установки цього типу полягає в переміщенні кремнієвого пилу при виході з трубки реа ктора через лінію, яка орієнтована, по суті, горизонтально або вгору. Це часто приводить до забивання трубки. Наступний недолік полягає в охолоджуванні при загартовуванні, коли наступний газ потрібно додавати сюди. Крім того, місткість єдиної трубки обмежена і, отже, значними є витрати на пристрій, викликані необхідністю у паралельних індивідуальних установках. Крім того, закупорювання виникає знову і знову при розвантаженні з корпусу фільтру. Наступний недолік полягає в тому факті, що кремній, який утворюється, забруднюється при зносі спеціальної сталі. Задача цього винаходу полягає в забезпеченні можливого шляху пом'якшення вказаних вище недоліків. Згідно з винаходом, ця задача досягається у відповідності з ознаками формули винаходу. Тому була розроблена така переважна конструкція. Новий реактор піролізу містить одну або більше реакційних тр убок, наприклад, п'ять трубок, які можуть бути нагріті незалежно одна від одної і встановлені в, переважно, охолоджуваній посудині під тиском. Збиральна воронка для продукту встановлена нижче за випускну сторону по суті вертикально орієнтованих реакційних трубок, тобто посудина під тиском сконструйована таким чином, що Π нижня частина служить одночасно для уловлювання і збирання частинок, які формуються при реакції розкладання, причому збиральна воронка переважно також з'єднана в її самій нижній точці з вихідним затвором для порошку, тобто продукту. Якщо для виробництва кремнію використовують моносилан, реакційні трубки переважно складаються з SiSiC або кварцового скла. Звичайно, для інших продуктів також придатні інші матеріали, наприклад, металеві матеріали. Довжина і діаметр трубок, загалом, залежать від бажаної продуктивності, від цільового продукту і газу, який повинен бути використаний, і від розбавляючого газу. В цьому контексті краще використовувати реакційні трубки завдовжки від 0,6 до 7м і діаметром, можливо, від 30 до 400мм. Верхня частина всіх тр убок забезпечена одною або більше зонами нагрівання переважно між 2 і 6. Краще використовувати нагрівальні засоби з електричним опором, так що в результаті реакційні трубки, тобто область розкладання в реакційних трубках, може бути нагріта відповідним способом до температури, яка перевищує температуру розкладання субстрату переважно від 800 до 1100°C. Максимальна температура, яка може бути досягнута в ци х трубках, 5 85073 складає 1000°C для кварцового скла, 1100°C в стінках трубок. Зокрема, забезпечення п'яти реакційних трубок значно збільшує місткість пристрою згідно з винаходом, хоча, в той же самий час, стає рентабельним використовування реакторної сорочки ι периферійногоустаткування, такого як, наприклад, технологія управління і безпеки, яка вимагається правилами роботи з газом. Нижня половина реакційної трубки служить як зона агломерації і змішування, причому суміш твердих частинок/газу одночасно охолоджують відповідним способом до температури нижче 100°C, наприклад, за допомогою водяного охолоджування подвійної сорочки. Тому немає ніякої необхідності в сторонньому газі, який потрібно вводити для охолоджування. Суміш газ/тверді частинки, яку охолоджують таким шляхом, покидає окремі реакційні трубки, і продукт, який є, загалом, сипким (він також згадується нижче як частинки, тверді частинки або порошок), падає в збиральну воронку. Тому немає ніякої необхідності в будь-яких елементах для перенесення, і, отже, забруднення і витрати знижують простим і економічним способом. Тверді частинки можуть в цьому випадку, як приклад, успішно бути вивантажені вниз, через систему з подвійним клапаном, в газонепроникний і забезпечуючий інертність контейнер або плавильну піч, або на інші подальші стадії обробки. Пневматичний розвантажувальний засіб може бути встановлений в області воронки як додатковий зріджувальний пристрій і з встановлюванням інтервалів часу вивантаження твердих частинок за допомогою потоку водню, наприклад, в міцно зістикований контейнер або плавильну піч, якщо вони не проходять через гравіметр. Контейнер або сторона впускання для плавильної печі можуть бути обладнані вхідним клапаном, який відкривається разом з вихідним клапаном реактора (6а) в ході операції наповнення, або вони альтернативно діють як подвійні ворота. Водень залишає реактор піролізу у верхній частині відповідним способом через з'єднаний, розташований в центрі фільтр або пристрій для випуску газу. Цей фільтр, який інтегрований в реактор згідно з винаходом, переважно має одну або декілька фільтрувальних свічок, виготовлених з металокераміки, кераміки, волокон або пластика, з яких в кожному випадку, одна або більше одночасно можуть бути промиті зворотним струменем і тим самим очищені різкою зміною тиску газу з газгольдера, як тільки досягається певний перепад тиску. Очищення може бути, можливо, проведене інертним газом, таким як, наприклад, аргон або переважно газом з реакції розкладання, таким як, наприклад, водень. Цей газ або газова суміш залишають фільтр і можуть бути подані, наприклад, на стадію обробки відхідного газу. Всі поверхні, які входять в контакт з продуктом переважно виконані з матеріалу, який не може забруднювати продукт, або покриті таким матеріалом. Якщо продукт є, наприклад, кремнієм, можливо, переважно використовувати кераміку або пластмаси, такі як поліетилен (ПЕ), співполімер етилену і тетрафторетилену (ЕТФЕ), політетраф 6 торетилен (ПТФЕ), або кремній. Це разом з фільтрувальними свічками дозволяє уникати металевих забруднень кремнію. Різне термічне розширення трубок і сорочки переважно враховують у даному винаході через той факт, що вони можуть вільно розширятися вгору, що може бути досягнуто, наприклад, просто, шляхом забезпечення відповідного ущільнення між трубкою і сполучною частиною. Крім того, реакційні трубки переважно утримуються сталевими фланцями з водяним охолоджуванням в сталевому кожусі посудини під тиском. Фіг.1 - використовує ескіз, щоб проілюструвати переважний варіант здійснення винаходу. Предмет винаходу є пристроєм (також згадуваним нижче як апарат, реактор або реактор піролізу) для термічного розкладання летючих сполук (також згадуваних нижче як субстрат скорочено) і осадження частинок, що потім утворюються, який включає, щонайменше, такі характерні ознаки: - посудину під тиском, - щонайменше одну реакційну трубку (2), відкритий кінець (2с) якої продовжується у посудину під тиском, а інший кінець якої розташований зовні посудини під тиском ι забезпечений засобом подання (3) газу так, що її відкритий кінець (2с) виступає у воронку (1b) для збирання продукту, поздовжня вісь реакційної трубки орієнтована у напрямі сили ваги і паралельно поздовжньої осі посудини під тиском, і реакційна трубка може бути нагріта (2а) на стороні впускання газу і охолоджена (2b) на стороні виходу газу, посудина (1) під тиском в своїй нижній частині має збиральну воронку (1а), причому відкритий кінець реакційної трубки (2с) продовжується у газовий простір збиральної воронки (1b), збиральна воронка (1а) з'єднана з вихідним затвором (6) для частинок (P), і вузол (7) випуску газ у, який забезпечений трубкою (7а) для газу, область впускання (7b) газу якого з'єднана з газовим простором (1b) збиральної воронки (1а), фільтрувальною системою (8) і газовідводом (9), який розташований зовні посудини під тиском. В пристрої згідно з винаходом переважно зовнішні стінки посудини під тиском є охолоджуваними (1с), наприклад, за допомогою подвійної сорочки, яка використовує воду як охолоджувальний агент. Крім того, пристрій згідно з винаходом може бути обладнаний щонайменше однією пластиною (1е) для трубки, яка відповідним чином включає і стабілізує реакційні трубки (2), які присутні на випускній стороні, а також трубку (7) фільтру. Тр убка (7) фільтру і реакційні трубки (2) переважно ущільнені за допомогою О-подібних кілець (1f) відносно реактора (1) і пластини (1е) трубки, див. Фіг 1. Реакційна трубка (2) пристрою згідно з винаходом переважно має довжину від 60 до 700см, особливо переважно, від 100 до 600см і діаметр від 30 до 400мм, особливо переважно, від 50 до 200мм. В пристроях згідно з винаходом реакційні трубки (2) переважно складаються з металу, нітриду кремнію, карбіду кремнію, SiSiC, тобто, SiІнфільтрованого карбіду кремнію, або кварцового скла. 7 85073 В пристроях згідно з винаходом реакційні трубки (2), переважно кожна, захищена нагрівальним засобом (4) з електричним опором на стороні впускання газу, коли реакційна трубка (2) може, доцільно, бути нагріта на більш ніж від 30 до 70%, особливо переважно, на більш ніж від 40 до 60% її довжини. Крім того, реакційні трубки (2) оточені охолоджувальним вузлом (5) у напрямку до їх відкритої сторони (2b). Крім того, пристрої згідно з винаходом доцільно обладнані від 2 до 36, переважно, від 3 до 18, особливо переважно, від 4 до 6, зокрема, 5 реакційними трубками (2). При проектуванні кута нахилу збиральної воронки (1а) відносно осі посудини (1) під тиском, доцільно брати до уваги кут тертя продукту. Наприклад, кут між стінкою збиральної воронки (1а) і віссю посудини під тиском складає, переважно, між 70° і 20°, особливо переважно, між 45° і 15°. Крім того, пристрої згідно з винаходом мають вихідний затвор (6) з системою з подвійним клапаном (6а, 6Ь), так що в результаті продукт може бути вивантажений простим і економним способом, який також є щадним по відношенню до продукту і може таким чином сприяти його подальшій обробці. Газова суміш G', яку одержують при реакції розкладання у відповідності з G®P + G', див. також фігуру 1, може в пристроях згідно з винаходом переважно бути випущена через фільтрувальну систему (8), яка має одну або більше фільтрувальних свічок, які доцільно складаються з металокераміки, кераміки, волокон або пластика. В пристроях згідно з винаходом реакційні трубки (2) і вузол газовідводу (7) переважно сполучені з посудиною під тиском за допомогою сталевих фланців з водяним охолоджуванням. Предметом даного винаходу є також спосіб термічного розкладання, щонайменше, однієї летючої сполуки і осадження частинок, що потім 8 утворюються, з використанням пристрою згідно з винаходом, в якому відповідні реакційні трубки (2) нагрівають на стороні впускання (2а) до температури розкладання летючої сполуки, а нижню область (2b) реакційних тр убок охолоджують, летючу, термічно розкладену сполуку, наприклад, елемент, вибраний з групи, що складається з Si, Ge, C, N, Fe, Ti, Zr, Al, Ga або їх сумішей, розбавляють, якщо доречно, газом, який є по суті інертним в даному випадку, переважно, аргоном або воднем, і цей газ або газову суміш (G) подають у реакційні трубки (2) через відповідний засіб подання (3) газу, частинки (P), які формуються в способі розкладання і які збирають в збиральній воронці (1а), вивантажують через вузол (6) затвора, і газ або газову суміш (G'), що утворюється в ході реакції розкладання (також згадувана нижче як газ розкладання скорочено), випускають через газовідвід (9), причому тиск в посудині під тиском зберігається по суті постійним. В цьому способі доцільно, для переважного нагріву частини з боку впускання реакційних трубок (2а) до температури від 800 до 1100°C, особливо переважно, від 900 до 1000°C, і охолоджування нижньої частини реакційних трубок (2B, 2с) до температури £100°C, переважно, від 10 до 60°C. Зокрема, в способах згідно з винаходом моносилан подають у реактор піролізу в нерозбавленій формі (G) або розбавленим воднем (G). Тому способи згідно з винаходом переважно виробляють порошок кремнію (P) високої чистоти, причому продукт (P), переважно, вивантажують із збиральної воронки (5) періодично через систему з подвійним клапаном (6а, 6B) вихідного затвора (6). Крім того, спосіб згідно з винаходом також може переважно використовуватися, щоб виробити інші ультратонкі частинки піролітичним розкладанням летючих сполук, наприклад, нітрид кремнію з SiH4 і NH3, або SiO2 з SiCI4, H2 і повітря. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85073 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601