Спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок

Реферат: Спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок включає розігрів неочищеного кремнію на першому етапі при тиску нижче атмосферного до утворення розплаву з використанням висококонцентрованого джерела енергії та обробку газовою сумішшю, яка включає інертний газ, відновлювальний газ та пари води, обробку поверхні розплаву електронним променем на другому етапі. Здійснюють третій етап очищення, на якому проводять зонну плавку, при цьому на всіх трьох етапах очищення використовують висококонцентроване джерело енергії. UA 96809 U (12) UA 96809 U UA 96809 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способу очищення кремнію від шкідливих домішок, наприклад бору, фосфору, заліза, хрому, титану та нікелю, і може бути використана при виробництві кремнію, який застосовується в електронній промисловості, і у тому числі для виготовлення сонячних батарей. Відомий спосіб виробництва кремнію для використання у сонячних елементах (патент РФ № 2154606, МПК С01В 33/025, 33/37 опубл. 20.08.2000.). Розплавлений оксид кремнію відновлюють вуглецем, отримують кремній металургійної якості у вигляді розплаву. Його заливають у форму та поступово охолоджують до твердого стану. Відношення висота-площа у 1/2 формі визначається рівнянням H/(S/) 0,4, де Η - висота розплаву, S - середня площа поперечного зрізу форми. При охолоджені кремнію поверхню розплаву підігрівають або теплоізолюють для уповільнення процесу кристалізації. Відбувається попередня очистка кремнію металургійної якості. Отриманий кремній знову розплавляють та рафінують. Фосфор видаляють розплавленням при тиску нижче за атмосферний. Бор видаляють шляхом контакту з газовою сумішшю кислого та інертного газів. Кисень видаляють розкисленням. Рафінований кремній відливають у пруток. Пруток очищають зонною плавкою від заліза, алюмінію, титану та кальцію. Недоліками цього методу є багатостадійність, достатньо висока витрата електроенергії, використання нагріваючих елементів з низьким ККД, використання фтористоводневої та азотної кислот. Найбільш близьким за своєю суттю до способу, що заявляється, є спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок, наприклад бору і фосфору (Патент України 58120 МПК С01В 33/037, опубл. 25.03.2011). За цим способом на першій стадії у реактор в залежності від потужності устаткування поміщають розраховану кількість подрібненого неочищеного кремнію, пропускають газову фазу, яка включає інертний газ, наприклад аргон, технологічні гази - окислювальний (кисень) відновлювальний газ (водень, монооксид 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 пари води 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. Недоліком запропонованого способу є видалення лише двох основних елементів-домішок (бору та фосфору), видалення яких не дозволяє отримати кремній напівпровідникової або сонячної якості, а направлена кристалізація є менш ефективним прийомом по очищенню від домішок з відмінним коефіцієнтом розподілу між твердою та рідкою фазами на відміну від зонної плавки. В основу корисної моделі 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, а процес рафінування відбувається у повному обсязі завдяки зонній плавці на останньому етапі очищення. Для очищення від домішок заліза, титану, кальцію та алюмінію на відміну від аналогу із зонною плавкою з використанням як джерела нагріву індуктора та найближчого аналога з направленою кристалізацією, пропонується використання кільцевої газорозрядної гармати. Основними перевагами газорозрядної гармати є високий ККД (від 70 до 90 %), можливість отримання електронних пучків потужністю в сотні кіловат і на цій основі можливо здійснювати збільшення діаметра стержня. В запропонованій корисній моделі, як і у найближчому аналозі, використовують для розплавлення кремнію висококонцентроване джерело енергії, а також для видалення бору обробку розплаву інертним газом наприклад аргоном, відновлювальним газом та парами води. 1 UA 96809 U 5 10 15 20 25 30 35 Відмінною суттєвою ознакою запропонованого рішення є використання висококонцентрованого джерела енергії на всіх етапах рафінування. Поставлена задача вирішується тим, що в способі очищення кремнію від шкідливих домішок, який включає розігрів неочищеного кремнію на першому етапі при тиску нижче атмосферного до утворення розплаву з використанням висококонцентрованого джерела енергії та обробку газовою сумішшю, яка включає інертний газ, відновлювальний газ та пари води обробку поверхні розплаву електронним променем на другому етапі, який відрізняється тим, що на третьому етапі очищення проводять зонну плавку, при цьому на всіх трьох етапах очищення використовують висококонцентроване джерело енергії. Спосіб здійснюється наступним чином. На першому етапі кремній металургійної якості через завантажувальний пристрій надходить у вакуумну камеру, де одразу починає взаємодіяти з променем гармати, що призводить до утворення рідкої фази. Рідкий кремній в свою чергу починає стікати у проміжну ємність, під час перетікання відбувається очищення розплаву від бору шляхом продувки газовою сумішшю струменю кремнію. Бор, що знаходиться у розплаві при взаємодії з газовою сумішшю утворює летючі оксиди ВО, ВО2 та В2О3 та дозволяє знизити концентрацію бору до 0,2 ррm. Другий етап очищення починається у проміжній ємності, яка виконана з спеціального особливо чистого графіту, кварцу або міді (в даному випадку з примусовим охолодженням), де під час електромагнітного перемішування поверхня розплаву обробляється променем гармати, що в свою чергу дозволяє очистити від домішок, які мають пружність парів вищу від кремнію, в першу чергу від фосфору а також алюмінію, натрію та кальцію. Проведення обробки променем розплаву дозволяє знизити концентрацію домішок до: Ρ < 0,1 ppm; Al< 1 ppm; Na < 0,01 ppm; Ca < 0,3 ppm. На третьому етапі розплавленій кремній з проміжної ємності безперервно виливається утворюючи пруток. Одразу після кристалізації прутка починається його рафінування за допомогою кільцевої газорозрядної гармати. На цьому етапі відбувається рафінування кремнію від домішок, які мають коефіцієнт розподілу між твердою та рідкою фазами значно менше одиниці. Домішки переміщуються у рідку фазу тим самим зменшувалась кількість домішок у твердій фазі, та для більшої ефективності очищення на останньому етапі можна використовувати або декілька кільцевих газорозрядних гармат встановлених послідовно, або повторення процесу зонної плавки декілька раз. Процес зонної плавки дозволяє знизити концентрацію домішок до: Fe < 4 ppm; Ti< 2 ppm; Cr< 2 ppm; Ni< 1 ppm. Як бачимо із приведеної таблиці, запропонований спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок дозволяє вдвічі збільшити масу оброблюваного матеріалу, додатково очистити від заліза, хрому, титану і нікелю та залишити витрати електроенергії на попередньому рівні. Таблиця Показники очистки кремнію від домішок Найменування показників Витрати газової суміші, (г/с) Витрати електричної енергії, (кВтг/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 зонною плавкою Вміст заліза в очищеному кремнію, (ррm) Вміст хрому в очищеному кремнію, (ррm) Вміст нікелю в очищеному кремнію, (ррm) Вміст титану в очищеному кремнію, (ррm) Найближчий аналог 0,2 8 0,2 0,1 10 + Пропонована 0,2 8 0,2 0,1 20 + + менше 4 менше 2 менше 1 менше 2 Запропонована корисна модель випробувана в умовах електронно-променевої лабораторії НМетАУ. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок, що включає розігрів неочищеного кремнію на першому етапі при тиску нижче атмосферного до утворення розплаву з використанням 2 UA 96809 U 5 висококонцентрованого джерела енергії та обробку газовою сумішшю, яка включає інертний газ, відновлювальний газ та пари води, обробку поверхні розплаву електронним променем на другому етапі, який відрізняється тим, що здійснюють третій етап очищення, на якому проводять зонну плавку, при цьому на всіх трьох етапах очищення використовують висококонцентроване джерело енергії. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3