Способ получения монокристаллического кремния из рудного сырья и устройство для осуществления способа

Номер инновационного патента: 21224

Опубликовано: 15.05.2009

Авторы: КИМ Леонид Алексеевич, ТЕН Роберт Константинович

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Предлагаемый способ и устройство относятся к технологии получения монокристаллического кремния высокой чистоты непосредственно из рудного сырья, минуя стадии получения технического и поликристаллического кремния.
Задачей предлагаемого технического решения является создание способа получения моно-кристалллического кремния высокой чистоты непосредственно из рудного сырья, минуя стадии получения технического и поликристаллического кремния и устройства для осуществления предлагаемого способа.
Поставленная задача достигается тем, что моно-кристаллический кремний получают непосредствен-но из кремнийсодержащего рудного сырья при непрерывном течении проводимого процесса, в качестве газа используют смесь хлора и паров хлоридов серы, полученную гранулированную шихту обрабатывают в потоке этой смеси при температуре 200-300°С, при этом происходит возгонка кремния и сопутствующих элементов в виде твердофазных и легколетучих хлоридных соединений и селективное осаждение твердофазных и жидких конденсатов в виде индивидуальных продуктов. Затем жидкий конденсат четыреххлористого кремний (SiCl4) подвергают водородному восстановлению и выделяют монокристаллический кремний.
Устройство для получения монокристалли-ческого кремния содержит гранулятор для обработки кремнийсодержащего рудного сырья, контейнеры для гранулированной шихты, каждый из которых снабжен сетчатым дном, сушильную камеру для размещения контейнеров, по крайней мере, один реактор, который выполнен с обеспечением возможности загрузки контейнеров с гранулированной шихтой, при этом реактор соединен с источником хлористой серы и с одним из конденсаторов, а конденсатор, соединенный с реактором, через систему насадок, соединен с другим конденсатором, который присоединен к промывной башне, снабженной насосом и соединенной с каплеуловителем, осушителем и компрессором.
Предлагаемый способ по сравнению с известны-ми не требует огромных энергетических затрат, высоких затрат на технологическое оборудование, реагенты. Преимуществом предлагаемого способа является селективность и поточность процесса, отсутствие жидкофазной среды, низкая температура хлорирования, замкнутость технологического процесса, отсутствие вредных выбросов в атмосферу.

Текст

Смотреть все

(51) 30 29/06 (2006.01) 01 33/023 (2006.01) 01 33/025 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ возгонка кремния и сопутствующих элементов в виде твердофазных и легколетучих хлоридных соединений и селективное осаждение твердофазных и жидких конденсатов в виде индивидуальных продуктов. Затем жидкий конденсат четыреххлористого кремний (4) подвергают водородному восстановлению и выделяют монокристаллический кремний. Устройство для получения монокристаллического кремния содержит гранулятор для обработки кремнийсодержащего рудного сырья, контейнеры для гранулированной шихты, каждый из которых снабжен сетчатым дном, сушильную камеру для размещения контейнеров, по крайней мере, один реактор, который выполнен с обеспечением возможности загрузки контейнеров с гранулированной шихтой, при этом реактор соединен с источником хлористой серы и с одним из конденсаторов, а конденсатор, соединенный с реактором, через систему насадок, соединен с другим конденсатором, который присоединен к промывной башне, снабженной насосом и соединенной с каплеуловителем, осушителем и компрессором. Предлагаемый способ по сравнению с известными не требует огромных энергетических затрат,высоких затрат на технологическое оборудование,реагенты. Преимуществом предлагаемого способа является селективность и поточность процесса,отсутствие жидкофазной среды, низкая температура хлорирования,замкнутость технологического процесса, отсутствие вредных выбросов в атмосферу.(72) Тен Роберт Константинович Ким Леонид Алексеевич(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ИЗ РУДНОГО СЫРЬЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА(57) Предлагаемый способ и устройство относятся к технологии получения монокристаллического кремния высокой чистоты непосредственно из рудного сырья,минуя стадии получения технического и поликристаллического кремния. Задачей предлагаемого технического решения является создание способа получения монокристалллического кремния высокой чистоты непосредственно из рудного сырья, минуя стадии получения технического и поликристаллического кремния и устройства для осуществления предлагаемого способа. Поставленная задача достигается тем, что монокристаллический кремний получают непосредственно из кремнийсодержащего рудного сырья при непрерывном течении проводимого процесса, в качестве газа используют смесь хлора и паров хлоридов серы, полученную гранулированную шихту обрабатывают в потоке этой смеси при температуре 200-300 С, при этом происходит 21224 Предлагаемый способ и устройство относятся к технологии получения монокристаллического кремния высокой чистоты непосредственно из рудного сырья,минуя стадии получения технического и поликристаллического кремния. Известен способ получения кремния высокой чистоты из трихлорсилана восстановлением его водородом. При этом получается кремний полупроводниковой чистоты, который используется в электронной промышленности (Технология полупроводникового кремния под редакцией Э.С. Фалькевича. М. Металлургия, 1992 г., с.107.). Однако низкий выход продукта (менее 10) приводит к его высокой стоимости, что делает способ нерентабельным для получения солнечного кремния. Кроме того, сам процесс получения трихлорсилана и его очистки является сложным, дорогостоящим и экологически опасным. Известен способ получения кремния водородным восстановлением хлорсиланов(Технология полупроводникового кремния под редакцией Э.С. Фалькевича, М. Металлургия, 1992, с. 213), где исходные реагенты водород и трихлорсилан в мольном соотношении около 15/1 соответственно, в виде парогазовой смеси подают в реактор и проводят реакцию на кремниевых подложках при 1000 С, газообразные продукты реакции выводят из реактора, смешивают с водородом и вместе с исходными реагентами вновь запускают на цикл. Этому процессу присущи такие недостатки, как присутствие в исходной газовой смеси продуктов неполного восстановления трихлорсилана, низкий выход продукта (60), протекание побочных реакций, таких как образование силана и полисиланов, необходимость дальнейшей доочистки полученного кремния зонной плавкой при выращивании монокристалла,необходимость использования реагентов высокой чистоты(соизмеримой с чистотой образующегося кремния) от 110-7 до 110-9 мас. по ряду примесей. Известен способ получения кремния методом термического разложения силана (Технология полупроводникового кремния под редакцией Э.С. Фалькевич, М. Металлургия, 1992, с.242), который предполагает подачу газообразного силана в реактор и его термическое разложение на нагретых злектрическим током до 900 С кремниевых подложках, с образованием кремния и газообразных продуктов реакции, выводимых из ее зоны. Недостатки этого способа проявляются в необходимости доочистки полученного кремния зонной плавкой в процессе выращивания монокристалла, в необходимости использования силана высокой чистоты, соизмеримой с чистотой образующегося кремния,в образовании полисиланов в зоне реакции, негативно влияющих на ход процесса и способствующих потере кремния. Известен способ получения высокочистого кремния карботермическим восстановлением кварца высокой чистоты в электродуговой печи с использованием углеродного восстановителя (статья А.А. Бахтина, Л.В. Черняховского, Л.П. Кищенко,П.С. Меньшикова Влияние качества сырьевых 2 материалов на производство кремния высокой чистоты, журнал Цветные металлы,1, 1992 г.,с.29-32). Недостатками этого способа являются большие потери чистых исходных материалов в процессе восстановления и высокое для солнечного кремния содержание примесей (до 210-2 вес.). Известен способ получения кремния,основанном на реакции термического разложения газообразного, кремнийсодержащего химического соединения на нагретых электрическим током кремниевых подложках с образованием элементарного кремния и газообразных продуктов реакции в качестве кремнийсодержащего химического соединения используют тетраамминтрикремнефторид 3(3)412 (2116963, МПК С 01 В 33/027, публ. 10.08.1998 г.). Использование способа позволяет повысить чистоту полупроводникового кремния,исключить необходимость доочистки его в процессе выращивания монокристалла и увеличить выход продукта до 95. Одновременно обеспечивается возможность использования более грязного (110-5 мас.) исходного реагента, по сравнению с чистотой образующегося кремния 110-8 мас., а также возможность использования в качестве сырья для синтеза исходного кремнийсодержащего реагента кварцевого песка низкой чистоты. Это достигается тем, что в способе получения кремния,основанном на реакции термического разложения газообразного, кремнийсодержащего химического соединения на нагретых электрическим током кремниевых подложках,с образованием элементарного кремния и газообразных продуктов реакции,в качестве кремнийсодержащего химического соединения используют тетраамминтрикремнефторид 3(3)412. Известен способ получения мульти- и монокристаллического кремния (2173738,МПК С 01 В 33/023, публ. 23.12.1999 г.). Для получения кремния, пригодного в технологии изготовления солнечных элементов, используют процесс восстановления диоксида кремния(природного кварца) в две стадии - сначала до монооксида кремния, а затем до элементарного кремния Такой процесс позволяет совмещать получение кремния с его очисткой от примесей,поскольку летучесть большинства примесей значительно ниже летучести монооксида кремнияпри условиях его образования. На первой стадии высокочистый кремний расплавляют в тигле и при температуре 1900 С вводят в тигель измельченный высокочистый кварц. Образующийся при этом монооксид кремния поступает на вторую стадию, где восстанавливается до элементарного кремния. Для этого в потоквводят мелкодисперсный углерод - сажу, и процесс восстановления протекает во взвешенном состоянии при температуре 1900-2000 С. Полученный жидкий кремний подвергают затем направленной кристаллизации. Способ позволяет получить кремний чистотой 99,998 вес., что соответствует суммарному содержанию примесей в нем 0,002 вес. или 20 рр (частей на миллион). Степень 21224 извлечения кремния составляет при этом 94,7-95. Однако этому способу присущи следующие недостатки низкая производительность процесса,поскольку исходный жидкий кремний в тигле быстро расходуется на получение монооксида кремния и тигель необходимо часто заменять в отходы идет более 20 исходного кремния высокой чистоты, который загрязняется примесями в процессе образования монооксида кремния чистота полученного кремния недостаточна для его использования в современной солнечной энергетике. В частности, он содержит много углерода, который требует значительных затрат на его удаление. Известен способ получения высокочистого кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов (2327639,МПК С 01 В 33/027, публ. 22.08.2006 г.). Чистый диоксид кремния расплавляют, при температуре 1900 С вводят в расплав смесь порошков чистого кремния и диоксида кремния, взятых в стехиометрическом соотношении. Образующийся при этом газообразный монооксид кремния восстанавливается в газовой фазе чистым метаном при температуре 2300-2500 С с образованием элементарного кремния. Способ позволяет повысить чистоту получаемого кремния и снизить затраты на его изготовление. Все известные способы извлечения и очистки кремния являются энергоемкими, громоздкими,требуют больших производственных площадей,значительных финансовых затрат на их сооружение. При реализации известных способов используется большое количество различных реагентов, а используемые технологические процессы являются достаточно сложными. При получении монокристаллического кремния необходимо из рудного концентрата получить технический кремний. Затем из технического кремния получают поликристаллический кремний и на последней стадии из поликристаллического кремния получают монокристаллический кремний солнечного или электронного качества (в зависимости от чистоты кремния). На каждом этапе производства теряется большая часть кремния. Так, для получения технического кремния по известной технологии из готового концентрата кремния с использованием высокой температуры (в печах температура достигает 3000 С) соотношение концентрата к полученному продукту составляет 201, т.е. из 20 тонн концентрата получают 1 тонну технического кремния. При получении поликристаллического кремния из технического это соотношение составляет 15, т.е. для получения 1 тонны поликристаллического кремния необходимо 5 тонн технического кремния. При получении на последнем этапе монокристаллического кремния из поликристаллического используются сложные технологические процессы большой длительности. Все это влияет на себестоимость монокристаллического кремния. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является известный способ получения мульти- и монокристаллического кремния (2173738, МПК С 01 В 33/023, публ. 23.12.1999 г.). Мульти- и монокристаллический кремний высокой чистоты получают восстановлением кварца до элементарного кремния с последующей его кристаллизацией. Процесс ведут в три стадии, при этом на первой стадии кварц восстанавливают химически очищенным техническим кремнием до монооксида на второй стадии газообразный монооксид восстанавливают мелкодисперсным углеродом до элементарного кремния высокой чистоты, а на третьей стадии полученный в реакторе второй стадии жидкий кремний подвергают направленной кристаллизации с получением мульти- или монокристаллических слитков. В качестве восстановителя монооксида кремния на второй стадии используют мелкодисперсный углерод (сажа), вводимой в процесс в потоке монооксида углерода, отходящие газы после 2-ой стадии разделяют на два потока, один из которых используют для получения сажи, подаваемой на восстановление г второй поток газов после очистки используют в качестве плазмообразующего и транспортирующего газа в реакторе 2-ой стадии. Отходы кремния после третьей стадии возвращаются на первую стадию в качестве восстановителя. Пыль, уловленная из отходящих газов 2-ой стадии, возвращается на первую стадию в качестве исходного сырья. Каждая из технологических стадий осуществляется в отдельном агрегате. На первой стадии в закрытом реакторе высокочистый кварц с общим содержанием примесей порядка 10-4 восстанавливается кремнием повышенной чистоты до монооксида по реакции ж 2 ж 2 г (1). В качестве восстановителя применяют химически очищенный технический кремний и отходы производства мульти- и монокристаллического кремния, в том числе собственные отходы,полученные при обрезке мультии монокристаллических слитков. Содержание примесей в восстановителе не более 110-3. Кремний, являющийся восстановителем, загружают в особо чистый тигель из силицированного графита,который устанавливают в закрытом реакторе,обогревом электрическим током. При температуре 1850-1900 С в расплат на поверхность подается измельченный кварц. На первой стадии для получения монооксида кремния по реакции (1) возможно применение брикетированной шихты,состоящей из кремниевого порошка и порошка высокочистого кварца. Образующийся по реакции(1) газообразный монооксид за счет разности давлений или транспортирующим газом непрерывно удаляется из реактора в восстановительный агрегат(вторая стадия),где образуется жидкий элементарный кремний. Очистка кремния происходит за счет того, что улетает кремний в виде газообразного 2,все примеси в конденсированном состоянии остаются в тигле реактора первой стадии. Часть примесей при этом находится в виде оксидов и их соединений, в 3 21224 основном это малолетучие силикаты Ва, Са, , ,. Бор присутствует в кварце в виде 247 или реже АВО 3. Эти соединения взаимодействуют с кремнием, образуя малолетучие силициды 2 и 6. Соединения фосфора образуют устойчивый комплекс с кремнеземом 225. Железо связывается в силициды. При периодической замене тигля, содержащиеся в нем примеси, выводятся из процесса и утилизируются в производстве ферросплавов. Вторая стадия - восстановление монооксида кремния и получение элементарного кремния. Газообразный монооксид из реактора первой стадии по нагреваемому каналу поступает во второй закрытый реактор, где происходит его восстановление до элементарного кремния. В поток монооксида кремния вводится мелкодисперсный углерод(сажа),транспортируемый потоком монооксида углерода, и процесс восстановления протекает во взвешенном состоянии. При температуре 1900-2000 С осуществляется практически полное восстановление кремния. Суммарная балансовая реакция представляется равенством гСгвжСОг. Источником тепловой энергии, необходимой для протекания реакции, служит плазма или электрический нагрев. Кремний выводится из зоны реакции в виде капель и за счет конденсаций его на поверхности расплава в кварцевом тигле. При этом температура жидкого кремния в тигле поддерживается на уровне 1500 С. Газы, покидающие реактор, состоят в основном из монооксида углерода. В них присутствует некоторое количество углекислого газа и мелкодисперсная пыль, состоящая из продуктов распада и закалки недовосстановленного монооксида кремния, в основном это диоксид кремния. Отходящие газы очищают от твердых частиц в системе пылеулавливания, после чего поток разделяется на две составляющие. Одна проходит через слой графита, нагретого до температуры 1250-1300 С, где происходит превращение углекислого газа в окись углерода. Далее газ поступает в холодильник, затем компремируется и подается в реактор второй стадии. Другая часть газового потока направляется на установку каталитического разложения СО, где образуется углекислый газ и сажистый углерод,используемый в качестве восстановителя. Углекислый газ, в свою очередь, перерабатывают по плазмохимической технологии с получением сажистого углерода и кислорода. Полученный сажистый углерод транспортируется потоком монооксида углерода в реактор, где происходит восстановление . Таким образом осуществляется замкнутый цикл по углероду. Третья стадия технологической цепочки заключается в направленной кристаллизации полученного кремния высокой чистоты. С этой целью устанавливают несколько параллельных печных агрегатов для производства моно- или мультикристаллических слитков кремния. Из ванны реактора второй стадии жидкий кремний перекачивают в эти агрегаты электромагнитным насосом. Наличие нескольких печных установок позволяет организовать непрерывный процесс получения слитков кремния,чередуя кристаллизацию и разгрузку. Чистота полученного кремния в обработанных слитках будет не ниже 99,9995. Отходы кремния, полученные при обрезке мульти- и монокристаллических слитков, дробятся и возвращаются в реактор первой стадии в качестве восстановителя кварца. Задачей предлагаемого технического решения является создание способа получения монокристаллического кремния высокой чистоты непосредственно из рудного сырья, минуя стадии получения технического и поликристаллического кремния и устройства для осуществления предлагаемого способа. Поставленная задача достигается тем, что монокристаллический кремний получают непосредственно из кремнийсодержащего рудного сырья при непрерывном течении проводимого процесса, в качестве газа используют смесь хлора и паров хлоридов серы,полученную гранулированную шихту обрабатывают в потоке этой смеси при температуре 200-300 С, при этом происходит возгонка кремния и сопутствующих элементов в виде твердофазных и легколетучих хлоридных соединений и селективное осаждение твердофазных и жидких конденсатов в виде индивидуальных продуктов. Затем жидкий конденсат четыреххлористого кремний (4) подвергают водородному восстановлению и выделяют монокристаллический кремний. Использование низкотемпературного режима хлорирования (НТХ) в газовой среде при реализации способа и устройства выполненного с раздельной системой конденсации возгонов,обеспечивают непрерывный режим работы и разделение твердофазовых конденсатов в виде индивидуальных продуктов. В предлагаемом способе для глубокой очистки веществ используются химические транспортные реакции реакции переноса. Эти реакции являются обратимыми гетерогенными реакциями с участием газовой фазы. Они приводят к образованию промежуточных газообразных продуктов,посредством которых можно осуществить перенос(транспорт) вещества между двумя реакционными зонами с различным давлением и температурой. В химических транспортных реакциях переносчиком вещества служат не его собственные пары, а пары более летучего промежуточного соединении. Кроме того, если при обычной дистилляции вещество всегда переносится из горячей зоны в более холодную, то использую химические транспортные реакции перенос можно осуществить также и из низкотемпературной зоны в высокотемпературную. Основным достоинством транспортных реакций является возможность сочетания процесса очистки с процессом получения высококачественных монокристаллов. Для перечистки оксидных соединений кремния наиболее приемлемыми могут быть способы,основанные на переведении оксидов кремния в легколетучие хлоридные соединения. Наиболее эффективными хлорирующими агентами в присутствии хлора оказались хлориды серы или 21224 хлористая сера (смесь хлоридов серы), которая получается прямым воздействием хлора на элементарную серу. Для осуществления низкотемпературного хлорирования используется газовая смесь из хлора и паров хлоридов серы. Предлагаемая газовая смесь используется и для низкотемпературного хлорирования оксидных форм кремния и для внесения реагентов в зону реакции. При этом обеспечивается простота и легкость создания и контроля технологического режима, а также возможность осуществления всех функций в одну поточную операцию. Устройство для получения монокристаллического кремния содержит гранулятор для обработки кремнийсодержащего рудного сырья, контейнеры для гранулированной шихты, каждый из которых снабжен сетчатым дном,сушильную камеру для размещения контейнеров, по крайней мере, один реактор, который выполнен с обеспечением возможности загрузки контейнеров с гранулированной шихтой, при этом реактор соединен с источником хлористой серы и с одним из конденсаторов, а конденсатор, соединенный с реактором, через систему насадок, соединен с другим конденсатором, который присоединен к промывной башне, снабженной насосом и соединенной с каплеуловителем, осушителем и компрессором. На прилагаемой технологической схеме приведено устройство, реализующее предлагаемый способ. Устройство состоит из гранулятора 1, например шнекового. Из гранулятора 1 готовая шихта в виде гранул подается в контейнеры 2, которые затем перемещают в сушильную камеру 3. Сушильная камера 3 выполнена с обеспечением возможности сушки гранул горячим воздухом с доведением рабочей температуры до 300 С. Контейнеры 2 выполнены с сетчатым дном и обеспечением возможности погружения сверху в реактор 4 посредством тельфера 5. Реактор 4 соединен с источником хлористой серы 6, полученной пропусканием хлора через жидкую серу. Выход реактора 4 соединен с конденсатором 7, который соединен с насадкой 8, заполненной хлористым натрием. Насадка 8 соединена с насадкой 9,заполненной активированным березовым углем. Выход насадки 9 соединен со входом второго конденсатора 10. Конденсатор 10 соединен с промывной башней 11, орошение которой обеспечивается оборотной водой, подаваемой насосом 12. Промывная башня 11 соединена с каплеуловителем 13,осушителем 14 и компрессором 15. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Было установлено, что процесс хлорирования, протекающий между газообразными реагентами и твердофазной формой шихты, зависит от условий контакта между этими фазами и в первую очередь от степени измельчения шихты и характера грануляции. Требуется очень высокая степень измельчения материала, с размерами частиц не свыше 50-60 мкм с последующей грануляцией шихты методом выдавливания, например, на шнековом грануляторе 1, увлажненной глинообразной массы в виде цилиндрических гранул размером 3 мм и толщиной стенок 1,5 мм. Гранулы в контейнерах 2 сушатся горячим воздухом в камере 3 Рабочая температура составляет 300 С. Затем контейнеры 2 загружаются посредством тельфера 5 в реактор 4. Контейнер 2 выполнен с сетчатым дном для свободного прохождения газов через толщу шихты. Реагентом является газообразная смесь хлора и хлоридов серы. Рабочую газовую смесь в источнике 6 получают путем пропускания струи хлора через жидкую хлористую серу. При этом хлор насыщается парами хлоридов серы. Первоначально газовая смесь может быть составлена из любых хлоридов серы, важно лишь соблюдать соответствующее атомное соотношение. Хлористая сера готовится путем пропускания хлора через элементарную серу. Реакция начинается на холоде с разогреванием. В реакторе 4 происходит основная реакция хлорирования оксидов кремния. Для протекания реакции необходима температура не ниже 200 С. Однако для обеспечения врозгонообразование хлорного железа необходима рабочая температура 300-320 С. При этом кремний переходит только в 4. Например, по реакциям 1. 22242 2. 232 232 Оксиды алюминия и кальция создают нелетучие хлоридные соединения, которые при хлорировании остаются в кеках и затем сбрасываются в отвал после дегазации. Для непрерывного цикла извлечения и очистки при хлорировании применяется контейнерная система загрузки реактора 4. В реактор 4 сверху тельфером 5 загружается один на другой 2-3 контейнера 2 с сетчатыми днищами. Контейнеры 2 заполнены гранулированной массой на высоту до 1 метра в каждом. По окончанию реакции после полного удаления из шихты извлекаемого кремния контейнеры 2 выгружаются из реактора 4 и после дегазации кеки сбрасываются в отвал. Для обеспечения непрерывной работы реактора 4 рекомендуется использовать систему из батареи реакторов. Каждый реактор 4 работает периодически с остановкой на перезарядку, а вся батарея реакторов в целом может функционировать непрерывно. При использовании сырья с высоким содержанием кремния требуются реакторы сравнительно небольшой емкости (1,0-2.0 м 2). При этом сверху периодически загружается контейнер со свежей, подогретой до рабочей температуры шихтой. Одновременно снизу выгружается контейнер 2 с отработанной шихтой. На прилагаемой схем изображен непрерывно работающий реактор 4. В этом варианте необходим специальный подъемник 5, который при перегрузке плавно опускает пачку контейнеров 2. При этом в нижнюю холодную зону реактора 4 опускается 5 21224 контейнер 2 со свежей шихтой. Операция перезарядки реактора 4 может производится каждые 6-7 часов при длительности в несколько минут. Контейнерная система загрузки реактора 4 имеет особое преимущество-обеспечивается упорядоченность слоя шихты в виде тонко гранулированной массы, что чрезвычайно важно для гетерогенной реакции, где одна из фаз-твердая. При этом обеспечивается полнота извлечения кремния и исключается пылеунос и механический износ стенок реактора 4. Основные узлы устройства для реализации предлагаемого способа изготавливаются из нержавеющей стали т. к. весь технологический процесс идет в агрессивной среде. В системе конденсации происходит разделение возгона на индивидуальные чистые продукты. Простая дробная конденсация за счет температурного перепада в конденсаторах не обеспечивает полного количественного разделения и получения чистых продуктов. Выходящая из реактора 4 газовая смесь,состоящая из паров 3, 4 и сернистого газа,последовательно проходит через два конденсатора 7 и 10, представляющих собой емкости, разделенные полуперегородкой. Поступающая в конденсатор 7 газовая смесь в первом (большем) отделении,движется сверху вниз. При этом и происходит процесс конденсации конкретного вещества. Через малый отсек конденсатора за полуперегородкой остаточные газы уходят снизу вверх. Из расчета парциального давления каждого компонента газовой смеси,распределение температур в конденсаторах становится следующим- в первом от реактора конденсаторе 7 следует держать температуру в пределах 190-200 С. При этой температуре сконденсируется основная доля паров хлорного железа, а парциальное давление паров 4 будет выше точки конденсации, поэтому они пройдут дальше.- во втором конденсаторе 10 следует держать температуру в пределах 20-30 С. Здесь будет конденсироваться основная масса паров 4. Из второго конденсатора 10 выходит сернистый газ с микропримесями, если таковые имеются. Для отделения этих примесей сернистый газ проходит через промывную башню 13, орошаемую оборотной водой, подаваемой насосом 14. Сернистый газ, имея ограниченную растворимость, быстро насыщает промывную воду и проходит далее в чистом виде и может быть утилизирован любым известным способом. Микропримеси остаются в промывной башне и со временем накапливаются в виде шлама. Очищенный от примесей сернистый газ из промывной башни 11 проходит через каплеуловитель 13, осушитель 14 и в компрессоре 15 превращается в жидкий сернистый газ. Описанный принцип дробной конденсации паров компонентов в объеме, в конденсаторах большей емкости, когда целевой продукт, превращается в объеме в твердофазные и жидкие конденсаты,оседая на дно, - является наиболее рациональным 6 способом конденсации. Накопленный на дне конденсатора 7 твердофазный конденсат и жидкий конденсат в конденсаторе 10 периодически выгружается, чем обеспечивается непрерывность работы системы конденсации. Грубое разделение продуктов газовой смеси,выходящей из реактора 4, путем дробной конденсации за счет температурного перепада в конденсаторах 7 и 10 является недостаточным для полного количественного разделения и получения чистых конденсатов. После прохождения через каждый конденсатор (7 10) в остаточной газовой смеси еще присутствует определенная доля остаточных паров конденсируемого вещества. Для более полного улавливания паров применяются специальные насадки 8 и 9, в которых происходит доулавливание. Выходящие газы из первого конденсатора 7 поступают в первую насадку 8,наполненную гранулированным хлористым натрием. Хлористый натрий полностью поглощает пары хлорного железа, образую нелетучее комплексное соединения 3. Во второй насадке 9,наполненной таблетированным березовым активированным углем(БАУ) происходит полное доулавливание микропримесей находящихся в газовой смеси. Использование газообразного хлора в предлагаемом способе заставляет всю систему(устройство) функционировать в режиме слабого разряжения (10-20 мм водяного столба). Для контроля при этом используются водяные манометры. Загрязнение атмосферного воздуха полностью исключается. Основной продукт переработки - кремниевый возгон 4 далее должен быть переведен в элементарный кремний. Полученный 4-х хлористый кремний подвергают водородному восстановлению,которое протекает по следующей реакции 14 224 Выделенный элементарный кремний высокой чистоты идет далее на производство монокристаллических слитков солнечного или электронного качества. Предлагаемый способ по сравнению с известными не требует огромных энергетических затрат, высоких затрат на технологическое оборудование,реагенты. Преимуществом предлагаемого способа является селективность и поточность процесса, отсутствие жидкофазной среды,низкая температура хлорирования,замкнутость технологического процесса, отсутствие вредных выбросов в атмосферу. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения монокристаллического кремния из кремнийсодержащего рудного сырья путем температурного воздействия на подготовленную шихту, включающий обработку шихты газом, выделение монокристаллического кремния,отличающийся тем,что монокристаллический кремний получают непосредственно из кремнийсодержащего рудного 21224 сырья при непрерывном течении проводимого процесса, в качестве газа используют смесь хлора и паров хлоридов серы,полученную гранулированную шихту обрабатывают в потоке этой смеси при температуре 200-300 С, при этом происходит возгонка кремния и сопутствующих элементов в виде твердофазных и легколетучих хлоридных соединений и селективное осаждение твердофазных и жидких конденсатов в виде индивидуальных продуктов,затем жидкий конденсат четыреххлористого кремния (4) подвергают водородному восстановлению и выделяют монокристаллический кремний. 2. Устройство для получения монокристаллического кремния, отличающееся тем, что оно содержит гранулятор для обработки кремнийсодержащего рудного сырья, контейнеры для гранулированной шихты, каждый из которых снабжен сетчатым дном, сушильную камеру для размещения контейнеров, по крайней мере, один реактор, который выполнен с обеспечением возможности загрузки контейнеров с гранулированной шихтой, при этом реактор соединен с источником хлористой серы и с одним из конденсаторов, а конденсатор, соединенный с реактором, через систему насадок, соединен с другим конденсатором, который присоединен к промывной башне, снабженной насосом и соединенной с каплеуловителем, осушителем и компрессором.

МПК / Метки

МПК: C30B 29/06, C01B 33/025, C01B 33/023

Метки: рудного, устройство, сырья, получения, монокристаллического, способ, способа, кремния, осуществления

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/7-ip21224-sposob-polucheniya-monokristallicheskogo-kremniya-iz-rudnogo-syrya-i-ustrojjstvo-dlya-osushhestvleniya-sposoba.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Способ получения монокристаллического кремния из рудного сырья и устройство для осуществления способа</a>

Похожие патенты