Способ переработки кубового остатка, содержащего полисиланхлориды

Изобретение относится к химической промышленности и может применяться в производстве поликристаллического кремния на установках водородного восстановления. Способ переработки кубового остатка, содержащего полисиланхлориды, заключается в его переводе в газообразное состояние в реакторе с выращенными кремниевыми стержнями, нагретыми до температуры плюс 1100÷1150°С. Введение жидкой смеси тетрахлорида кремния и полисиланхлоридов осуществляется при их соотношении 1:(0,1÷0,2). Встречным потоком в реактор подается водород в соотношении к тетрахлориду кремния 1:(6÷10). Предлагаемый способ позволяет перевести до 80% полисиланхлоридов в трихлорсилан. 1 ил.

 

Изобретение относится к химической промышленности, а конкретно к производству поликристаллического кремния из трихлорсилана и переработке кубового остатка, содержащего полисиланхлориды.

Известен способ (см. книга «Технология полупроводникового кремния», авт. Фалькевич Э.С. и др., издательство «Металлургия», 1992 г., стр.206), заключающийся в том, что смесь трихлорсилана с тетрахлорсиланом отбирается из дефлегматора и передается на колонну, а кубовая жидкость, в которой сконцентрировались полисиланхлориды и высококипящие примеси, направляется на нейтрализацию известковым молоком. Таким образом, полисиланхлориды выводятся из процесса в виде кубовых остатков на колонне разделения, которые составляют до 3% от общего объема перерабатываемых хлорсиланов, содержание полисиланхлоридов в которых допускается до 10% по весу, а далее смесь выводится на нейтрализацию водным раствором СаО.

Недостатком данного способа является использование дополнительного оборудования для извлечения ценных компонентов и обезвреживания полисиланхлоридов, включая использование дополнительных производственных помещений, что сопряжено с определенными трудностями в их обслуживании и существенно усложняет процесс переработки отходов, увеличивает затраты по времени всего цикла производства кремния.

Известен способ переработки кубовых остатков (см. патент SU №1369182 от 08.01.86, МПК⁷ С01В 33/08), заключающийся в том, что кубовые остатки, содержащие полисиланхлориды подвергаются испарению при нагревании с одновременным хлорированием.

Недостатком данного способа является усложнение процесса переработки путем использования дополнительного оборудования и неполной нейтрализации полисиланхлоридов ввиду многостадийности процесса переработки.

Целью изобретения переработки кубового остатка, содержащего полисиланхлориды, является исключение многостадийности процесса переработки кубовых остатков от полисиланхлоридов и использования дополнительного оборудования.

Предлагаемый способ переработки кубового остатка, содержащего полисиланхлориды, в производстве поликристаллического кремния, включающий подачу кубового остатка и его испарение в реакторе при нагревании, состоит в том, что кубовой остаток, содержащий тетрахлорид кремния и полисиланхлориды при соотношении 1:(0,1÷0,2), подают в реактор и испаряют посредством нагрева кремниевых стержней до температуры 1100÷1150°С, одновременно подают встречный поток водорода при соотношении тетрахлорида кремния к водороду 1:(6÷10).

По предлагаемой технологической схеме авторами предложено переработку кубовых остатков, содержащих полисиланхлориды, проводить непосредственно в реакторе водородного восстановления, в объеме которого необходимо осуществить ряд химических превращений по получению трихлорсилана и восстановлению кремния (аморфное состояние). Основными химическими преобразованиями в реакторе будут:

SiCl₄+Н₂↔SiHCl₃+HCl

Si₂Cl₆+H₂↔2SiHСl₃

Si₂Cl₆↔SiCl₂+SiCl₄

Si₂Cl₆↔Si_ам+SiCl₄

Химические превращения приводятся на примере гексанхлордисилана кремния, поскольку он занимает 60% весовых от общего состава полисиланхлоридов, образующихся в процессе восстановления. Поведение прочих полихлоридов кремния аналогично его поведению. Химические превращения возможны при создании условий, обеспечивающих их протекание: расчетную поверхность нагревателей, кремниевых основ, разогретых до температуры 1150°С, подачу исходного водорода снизу, нагреваемого при контакте со стержнями до 500-600°С и создающего конвективные потоки в объеме реактора, встречу их со смесью тетрахлорида и полисиланхлоридов, вводимых по верху реакционной камеры, распылении и испарении ее, обеспечении контакта водорода и полихлорсиланов в объеме реактора с получением трихлорсилана и аморфного кремния.

При исследовании отличительных признаков способа переработки кубового остатка, содержащего полисиланхлориды, не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся их использования или реализации путем подачи водорода и кубового остатка, содержащего полисиланхлориды, в реактор и его испарения при нагревании в определенном мольном соотношении тетрахлорида кремния и водорода.

Проведенный заявителем анализ уровня развития техники по имеющимся патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, заявителем не обнаружен.

Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных по отношению усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения, позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения условию "новизна".

Результаты дополнительного поиска известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа, показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из определенного заявителем уровня техники не выявлено влияние преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение технического результата. Поэтому заявитель предполагает соответствие данного изобретения критерию "изобретательский уровень".

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

На фиг.1 представлен реактор 1 водородного восстановления кремния из трихлорсилана с водоохлаждаемой рубашкой, в котором осуществляется способ переработки кубовых остатков, содержащих полисиланхлориды кремния. Реактор состоит из трех частей, нижней 2, средней 3 и верхней 4. Верхняя часть снабжается патрубком 5 для ввода смеси тетрахлорида кремния и полисиланхлоридов, расположенным по центру. В качестве нагревателей используются кремниевые стержни (6) диаметром до 30 мм в количестве 24 штук, выращенные за счет восстановления кремния из трихлорсилана водородом с 3÷6-кратным молярным избытком водорода при температуре 1100-1150°С, нагрев которых производится за счет проходящего тока, токоподвод реализуется через водоохлаждаемые токовводы 7, изолированные от корпуса реактора. Охлаждение частей реактора проводится через патрубки 8, 9, 10, 11, 12, 13 подачей воды снизу вверх.

Процесс гидрирования полисиланхлоридов начинается после замены в исходной парогазовой смеси трихлорсилана на кубовые остатки из смеси тетрахлорида с полисиланхлоридами с их нагревом до температуры 300-400°С в объеме реактора. Водород в реактор подают по центру нижней цилиндрической части 2 через специальный патрубок 14, то есть осуществляется противоток исходных реагирующих веществ, их интенсивное перемешивание и химическое взаимодействие с получением трихлорсилана и аморфного кремния, имеющего развитую мелкодисперсную структуру, способную на своей поверхности сорбировать примеси, находящиеся в кубовых остатках. Парогазовая смесь, состоящая из водорода, остатков тетрахлорида кремния, образовавшегося трихлорсилана, и хлористого водорода, выводится через нижнюю часть реактора, патрубок вывода 15 расположен коаксиально с вводом водорода по центру днища: аморфный кремний осаждается на стенках и поддоне реактора, в трубопроводах парогазовой смеси и теплообменниках, от проникновения которого в блок конденсации предусматривается установка дополнительных фильтров. Аморфный кремний удаляется вручную из реактора по завершению процесса переработки. Образующиеся трихлорсилан, дихлорсилан и непрореагировавший тетрахлорид кремния с хлористым водородом передают на блок конденсации для перевода их в жидкое состояние с дальнейшей переработкой на ректификационных колоннах.

Предложенный способ переработки кубового остатка, содержащего полисиланхлориды, по сравнению с ранее известными позволяет до 80% полисиланхлоридов перевести в трихлорсилан, что обеспечивает безопасную разгрузку поликристаллического кремния после проведения технологического процесса восстановления с устранением каких-либо остаточных следов полисиланхлоридов в разъемных частях реактора и узлах установки водородного восстановления, а также позволяет получать поликристаллический кремний высокого качества.

Способ переработки кубового остатка, содержащего полисиланхлориды, в производстве поликристаллического кремния, включающий подачу кубового остатка и его испарение в реакторе при нагревании, отличающийся тем, что кубовой остаток, содержащий тетрахлорид кремния и полисиланхлориды при соотношении 1:(0,1÷0,2) подают в реактор и испаряют посредством нагрева кремниевых стержней до температуры 1100÷1150°С, одновременно подают встречный поток водорода при соотношении тетрахлорида кремния к водороду 1:(6÷10).