Способ получения кремния
Владельцы патента RU 2441838:
Общество с ограниченной ответственностью Научно-инновационное предприятие СКГМИ (ГТУ) "Стройкомплект-Инновации" (RU)
Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к переработке кремнистых пород для получения полупроводникового кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов и в электронной технике. Способ включает разрушение и переработку кремнистой породы, восстановление кремнезема в электрической печи до кремния, химико-металлургическую очистку и измельчение в порошок, при этом на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 1·102-1·106 Гр или нейтронами дозой 1·108-1·1013 нейтрон/см2. Технический результат заключается в увеличении глубины разложения рудных компонентов, снижении концентрации примесей и энергетических затрат при помоле. 1 табл.
Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к переработке кремнистых пород для получения полупроводникого кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов и в электронной технике.
Известен способ получения кремния, включающий разрушение кремнистых пород на куски, измельчение, обогащение, восстановление кремнезема в электрической печи, химико-металлургическую очистку и получение слитков (см. Брук В.А., Гаршенин В.В., Курносов А.И. Производство полупроводниковых приборов. Учебник для индивидуального бригадного обучения рабочих на производстве. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: «Высшая школа», 1968).
Недостатком известного способа является то, что при разложении рудных компонентов в них содержится повышенное количество примесей, что приводит к структурным неоднородностям кремния и, следовательно, невозможности получения кремния высокой чистоты.
Известен способ получения монокристаллов кремния путем разрушения и переработки кремнистой породы, восстановления кремнезема в электрической печи до кремния, химико-металлургическую очистку и получение монокристалла кремния путем облучения его с последующей зонной плавкой в вакууме (см. SU №793412, Вольфганг Келлер, Харберт Крамер, Конрад Ройшель. Способ получения монокристаллов кремния, МПК8 C30B 13/06, опубл. 30.12.1980).
Недостатком данного способа является то, что облучение кремния проводят тепловыми нейтронами в процессе выращивания монокристаллов, т.е. на позднем этапе формирования структуры твердого тела, что затрудняет получение кремния высокого кристаллографического совершенства.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения кремния, включающий разрушение и переработку кремнистой породы, восстановление кремнезема в электрической дуге до получения кремния, химико-металлургическую очистку и измельчение в порошок (Реньян В.Р. Технология полупроводникового кремния. Пер. с анг. М.: 1969).
Недостатком прототипа является невозможность обеспечения необходимой глубины разложения и, соответственно, получения кремния высокой чистоты.
Технический результат заключается в увеличении глубины разложения рудных компонентов, снижении концентрации примесей и энергетических затрат при помоле.
Этот технический результат достигается тем, что способ получения кремния, включающий разрушение и переработку кремнистой породы, восстановление кремнезема в электрической печи до кремния, химико-металлургическую очистку и измельчение в порошок, согласно изобретению на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 1·102-1·106 Гр или нейтронами дозой 1·108-1·1013 нейтрон/см2.
Предлагаемый способ позволит увеличить глубину разложения рудных компонентов, воздействуя на кинетику разложения сырьевого материала на ранней стадии получения кремния, снизить концентрацию примесей и энергетические затраты при помоле.
Механизм разрушения твердого тела под действием облучения непосредственно связан с физическими особенностями структуры на атомно-молекулярном уровне. В рудном концентрате облучение способствует созданию дополнительных активных центров, приводящих к ослаблению связи между зернами, а нагрев стимулирует подвижность дефектов, приводящих к разрыву внутримолекулярных связей, образуя зародышевые трещины. По таким микротрещинам разрушение происходит с меньшими затратами энергии при дальнейшем измельчении, обеспечивая выравнивание структуры. Кроме того, измельченное сырье характеризуется высокой открытой пористостью.
Сущность предлагаемого способа поясняется таблицей.
Способ получения кремния осуществляют следующим образом.
Кремнистую породу разрушают и перерабатывают до получения кремнезема, который затем восстанавливают расплавлением в электропечи до кремния. Причем на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 1·102-1·106 Гр или нейтронами дозой 1·108-1·1013 нейтрон/см2. Полученный после восстановления кремний подвергают химико-металлургической очистке с последующим выращиванием монокристаллов и измельчением их в порошок.
Достижение технического результата подтверждается экспериментальными данными, полученными при осуществлении данного способа.
Пример 1. Кремнистую породу разрушают и перерабатывают до получения кремнезема, который восстанавливают расплавлением в электропечи при температуре 1420°C, полученный кремний подвергают химико-металлургической очистке с последующим выращиванием монокристаллов кремния (см. таблицу).
Пример 2. Повторяют все операции способа, описанного в примере 1, но на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 1·102 Гр или нейтронами при дозе облучения 1·108 нейтрон/см2 (см. таблицу).
Пример 3. Повторяют все операции способа, описанного в примере 1, но на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 5·103 Гр или нейтронами при дозе облучения 1,5·1012 нейтрон/см2.
Пример 4. Повторяют все операции способа, описанного в примере 1, но на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 1·106 Гр или нейтронами при дозе облучения 1·1013 нейтрон/см2.
Исследования кремния после процесса облучения показали, что концентрация парамагнитных центров изменяется и составляет следующие значения (см. таблицу). Облучение гамма-квантами, интегральной дозой менее 1·102 Гр или нейтронами дозой менее 1·108 нейтрон/см2, незначительно нарушает межмолекулярные связи, а дозой облучения гамма-квантами более 1·106 Гр или нейтронами более 1·1013 нейтрон/см2 приводит к частичному отжигу радиационных дефектов. Именно высокая концентрация дефектов кристаллической структуры способствует облегчению процесса измельчения сырья и очистки, а также уменьшению тонкости помола при меньших затратах энергии.
Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволит увеличить глубину разложения рудных компонентов, снизить концентрацию примесей и энергетические затраты при помоле.
| Зависимость концентрации парамагнитных центров от дозы облучения | |||
| Пример | Доза облучения | Концентрация парамагнитных центров, 1/см3 | |
| гамма-квантами, Гр | нейтронами, нейтрон/см2 | ||
| 1 (прототип) | 0 | 0 | 2·1017 |
| 2 | 1·102 | 1·108 | 2,2·1018 |
| 3 | 5·103 | 1,5·1012 | 3,6·1019 |
| 4 | 1·106 | 1·1013 | 8,1·1018 |
Способ получения кремния, включающий разрушение и переработку кремнистой породы, восстановление кремнезема в электрической печи до кремния, химико-металлургическую очистку и измельчение в порошок, отличающийся тем, что на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 1·102-1·106 Гр или нейтронами дозой 1·108-1·1013 нейтрон/см2.
