CN108249444B - 一种原生多晶硅碳硅分离工艺及其使用装置 - Google Patents

一种原生多晶硅碳硅分离工艺及其使用装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原生多晶硅碳硅分离工艺及其使用装置，利用旋转法实现溶液内外反应速率差，从而分离原生多晶硅和石墨夹具；为了更好的实现这一方案，设计了包括电化学反应池、机械转动装置、超声波震动装置、腐蚀液清理装置和电源五部分在内的旋转分离结构。本发明通过旋转碳头料实现溶液内外的反应速率差，分离多晶硅碳头料的同时，减少了对溶液外多晶硅的腐蚀，降低了多晶硅的减重。

Description

一种原生多晶硅碳硅分离工艺及其使用装置
技术领域
本发明涉及一种原生多晶硅碳硅分离工艺及其使用装置，适用于半导体生产过程中完整原生多晶硅碳头料的回收及利用。
背景技术
目前工业中多晶硅的生产方法主要是硅烷法、冶金法和西门子法等，其中西门子法经改良，第三代西门子法实现了闭环生产，逐渐成为生产高纯度多晶硅的主流制备方法。在生产过程中需要利用石墨夹头连接籽晶，使原生多晶硅生长在籽晶上。不可避免的，在生产完成后会有一定量的多晶硅与石墨粘连无法分离，这种在石墨夹头附近生长或者表面粘有石墨的多晶硅料被称为碳头料。随着多晶硅料价格的上涨，若能将这部分多晶硅与石墨分离利用，对于降低多晶硅的生产成本具有极大的帮助。
现有的分离方法有人工敲击分拣碳头料上的多晶硅(CN201010195803.9)，此方法时间和人工成本高且多晶硅回收率低。亦或利用高温加热碳头料的方式去除石墨，保留多晶硅。此方法虽然可以分离多晶硅，但加热过程中面临着能耗高和对机械的高要求，无法大规模工业应用；此外，分离出的多晶硅无法去除碳硅接触界面生成的碳化硅薄膜层，在后续的加工利用中多次损伤机械。而利用酸液浸泡去除石墨的方法(CN200810163783.X、CN200810017582.9、CN201010561302.8等)，对环境污染严重，且分离出的多晶硅同样没有去除碳化硅层。本发明避免了这些问题，提供了一种经济实用的有效分离完整碳头料上的石墨与多晶硅并实现多晶硅的极大回收方法。
发明内容
发明目的：为了有效分离完整碳头料上的石墨与多晶硅并实现多晶硅的极大回收，以及石墨夹头的回收利用，本发明提供了一种原生多晶硅碳硅分离并去除原生多晶硅料上碳化硅层的方法。
技术方案：一种原生多晶硅碳硅分离工艺，包括如下步骤：
步骤一、将原生多晶硅料的碳头料水平放置在石墨反应池中，池中装有浓度为15％-25％的氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液液面刚好完全没过碳头料内部的石墨夹具，部分附着在石墨夹具上的原生多晶硅料露出液面；
步骤二、连接好使用装置，外接电压为20V-30V的直流电源，将电机的转动速度设置为30-40r/min，超声波振动棒打开，在电机的带动下，旋转石墨夹具，具体为齿轮组带动石墨夹具上的碳头料匀速转动，使得整个碳头料在溶液中转动，旋转的过程中，溶液内的多晶硅持续不断的与氢氧化钠溶液反应，且始终有部分多晶硅料露出液面，这部分露出液面的多晶硅料通过刷子去除多晶硅料表面的氢氧化钠腐蚀液；在反应的过程中，超声波振动棒通过超声波振动棒电源的控制持续释放超声波，使反应过程中的产物可以及时的从碳硅界面处的腐蚀缝隙中排出，使得碳硅界面里的原生多晶硅料可以与氢氧化钠溶液持续有效的接触反应；
步骤三、待界面处多晶硅完全腐蚀，取下分离出的原生多晶硅和石墨夹具，使用去离子水冲洗，然后使用氮气除去表面水分。
一种根据所述的原生多晶硅碳硅分离工艺的使用装置，包括如下五个部分：
第一部分是装有浓度为15％-25％的氢氧化钠溶液的石墨反应池，碳头料水平放置在反应池上，其中所述碳头料的内部为石墨夹头，外部是生长的原生多晶硅料，溶液液面刚好完全没过石墨夹头，部分多晶硅露出液面，且多晶硅锭的外径与内径比越大，露出液面的多晶硅的体积比越大；
第二部分为机械转动结构：包括电机、第一齿轮组、第二齿轮组和夹具，所述电机连接第一齿轮组，第一齿轮组通过联轴连接第二齿轮组夹具上的轴连接第二齿轮组，夹具夹在石墨夹头上；
第三部分为腐蚀液清除结构：在反应池上安装支架，支架上竖直放置弹簧，弹簧连接刷子，通过弹簧可以自由调节刷子的长度，刷子的末端接触原生多晶硅料；
第四部分为电源部分，在石墨反应池中，碳头料中石墨夹头连接直流电源的正极，电源负极连接石墨反应池；
第五部分为超声波振动棒，超声波振动棒竖直放置在石墨反应池中，通过超声波振动棒电源控制超声波振动棒。
作为进一步优化：当电机带动第一齿轮组转动时，通过联轴带动第二齿轮组，而第二齿轮组带动夹具和与之连接的由石墨夹头和原生多晶硅料组成的碳头料按一定的速度转动。
作为进一步优化：所述的电机转头转动速度为20-100r/min。
作为进一步优化：所述的石墨反应池的长、宽、高较碳头料的最大长度和外径最大宽度和最大高度大1-3cm。
有益效果：本发明的优点：
1、采用旋转法，使得部分多晶硅始终露出反应液面，在腐蚀溶液内多晶硅的同时减少了对溶液外多晶硅的腐蚀，实现了溶液内外的反应速率差，保护了部分多晶硅，从而减少了对多晶硅的腐蚀。
2、由电机带动的旋转结构，通过控制相关参数，可以实现各种速度的旋转，从而控制溶液内外多晶硅的腐蚀速率差。
3、电化学法的加入，通过控制溶液中离子的浓度分布加快了溶液内部多晶硅的腐蚀速度，对于实现溶液外的腐蚀速率差，保护溶液外的多晶硅具有辅助作用。4、超声波振动棒的加入，持续不断的振出碳硅界面处的反应产物，使得液面内尤其是分界处的多晶硅与氢氧化钠溶液持续有效的接触反应，加快了溶液内的反应速度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示：本发明包括1电机、2第一齿轮组、3联轴、4第二齿轮组、5夹具、6石墨夹头、7原生多晶硅料、8直流电源、9超声波振动棒、10石墨反应池、11浓度为15-25％的氢氧化钠溶液、12超声波振动棒电源、13支架、14弹簧和15刷子。
本发明中，1电机连接2第一齿轮组，2第一齿轮组通过3联轴连接4第二齿轮组5夹具上的轴连接4第二齿轮组，5夹具夹在6石墨夹头上，当1电机带动2第一齿轮组转动时，通过3联轴带动4第二齿轮组，而4第二齿轮组带动5夹具和与之连接的由6石墨夹头和7原生多晶硅料组成的碳头料按一定的速度转动。在10石墨反应池中，碳头料中6石墨夹头连接8直流电源的正极，电源负极连接10石墨反应池，碳头料放置在10石墨反应池反应池中的11浓度为15-25％氢氧化钠溶液中，其中碳头料(6石墨夹头和7原生多晶硅料)水平放置在10石墨反应池中，11氢氧化钠溶液的液面高度刚好完全没过6石墨夹头。9超声波振动棒竖直放置在10石墨反应池中，通过12超声波振动棒电源控制9超声波振动棒。在10反应池上方设有13支架，13支架上竖直放置14弹簧，14弹簧连接15刷子，15刷子的末端接触7原生多晶硅料。
所述方法和结构及实施方案如下所述：
由6石墨夹头和7原生多晶硅料组成的碳头料，水平放置在10石墨反应池的11浓度为15-25％的氢氧化钠溶液中，当外接8直流电源导通后，碳头料中的7原生多晶硅料会与11氢氧化钠溶液反应，由于7原生多晶硅料的导电性差，所以大量氢氧根离子主要聚集在6石墨夹头和7原生多晶硅料的界面处，加速腐蚀界面处的多晶硅；此时，通过1电机带动2第一齿轮组，2第一齿轮组通过3联轴带动4第二齿轮组，而4第二齿轮组带动5夹具，从而带动碳头料在11氢氧化钠溶液中匀速转动，保持溶液界面始终刚好没过6石墨夹头，这样始终有部分7原生多晶硅料露在11氢氧化钠溶液外面，这部分露出液面的多晶硅料通过13支架和14弹簧连接的15刷子时，刷子扫去表面的腐蚀液。因为15刷子连接14弹簧，可以根据碳头料中多晶硅料的直径自动调节弹簧的长度，使15刷子始终有效的去除多晶硅料表面的氢氧化钠腐蚀液。在反应的过程中，9超声波振动棒通过12超声波振动棒电源的控制持续释放超声波，使反应过程中的产物可以及时的从碳硅界面处的腐蚀缝隙中排出，使得碳硅界面里的7原生多晶硅料可以与12氢氧化钠溶液持续有效的接触反应。
方案一：
将原生多晶硅料的碳头料水平放置在石墨反应池中，池中装有浓度为15％的氢氧化钠溶液，连接好实验设备和装置。外接电压为20V的直流电源，将电机的转动速度设置为30r/min，超声波振动棒打开，在电机的带动下，齿轮组带动夹具上的碳头料转动。待界面处多晶硅完全腐蚀，取下分离出的原生多晶硅和石墨夹具，使用去离子水冲洗，然后使用氮气除去表面水分。
方案二：
将原生多晶硅料的碳头料水平放置在石墨反应池中，池中装有浓度为20％的氢氧化钠溶液，连接好实验设备和装置。外接电压为25V的直流电源，将电机的转动速度设置为40r/min，超声波振动棒打开，在电机的带动下，齿轮组带动夹具上的碳头料转动。待界面处多晶硅完全腐蚀，取下分离出的原生多晶硅和石墨夹具，使用去离子水冲洗，然后使用氮气除去表面水分。
方案三：
将原生多晶硅料的碳头料水平放置在石墨反应池中，池中装有浓度为25％的氢氧化钠溶液，连接好实验设备和装置。外接电压为30V的直流电源，将电机的转动速度设置为35r/min，超声波振动棒打开，在电机的带动下，齿轮组带动夹具上的碳头料转动。待界面处多晶硅完全腐蚀，取下分离出的原生多晶硅和石墨夹具，使用去离子水冲洗，然后使用氮气除去表面水分。

Claims (5)

1.一种原生多晶硅碳硅分离工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将原生多晶硅料的碳头料水平放置在石墨反应池中，池中装有浓度为15％-25％的氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液液面刚好完全没过碳头料内部的石墨夹具，部分附着在石墨夹具上的原生多晶硅料露出液面；
步骤二、连接好使用装置，外接电压为20V-30V的直流电源，将电机的转动速度设置为30-40r/min，超声波振动棒打开，在电机的带动下，旋转石墨夹具，具体为齿轮组带动石墨夹具上的碳头料匀速转动，使得整个碳头料在溶液中转动，旋转的过程中，溶液内的多晶硅持续不断的与氢氧化钠溶液反应，且始终有部分多晶硅料露出液面，这部分露出液面的多晶硅料通过刷子去除多晶硅料表面的氢氧化钠腐蚀液；在反应的过程中，超声波振动棒通过超声波振动棒电源的控制持续释放超声波，使反应过程中的产物可以及时的从碳硅界面处的腐蚀缝隙中排出，使得碳硅界面里的原生多晶硅料可以与氢氧化钠溶液持续有效的接触反应；
步骤三、待界面处多晶硅完全腐蚀，取下分离出的原生多晶硅和石墨夹具，使用去离子水冲洗，然后使用氮气除去表面水分。
2.一种根据权利要求1所述的原生多晶硅碳硅分离工艺的使用装置，其特征在于：包括如下五个部分：
第一部分是装有浓度为15％-25％的氢氧化钠溶液的石墨反应池，碳头料水平放置在反应池上，其中所述碳头料的内部为石墨夹头，外部是生长的原生多晶硅料，溶液液面刚好完全没过石墨夹头，部分多晶硅露出液面，且多晶硅锭的外径与内径比越大，露出液面的多晶硅的体积比越大；
第二部分为机械转动结构：包括电机、第一齿轮组、第二齿轮组和夹具，所述电机连接第一齿轮组，第一齿轮组通过联轴连接第二齿轮组夹具上的轴连接第二齿轮组，夹具夹在石墨夹头上；
第三部分为腐蚀液清除结构：在反应池上安装支架，支架上竖直放置弹簧，弹簧连接刷子，通过弹簧可以自由调节刷子的长度，刷子的末端接触原生多晶硅料；
第四部分为电源部分，在石墨反应池中，碳头料中石墨夹头连接直流电源的正极，电源负极连接石墨反应池；
第五部分为超声波振动棒，超声波振动棒竖直放置在石墨反应池中，通过超声波振动棒电源控制超声波振动棒。
3.根据权利要求2所述的原生多晶硅碳硅分离工艺的使用装置，其特征在于：当电机带动第一齿轮组转动时，通过联轴带动第二齿轮组，而第二齿轮组带动夹具和与之连接的由石墨夹头和原生多晶硅料组成的碳头料按一定的速度转动。
4.根据权利要求2所述的原生多晶硅碳硅分离工艺的使用装置，其特征在于：所述的电机转头转动速度为20-100r/min。
5.根据权利要求2所述的原生多晶硅碳硅分离工艺的使用装置，其特征在于：所述的石墨反应池的长、宽、高较碳头料的最大长度和外径最大宽度和最大高度大1-3cm。
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