RU2632827C2 - Устройство для рафинирования кремния - Google Patents
Устройство для рафинирования кремния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2632827C2 RU2632827C2 RU2015152667A RU2015152667A RU2632827C2 RU 2632827 C2 RU2632827 C2 RU 2632827C2 RU 2015152667 A RU2015152667 A RU 2015152667A RU 2015152667 A RU2015152667 A RU 2015152667A RU 2632827 C2 RU2632827 C2 RU 2632827C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- melt
- impurities
- refining
- crystalliser
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/037—Purification
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/10—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals with refining or fluxing agents; Use of materials therefor, e.g. slagging or scorifying agents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования для последующего производства полупроводникового и солнечного кремния. Устройство для рафинирования кремния путем выделения примесей металлов на металлических поверхностях кристаллизатора выполнено в виде тел вращения, при этом кристаллизатор состоит из круглого прямого цилиндра 1, расположенного по вертикальной оси симметрии, и коаксиально по отношению к нему расположенных цилиндрических труб 2, 3, связанных горизонтальными крестообразными стяжками 4, 7 в поверхностном и придонном слоях расплава 5. Изобретение позволяет получать высококачественное сырье с низким содержанием примесей. 2 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования для целей последующего производства полупроводникового и солнечного кремния.
Уровень техники
Известно, что технический кремний по ГОСТ 2169-69 содержит до 4 масс. % примесей и без дополнительной глубокой доочистки не пригоден в технологии получения как «полупроводникового», так и «солнечного» кремния. Существуют многочисленные физические, химические и физико-химические методы и устройства для его очистки от примесей. На заключительных этапах используются обычно прецизионное физическое оборудование и приемы фракционной перегонки, диспропорционирования газофазных соединений кремния, зонная плавка, выращивание монокристаллов [Э.С. Фалькевич, Э.О. Пульнер и др. Технология полупроводникового кремния. М.: «Металлургия», 1992, 407 с.]. Среди них имеется устройство для выделения примесей с помощью полого, охлаждаемого газом тела, погруженного в расплав кремния (JP 2000351616 А, 19.12.2000). Известно также устройство по патенту РФ №2600055 от 26.05.2015, в котором металлические кристаллизаторы выполнены в виде тел вращения. Оба эти патента являются аналогами настоящего изобретения. Однако охлаждение кристаллизатора с продувкой через него газа, предусмотренное в японском патенте, не может быть эффективным, так как теплоемкость и теплопроводность любой газовой фазы на несколько порядков меньше, чем чугуна, стали или кремния. Наиболее близким прототипом является патент РФ №2600055, в котором, как и в настоящей заявке, кристаллизаторы и их элементы выполнены сплошными, а не продуваемыми «cooling gas» [Application number 11-159620; Applicant SHOWA ALUM CORP; SHARP CORP.].
Необходимо найти и разработать устройство для быстрого и высокопроизводительного процесса рафинирования кремния от интерметаллических соединений и твердых растворов примесей железа, титана, ванадия, марганца и других тугоплавких металлов и неметаллических примесей.
В устройстве-прототипе кристаллизаторы выполнены в виде тел вращения - шаров, конусов или цилиндров, но не предусмотрены решения, позволяющие получить, возможно, большую поверхность массообмена и кристаллизации. Шар, например, представляет собой тело, обладающее минимальной поверхностью для заданной массы кристаллизатора. Использование многих цилиндрических или конусных тел, не связанных в единую конструкцию, не позволяет организовать потоки расплава и получить максимальную эффективность работы устройства.
Сущность изобретения
В изобретении обеспечивается кристаллизация примесей из переохлажденного метастабильного состояния расплава, кремний же, как элемент-растворитель, остается, главным образом, в жидком расплаве. Скорость кристаллизации примесей пропорциональна сечению потока, в частности величине поверхности кристаллизации, а также действующему градиенту факторов интенсивности - температуры и концентрации. Значительная роль принадлежит также степени используемой метастабильности (удаления от равновесия) системы.
Кристаллизация примесей - твердофазных кристалликов интерметаллических соединений и твердых растворов, взвешенных в переохлажденном метастабильном расплаве, протекает на помещенном в расплав массивном холодном теле практически мгновенно, что и обеспечивает в предложенной конструкции возможность их быстрого удаления и получения более чистого сырья для последующего производства полупроводникового и солнечного кремния.
Сущность изобретения устройства заключается в том, что основная часть его выполнена из круглого прямого цилиндра, расположенного по его вертикальной оси симметрии, и коаксиально по отношению к нему расположенных цилиндрических толстостенных труб, связанных горизонтальными крестообразными стяжками в поверхностном и придонном слоях рафинируемого кремния. Кристаллизация в нашем устройстве рассредоточена по всему объему расплава, что также увеличивает интегральную скорость и производительность процесса рафинирования.
Перечень фигур чертежей и описание взаимодействия
На Фиг. 1 и Фиг. 2 показан вертикальный разрез устройства кристаллизатора. Здесь 1 - сплошной круглый цилиндр; 2 - первый трубчатый цилиндр; 3 - второй трубчатый цилиндр; 4 - верхняя крестообразная стяжка; 5 - расплав рафинируемого кремния; 6 - футерованная емкость для рафинирования; 7 - нижняя крестообразная стяжка.
Кристаллизатор подвешивается в точке С на подъемно-транспортном устройстве, с помощью которого он погружается в рафинируемый расплав и извлекается из него. Металлический кристаллизатор выполняется, например, из чугуна методом литья. При медленном погружении кристаллизатора в расплав, начальная температура которого составляет около 1500°С, более холодные конвективные струи расплава, окружающие сплошной цилиндр 1, опускаются вниз, как это показано на Фиг. 1.
Вытесняемые струи разогретого расплава поднимаются вверх по кольцевым промежуткам, образованным первым (2) и вторым (3) трубчатыми цилиндрами. В том же направлении вытесняются слои более горячего расплава между вторым трубчатым цилиндром (3) и футеровкой (6). Далее в верхней части устройства поднявшиеся струи вновь направляются вниз по кольцевому каналу, образованному сплошным круглым цилиндром (1) и первым трубчатым цилиндром (2). Базисные направления циркуляции качественно показаны стрелками на Фиг. 1. При этом диффузионные потоки, вызванные кристаллизацией на всех металлических поверхностях, направлены в радиальном направлении в сторону вертикальной оси симметрии устройства.
Общее время выделения кристаллов интерметаллических соединений, твердых растворов, а также кристаллов неметаллических включений углерода, оксидов, карбидов металлов не должно превышать 1-2 минут. Конечно, во время операций рафинирования должен быть обеспечен контроль и поддержание надлежащих температурных и тепловых условий работы устройства, так же как и требования охраны труда.
Технический результат разработки заключается в получении высококачественного сырья с низким содержанием примесей. Особенно это относится к примесям тугоплавких металлов, входящих в состав интерметаллических соединений (ИМС) и твердых растворов (TP). Среди ИМС это такие соединения, как TiSi2, TiSi и Ti5Si3; V5Si3 и V3Si; CrSi, CrSi2; Cr3Si; Cr5Si3; 7 соединений марганца; FeSi и FeSi2; Ni3Si; Ni5Si2; CoSi и Co3Si. [M. Хансен, К. Андерко. Структуры двойных сплавов, с англ., т. 1, М., 1962, 608 с.; т. 2, М., 1962, 1488 с.; Р.П. Эллиот. Структуры двойных сплавов, с англ., т. 1, М., 1970, 455 с.; т. 2, М., 1970, 472 с. Ф. Шанк. Структуры двойных сплавов, с англ., М., 1973, 759 с.].
Неметаллические примеси также образуют в кремнии твердые растворы (TP). Так кислород кроме включений SiO2 представлен TP внедрения, являющимся перенасыщенным при температурах ниже 1270 К [См. выше Э.С. Фалькевич и др., с. 292, также представлен твердым раствором [Э.С. Фалькевич и др., с. 294-295; Nosaki Т., Yatsurugi Y., Akiyamata N // J. Electrochem. Soc., 1970, v. 117, №12, p 1566-1571].
В условиях метастабильного переохлажденного расплава кремния кристаллики ИМС и TP практически моментально выпадают из пограничного слоя на поверхностях кристаллизации и легко могут быть удалены вместе с устройством из обрабатываемого расплава. Скорость кристаллизации, как отмечено выше, в условиях диффузионной кинетики гетерогенного процесса пропорциональна сечению диффузионного потока, которое практически совпадает с величиной кажущейся рабочей поверхности кристаллизатора. При высоте устройства 1,4 м, диаметре сплошного круглого цилиндра 0,2 м, внешнем и внутреннем диаметрах первого трубчатого цилиндра 0,8 м и 0,5 м; второго трубчатого цилиндра 1,2 м и 1,0 м суммарная поверхность кристаллизации составит около 22 м2. Эта поверхность на порядок и более выше, чем в изобретении-прототипе, что обеспечивает такую же кратность увеличения глубины или производительности процесса рафинирования.
Оптимальное количество цилиндров, их диаметры, все размеры конструктивных элементов устройства могут быть определены в результате выполнения последующих исследовательских и опытно-конструкторских работ. В конечном итоге производительность процесса рафинирования по сравнению с прототипом может быть повышена на несколько порядков. Изобретение может использоваться не только для рафинирования технического кремния, но и на конечных стадиях подготовки к получению полупроводникового и солнечного кремния.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, и его потенциальную эффективность
Возможность и неизбежность массового выпадения кристалликов ИМС и TP из переохлажденного метастабильного расплава кремния на поверхностях кристаллизации представляется физически очевидной. Это так же неизбежно, как появление кристалликов льда из переохлажденного насыщенного пара воздуха на холодном оконном стекле в осенне-зимний период.
Цены на технический кремний составляют порядка 2600-2800 USD/t. При этом стоимость полупроводникового кремния колеблется около 280.000 USD/t, т.е. выше в 100 раз, а стоимость кремния «солнечного» качества (SOG - Si) может достигать и 700.000 USD/t [Немчинова Н.В. Поведение примесей элементов при производстве и рафинировании кремния. М., 2008, 236 с; с. 32]. Представляется очевидным, что повышение качества кремния-сырца неизбежно приведет к снижению стоимости как «полупроводникового», так и «солнечного» кремния, что будет способствовать переходу к солнечной энергетике.
Устройство заявленного типа при использовании его на стадиях, непосредственно предшествующих получению монокристаллов «полупроводникового» и «солнечного» кремния, приведет дополнительно к снижению стоимости этих продуктов.
Claims (1)
- Устройство для рафинирования кремния путем выделения примесей металлов на металлических поверхностях кристаллизатора, выполненного в виде тел вращения, отличающееся тем, что кристаллизатор состоит из круглого прямого цилиндра, расположенного по вертикальной оси симметрии, и коаксиально по отношению к нему расположенных цилиндрических труб, связанных горизонтальными крестообразными стяжками в поверхностном и придонном слоях расплава.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015152667A RU2632827C2 (ru) | 2015-12-08 | 2015-12-08 | Устройство для рафинирования кремния |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015152667A RU2632827C2 (ru) | 2015-12-08 | 2015-12-08 | Устройство для рафинирования кремния |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015152667A RU2015152667A (ru) | 2017-06-14 |
RU2632827C2 true RU2632827C2 (ru) | 2017-10-10 |
Family
ID=59068056
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015152667A RU2632827C2 (ru) | 2015-12-08 | 2015-12-08 | Устройство для рафинирования кремния |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2632827C2 (ru) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000351616A (ja) * | 1999-06-07 | 2000-12-19 | Showa Alum Corp | 高純度シリコンの製造方法 |
UA97691C2 (ru) * | 2007-09-13 | 2012-03-12 | Силисиум Беканкур Инк. | Способ получения твердого поликристаллического кремния высокой чистоты |
-
2015
- 2015-12-08 RU RU2015152667A patent/RU2632827C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000351616A (ja) * | 1999-06-07 | 2000-12-19 | Showa Alum Corp | 高純度シリコンの製造方法 |
UA97691C2 (ru) * | 2007-09-13 | 2012-03-12 | Силисиум Беканкур Инк. | Способ получения твердого поликристаллического кремния высокой чистоты |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015152667A (ru) | 2017-06-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2018040062A (ja) | 高純度マグネシウムの真空蒸留方法及び装置 | |
Zhu et al. | Preparation of semi-solid 7075 aluminum alloy slurry by serpentine pouring channel | |
CN102658362B (zh) | 一种超高温Nb-Si基合金的水冷铜坩埚定向凝固方法 | |
CN201500776U (zh) | 带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置 | |
Wang et al. | Control of silicon solidification and the impurities from an Al–Si melt | |
CN105568018A (zh) | 一种定向凝固镁合金装置及用该装置定向凝固镁合金方法 | |
KR20160026836A (ko) | 방향성 고체화 시스템 및 방향성 고체화 방법 | |
Jie et al. | Separation and purification of Si from solidification of hypereutectic Al–Si melt under rotating magnetic field | |
CN101787559B (zh) | 一种真空气氛下制备高阻区熔硅单晶的加热线圈装置 | |
CN107252880B (zh) | 一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工艺 | |
KR101578589B1 (ko) | 비전기 슬래그 재용융식 청정 금속 잉곳몰드 | |
Kang et al. | Control of solid–liquid interface morphology and radial composition distribution: TbDyFe single crystal growth | |
RU2632827C2 (ru) | Устройство для рафинирования кремния | |
Hong et al. | Controlling nucleation during unseeded THM growth of CdZnTe crystal | |
Wang et al. | Effect of melt thermal history on solidification behavior and microstructural characteristics of a third-generation Ni-based single crystal superalloy | |
CN107234220B (zh) | 一种双冷场连续制备高品质铝合金圆铸锭的工艺 | |
RU2234545C2 (ru) | Способ очистки алюминия методом сегрегации и устройство для его осуществления | |
CN107470574A (zh) | 一种铝合金铸锭的高速半连续铸造装置及方法 | |
Zhang et al. | Mechanism of gravity effect on solidification microstructure of eutectic alloy | |
CN106591946A (zh) | 一种逆向离心提高多晶硅定向凝固提纯得率的设备和方法 | |
US2750262A (en) | Process for separating components of a fusible material | |
RU2600055C1 (ru) | Способ и устройство для рафинирования технического кремния | |
CN202606840U (zh) | 一种双电极半连续式电渣重熔铸造装置 | |
Huang et al. | Electrical resistivity distribution of silicon ingot grown by cold crucible continuous melting and directional solidification | |
JP3918026B2 (ja) | インゴットの鋳造装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181209 |