Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные	Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения	Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела
Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки)

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2181104
СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ КРЕМНИЯ

Имя заявителя: Государственное унитарное предприятие Государственный научный центр Российской Федерации Физико-энергетический институт имени академика А.И. Лейпунского
Имя изобретателя: Свидерский М.Ф.; Свириденко И.П.; Дробышев А.В.; Орлова Е.А. 
Имя патентообладателя: Государственное унитарное предприятие Государственный научный центр Российской Федерации Физико-энергетический институт имени академика А.И. Лейпунского
Адрес для переписки: 249033, Калужская обл., г. Обнинск, пл. Бондаренко, 1, ГНЦ РФ ФЭИ им. акад. А.И.Лейпунского, патентный отдел
Дата начала действия патента: 2000.02.03

Изобретение относится к способу выделения высокочистого кремния из отходов фосфатного производства минеральных удобрений - кремнефтористых соединений натрия или калия, который может быть использован в радиоэлектронике и производстве солнечных батарей, а и в других отраслях, использующих кремний. Сущность изобретения состоит в способе выделения кремния, заключающемся в процессе восстановления кремнефторида щелочного металла с использованием металлов-восстановителей, например щелочных металлов, при температуре выше температуры плавления металла-восстановителя не менее чем на 50 К, но ниже его температуры кипения, и осаждении кремния на подложку при температуре не менее чем на 10 К ниже температуры расплава, но выше температуры плавления химически активного металла-восстановителя. Способ осуществляют в неизотермическом циркуляционном контуре. В зоне осаждения кремния возможно использовать затравку монокристаллического кремния с охлаждаемой поверхностью. В результате использования изобретения снижается стоимость производства кремния и повышается производительность труда.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к способу выделения кремния из кремнефторида щелочного металла и может быть использовано в радиоэлектронике и энергетике, например, при производстве солнечных батарей, и в других отраслях народного хозяйства.

Известны способы получения кремния из кремнефтористых соединений натрия и калия (1. Патент США 4442082, кл. С 01 В 33/02. 2. Патент США 4446120, кл. С 01 В 33/02.).

Эти способы заключаются в термическом разложении кремнефторида с выделением тетрафторида кремния (SiF₄):

Na₂SiF₆ <=> SiF₄ + 2 NaF (1)

K₂SiF₆ <=> SiF₄ + 2 KF (2)

Тетрафторид кремния восстанавливается до элементарного кремния:

SiF₄ + 4 NaF <=> Si + 4 NaF (3)

SiF₄ + 2 Ca <=> Si + 2 CaF₂ (4)

Недостатками этих способов являютсянеобходимость работать с газообразным токсичным SiF₄, трудность отделения кремния от фторида металла-восстановителя, т.к. реагенты используются в стехиометрических количествах, а конечные продукты находятся в смеси твердых продуктов Si и NaF.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ, в котором при реакции между Na₂SiF₆и натрием формируется смесь Si и NaF. Смесь плавится нагреванием в инертном газе, затем охлаждается до комнатной температуры для отделения Si от растворенных продуктов. Na₂SiF₆воспроизводится добавлением SiO₂ к NaF и вновь используется в реакции с натрием для получения кремния (3. JР 57071813, 1982г.).

Недостатками этого способа являютсянеобходимость осуществления дополнительных процедур, связанных с отделением кремния от фторида натрия и других примесей материалов, выделением Si из смеси Si с NaF и выделением монокристаллического кремния.

Для исключения указанных недостатков в способе выделения кремния, включающем восстановление его металлом-восстановителем из кремнефторида щелочного металла предлагается:

- процесс вести в неизотермическом циркуляционном контуре, содержащем зону восстановления и зону осаждения кремния на подложку;

- восстановление вести при температуре выше температуры плавления металла-восстановителя не менее чем на 50 К, но ниже температуры его кипения;

- в зоне осаждения поддерживать температуру не менее чем на 10 К ниже температуры расплава, но выше температуры плавления металла-восстановителя.

Кроме того предлагается:

- в качестве металла-восстановителя использовать, например, щелочные металлы или их эвтектические смеси;

- в зоне осаждения Si применять затравку монокристаллического кремния с охлаждаемой поверхностью.

Принципиальная схема осуществления способа выделения кремния представлена на чертеже, где приняты следующие обозначения: 1 - устройство перемещения контейнера с Na₂SiF₆; 2 - рабочий участок; 3 - система охлаждения; 4 - зона восстановления, подложка для осаждения кремния; 5 - печь; 6 - контейнер с Na₂SiF₆; 7 - сетка; 8 - сливной бак; 9 - зона восстановления; Ar - линия подачи аргона.

Способ выделения кремния состоит из восстановления его металлом-восстановителем из кремнефторида щелочного металла, например из Na₂SiF₆, K₂SiF₆.

Процесс ведут в неизотермическом циркуляционном контуре, содержащем зону восстановления кремния из кремнефторида щелочного металла.

Восстановление ведут при температуре выше температуры плавления металла-восстановителя не менее чем на 50 К, но ниже температуры его кипения.

В зоне осаждения поддерживают температуру не менее чем на 10 К ниже температуры расплава, но выше температуры плавления металла-восстановителя.

Процесс восстановления кремния проводят при температуре в зоне восстановления (Т_{раб.макс}, К), определяемой из соотношения:

Т_пл. + 50 < Т_{раб.макс} < Т_кип(5)

и температуре осаждения (Т_осажд., К) в зоне осаждения, определяемой из соотношения:

Т_пл. < Т_осажд. < Т_{раб.макс}-10 К, (6)

где Т_пл. - температура плавления жидкого металла-восстановителя, К;

Т_кип. - температура кипения жидкого металла-восстановителя, К.

Фактически в расплаве металла-восстановителя одновременно протекают следующие процессы: растворение кремнефторида щелочного металла; восстановление четырехвалентного кремния до элементарного состояния; осаждение элементарного кремния на подложке.

Эти процессы, например, при использовании в качестве металла-восстановителя натрия характеризуются реакциями (7-9):

Na + Na₂SiF₆ <=> (Na. Na₂ SiF₆) p-p; (7)

(Na. Na₂SiF₆) p-p <=> Na + NaF Si p-p; (8)

Si p-p + подложка <=> Si подложка. (9)

В качестве металла-восстановителя можно использовать щелочные металлы, например Na, К, Li, или их эвтектические смеси.

Для выделения монокристаллического кремния можно использовать затравку монокристаллического кремния с охлаждаемой поверхностью.

Экспериментальные исследования авторов позволили выбрать металлы-восстановители и температурные режимы, при которых подавляется выход экологически вредного газа F₂ и других фторсодержащих соединений, возникших в результате образования растворенного в металле-восстановителе фторида щелочного металла. При использовании Na и Na₂SiF₆ давление насыщающих паров NaF меньше 10^-7 МПа при 1000 К и не превышает предельно допустимой концентрации (ПДК) для соединений фтора, равной 1 мг/м³, а давление F₂ при диссоциации NaF при 1000 К меньше 10^-39 МПа, что в обоих случаях не превышает ПДК для соединений, содержащих фтор. Значения ПДК даны в справочнике "Вредные вещества в промышленности" / Под ред. Н.В. Лазарева. Л.: Химия, 1997/.

При превышении концентрации насыщения в металле-восстановителе фторид должен высадиться из раствора и в дальнейшем может быть использован в промышленности как товарный продукт. При этом осаждение фторида щелочного металла происходит в области размещения кремнефторида щелочного металла.

Для выделения монокристаллического кремния можно использовать затравку монокристаллического кремния с охлаждаемой поверхностью.

Затравка расположена в зоне осаждения.

Процессы, характерные для кремнефторида натрия, свойственны и для процессов, имеющих место при использовании кремнефторида калия.

Примеры осуществления способа

Пример 1. Использовали рабочий участок выделения кремния на подложках (чертеж). Рабочий участок заполняли натрием, очищенным методом его отстаивания в емкости при температуре около 376 К. Чистота использованного натрия составляла 99,95%. Содержание кислорода в натрии составляло около 10 мг/кг.

Кремнефторид натрия в количестве 4,9 г помещали в сетчатый контейнер, помещенный в натрий.

Систему вакуумировали до разрежения менее 0,01 МПа и подавали давление аргона 1,1 МПа с содержанием кислорода менее 10 мг/кг и азота менее 80 мг/кг.

Проводили разогрев зоны восстановления до температуры 434-503 К в нижней части рабочего участка. Подложки в зоне осаждения выдерживали в течение 70 ч, при перепаде температуры до 40 К. Зона восстановления расположена в нижней части рабочего участка. Увеличения давления в газовой полости рабочего участка не наблюдали. После подъема подложек над уровнем натрия без разгерметизации рабочего участка производили вакуумную дистилляцию натрия при 620 К в течение 2 ч. После охлаждения рабочего участка до комнатной температуры подложки обследовали. Установлено, что кремний высадился на подложке из циркония слоем толщиной около 4-5 мкм. Причем обнаружена резкая граница между кремнием и цирконием.

Содержание натрия в кремнии после вакуумной дистилляции натрия при 620 К в течение 2 ч без промывки водой находилось на уровне менее 0,01% мас.

Оставшийся после вакуумной дистилляции в рабочем участке натрий содержал в среднем 0,22% мас. NaF и 0,026% мас. Si.

Пример 2. Проведено исследование процесса восстановления Na₂SiF₆ в натрии в течение 142 ч при температуре в зоне восстановления 463-563 К и осаждения Si при температуре на 10-50 К ниже температуры в зоне восстановления. Средняя скорость осаждения кремния на подложку циркония составила 0,45 г/м²·ч. Состав соответствовал природному изотопному составу кремния. Содержание примесей при анализе кремния на поверхности подложки из циркония было ниже, чем в монокристаллическом кремнии ГОСТ 19658-81 от 27.02.81.

Эксперименты по осаждению монокристаллического кремния показали, что содержание примесей в нем не выше, чем в исходном кремнии монокристаллической затравки.

Пример 3. Проведены экспериментальные исследования восстановления K₂SiF₆в калии при температуре в зоне восстановления 703-723 К и при температуре осаждения Si на 100-150 К ниже, чем в зоне восстановления в течение 110 ч.

Средняя скорость осаждения кремния составила 0,087 г/м²·ч.

Пример 4. Проведены экспериментальные исследования восстановления К₂SiF₆в эвтектическом сплаве натрия с калием при температуре в зоне восстановления 303-323 К и осаждения кремния при температуре на 20 К в течение 100 ч.

Средняя скорость осаждения кремния составила 0.03 г/м²·ч.

В результате использования способа достигается требуемый результат.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ выделения кремния, включающий восстановление его металлом-восстановителем из кремнефторида щелочного металла, отличающийся тем, что процесс ведут в неизотермическом циркуляционном контуре, содержащем зону восстановления и зону осаждения кремния на подложку, при этом восстановление ведут при температуре выше температуры плавления металла-восстановителя не менее чем на 50 К, но ниже температуры его кипения, а в зоне осаждения поддерживают температуру не менее чем на 10 К ниже температуры расплава, но выше температуры плавления металла-восстановителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металла-восстановителя используют щелочные металлы или их эвтектические смеси.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зоне осаждения кремния используют затравку монокристаллического кремния с охлаждаемой поверхностью.

Версия для печати
Дата публикации 15.12.2006гг

НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ
	Технология изготовления универсальных муфт для бесварочного, безрезьбового, бесфлянцевого соединения отрезков труб в трубопроводах высокого давления (имеется видео)
	Технология очистки нефти и нефтепродуктов
	О возможности перемещения замкнутой механической системы за счёт внутренних сил
	Свечение жидкости в тонких диэлектрических каналох
	Взаимосвязь между квантовой и классической механикой
	Миллиметровые волны в медицине. Новый взгляд. ММВ терапия
	Магнитный двигатель
	Источник тепла на базе нососных агрегатов