СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ
METHOD OF PRODUCING SILICON

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.
8
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, МПК 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.
2
6
8
13
2
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 1·10-1·10 Гр или нейтронами дозой 1·10-1·10 нейтрон/см.
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.
2
6
8
13
2
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 1·10-1·10 Гр или нейтронами дозой 1·10-1·10 нейтрон/см. 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).
2
8
2
Пример 2. Повторяют все операции способа, описанного в примере 1, но на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 1·10 Гр или нейтронами при дозе облучения 1·10 нейтрон/см (см. таблицу).
3
12
2
Пример 3. Повторяют все операции способа, описанного в примере 1, но на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 5·10 Гр или нейтронами при дозе облучения 1,5·10 нейтрон/см.
6
13
2
Пример 4. Повторяют все операции способа, описанного в примере 1, но на стадии восстановления кремнезем дополнительно подвергают облучению гамма-квантами интегральной дозой 1·10 Гр или нейтронами при дозе облучения 1·10 нейтрон/см.
2
8
2
6
13
2
Исследования кремния после процесса облучения показали, что концентрация парамагнитных центров изменяется и составляет следующие значения (см. таблицу). Облучение гамма-квантами, интегральной дозой менее 1·10 Гр или нейтронами дозой менее 1·10 нейтрон/см, незначительно нарушает межмолекулярные связи, а дозой облучения гамма-квантами более 1·10 Гр или нейтронами более 1·10 нейтрон/см 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/см<sup>3</sup>
гамма-квантами, Гр
нейтронами, нейтрон/см<sup>2</sup>
1 (прототип)
0
0
2·10<sup>17</sup>
2
1·10<sup>2</sup>
1·10<sup>8</sup>
2,2·10<sup>18</sup>
3
5·10<sup>3</sup>
1,5·10<sup>12</sup>
3,6·10<sup>19</sup>
4
1·10<sup>6</sup>
1·10<sup>13</sup>
8,1·10<sup>18</sup>