УСТРОЙСТВО ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ ИЗ КВАРЦА

Полезная модель относится к устройствам для прямого плазменного восстановления поликристаллического кремния из природного кварца. Применение устройства наиболее предпочтительно при организации крупномасштабного одностадийного экологически чистого производства кремния из природного кварца с использованием месторождений кварца высокой чистоты. Подобный подход позволяет получить в одностадийном процессе производство кремния чистоты, пригодной для производства солнечных батарей (SoG-Si - Solar Grade Si), в чем в настоящее время существует необходимость с точки зрения цены сырья.
Известны различные устройства, использующие восстановление кварца для получения кремния с использованием электроразрядных систем. В одних из этих устройств смесь кремнийсодержащих соединений с несущим газом подают по коаксиальной трубе из чистого кремния с центральным электродом из чистого кремния, а между центральным электродом и стенками коаксиальной трубы, а также между центральным электродом и расположенным с зазором осесимметрично к центральному электроду подложкой-мишенью зажигается плазменный разряд (Патент РФ №2367599). В другом известном устройстве (Патент РФ 2385291) процесс ведут в две стадии в реакторе плазменной печи при температуре выше 1500°С. На первой стадии восстановления в качестве кремнийсодержащего соединения вводят в реактор кварцевую крупку, а в качестве восстановителя вводят смесь моноокиси углерода с водородом, взятых в объемном соотношении 1:1. В варианте устройства анод подключают к токопроводящему корпусу реактора и расплавленному кремнию, вводят в реактор кварцевую крупку, а в качестве восстановителя вводят в реактор смесь метана, пропана или ацетилена с кислородом, взятых в объемном соотношении 2:1.
Недостатками известных устройств являются неоднозначность типа разрядного устройства и общей конфигурации аппарата плазменного восстановления кремния из кварца, а также состава и способа ввода реагентов и плазмообразующего газа в систему.
Известно также устройство получения кремния из кремнийсодержащих соединений путем измельчения сырья в порошок, размеры частиц которого меньше 1 мкм, и дальнейшей подачей этого порошка вместе с несущим газов в плазмотрон, где поддерживается температура выше 3000°С, а в камере реактора, в котором поддерживается вакуум, происходит выделение из кремнийсодержащего вещества кремния, который осаждается на стенки и дно реактора, в то время как остальные соединения удаляются из камеры реактора (заявка WO 2011099883), а также устройство получения чистого кремния путем восстановления кварцевого порошка в конструкции факельной плазменной печи в течение одной стадии в присутствии восстановителя, которым может быть метан, водород, природный газ или смесь газов с углеродным порошком (заявка WO 2007102745).
За прототип выбран патент РФ №2367599, в котором описан способ получения поликристаллического кремния высокой чистоты путем переработки кремнийсодержащих соединений и последующего выделения чистого поликристаллического кремния и устройство, содержащее реакционную камеру, стенки которой выполнены из материала, прозрачного для высокочастотного излучения, устройство для подвода реагентов и отвода продуктов разложения и высокочастотный генератор для получения плазменного разряда.
Недостатками известных устройств являются невозможность оптимизации характеристик процесса на отдельных участках его аппаратурного оформления, включая подготовку реагентов (плазмообразующий газ, реагент-восстановитель, кварц), ввод их в систему, вывод продуктов процесса.
Техническим результатом является оптимизация параметров протекания процесса и возможность его более гибкого контроля за счет модульной конструкции устройства, что позволяет гибко регулировать параметры устройства с целью его оптимизации и масштабирования его по параметру производительности.
Для достижения указанного результата предложено устройство, плазмохимического получения кремния из кварца, состоящее из плазмотрона, реакционной камеры восстановления кремния из кварца, узла подачи кварца в плазмотрон, при этом устройство выполнено в виде отдельных сопряженных модулей: узла подачи кварца, плазмотрона, реакционной камеры восстановления кремния из кварца и узла конденсации, а узел подачи кварца в плазматрон выполнен в виде контейнера, установленного с возможностью периодического встряхивания, в нижней части которого выполнено отверстие с установленным в нем шнеком для дозированной подачи кварца в канал подачи плазмообразующего газа в плазматрон, в качестве плазматрона используют дуговой плазматрон, соединенный с реакционной камерой, соединенной с узлом конденсации, выполненным в виде двух водоохлаждаемых дисков с регулируемым зазором между ними и с установленным над ними закалочным узлом.
Кроме того, плазматрон соединен с каналом подачи стабилизирующего газа.
В качестве стабилизирующего газа используют аргон или его смесь с метаном.
В качестве плазмообразуюшего газа используют аргон.
Закалочный узел представляет собой камеру смешения, соединенную с патрубком подачи закалочного газа.
После смешения порошка кварца с аргоном и подачи потока в плазмотрон происходит нагрев кварцевого порошка в плазменной струе и начинается его испарение. В плазменном реакторе происходит полное испарение порошка кварца и восстановление кремния реагентом-восстановителем, в качестве которого используется метан. В узле конденсации кремния продукт плазменного процесса может быть выделен и собран.
Общий вид макета устройства для плазменного восстановления кремния из кварца с мощностью плазмотрона 5 кВт показан на фигуре 1. Сверху вниз: плазмотрон, плазмохимический реактор, узел конденсации кремния (узел подачи реагентов фрагментарно виден на заднем плане фотографии и сопряжен с данными узлами посредством гибкого шланга). На фигуре 2 представлена схема подачи кварцевого порошка в плазмотрон. Схемы плазмотрона, плазмохимического реактора, конденсатора кремния представлены на фигурах 3, 4, 5. Позициями на фигурах обозначены:
1 - Контейнер с порошком кварца;
2 - Шнек;
3 - Сопло обдува шнека;
4 - Электродвигатель шнека;
5 - Пружина для передачи вращения;
6 - Вал;
7 - Муфта для крепления вала к шнеку;
8 - Регулируемый источник питания для электродвигателя шнека;
9 - Уплотнение;
10 - Электродвигатель вибрационного устройства;
11 - Подшипник;
12 - Эксцентрик;
13 - Кронштейн для крепления эксцентрика к контейнеру;
14 - Оптопара;
15 - Прерыватель светового потока;
16 - Частотомер;
17 - Канал подачи плазмообразующего газа с кварцевым порошком;
18 - Канал подачи стабилизирующего потока;
19 - Катодная часть;
20 - Анодная часть;
21 - Охлаждаемая изолирующая вставка;
22 - Штуцера входа и выхода воды на охлаждение изолирующей вставки;
23 - Выходное сопло плазмотрона;
24 - Вставки из теплоизолирующего материала;
25 - Фланцы;
26 - Внешний кожух - кварцевая труба;
27 - Патрубок подачи аргона в реакционную зону плазмохимического реактора;
28 - Выходное сопло плазмохимического реактора;
29 - Регулируемые зазоры;
30 - камера смешения закалочного устройства;
31 - Штуцер подачи закалочного газа - аргона в камеру смешения;
32 - Штуцер дополнительной подачи аргона;
33 - Охлаждаемый диск с установленным на нем закалочным устройством;
34 - Охлаждаемый диск;
35 - Патрубок вывода газообразных продуктов реакции.
Устройство работает следующим образом.
Для подачи порошка кварца в поток аргона служит узел подачи кварца в плазмотрон (фигура 2). Перед засыпанием в контейнер 1 кварцевый порошок прокаливают при температуре 150-200°С для удаления из него водяных паров, после прокаливания порошок остужают. Объем с кварцевым порошком продувают аргоном для вытеснения воздуха, ослабляя уплотнение в верхней части, и затем герметизируют. Это необходимо для предотвращения попадания кислорода и азота воздуха в реакционный объем. Кварцевый порошок подают в канал 17 с помощью шнека 2. Для улучшения распыления порошка, разбивания комков и достижения высокой дисперсности выход патрубка со шнеком обдувают аргоном, который под давлением подается в сопло 3, формирующее интенсивный поток газа с высокой скоростью. Шнек приводится во вращение механизмом, в которое входит электродвигатель 4 с редуктором; специальная пружина для передачи вращения 5; вал из стальной проволоки 6; муфта для крепления вала к шнеку 7. Электродвигатель 4 приводится во вращение с помощью регулируемого источника питания 8, который позволяет варьировать скорость вращения редуктора путем изменения выходного напряжения. Место, где вал из проволоки входит в контейнер с кварцевым порошком, имеет уплотнение 9, не препятствующее вращению. При вращении шнека порошок захватывается спиралью шнека из объема, прилегающего к шнеку, и перемещается в газовую линию. При этом, если контейнер с порошком неподвижен, непосредственно над шнеком образуется полость или свод, в которую порошок затем больше не поступает, в результате слеживания порошка. Для разрушения этой полости и непрерывного заполнения шнека необходимо постоянно встряхивать емкость с кварцем. Встряхивание происходит при помощи механизма, в который входит электродвигатель 10, эксцентрик 11 с подшипником 12 и кронштейн 13 для крепления контейнера к эксцентрику. Скорость вращения электродвигателя 10 можно изменять с помощью регулируемого блока питания. Источник питания электродвигателя 4 позволяет менять частоту вращения редуктора, что позволяет менять и устанавливать необходимый расход кварцевого порошка. Частота вращения измеряется при помощи оптопары 14, прерывателя светового потока 15 и частотомера 16 с цифровой индикацией частоты или периода вращения. В качестве прерывателя светового потока использован выступающий участок пружины 5 для передачи вращения. В результате, на выходе из узла подачи кварцевого порошка в плазмотрон получается регулируемый расход плазмообразующего газа аргона с кварцевым порошком, который поступает на вход плазмотрона 17.
2
В дуговой плазмотрон (фигура 3) подают по каналу 17 смесь плазмообразующего газа - аргона с порошком кварца. Мощность плазмотрона связана с расходом кварца через значение удельного энерговклада - 0,12 кВт∗час\гSiO. В конструкции плазмотрона использована конфигурация с фиксированной длиной дуги, между катодной 19 и анодной 20 частью размещена изолирующая вставка 21, которая охлаждается проточной водой через штуцера 22. Выходное сопло плазмотрона 23 по резьбе вкручивается в анодную часть 20. Конструкцией плазмотрона предусмотрено свободное движение центрального электрода - поджиг осуществляется касанием или сближением и пробоем промежутка осциллятором источника питания, затем длина дуги устанавливается путем поднятия центрального электрода. Конструкция позволяет осуществлять раздельную подачу газа в плазмотрон - по оси плазмотрона вводится кварцевый порошок в струе с аргоном, по периферии по каналу 18 подается стабилизирующий поток (аргон, либо аргон + метан). Раздельный узел плазмотрона позволяет использовать в устройстве любые типы плазмотронов, включая безэлектродные, в частности, высокочастотные плазмотроны.
2
4
2
max
Плазмохимический реактор (фигура 4) предназначен для удержания в реакционной камере восстановления кремния реагентов после выхода из плазмотрона в течение промежутка времени, достаточно для полного испарения частиц кварца и протекания химической реакции восстановления SiO метаном, который подается вместе со стабилизирующим потоком по каналу 18, при среднемассовой температуре (4100 К), соответствующей максимальному термодинамически равновесному выходу кремния. Удельный расход метана в плазменный реактор 0,4 лCH/гSiO. Элементами конструкции являются вставки 24 из теплоизолирующего материала ТЗМК-25 (вспененный кварц, производимый из высокочистых кварцевых концентратов). Материал имеет максимальную рабочую температуру Т=1250°С. Вставки зажаты между стальными фланцами 25. Также между фланцами с помощью торцевых уплотнений герметично зажат отрезок кварцевой трубы 26 с внешним диаметром 110 мм. Отрезок трубы 26 служит для создания внутри реактора нейтральной атмосферы при подаче аргона через патрубок 27. Входные реагенты через выходное сопло плазмотрона 23 поступают во внутренний объем реактора. Для вывода реагентов в узел конденсации служит выходное сопло 28 в графитовой вставке. С помощью прокладок вставки 24 состыкованы друг с другом так, что образуются зазоры 29, в которых протекает поток аргона, подаваемого в патрубок 27. Этот поток служит для защиты внутренней стенки плазмохимического реактора от воздействия высокой температуры реагентов.
2
Узел конденсации кремния (фигура 5) представляет собой камеру смешения закалочного устройства 30 со щелевой подачей закалочного газа - аргона через штуцер 31, также предусмотрена дополнительная подача закалочного газа через отдельный штуцер 32 - в противоток основному потоку. При этом идет разбавление горячих продуктов плазмохимической реакции холодным закалочным газом. За счет резкого снижения температуры целевой продукт реакции кремний конденсируется и собирается на поверхности водоохлаждаемых дисков 33 и 34 с регулируемым зазором между ними. В данной конструкции предполагается механическое удаление твердых продуктов реакции с данных дисков - то есть установка выключается, узел конденсации разбирается и с его поверхности собирается целевой продукт - кремний. Вывод газообразных продуктов реакции (СО, H в не вступающем в реакцию аргоне Ar) осуществляется через штуцер 35.
2
Таким образом, данное устройство позволяет проводить в ходе одностадийного процесса восстановление кварца (SiO) до кремния (Si). Чистота полученного продукта обеспечивается путем выбора сырья - кварца и выполнением устройства из материалов не вносящих дополнительные примеси в ходе протекания процесса восстановления кварца.