способ очистки внутренних поверхностей установок водородного восстановления кремния от полисиланхлоридов

Формула изобретения

Способ очистки внутренних поверхностей установок водородного восстановления кремния от полисиланхлоридов, включающий введение тетрахлорида кремния и водорода, отличающийся тем, что стержни с осажденным на них поликристаллическим кремнием охлаждают до температуры плюс 600÷230°С, а затем подают тетрахлорид кремния в смеси с водородом при мольном соотношении 1:(0,5÷1,0), при этом температуру стенок реактора поддерживают в пределах плюс 35÷40°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к производству поликристаллического кремния по замкнутому циклу, когда наряду с осаждением кремния на разогретых основах при восстановлении из трихлорсилана образуются полисиланхлориды.

Известен способ удаления полисиланхлоридов из реактора (см. книга «Технология полупроводникового кремния». Фалькевич Э.С. и др., издательство «Металлургия», 1992, стр.240. (RU)). По этому способу для обеспечения безопасных условий труда при извлечении стержней из металлического реактора после их охлаждения слой полисиланхлоридов смывают потоком жидкого хлорсилана, например три- или тетрахлорсиланом. Промывочная жидкость вместе с растворенными полисиланхлоридами удаляется из реакционной камеры через трубопровод, камера последовательно продувается водородом и азотом, разгерметизируется.

Недостатком данного способа является повышенный расход используемых реагентов посредством полного заполнения реактора.

Известен способ (см. патент RU №2136590 от 12.10.98, МПК⁷ С01В 33/03), заключающийся в том, что после окончания восстановления кремния полисиланхлориды, образовавшиеся в процессе, со стенок реактора удаляют тетрахлоридом кремния из системы рециркуляции, причем тетрахлорид кремния подают в реактор вместе с водородом при мольном соотношении 1:1.

Недостатком известного способа является повышенный расход оборотного тетрахлорида кремния и неполное удаление полисиланхлоридов из реактора.

Предлагаемые схемы очистки поверхностей реакционной зоны установки водородного восстановления характеризуются рядом существенных недостатков, способных сводить к минимуму эффект от ее применения, в частности: конденсация паров тетрахлорида с растворением в них полисиланхлоридов на своде реактора сопряжена с каплеобразованием жидкости. При падении капель неизбежно их попадание на поверхность полученного поликристаллического кремния в виде пленочных покрытий и задержки их в микроструктуре дендридов, которые четко проявляются в виде белого налета SiO₂, образовывающегося из-за контакта остатков полисиланхлоридов с влагой, содержащейся в окружающей среде помещения при разгрузке установки водородного восстановления, что требует дополнительной очистки поверхности кремния, в частности применения водных растворов плавиковой кислоты, с целью удаления налета диоксида кремния; значительная толщина налета двуокиси кремния на поверхности осажденного кремния сделает его непригодным для металлургической переработки.

Основной задачей предлагаемого способа очистки внутренних поверхностей установок водородного восстановления кремния от полисиланхлоридов является их полное удаление из реакционной камеры с сохранением стерильности полученных стержней поликристаллического кремния.

Целью изобретения являются снижение расхода оборотного тетрахлорида кремния и повышение качества очистки от полисиланхлоридов с внутренних поверхностей реактора и теплообменных аппаратов установки водородного восстановления кремния после проведения технологического процесса.

Предлагаемый способ очистки внутренних поверхностей установок водородного восстановления кремния от полисиланхлоридов состоит в том, что стержни с осажденным на них поликристаллическим кремнием охлаждают до температуры 600÷230°С, а затем в качестве растворителя подают тетрахлорид кремния в смеси с водородом при мольном соотношении 1:(0,5÷1,0), при этом температуру стенок реактора поддерживают в пределах 35÷40°С.

Тетрахлорид кремния является лучшим растворителем полисиланхлоридов, поэтому качественное удаление полисиланхлоридов из реактора водородного восстановления достигается за счет растворения их в сконденсированных на охлаждаемых стенках реактора парах тетрахлорида кремния, подаваемого в реактор совместно с водородом при мольном соотношении 1:(0,5÷1,0), и их выводом из него путем пленочного стекания в низ реактора. При этом достигается отсутствие конденсации паров тетрахлорида на стержнях с осажденным кремнием при интервале температур 600÷230°С, который обусловлен тем, что при температуре в 600°С процесс восстановления на поверхности кремниевых стержней невозможен, а при температуре более 230°С происходит кипение полисиланхлоридов и их удаление из реактора.

При исследовании отличительных признаков способов очистки внутренних поверхностей установок водородного восстановления кремния от полисиланхлоридов не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся их использования или реализации путем проведения удаления полисиланхлоридов из установок водородного восстановления при высокой температуре и определенном соотношении тетрахлорида кремния и водорода.

Проведенный заявителем анализ уровня развития техники по имеющимся патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, заявителем не обнаружен.

Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения, что, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения условию "новизна".

Результаты дополнительного поиска известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа, показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из определенного заявителем уровня техники не выявлено влияние преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение технического результата. Поэтому заявитель предполагает соответствие данного изобретения критерию "изобретательский уровень".

Пример осуществления способа

На чертеже представлен разрез реактора (1) установки водородного восстановления кремния из трихлорсилана, состоящего из трех частей: нижней части (2), средней части (3) и верхней части (4). Нижняя часть представляет цилиндр с эллиптическим днищем, по центру которого производится подача исходных тетрахлорида кремния и водорода по патрубку (5), коаксиально с ним расположен патрубок вывода парогазовой смеси водорода и смеси тетрахлорида с полисиланхлоридами (6), к которому подсоединены сообщающиеся трубопроводы и теплообменные аппараты (условно не показаны). Нижняя часть реактора снабжена напорными (7) и переливными (8) патрубками охлаждающей жидкости. Средняя часть полого цилиндра с охлаждаемыми стенками снабжена напорным штуцером (9) (продолжение переливного штуцера от нижней части) водоохлаждения и штуцером вывода охладителя (10).

Верхняя часть со штуцерами ввода (11) и вывода (12) охлаждения снабжается отверстиями в количестве 24 штук для установки в них токовводов (13) для крепления на них первоначальных кремниевых основ (14), и осуществляется токоподвод для разогрева основ и подачи расчетного значения тока при проведении технологического процесса выращивания поликристаллического кремния. Токовводы снабжаются надежной электроизоляцией от верхней части реактора.

Способ очистки внутренних поверхностей установок водородного восстановления кремния от полисиланхлоридов осуществляется после процесса водородного восстановления кремния. Водородное восстановление кремния проводится при температурах 1100-1200°С в течение 120÷200 часов в зависимости от плотности подачи исходных реагентов водорода и трихлорсилана при мольных соотношениях H₂/SiHCl ₃=(3,5÷6):1 и завершается при расчетных токах 1500÷2000 ампер.

В течение всего времени технологического процесса наряду с получением поликристаллического кремния происходит осаждение полисиланхлоридов на внутренних стенках реактора. По окончании технологического процесса подача трихлорсилана в реактор прекращается, снижается расход водорода и отключается силовая электрическая нагрузка. Выращенные стержни поликристаллического кремния (14) переводятся в режим охлаждения в протоке водорода. При снижении на выращенных основах температуры до 600°С (малиновое свечение основ) в реактор (1) по патрубку (5) в нижней части реактора (2) подают тетрахлорид кремния с соотношением к водороду, равным 1:(0,5÷1). Подачу тетрахлорида кремния проводят до остывания основ до 230°С (2 часа по времени). Температуру стенок реактора поддерживают в интервале температур 35÷40°С за счет подачи охлаждающей воды через напорные патрубки нижней (7), средней (9) и верхней (11) частей, переливных патрубков с нижней на среднюю части (8) и со средней на верхнюю (10), а также патрубка вывода охладителя верхней части (12). За указанный период времени все полисиланхлориды растворяются в сконденсированном на внутренних стенках реактора тетрахлориде кремния и выводятся из реактора водородного восстановления через патрубок (6) и из соединительных трубопроводов и теплообменников. Конденсации тетрахлорида кремния на кремниевых основах не происходит, капли, стекающие со свода реактора, испарятся и попадут на стенки реактора.

Предложенный способ очистки внутренних поверхностей установок водородного восстановления кремния от полисиланхлоридов по сравнению с ранее опубликованными приемами обеспечивает безопасную разгрузку поликристаллического кремния после проведения технологического процесса восстановления с устранением каких-либо остаточных следов полисиланхлоридов в разъемных частях реактора и узлах установки водородного восстановления, позволяет получать поликристаллический кремний высокого качества и снизить время межцикловой обработки и подготовки к следующему процессу узлов установки, то есть повысить коэффициент использования оборудования с дополнительным выпуском 2-3% готовой продукции.