WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

БАРАНОВ КОНСТАНТИН ВИКТОРОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ВЫСОКОЧИСТЫЙ КРЕМНИЙ

05.17.01 технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно – исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Гринберг Евгений Ефимович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Беляев Виктор Васильевич, РНЦ «Курчатовский институт»

доктор химических наук Тараскин Константин Александрович, ФГУП «НИИ прикладной акустики»

Ведущая организация:

Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева

Защита состоится «18» июня 2008 г. в 13_ часов на заседании диссертационного совета Д 217.034.01 при Федеральном Государственном унитарном предприятии "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно - исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ", 107076, Москва, Богородский вал, 3, конференц - зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ»

Автореферат разослан «….» мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук, профессор Е.Е.Гринберг

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние годы широкое развитие стали находить технологии получения возобновляемых источников энергии, в том числе солнечных батарей. Наиболее употребляемым для их производства элементом является высокочистый кремний. Динамика потребления кремния, приводимая в работе, показывает, что в ближайшие годы будет происходить непрерывный его рост. Производство фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), а значит и производство моно- и поликристаллов кремния быстро развивается. Важной проблемой является тот факт, что при переработке кремния значительное его количество переходит в брак или трудно утилизируемые отходы. Это также требует рассмотрения и научно-технологической проработки. Объемы выпуска и переработки высококонцентрированных кремнийсодержащих отходов достаточно высокой степени чистоты, образующихся при производстве солнечных модулей, таковы, что закономерным становится вопрос об их утилизации.

Переработка крупных заготовок кремния как монокристаллического, так и поликристаллического, при получении заготовок – резка, шлифовка, полировка и т.д., приводит к появлению большого количества отходов, содержащих тонкодисперсный кремний и его соединения – диоксид, карбид. Это ставит перед технологией переработки задачу утилизации этих веществ и определение возможности возвращения ценных компонентов в производственные циклы. На отечественных предприятиях, производящих элементы солнечных батарей и микроэлектронные компоненты, в настоящее время накопились большие количества отходов, содержащих элементарный кремний достаточно высокой чистоты в форме тонкодисперсного порошка, а также порошков карбида кремния, являющегося дорогостоящим материалом.

Выделение тонкодисперсных порошков из смеси является сложной и трудоемкой технологической задачей. Поэтому актуальным является поиск способов переведения этого компонента в высокочистые продукты, представляющие интерес для потребителей. Такими продуктами могут являться жидкофазные кремнийсодержащие вещества различных классов, используемые в технологических процессах получения микроэлектронных компонентов, многокомпонентных оксидных шихт и т.д.

Цель работы: Разработать технологию утилизации смесей отходов переработки высокочистого кремния солнечного и электронного качества для повышения эффективности выделения полезных компонентов, а также испытать конечные продукты этой переработки в технологии получения оптических и лазерных устройств.

Научная новизна.

-изучен состав смесей, образующихся при обработке кристаллического кремния;

-исследованы методы эффективного отделения карбида кремния от диоксида кремния и кремния;

-разработан метод получения четыреххлористого кремния (ЧХК) прямым хлорированием смесей кремния, карбида и диоксида кремния;

-исследована возможность глубокой очистки четыреххлористого кремния, полученного из кремнийсодержащих отходов, методами ректификации, адсорбции и кристаллизации;

- разработан метод получения высокочистого тетраметоксисилана (ТМОС) из ЧХК и метанола в присутствии аммиака;

-показано, что кремнийсодержащие отходы производства могут быть использованы для получения высокочистых четыреххлористого кремния и алкоголятов кремния.

Практическая ценность.

-разработана технологическая схема переработки кремнийсодержащих веществ из отходов производства элементов солнечных батарей;

-полученные при переработке соединения были использованы в технологии оптических элементов для осаждения из паровой фазы высококачественных слоев оксида кремния на кварце;

- изучена химико-механическая стойкость конструкционных и тарных материалов в присутствии ЧХК и ТМОС. Показано, что наиболее приемлемыми для использования являются кислотостойкие нержавеющие сплавы;

-выданы рекомендации по эффективному использованию материалов для подготовки поверхностей для парофазного нанесения тонких оксидных покрытий.

Личный вклад автора. Предложен метод утилизации кремнийсодержащих отходов электронной промышленности. Проведены экспериментальные исследования разделения кремния и карбида кремния с использованием броморганических жидкостей и получения из них высокочистого тетрахлорида кремния и тетраметоксисилана. Проведены эксперименты по нанесению тонкослойных оксидных покрытий на элементарном кремнии в диффузионных печах. Предложены элементы схемы комплексной переработки кремнийсодержащих отходов.

Апробация работы: Результаты работы представлены на IУ Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация.», Иваново, 2006 г.; Международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий», Томск, 2006 г; ХI Международной конференции «Наукоемкие химические технологии-2006», Самара; ХIХ Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии «Реактив - 2006», Уфа; УII Российской конференции «Механизмы каталитических реакций», СПб; ХХ Всероссийском совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям», 2007, СПб

Публикации: По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 статьи в научных журналах (2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК) и 6 тезисов докладов на отечественных и международных конференциях.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка используемой литературы. Общий объем работы составляет 126 стр. печатного текста, содержит 28 рисунков, 25 таблиц и 2 страницы приложений. Список цитируемой литературы включает 106 ссылок.

Содержание работы.

Глава 1. Литературный обзор.

В литературном обзоре представлены основные работы, посвященные проблеме получения и переработки высокочистого кремния, используемого в технологии полупроводниковых компонентов и элементов солнечных батарей. Выявлено, что в настоящее время существует большой дефицит высокочистого кремния, в особенности, для производства солнечных батарей. В то же время нет данных о технологии переработки отходов, образующихся в этих производствах. На основании литературного обзора технологий обработки высокочистого кремния было выбрано направление научно-исследовательской работы, которое могло бы решить ряд вопросов утилизации этих отходов с целью вовлечения их в наукоемкие высокотехнологичные производства. Такими являются производства компонентов оптических элементов на основе кремнийсодержащих соединений, в частности, высококачественных покрытий диоксида кремния, а также синтетического диоксида кремния по золь-гель-технологии.

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Изучение состава твердой фазы, образующейся при обработке высокочистого кремния. Разработка метода разделения её компонентов.

При получении кремниевых пластин, используемых для нанесения эпитаксиальных слоев в производстве микроэлектронных компонентов, а также заготовок элементов солнечных батарей одной из основных операций является резка кристаллов кремния большого диаметра (200 и более мм). Количество кремния, превращающегося в тонкодисперсный порошок, смешанный с абразивным материалом, как правило, с карбидом кремния, составляет до 50-60% от исходного материала.

В технологии производства кремниевых пластин в качестве жидкостей, в которых проводят резку кристаллов, используют, как правило, во-первых, индустриальное масло И-1, а во-вторых, полиэтиленгликоль (ПЭГ-200) с рядом добавок для улучшения вязкостных свойств.

Основными отходами производства элементов солнечных батарей является элементарный кремний, смешанный с порошком карбида кремния, используемого в качестве абразивного материала, загрязненный примесями металлов с рабочей кромки резальных кругов или стальных струн. Струнный метод резки находит все более широкое применение, поскольку позволяет повысить степень использования исходных кристаллов. Но и при этом количество кремния, попадающего в отходы в виде порошка, достигает 30-40% от исходного продукта.

При резке образуются суспензии кремния, карбида кремния и сопутствующих примесей различного характера в масле или полиэтиленгликоле.

Для выделения из смеси масла и полиэтиленгликоля используют методы декантации или центрифугирования. При этом удается достаточно эффективно выделить твердую фазу, в основном, карбид кремния и возвратить его в процесс резки кристаллов. Однако, даже в самом лучшем случае, до 20% твердых компонентов смесей поступает в нереализуемые отходы.

В задачу данной работы не входили вопросы регенерации жидкостей. Мы ограничивались разработкой технологических приемов выделения из них твердой фазы и её дальнейшей переработки.

Порошкообразную смесь карбида кремния с кремнием отмывали от ПЭГ и масла органическими растворителями, сушили и подвергали флотационному разделению в колоннах при ультразвуковом перемешивании для разрушения крупных агломератов, состоявших из смеси присутствовавших твердых фаз, в частности, кремния, карбида кремния и оксидных кремниевых соединений. Органические растворители отделяли от масла дистилляцией и повторно использовали для отмывки порошков.

Для разделения твердой фазы была использована флотация в жидкостях, имеющих плотности, лежащие между плотностями элементарного кремния и его оксида и карбида кремния. Значения этих величин составляют:

SiC - 3,2 г/см3 ; Si - 2,42 г/см3; SiO2 - 2,3 г/см3

Наиболее удобными для применения в целях флотационного разделения являются бромированные углеводороды, в частности, трибромметан (бромоформ) и дибромметан (бромистый метилен). Плотности бромоформа и дибромметана составляют 2,89 г/см3 и 2,51 г/см3 при температуре 20оС, соответственно.

Были проведены серии опытов по разделению смесей в три- и ди-бромметане в вертикальных аппаратах, снабженных механическими и ультразвуковыми перемешивающими устройствами. Высоту аппаратов варьировали от 0,3 до 1 м. Время процесса составляло от 0,1 до 1 часа.

В результате флотационного разделения в колонных аппаратах нами были получены фракции твердой фазы, содержащие в верхней части аппаратов смесь кремния с примесью диоксида кремния, а в нижней части - карбид кремния. На рис. 1 приведены фотографии порошков исходной смеси и разделенных в результате обработки суспензий. По данным анализа в регенерированном порошке карбида кремния содержание основного вещества составляет 94-96% масс. Основной примесью в карбиде кремния является порошок диоксида кремния. Его содержание составляет 3 - 5% масс.

В «легкой» фракции твердой фазы содержится, в основном, элементарный кремний, загрязненный диоксидом кремния. Кроме диоксида кремния в порошках обнаружены примеси железа, хрома, алюминия и некоторых других металлов (табл. 1). Примеси металлов достаточно равномерно распределяются между фракциями.

Табл.1 Содержание компонентов в смесях после резки кремния, выделения твердой фазы и её разделения (%масс).

Фракция

Ком-

понент

Si

SiC

SiO2

Me

Содержание, % масс

Исходная

15 - 20

30 - 55

11 - 35

2 - 4

Тяжелая

0,1 - 0,3

95 - 98

3 - 5

1 - 3

Легкая

65 - 70

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»