Виробництво недорогого полікристалічного кремнію за технологією відновлення в плазмі свч
Збільшення світових цін на нафту, яке спостерігалося протягом останніх кількох років, спричинило різке підвищення попиту на альтернативні джерела енергії, зокрема, на кремнієві сонячні модулі. Основним матеріалом їх виробництва є монокристалічний кремній, своєю чергою одержуваний з поликремния. Так, у США та Європі було прийнято програми «мільйон дахів» з будівництва будинків із встановленими на них сонячними модулями. Це, у свою чергу, призвело до виникнення дефіциту та значного зростання цін на ринку сировини для їх виготовлення, а саме: полікристалічного кремнію та скрапу монокремнію.
Водневе відновлення SiHCl3, що найбільш широко застосовується в даний час для отримання полікремнію, є дуже енергоємним і малоефективним процесом, а використання як сировини SiCl4 ще сильніше знижує техніко-економічні показники. Процес здійснюють в агресивному середовищі (протікання газоподібного хлорсилану в суміші з воднем) і при високій газовій температурі (близько 1100 про С). Це спричиняє забруднення полікристалічного кремнію домішками, що переходять зі стінок обладнання. У той же час, хімічна чистота є однією з головних вимог, що висуваються до цього напівпровідникового матеріалу.
У зв'язку з вищевикладеним, дуже актуальною є завдання розробки нового, високоефективного, енергозберігаючого та покращує екологію методу виробництва полікристалічного кремнію високої чистоти. Для цього пропонується отримання полікристалічного кремнію з газової фази кремнієвмісних речовин замість традиційного високотемпературного водневого відновлення проводити в плазмі НВЧ розряду.
Малюнок 1. Підкладка з напиленим кремнієм
1. ПЕРЕДІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ
У 90-ті роки минулого століття ми провели цикл пошукових попередніх досліджень. Було доведено принципову можливість проходження зазначеної плазмохімічної реакції. Отримано зразки як аморфного, так і полікристалічного кремнію.
У зв'язку з тим, що підприємства, що працювали на той час, що виробляли в Україні монокремній в умовах стійкого і бездефіцитного постачання сировини, не вважали для себе можливим виділити необхідні засоби для розвитку даної технології, джерело фінансування створення дослідно-промислової установки знайдено не було, і, відповідно роботи було припинено. В даний час, у зв'язку з ажіотажним попитом на полікремній, ми сподіваємося залучити інвестиції в наш проект, створити дослідно-промислову установку і після цього шляхом тиражування невеликих установок продуктивністю 30–60 кг полікремнію на місяць та об'єднання їх у єдину систему створити дослідно -промислове виробництво потужністю від 3000 кг полікремнію на місяць
Ми пропонуємо замість однієї великої реакційної камери використовувати групу з невеликих реакторів, об'єднаних загальними системами газопостачання, евакуації та утилізації газів, а також системами загального комп'ютеризованого керування та електроживлення. При цьому в одному реакторі з магнетроном потужністю близько 1 кВт вирощуватиметься один полікристал кремнію або невелика порція кремнієвих гранул (у варіанті проведення процесу в «киплячому» шарі). Це дозволить раціональніше витрачати енергію. Слід мати на увазі, що у зв'язку з наявністю в реакторі водню та хлорсиланів такий підхід дає переваги також і з точки зору техніки безпеки.
Собівартість полікремнію, виготовленого за традиційною технологією, висока, перш за все, запричини споживання дуже великої кількості електроенергії.У нашій технології електроенергії потрібно в десятки разів менше (близько 20 - 40 кВт.год/кг), відповідно і собівартість отриманого полікремнію буде, як мінімум, на порядок нижче. У силу специфіки властивостей термонеравновесного мікрохвильового розряду, газова температура у ньому дуже мала (близько 300 про З), а електронна – дуже велика, близько 50000 про З. У той же час, область НВЧ розряду локалізована обсягом реактора і стосується стінок установки. Ці обставини дозволяють суттєво підвищити чистоту одержуваного продукту, яка визначатиметься лише чистотою вихідних реагентів. У зв'язку з цим отриманий матеріал можна буде використовувати не тільки у виробництві сонячних елементів, але і для вирощування електронних марок монокристалічного кремнію.
Собівартість 1 кг полікремнію, при обсягах виробництва від 3000 кг на місяць, становитиме (за попередніми розрахунками) приблизно $10 за кг. Ціна реалізації, за нинішньої кон'юнктури, – мінімум $100 за 1 кг. Таким чином, навіть дослідно-промислове виробництво зможе принести дохід на рівні $270 000 доларів США на місяць або $3 240 000 на рік.
Збільшення виробництва до 10 000 кг полікремнію на місяць призведе до зниження собівартості продукції і на перспективу її можна буде довести до $6–7 за 1 кг.
3. ІДЕЇ ТЕХНОЛОГІЇ. KNOW-HOW
Ключову роль у пропонованому процесі грає мікрохвильовий плазматрон, розроблений і виготовлений нами разом з Інститутом Загальної Фізики РАН (ІОФ РАН) під час попередніх спільних робіт. Цей плазматрон працює на базі магнетрону та системи електроживлення від побутової кухонної НВЧ печі. Ця обставина дозволяє зробити її надзвичайно дешевим. Основне досягнення експериментів90-х років – отримання в реакторі із зазначеним плазматроном стійкого факелу НВЧ розряду при тиску газової суміші біля атмосферного, що дозволяє досягти дуже великої продуктивності процесу. Розряд реалізується у протоці практично будь-яких газів. Нами були випробувані: кисень, аргон, повітря, азот, водень, фреон, метан, а також різні комбінації. Шляхом підбору технологічних режимів ми досягли розміру смолоскипа близько 1-1,5 куб. дециметра (при тиску газу 1 атм, потужності магнетрону 1 кВт та довжині хвилі 12 см.). Все це вигідно відрізняє такий плазматрон від пристроїв для отримання плазми з близькою потужністю, наприклад, в ВЧ розрядах, які працюють при тиску, що не перевищує декількох мм.рт.ст. 100 - 1000 разів дорожче. Основні ідеї та конструкція пропонованого плазматрону запатентовані.
4. ПЕРЕВАГИ ТЕХНОЛОГІЇ
-зниження енергоємності процесу відновлення (більше, ніж на порядок) ;
-підвищення чистоти одержуваного кремнію - через можливість проведення реакції в об'ємі камери, без контакту з її стінками, за низької газової температури ;
-висока швидкість перебігу реакції, тобто. висока продуктивність;
-розширення сировинної бази за рахунок появи можливості - у перспективі - ефективного використання (зі ступенем перетворення близького до 100%) тетрахлориду кремнію або інших кремнійвмісних газоподібних сполук (наприклад, фторидів) як сировина для отримання полікристалічного кремнію ;
-повніша переробка вихідної сировини в первинній реакції може послужити поліпшенню екологічної обстановки на підприємстві ;
-значне, наприклад, у кілька разів зниженнявитрати водню ;
-низька газова температура проведення процесу та здійснення реакції в об'ємі, без контакту зі стінками камери, дозволять істотно розширити коло використовуваних при виготовленні реактора конструкційних матеріалів і застосовувати неохолоджувані водою ректори, наприклад, кварцу або навіть частково з фторопласту ;
-розроблене обладнання можна буде надалі використовувати у виробництві інших матеріалів, одержуваних з газової фази, наприклад, нанесення алмазоподібних плівок для відведення тепла від НВІС, нанесення їх на ріжучий та буровий інструмент; одержання алмазоподібних гранул; отримання дрібнодисперсного порошку і плівок SiC, Ti, тугоплавких металів та ін.