 Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям
На правах рукописи БАРАНОВ КОНСТАНТИН ВИКТОРОВИЧ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ВЫСОКОЧИСТЫЙ КРЕМНИЙ 05.17.01 Ц технология неорганических веществ АВТОРЕФЕРАТ Москва Ц 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)
Защита состоится л18 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 Е. 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. ичный 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).
|  |
Blog
Home - Blog