Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
В то же время карбид кремния может разрушаться при протекании реакции при > 2025 К: SiC + SiO(ra3) - 2Si(jK) + CO, а при > 2490 К: SiC + +2Si02 - 3SiO + CO.
При выплавке кремния вводится избыток углерода, на 20 % превышающий стехиометрическое количество, что способствует повышению концентрации CO в печных газах и созданию в печи восстановительной атмосферы.
При взаимодействии кремния с CO также возможно образование карбида кремния: Si + 2СО -* SiC + CO2.
Особенно важно учитывать процессы карбидообразования при проведении так называемых бесшлаковых процессов. В этом случае расплав
141
кремния не отделен от зоны твердых и газообразных материалов шлаком и взаимодействие оксида углерода с кремнием получает значительное развитие. Это подтверждается исследованием фазового состава настылей, образующихся в печах.
Практически для замедления процесса карбидообразования, особенно в местах выпуска расплава из печи, могут служить меры по вводу
Рис. 64. Рудовосстановительная печь:
1 — ванна печи; 2 — кожух; 3 — устройство для прожига летки; 4 — футеровка; 5 — электроды; 6 — система охлаждения; 7 — механизм перемещения и перепуска электродов; в — ошиновка
в печь нейтрального газа, быстрый выпуск расплава, а также создание на границе шлак - расплав кремния жидкоподвижного шлака, надежно отделяющего кремний от контакта с газовой фазой.
Для выплавки кристаллического кремния применяются однофазные одно- и двухэлектродные печи, а также трехфазные печи.
К недостаткам однофазных печей, которые ограничивают их применение, относят большой перекос фаз в системе энергоснабжения во время отключения печей на ремонт или при остановках печей. Обычно эти печи имеют небольшую мощность. На практике применяют однофазные двухэлектродные печи мощностью 6500 кВт. Это сравнительно низкая мощность, и поэтому высоки удельные тепловые потери, перерасход электроэнергии и трудозатраты на 1 т готовой продукции.
Наиболее перспективны трехфазные печи с прессованными угольными электродами большого диаметра мощностью 16500 кВт.
Однофазная двухэлектродная рудовосстановительная печь мощностью 6500 кВт состоит (рис. 64) из ванны, образованной кожухом и футеровкой, электродов, механизма перемещения и перепуска электродов. Печь снабжена также системой охлаждения, устройством для прожига летки, вытяжной и обдувной вентиляцией, электрическим оборудованием (короткой сетью, печными трансформаторами, защитной и контрольно-измерительной аппаратурой). Кожух, выложенный футеровкой, имеет отверстие для устройства леток.
Форма печи определяется расположением электродов. Однофазные печи с одним электродом и трехфазные печи с расположением электродов по вершинам равностороннего треугольника имеют ванну цилиндрической формы. Ванна однофазных печей с двумя электродами имеет овальную форму, а трехфазная печь, где электроды располагаются в линию, - прямоугольную форму. Футеровку выполняют из высокоогнеупорных материалов большой толщины, что уменьшает тепловые потери и создает большую тепловую инерцию. Кроме того, в процессе плавки образуется гарнисаж - слой из оплавленной твердой шихты и невосстановленных продуктов плавки.
В шамотной кладке подины размещают термопары. Угольную часть подины выкладывают из двух-трех угольных блоков. Между блоками оставляют швы шириной < 50 мм, которые набивают нагретой подовой массой. Иногда используют мастику из графита и жидкого стекла. Внутреннюю часть стен ванны выкладывают угольными блоками, плотно подгоняя их друг к другу. Между блоками и шамотной кладкой оставляют зазор, который заполняют шамотной крупкой или подовой массой. Футеровку верхней части стен выше угольных блоков выкладывают большеразмерным шамотным кирпичом.
143
Основные технологические особенности восстановительной плавки
Работающую ванну кремниевой печи по происходящим в ней процессам условно можно разделить на четыре зоны: подготовка шихты к плавке, реакций, твердых шихтовых материалов и расплавленных продуктов плавки.
Зона подготовки шихты занимает верхнюю часть печи и состоит из слоя загруженной шихты (колошник). В этой зоне протекают подготовительные процессы и происходит физико-химическое превращение материалов. После загрузки порции шихты температура ее постепенно повышается. По достижении 373- 473 К заканчивается удаление гигроскопической воды из середины кусков, а при 673 К химически связанной воды. Выделившиеся пары воды в потоке горячих газов разлагаются с образованием водорода, оксида углерода и углекислого газа.
Зона реакций состоит из пространства вокруг электрода на высоту его заглубления в шихте и подэлектродной области, расположенной под нижним торцом электрода. По бокам она ограничена твердой шихтой, образующей как бы плавильный тигель. Ближе к электроду тигель представляет собой размягченную шихту, а около электрода -оплавленный слой шихты, сходящий в подэлектродное пространство, которое заполнено парами кремния, монооксида кремния и оксида углерода. Здесь находится зона горения электрических дуг, а температура достигает 4273- 6273 К. Образующиеся газообразные вещества выходят из печи через колошник, а шлак опускается на подину. Происходит резкое уменьшение объема материалов в подэлектродной области и образуется свободное пространство, которое заполняется очередными порциями сходящей шихты.
