Поликристаллический кремний

История предприятия

• Создание компании НИТОЛ, специализирующейся на трейдинге продукции химических и нефтехимических предприятий

• В состав компании НИТОЛ входит производственный комплекс «Усольехимпром», производящий продукцию хлорной химии

• Компания НИТОЛ определяет стратегическое направление развития – переход от традиционной хлорной химии к созданию производств высокотехнологичных материалов для солнечной энергетики и электронной промышленности

• На базе входящего в состав компании ООО «Усолье-Сибирский силикон» введен новый комплекс по производству особо чистого трихлорсилана мощностью 10 000 тонн в год

• Начато строительство опытного производства поликристалического кремния мощностью 300 тонн в год
• Заключены долгосрочные контракты на поставку поликремния на общую сумму $1,6 млрд.

• В состав акционеров компании входят Международная финансовая корпорация IFC (институт Всемирного банка) и крупнейший китайский производитель солнечных модулей Suntech Power International
• На опытном производстве произведен первый поликремний, качество поликремния подтверждено независимой международной лабораторией
• Начато строительство основного производства поликристалического кремния мощностью 5 000 тонн в год.

• Регулярные поставки поликремния по долгосрочным контрактам
• РОСНАНО входит в проект с общим объемом инвестиций 4,5 млрд. руб.

• Достижение подтвержденного «электронного» качества поликремния на опытном производстве
• На основном производстве мощностью произведен первый поликремний

• Сбербанк РФ входит в капитал и становится одним из основных акционеров компании
• Производство поликремния достигает 2 400 тонн в год (информация требует проверки)
• 2012 году ожидается выход производства на основную мощностью 5000 тонн в год (информация требует проверки).

• Запланирован выход производства поликремния на проектную мощностью 5 000 тонн в год

· Поликристаллический кремний («поликремний») — наиболее чистая форма промышленно производимого кремния — полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.

В настоящее время различают поликремний «электронного» (полупроводникового) качества (более дорогой и чистый) и поликремний «солнечного» качества (более дешёвый и содержащий больше примесей).

Поликристаллический кремний (ПКК) - стратегическое сырьё полупроводниковой промышленности. В основном ПКК используется для получения монокристаллического кремния (МКК) и мультикремния (МК). По качеству ПКК разделяют на кремний «солнечного» качества и «электронного» качества.ПКК «электронного» качества с массовой долей примесей - 10-7 ÷ 10-8 % используется в современной микроэлектронике, промышленной и силовой электронике. ПКК «солнечного» качества используется в энергетике для производства солнечных батарей.Сырьем для производства ПКК является кремний «металлургического качества» с чистотой до 98-99%Более 90% мирового рынка поликристаллического кремния контролируют компании США, Японии, Германии и Италии.В настоящее время в мире существует дефицит ПКК, в связи с чем в ряде стран приняты программы по развитию кремниевого производства.Ранее в СССР производилось до 12% мирового поликристаллического кремния, основные производственные мощности располагались в Украине и Киргизии.

Среди российских производителей поликристаллического кремния можно перечислить:

· Подольский химико-металлургический завод

· Красноярский Горно-химический комбинат (г. Железногорск)

· Предприятие ООО «Усолье-Сибирский Силикон» группы НИТОЛ.

В настоящее время в России монокристаллический кремний на предприятиях вырабатывается из высокочистого зарубежного сырья, поэтому вопрос развития производства поликристаллического кремния остается актуальным.

Получение чистого и сверхчистого кремния требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния (SiCl4, SiHCl3, SiH4), из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.

Традиционно для получения поликристаллического кремния используется технология “Siemens C”, на долю которой приходится основная часть (>70%) мирового производства поликристаллического кремния.

Из технического кремния хлорированием синтезируют трихлорсилан (ТХС), который очищается путём многостадийной ректификации от побочных продуктов синтеза трихлорсилана - Н2, НСl, тетрахлорида кремния (ТХК) и направляется в реактор водородного восстановления, где происходит процесс осаждения кремния на стержни-основы. Выделенные при очистке синтезированного ТХС побочные продукты возвращаются обратно в цикл производства ПКК. Хлористый водород возвращается на синтез ТХС, синтезированный ТХК и часть водорода направляются на конверсию ТХК (преобразование ТХК в ТХС), остальной водород подается на водородное восстановление кремния. В процессе восстановления кремния в реакторах помимо продукта – чистого поликристаллического кремния – образуются побочные продукты – тетрахлорид кремния и хлористый водород, которые в смеси с непрореагировавшими водородом и трихлорсиланом, а также продуктами конверсии ТХК направляются на установки, где происходит отделение Н2, НСl, а также разделение оборотных хлорсиланов на ТХС и ТХК, возвращаемых в технологический процесс. Оборотный трихлорсилан с водородом возвращаются в реакторы восстановления кремния, хлористый водород – на синтез ТХС, а оборотный тетрахлорид кремния направляется в конверторы для преобразования в трихлорсилан.

Стадии получения поликремния в Сименс-процессе:

Синтез трихлорсилана методом низкотемпературного каталитического гидрирования четыреххлористого кремния:

3SiCl₄ + 2H₂ +Siмет. ↔ 4SiHCl₃

Четыреххлористый кремний преобразуется в трихлорсилан с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ, что снижает себестоимость и устраняет экологические проблемы:

2SiHCl₃ ↔ SiH₂Cl₂ + SiCl₄

2SiH₂Cl₂ ↔ SiH₃Cl + SiHCl₃

2SiH₃Cl ↔ SiH₄ + SiH₂Cl₂

SiH₄ ↔ Si + 2H₂

Производство кислорода

Для получения технически чистого кислорода воздух подвергается глубокому охлаждению и сжижается (температура кипения жидкого воздуха при атмосферном давлении—194,5°). Полученный жидкий воздух подвергается дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. Возможность успешной ректификации основывается на довольно значительнойразности (около 13°) в температурах кипения жидких азота (—196°) и кислорода (—183°).

Воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, затем проходит последовательно ступени компрессора (на фигуре изображён четырёхступенчатый компрессор). За каждой ступенью компрессора давление воздуха возрастает и доводится до 50—220 атм в зависимости от системы установки и стадии производства. После каждой ступени компрессора воздух проходит влагоотделитель, где осаждается вода, конденсирующаяся при сжатии воздуха, и водяной холодильник, охлаждающий воздух и отнимающий тепло, образующееся при сжатии. Между второй и третьей ступенями компрессора для поглощения углекислоты из воздуха включается аппарат — декарбонизатор, заполняемый водным раствором едкого натра. Сжатый воздух из компрессора проходит осушительную батарею из баллонов, заполненных кусковым едким натром, поглощающим влагу и остатки углекислоты. Возможно полное удаление влаги и углекислоты из воздуха имеет существенное значение, так как замерзающие при низких температурах вода и углекислота забивают трубки кислородного аппарата сравнительно малого сечения и заставляют прекращать работу установки, останавливая её на оттаивание и продувку кислородного аппарата.

Пройдя осушительную батарею, сжатый воздух поступает в так называемый кислородный аппарат, где происходит охлаждение и сжижение воздуха и его ректификация с разделением на кислород и азот. Нормальный кислородный аппарат включает две ректификационные колонны, испаритель, теплообменник, дроссельный вентиль. Сжатый воздух охлаждается в теплообменнике отходящими из аппарата кислородом и азотом, дополнительно охлаждается в змеевике испарителя, после чего проходит дроссельный вентиль, расширяясь и снижая давление. Вследствие эффекта Джоуля-Томсона температура воздуха при расширении резко падает и происходит его сжижение.

Жидкий воздух испаряется в процессе ректификации, процесс испарения и отходящие газообразные продукты ректификации — азот и кислород — охлаждают новые порции сжатого воздуха, поступающего из компрессора, и т. д. Газообразный азот чистотой 96—98% обычно не используется и из теплообменника выпускается в атмосферу. Газообразный кислород чистотой 99,0—99,5% направляется в резиновый газгольдер, откуда засасывается кислородным компрессором и подаётся для наполнения кислородных баллонов под давлением 150 атм.

Установка работает непрерывно круглосуточно до замерзания аппарата или появления каких-либо неисправностей, требующих остановки для ремонта. По замерзании аппарата работа прекращается и начинается период отогрева аппарата тёплым воздухом, подаваемым компрессором. По окончании отогрева производятся продувка аппарата, необходимый текущий ремонт, и установка готова к новому пуску.

Полный производственный цикл установки называется кампанией, нормальная продолжительность которой около 600 час, из них полезной работы с выдачей кислорода 550—560 час. В пусковой период, когда требуется интенсивное охлаждение аппарата и скорейшее создание запаса жидкого воздуха, компрессор подаёт воздух под давлением около 200 атм, когда же устанавливается нормальный ход процесса, расход холода уменьшается и рабочее давление компрессора снижается до 50—80 атм. Сказанное относится к получению из аппарата газообразного кислорода, который уносит с собой немного холода из аппарата, отдавая большую часть холода в испарителе и теплообменнике аппарата. В настоящее время часто значительная часть кислорода отбирается из аппарата в жидком виде. С жидким кислородом, имеющим температуру —183°, из аппарата уносится много холода, и для возможности нормальной работы установки необходимо усилить охлаждение системы. Это достигается двумя путями: 1) повышением рабочего давления воздушного компрессора; 2) совершением внешней работы при расширении воздуха.

При работе установки для получения жидкого кислорода рабочее давление воздушного компрессора поддерживается около 200 атм. на протяжении всей кампании, вместо 50—80 атм., достаточных для производства газообразного кислорода. При производстве жидкого кислорода сжатый воздух из компрессора разделяется на два примерно одинаковых потока, один из которых направляется непосредственно в кислородный аппарат, как было описано выше, другой же предварительно поступает в специальную поршневую машину, так называемую расширительную машину или детандер. В детандере поступающий сжатый воздух расширяется, совершая внешнюю работу, и снижает давление с 200 до 6 атм. Расширение в детандере с совершением внешней работы охлаждает воздух значительно сильнее, чем расширение в дроссельном вентиле кислородного аппарата за счёт эффекта Джоуля-Томсона. Воздух охлаждается на выходе из детандера примерно до —120° и поступает в кислородный аппарат, смешиваясь с частью воздуха, поступающего в кислородный аппарат помимо детандера. Указанные изменения позволяют непрерывно отбирать жидкий кислород из аппарата без нарушения процесса производства.