CN114560443B

CN114560443B - 一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置

Info

Publication number: CN114560443B
Application number: CN202210196166.XA
Authority: CN
Inventors: 刘松林; 史连军; 王凤霞; 李白玉; 肖玮
Original assignee: Wengfu Group Co Ltd
Current assignee: Wengfu Group Co Ltd
Priority date: 2022-03-02
Filing date: 2022-03-02
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2042-03-02
Also published as: CN114560443A

Abstract

本发明公开了一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置，该装置包括微波源、波导系统、等离子体发生器、进气装置和冷却装置。所述微波源为中心频率为2.45 GHz，输出功率为3 kW的磁控管及其驱动电源；所述波导系统包括环行器、水负载、耦合器及三销钉调谐器；所述等离子体发生器为窄边压缩的标准BJ‑22矩形波导，并在距终端在四分之一处开孔，插入氮化硼管用以束缚等离子体炬；所述进气装置为带有真空泵和流量计的三路进气装置；所述冷却装置为带有压力及温度监控的水冷装置。将原料气体四氟化硅及氢气通入本发明装置中，经过等离子体碰撞反应，直接生成氟化氢气体及晶体硅，无其它处理流程及副产物，工艺简单，成本低廉，可用于大规模化工应用。

Description

一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置

技术领域

本发明涉及等离子体设备领域，特别是指一种能同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置。

背景技术

工业上制备氟化氢的技术方法一般为萤石法和氟硅酸法。萤石法是将萤石（CaF₂）和浓硫酸混合，并送入反应炉加热来制取氟化氢气体。该方法对设备的腐蚀较大，以至于设备使用寿命较短，并且生产成本高，存在环境污染。如今，萤石作为一种不可再生资源和国家的战略资源，不能随意进行开发利用，因此该方法的可持续性不高。氟硅酸法是利用氟硅酸和碳酸钙，在浓硫酸中反应，制备氟化氢气体。该方法在生产过程中会产生有害气体四氟化硅，并且生产成本和能耗较高，也存在环境污染。传统制备晶体硅的方法为碳还原法，该方法利用单质碳还原二氧化硅制备硅晶体，但该方法存在高能耗、高排放以及环境污染的问题。

微波等离子体是利用微波能量激发气体放电形成的等离子体。等离子体中含有大量电子、原子、分子、离子以及活性粒子和基团，并且具有较高的气体温度（一般为500℃-3000℃）。因此，很多常温常压下难以发生的化学反应，可以在等离子体中反应。

将原料气体四氟化硅和氢气通入微波等离子体中，在电子的碰撞作用下，四氟化硅和氢气分解为游离态的氟原子、氢原子、硅单质等粒子，氟和氢结合生成氟化氢气体，硅单质沉积于氮化硼管壁。该过程实现了从四氟化硅和氢气到氟化氢和晶体硅的一步制备，无需复杂的工艺流程，也没有中间产物生成，克服了传统方法高能耗、高排放、存在环境污染的不足。

亟待发明一种可实现上述转化过程的微波等离子体装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置。

本发明的技术方案是这样实现的：一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置包括微波源、波导系统、等离子体发生器、进气装置和冷却装置；

所述波导系统包括环行器、水负载、耦合器和三销钉调谐器，环行器和水负载用于吸收反射的微波，保护微波源，耦合器和三销钉调谐器用于检测和调节微波反射系数，以实现微波到等离子体的能量转化率的最大化；

所述等离子体发生器为一窄边渐变压缩的标准BJ-22矩形波导，且终端短路，以在等离子体区域实现局部电场增强，所述等离子体发生器还包括氮化硼管；

所述进气装置包括气体流量计和真空泵，气体流量计用于调节气体流速，真空泵用于调节气体压强；

所述水冷装置通过恒温水将等离子体发生器产生的气体产物冷却至室温。

进一步，所述微波源为一中心频率2.45 GHz、最大输出功率3 kW的磁控管及其驱动电源。

进一步，所述等离子体发生器的渐变压缩波导，是通过对标准BJ-22矩形波导进行渐变压缩，实现了放电区域的局部电场增强，电场在距终端四分之一个波导波长处的放电区域达到最强，在距该波导终端四分之一波导波长处，开一半径略大于氮化硼管半径的圆形孔，用于插放氮化硼管。

进一步，所述氮化硼管的相对介电常数为4，损耗角正切为0。

进一步，所述进气装置包括一路清洗气体和两路原料气体，清洗气体为氮气，用于将整个装置的气路中的水蒸气以及其它杂质气体排出，原料气体为99.5%的四氟化硅气体及99.9%的氢气。

进一步，所述真空泵用于将等离子体发生器中的气压调节为-0.5 bar，以避免杂质气体参与反应，提高氟化氢及晶体硅的生成率。

进一步，所述冷却装置为带有压力及温度监控的水冷装置。

进一步，本发明的装置可以级联，通过将等离子体发生器的与另一等离子体发生器上下相连，氮化硼管与另一氮化硼管上下相连，即可实现级联，从而增加等离子体长度和反应区域长度。

本发明的有益效果如下：

1.本发明通过将原料气体四氟化硅和氢气通入微波等离子体激发装置，即可实现一步制取氟化氢和晶体硅产品，工艺流程简单，无副产物的生成，低能耗、低排放，低生产成本。

2.本发明结构简单，成本低廉，易于加工，可用成熟的车床加工工艺实现，适用于大规模的工业应用。

3. 本发明可级联，即通过将等离子体发生器上表面与另一等离子体发生器下表面连接，氮化硼管上端与另一氮化硼下端连接，实现等离子体长度的增长以及微波功率的叠加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为提出的一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置模块示意图；

图2为基于渐变压缩的标准BJ-22矩形波导的等离子体发生器及圆柱形氮化硼管结构示意图；

图3为提出的冷却装置结构示意图；

图4为本发明的级联结构示意图；

其中：10、微波源；20、波导系统；21、环行器；22、水负载；23、耦合器；24、三销钉调谐器；30、等离子体发生器；31、氮化硼管；40、进气装置；41、气体流量计；42、真空泵；50、冷却装置；51、温度表；52、压力表；53、进水口；54、出水口；55、进气口；56、出气口。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开的一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置，包括微波源10、波导系统20、等离子体发生器30、进气装置40、冷却装置50；所述波导系统20还包括环行器21、水负载22、耦合器23、三销钉调谐器24；所述等离子体发生器30还包括氮化硼管31；所述进气装置40还包括气体流量计41和真空泵42；所述微波源10为一中心频率2.45 GHz、最大输出功率3 kW的磁控管及其驱动电源；所述波导系统20中的环行器21、水负载22、耦合器23以及三销钉调谐器24是通过标准BJ-22矩形波导法兰盘连接；所述等离子体发生器30为一终端短路且窄边进行了渐变压缩的标准BJ-22矩形波导，电场在距终端四分之一个波导波长处的放电区域达到最强，同时在放电区域处开一半径略大于氮化硼管31半径的圆形孔，用于插放氮化硼管31；所述进气装置40包括气体流量计41和真空泵42，气体流量计41可同时控制三路气体流量，真空泵可将等离子体反应区域氮化硼管31中的气压调整为负压；所述等离子体发生器30与进气装置40和冷却装置50通过密封法兰圈连接。

如图2所示，本发明中的等离子体发生器30的结构尺寸是通过有限元算法进行仿真优化。

仿真过程

a. 定义变量：对等离子体发生器30的总长度、渐变段的长度、压缩高度以及开孔半径等分别定义为不同的变量，对这些变量赋予不同数值从而仿真计算等离子体发生器30中的电场；

b. 几何建模：根据a中建立的变量，构建等离子体发生器30、并建立氮化硼管31的几何模型；

c. 创建边界：对等离子体发生器30左端口定义为波端口，波导四周定义为有限电导体边界，电导率为铜的电导率5.7×10⁷ S/m；

d. 定义材料：将等离子体发生器30的内部空间定义为空气材料，四周定义为金属铜材料。

e. 划分网格：进一步，对等离子体发生器30以及氮化硼管31进行网格剖分，网格类型为四面体网格，等离子体发生器30的网格尺寸为波长的二十分之一，氮化硼管31 网格尺寸为波长的三十分之一。

g. 扫描计算：最后对a中定义的变量的所有取值进行扫描计算，计算出所有变量取值下的电场分布结果，找出电场值最大的变量取值为最优结果。

如图3所示为本发明的冷却装置50的结构示意图，冷却方式采用循环水冷却，既可有效冷却等离子体发生器30中产生的气体产物，又节约了水资源。冷却装置50带有温度表51和压力表52，可实时监测气体温度和气压。

如图4所示为本发明的级联结构示意图，通过将等离子体发生器30的与另一等离子体发生器上下相连，氮化硼管31与另一氮化硼管上下相连，即可实现级联，从而增加等离子体长度和反应区域长度。

本发明公开的一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置，通过将等离子体反应区域调整为负压，然后先通入清洗气体排出反应区域其它杂质气体，再通入原料气体反应，最后经过冷却即可同时制备氟化氢及晶体硅产品。通过对微波能量的反射情况的实时监测，可以实现微波到等离子体能量利用率的最大化。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权力要求的等同技术范围之内，则都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种同时制备氟化氢及晶体硅产品的微波等离子体装置，其特征在于：包括微波源（10）、波导系统（20）、等离子体发生器（30）、进气装置（40）和冷却装置（50）；

所述波导系统包括环行器（21）、水负载（22）、耦合器（23）和三销钉调谐器（24），环行器（21）和水负载（22）用于吸收反射的微波，保护微波源，耦合器（23）和三销钉调谐器（24）用于检测和调节微波反射系数，以实现微波到等离子体的能量转化率的最大化；

所述等离子体发生器（30）为一窄边渐变压缩的标准BJ-22矩形波导，且终端短路，以在等离子体区域实现局部电场增强，所述等离子体发生器（30）还包括氮化硼管（31）；

所述进气装置包括气体流量计（41）和真空泵（42），气体流量计（41）用于调节气体流速，真空泵（42）用于调节气体压强；

所述冷却装置（50）通过恒温水将等离子体发生器产生的气体产物冷却至室温；

所述等离子体发生器的渐变压缩波导，是通过对标准BJ-22矩形波导进行渐变压缩，实现了放电区域的局部电场增强，电场在距终端四分之一个波导波长处的放电区域达到最强，在距该波导终端四分之一波导波长处，开一半径略大于氮化硼管（31）半径的圆形孔，用于插放氮化硼管（31）。

2. 根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于：所述微波源（10）为一中心频率2.45 GHz、最大输出功率3 kW的磁控管及其驱动电源。

3.根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于：所述波导系统（20）中的环行器（21）、水负载（22）、耦合器（23）以及三销钉调谐器（24）是通过标准BJ-22矩形波导法兰盘连接。

4.根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于：所述氮化硼管（31）的相对介电常数为4，损耗角正切为0。

5.根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于：所述进气装置（40）包括一路清洗气体和两路原料气体，清洗气体为氮气，用于将整个装置的气路中的水蒸气以及其它杂质气体排出，原料气体为99.5%的四氟化硅气体及99.9%的氢气。

6.根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于：所述进气装置（40）包括气体流量计（41）和真空泵（42），气体流量计（41）可同时控制三路气体流量，真空泵（42）可将等离子体反应区域氮化硼管（31）中的气压调整为负压；所述等离子体发生器（30）与进气装置（40）和冷却装置（50）通过密封法兰圈连接。

7. 根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于：所述真空泵（42）用于将等离子体发生器中的气压调节为-0.5 bar，以避免杂质气体参与反应，提高氟化氢及晶体硅的生成率。

8.根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于：所述冷却装置（50）为带有压力及温度监控的水冷装置。

9.根据权利要求1所述的微波等离子体装置，其特征在于：通过将等离子体发生器（30）的与另一等离子体发生器上下相连，氮化硼管（31）与另一氮化硼管上下相连，即可实现级联，从而增加等离子体长度和反应区域长度。