专利名称：一种用于合成四氟化硅的工艺和设备的制作方法
技术领域：
本发明的领域是与密封搅拌轴有关的设备和方法，且明确地说，是与将搅拌轴密封于用于煅烧固体的室中以产生可能具有腐蚀性和高反应性的气体同时避免污染有关的设备和方法。
背景技术：
用以产生高纯度材料，且明确地说，用以产生例如半导体等无污染的电子级材料的许多化学工艺均利用高反应性气体。生产此类高纯度气体的一种方法是煅烧固体前躯物，其中通过留下作为前驱物中的固体或通过前驱物的合成中的相偏析来杜绝污染物。用以合成此类材料的气体通常是高度反应性的，因此，除非采取特殊的预防措施来密封用以容纳合成工艺的设备的收缩材料，否则所述气体可能会侵蚀或腐蚀在生产中所使用的原有硬件和设备。尤其具有挑战性的问题可能涉及旋转密封，明确地说，搅拌轴。这在煅烧工艺中尤其成问题，其中从容器壁到固体内部的热传递在不进行搅拌的情况下将是缓慢的，这还使得能够快速地释放由热分解过程产生的气体。此过程的一个非限制性实例是进行氟硅酸钠(SFS)的热分解以产生四氟化硅 (SiF4) ,SiF4除了别的用法以外，还可与液态金属钠反应以产生金属硅。由于钠必须高度纯净以用作电子和光伏应用中的半导体，所以至关重要的是，SiF4不仅是纯净的，而且不会通过与工艺设备起反应而受到污染。SiF4本身具有毒性和高腐蚀性。另外，SiF4容易与水起反应，以形成腐蚀性更强的氢氟酸。煅烧SFS尤其成问题，因为必须首先在约400°C下对SFS进行干燥，以去除至多达约0. 5%的被吸收水。必须将水从设备随后可能暴露于即使少量的SiF4气体的任何部分去除(但优选的是防止水进入所述部分)，以防止形成氢氟酸(HF)。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在高温下通过搅拌来煅烧固体材料的方法和设备， 所述方法和设备既不会污染所产生的气体，也不允许所述气体从室泄漏。在本发明中，通过提供一种设备来实现了第一目的，所述设备包括可密封室；可旋转轴，其从所述室的上部部分向下延伸；搅拌浆叶，其安置于所述轴的远离所述室的所述上部部分的端部，所述搅拌浆叶大体上至少与所述室的底部的曲率一致；上部铁磁流体密封件，其将所述可旋转轴的上端连接到在所述室外部的传动轴；下部双唇缘密封件，其安置于所述上部流体密封件与环绕所述可旋转轴的所述室的内部之间；第一入口，其与环绕所述可旋转轴的第一区流体连通，安置于所述上部铁磁流体密封件与下部唇缘密封件之间， 用于选择性地排空和覆盖所述第一区；第二入口，其与环绕所述可旋转轴的第二区流体连通，安置于双唇缘密封件之间，用于选择性地排空和覆盖所述第二区。本发明的第二方面由一种用于合成四氟化硅的工艺表征，所述工艺包括以下步骤提供具有可密封搅拌棒的可加热室；用固态氟硅酸钠(SFS)来装填所述室；搅拌固态氟硅酸钠；将SFS加热到至少400°C ；将水从室中去除；将SFS加热到至少700°C ；将SiF4从室中去除，其中可密封搅拌棒通过铁磁流体密封件与室的外部隔离，且室的内部通过唇缘密封件与铁磁流体密封件隔离。如上所述的用于合成四氟化硅的工艺，其中，所述工艺进一步包括在所述将水从所述室去除的步骤期间用干燥的惰性气体来覆盖所述铁磁流体密封件的步骤。如上所述的用于合成四氟化硅的工艺，其中，所述工艺进一步包括在所述将所述 SiF4从所述室移除的步骤期间排空所述铁磁流体密封件区的步骤。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果本发明在可密封的坩埚中以搅拌方式来加热能够通过热分解产生有毒和/或腐蚀性气体的固体材料。使用唇缘密封件或其它机械密封件与铁磁密封件或旋转馈通的组合来将搅拌棒支撑在向下延伸的轴上。排空唇缘密封区，以减少较小的向上腐蚀性气体流将不利地与铁磁流体的成分起反应的机会。在用于煅烧氟硅酸钠以产生四氟化硅气体的工艺中，净化和/或清空所述唇缘密封件和铁磁流体密封区，以防止初始干燥阶段期间对水的吸收。因此，防止水与四氟化硅产生腐蚀性的氟化氢气体的反应。本发明的以上和其它目的、效果、特征和优点将通过结合附图对其实施例进行的以下描述而变得更为浅显易懂。
图1是煅烧设备和煅烧室的横截面正视图。图2是图1的煅烧室的搅拌棒密封区的横截面正视图。图3是图1和图2的煅烧室的俯视平面图。
具体实施例方式参考图1到图3，其中在各个图中，相同的参考标号指代相同的组件，图中说明了一种新颖且改进过的煅烧室和煅烧工艺，在本文中概括称为100。根据本发明，煅烧设备100包含可加热煅烧室110，可加热煅烧室110具有内部区 101，其能够用非常接近可加热煅烧室110的底部111的可旋转搅拌浆叶120来使其中的内容物混合。可旋转搅拌浆叶120安置于搅拌轴130的远端，搅拌轴130从可加热煅烧室110 的顶部112向下延伸，在入口 115处进入。在入口 115与进入较宽的可加热煅烧室110中的开口之间的是大体圆柱形的通道外壳116。在圆柱形的通道外壳116内是环绕轴130的下部轴唇缘密封件140。在此下部唇缘密封件140上方的是铁磁流体密封件150，使得所述轴可延伸穿过入口 115，以借助电动机170而旋转。因此，在唇缘密封件140周围存在环形型腔143，且在铁磁流体密封件150周围存在另一环形型腔153，每一型腔具有大体圆柱形的外壳116的内表面。铁磁流体密封件的传动轴连接到驱动所述轴和搅拌器的电动机170。优选经由形成于外壳中的外部入口 245用惰性气体冲洗唇缘密封件140周围的环形空间143，或将所述环形空间143排空。同样，优选经由形成于外壳中的外部入口 246用惰性气体冲洗铁磁流体密封件150周围的环形空间 153，或将所述环形空间153排空。更优选的是，唇缘密封件140具有以一者在另一者上方的方式安置的两个圆形密封垫圈(141a和141b)，以形成内环形区243，所述内环形区243任选地具有其自己的入口 245，用于排空或以惰性气体进行冲洗。圆形密封垫圈141a和141b优选由填充有碳或石墨纤维的惰性碳氟树脂制成，以增加强度和刚性。也可针对各种应用而使用例如面密封件等其它机械密封装置来代替唇缘密封件。圆柱形外壳116优选被可密封环形空间环绕，当对室110进行加热时，冷却水流经所述可密封环形空间，以防止阀和密封构件过热。这种以及下文所论述的其它冷却构件允许在不破坏外部的机械和移动组件及其相关馈通的情况下在高温下操作所述室。图3说明室110的上半部分或顶部112上的大量进入口 104的位置。对电动机 170和旋转耦合轴130的支撑优选完全在外部，其中在室110的内部，搅拌浆叶与轴无内部接触，以防止污染。另外，搅拌浆叶120和轴130优选为镀有或包覆有纯镍200的因科镍 (InCOnel)625金属。室110优选本身是因科镍625合金上的爆炸包层镍(explosion clad nickel) 200。由于这些材料对SiF4气体的高温具有相容性，因而特别选择了所述材料，然而在其它应用中还可选择其它材料。在本发明的优选实施例中，搅拌浆叶120优选以倾斜的前沿成螺旋形盘旋。本发明的另一重要方面是在搅拌轴130中提供冷却通道131，所述冷却通道131在进口 132处接纳冷却流体(其随后从通道131排出)。最优选的是，室110包含从其中心向下延伸的可密封圆柱形延伸或排放室180，所述排放室180端接具有气密和真空密闭阀185的排放口 106。排放室可与多个气密阀端接， 以提供负载锁定室，用于在不允许外部空气进入室110中的情况下将残余固体从煅烧阶段去除。另外，还优选的是，将加热器105部署成环绕排放室180。加热器105优选为不接触室Iio的外部的红外加热器。冷却套管190环绕红外加热器，所述冷却套管190在进口 192处接纳冷却流体，所述冷却流体随后在出口 193处从套管190排出。另一冷却套管是环绕排放室180的环状物181。还有一个环形冷却套管186安置在排放阀185周围。本发明的另一方面是一种用于使用上述设备来从SFS合成SiF4的工艺。在第一阶段中，用SFS来装填室110，并在将内容物加热到至少高于约100°C (但更优选的是至多达约400°C )之前密封室110，以去除被吸收水。在起始此脱水阶段之前，用干燥的惰性运载气体(优选的是干燥的氩气)来冲洗环绕铁磁流体密封件150的环形区153，以防止湿气进入。排空下部环形区243，以去除因SFS的脱水而产生的水蒸气，或者在低于区153的压力但高于室110的压力的压力下也用干燥的惰性气体来冲洗下部环形区243。在脱水过程期间，优选还用干燥的惰性气体(氩气)来冲洗室110的内部101，或者可在SFS的脱水期间排空内部101。因此，唇缘密封件140的区中的惰性气体相对于此区将处于正压，从而防止湿气进入。脱水优选在轴130和搅拌棒120持续旋转的情况下发生，以加速对SFS装填物的加热，以使温度均勻并确保完全脱水。在脱水期间用干燥的氩气冲洗室内部101，同时真空泵去除运载气体和湿气。 在随后的将SFS加热到至少500°C (但更优选的是约700°C到800°C )的分解温度的工艺步骤中，排空SiF4的主要路径是室入口 104。然而，也以不同方式来抽吸下部环形区 243和上部环形区153两者，以去除经唇缘密封件泄漏的任何SiF4。室110 (如图3所示) 可具有多个顶部入口 104，用于装填反应物SFS，并在脱水期间抽出湿气，以及在煅烧期间去除SiF4。或者，在上述煅烧工艺期间，可用惰性气体冲洗上部环形区153，且可排空下部环形区243，使得此运载气体迅速稀释泄漏经过唇缘密封件的任何SiF4,并在SiF4可与铁磁流体材料相互作用之前将其去除。所述排空还防止任何惰性运载气体泄漏经过下部唇缘密封件而进入到室内部101中，惰性运载气体会在室内部101中稀释正在其中产生的产物SiF4。 因此，在完成对SFS装填物的脱水之后，关闭惰性冲洗气体的来源，并切断或关闭去除此惰性气体和湿气的泵或管线。随后，使加热器105通电，同时所附接的棒130使浆叶120旋转，使得干燥的SFS装填物在其达到分解温度时混合。通过单独的真空抽吸系统来去除产物SiF4，所述真空抽吸系统在室110中提供优选介于约20托到50托之间的内部压力。在SFS的优选脱水模式中，用干燥的氩气来冲洗上部室，而以足够的速度进行抽吸，以提供约850托的局部压力，还用干燥的氩气来冲洗下部区以提供高于800托的局部压力，且还用干燥的氩气来冲洗室内部101以提供约750托的压力。在此阶段中用干燥的氩气进行冲洗还防止任何细微粒子堆积在唇缘密封件140处。然而在煅烧时，可密封或排空上部环形室153和下部环形室243。如果将其排空， 那么优选的是，以某一速度抽吸下部环形室243，使得局部压力约为5托，而上部环形室153 达到约20托的较高局部压力，且室110的内部101的局部压力约为20托到200托(但更优选的是20托到50托)。在室110中的后者较低压力条件下，我们发现，如果来自搅拌浆叶120的混合处于足够高的速度，那么在煅烧期间SFS粉末的结块大体上减到最少(如果无法避免的话)。进一步发现，避免此结块显然在煅烧期间提供较高效的混合，因为其导致产量显著增加和并使分解反应完全进行，从而可提高工艺良率。应注意，在不对反应物SFS进行搅拌的情况下，室110中的装填物将在加热时变为固体块，且剩余的氟化钠将烧结在一起。因此，现在应理解，在搅拌的情况下使用或部署上述不泄漏的煅烧室会产生若干互惠，其包含较高的产量和分解反应效率，以及避免来自搅拌浆叶的污染，以及因旋转轴密封机制的高可靠性而产生的较高安全性。尽管已结合优选实施例描述了本发明，但无意将本发明的范围限于所陈述的特定形式，而是相反，希望涵盖可能在如由所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围内的此类替代、修改以及等效物。
权利要求
1.一种用于合成四氟化硅的工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤a)提供具有可密封搅拌棒的可加热室，b)用固体氟硅酸钠来装填所述室，c)搅拌所述固体氟硅酸钠，d)将所述SFS加热到至少高于约100°C，e)将水从所述室去除，f)将所述SFS加热到至少约500°C，g)将SiF4W所述室去除，h)其中所述可密封搅拌棒通过铁磁流体密封件与所述室的外部隔离，且所述室的内部通过唇缘密封件与所述铁磁流体密封件隔离。
2.根据权利要求1所述的用于合成四氟化硅的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括在所述将水从所述室去除的步骤期间用干燥的惰性气体来覆盖所述铁磁流体密封件的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的用于合成四氟化硅的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括在所述将所述SiF4从所述室移除的步骤期间排空所述铁磁流体密封件区的步骤。
4.一种设备，其特征在于，所述设备包括a)可密封室，b)可旋转轴，其从所述室的上部部分向下延伸，c)搅拌浆叶，其安置于所述轴的远离所述室的所述上部部分的端部，所述搅拌浆叶实质上至少与所述室的底部的曲率一致，d)上部铁磁流体密封件，其将所述可旋转轴的上端连接到在所述室外部的传动轴，e)下部双唇缘密封件，其安置于所述上部流体密封件与环绕所述可旋转轴的所述室的内部之间，f)第一入口，其与环绕所述可旋转轴的第一区流体连通，安置于所述上部铁磁流体密封件与下部唇缘密封件之间，用于选择性地排空和覆盖所述第一区，g)第二入口，其与环绕所述可旋转轴的第二区流体连通，安置于双唇缘密封件之间，用于选择性地排空和覆盖所述第二区。
全文摘要
本发明提供了一种用于合成四氟化硅的工艺和设备，在可密封的坩埚中以搅拌方式来加热能够通过热分解产生有毒和/或腐蚀性气体的固体材料。使用唇缘密封件或其它机械密封件与铁磁密封件或旋转馈通的组合来将搅拌棒支撑在向下延伸的轴上。排空唇缘密封区，以减少较小的向上腐蚀性气体流将不利地与铁磁流体的成分起反应的机会。在用于煅烧氟硅酸钠以产生四氟化硅气体的工艺中，净化和/或清空所述唇缘密封件和铁磁流体密封区，以防止初始干燥阶段期间对水的吸收。因此，防止水与四氟化硅产生腐蚀性的氟化氢气体的反应。
文档编号C01B33/107GK102344146SQ201110209610
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月25日 优先权日2010年7月23日
发明者M·弗金 申请人:斯库隆匈牙利有限公司