专利名称：煅烧室和煅烧工艺的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域涉及对腐蚀性气体进行生产、压缩和储存的设备和方法，明确地说，涉及通过煅烧氟硅酸钠(SFS)生产四氟化硅(SiF4)的设备和方法。
背景技术：
用以生产高纯度材料，且更明确地说，用以生产例如半导体等无污染的电子级材料的许多化学エ艺均利用高反应性气体。生产此类高纯度气体的ー种方法是煅烧固体前驱物，其中通过将污染物作为前驱物中的固体留下或通过合成前驱物过程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エ艺的设备的收缩材料，否则所述气体可能会侵蚀或腐蚀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。这在煅烧エ艺中尤其成问题，在煅烧エ艺中，从容器壁到固体内部的热传递在不进行搅拌的情况下会很缓慢，这还会使热分解过程中产生的气体快速释放。此エ艺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),四氟化硅(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。由于钠必须要高度纯净才能用作电子和光伏应用中的半导体，因此至关重要的是，四氟化硅(SiF4)不仅要是纯净的，而且不会通过与エ艺设备起反应而受到污染。四氟化硅(SIF4)本身具有毒性和高腐蚀性。此外，四氟化硅(SiF4)容易与水起反应，从而形成腐蚀性更强的氢氟酸。煅烧氟硅酸钠(SFS)尤其成问题，因为必须首先在约400°C下对氟硅酸钠(SFS)进行干燥，以去除多达约0.5%的被吸收水。必须将水从设备随后可能暴露于四氟化硅(SIF4)气体(即使气体量很少)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)。因此，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。
发明内容
在本发明中，通过提供一种设备来实现了第一个目的，所述设备包括:可密封室；可旋转轴，其从所述室的上部向下延伸；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驱动轴；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；第二入ロ，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。本发明的第二方面表征为ー种用于合成四氟化硅的エ艺，所述エ艺包括以下步骤:提供具有可密封搅拌棒的可加热室；用固态氟硅酸钠(SFS)装填所述室；搅拌固态氟硅酸钠；将氟硅酸钠(SFS)加热到至少400°C ;将水从所述室去除；将氟硅酸钠(SFS)加热到至少700°C ;将四氟化硅(SiF4)从所述室去除，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。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截面正视图。图2是图1的煅烧室的搅拌棒密封区的截面正视图。图3是图1和图2的煅烧室的俯视平面图。图4是本发明的另一方面的示意图。
图5是图4所示实施例的本发明的替代性实施例的示意图。图6是图4和图5所示实施例的本发明的另ー替代性实施例的示意图。
具体实施例方式參考图1到图6，其中在各个图中，相同的參考标号指代相同的组件，图中图示了ー种新颖且经过改进的煅烧室和煅烧エ艺，在本专利申请文件中概称为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，其能够用极其接近可加热煅烧室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中的开ロ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内的是环绕轴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周围存在另ー环形型腔153，每个腔均具有大体圆柱形的外壳116的内表面。铁磁流体密封件的驱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具有两个圆形密封垫圈(141a和141b)，其中一者置于另ー者的上方，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，以增加強度和刚性。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可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合金上的瀑炸包层镍(explosion cladnickel) 200。由于这些材料对四氟化硅(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在进ロ 132处取得冷却流体(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的排放ロ 106。排放室可与多个气密阀端接，以提供负载锁定室，从而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110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在进ロ192处取得冷却流体，所述冷却流体随后在出ロ 193处从套管190排出。另ー冷却套管是环绕排放室180的环状物181。还有ー个环形冷却套管186安置在排放阀185周围。本发明的另一方面是ー种用于使用上述设备来从氟硅酸钠(SFS)合成四氟化硅(SiF4)的エ艺。在第一阶段中，用氟硅酸钠(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。在开始此脱水阶段之前，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，以去除因氟硅酸钠(SFS)脱水而产生的水蒸气，或者在低于区153的压カ但高于室101的压カ的压カ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，或者可在氟硅酸钠(SFS)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，以加速对氟硅酸钠(SFS)装填物的加热，从而使温度均匀并确保完全脱水。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。
在随后的将氟硅酸钠(SFS)加热到至少500°C (但更优选的是约700°C到800°C )的分解温度的エ艺步骤中，排空四氟化硅(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四氟化硅(SiF4)。室110(如图3所示)可具有多个顶部入口 104，用于装填反应物氟硅酸钠(SFS)，并在脱水期间抽出湿气，以及在煅烧期间去除四氟化硅(SiF4)。或者，在上述煅烧エ艺期间，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四氟化硅(SiF4)，并在四氟化硅(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四氟化硅(SiF4)。因此，在完成对氟硅酸钠(SFS)装填物进行脱水之后，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，使得干燥的氟硅酸钠(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四氟化硅(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。在氟硅酸钠(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，以一定速度抽吸下部环形室243，使得局部压カ为约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的局部压カ为约20托到200托(但更优选的是20托到50托)。在室110中的压カ较低的条件下，可以发现，如果搅拌浆叶120的混合速度足够高，那么在煅烧期间氟硅酸钠(SFS)粉末的结块大体上减到最少(如果无法避免的话)。进ー步发现，避免此结块显然会`使煅烧期间的混合更有效，因为其导致产量显著增加并使分解反应完全进行，从而可提高工艺良率。应注意，在不对反应物氟硅酸钠(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恵，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。生产四氟化硅(SiF4)和其它腐蚀性气体时遇到的另ー个具有挑战性的问题是一种可将这些气体从反应室中去除并对其进行压缩以便储存的有效构件。可以使用传统的真空泵，但必须利用低温冷阱，以使气体在进入真空泵之前冷凝，从而防止污染产物气体以及损坏所述泵。随后需要进行第二道エ艺，以加热所冷凝的固体，从而形成可经压缩以储存在惰性高压容器中的气体。该エ艺耗时低效而且不适合用于连续的产物处理。此エ艺的一个非限制性实例是对氟硅酸钠(SFS)进行热分解以产生四氟化硅(SiF4),四氟化硅(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。由于硅必须要高度纯净才能用作电子和光伏应用中的半导体，因此至关重要的是，四氟化硅(SiF4)不仅要是纯净的，而且不会通过与エ艺设备起反应而受到污染。四氟化硅(SiF4)本身具有毒性和高腐蚀性。此外，四氟化硅(SiF4)容易与水起反应，从而形成腐蚀性更强的氢氟酸。近来发现，在搅动氟硅酸钠(SFS)粉末且搅拌器处于约50托到200托的压力下，上述エ艺最有效且具有较高的良率。因此，需要在此压カ下收集四氟化硅(SIF4)气体。如图4到图6所示，本发明的另ー项实施例为抽吸设备400，其用来收集并压缩由干燥的氟硅酸钠(SFS)在700°C或高于700°C的温度下进行热分解所形成的四氟化硅(SiF4)气体。已发现，进行此分解的最佳压力通常是约20托到200托。可将如氟硅酸钠(SFS)等可分解气体放入可加热室110中。将室110排空，随后进行加热，以将固体加热到分解温度，从而释放出纯气体。由于第一干式真空泵4120与排气ロ 111相连通，因此可在排气ロ 111处将所述气体去除。此第一真空泵4120将所排出的气体输送到压缩机4130，压缩机4130将所述气体压缩到ー个或多个储存罐4140中。为了防止气体在真空泵4120的密封区4125受到污染，压缩气体的一小部分会通过馈线从压缩机4130 (如图4所示)持续排到罐4140，并被回馈以冲洗第一真空泵4120的密封区4125。或者，如图5所示，储存罐4140中的压缩气体可被回馈以冲洗第一真空泵4120的密封区4145。第4，734，018号美国专利以引用的方式并入本专利申请文件中，所述专利公开ー种通常适用于本发明的设备和方法的此类干式真空泵。所述泵在支撑旋转部件的轴承之间部署多个曲径密封件，其中的旋转部件用于使泵压缩机轴转动。所述曲径密封件可用如上文所述的从压缩机中排出的气体进行冲洗。第6，189，176号美国专利以引用的方式并入本专利申请文件中，所述专利公开ー
种高压气体清洗浄化器，其用于对安置在晶体生长器上的干式真空泵中的ニ氧化硅进行清洗净化。
所述干式真空泵和压缩机中不可存在会使气体泄漏到环境中的任何泄漏点，而且必须要防止由热分解所形成的纯气体发生泄漏。每个泵设备暴露于纯气体的部分是由基本上不与所述气体起反应的材料构造的，因此能够避免由此类反应的副产物所造成的污染。此类材料包括用于形成、包覆金属组件或为金属组件涂层的纯镍，以及弹性组件和柔性组件使用的含氟聚合物。在开始阶段，当压缩机尚未生产出足够量的纯气体以冲洗或浄化第一真空泵的密封区时，此纯气体可由储存罐提供。虽然干式真空泵可通过排空而达到低压状态，但因此所去除的气体只能在出口处压缩至几psi。因此，随后还需要使用压缩机，压缩机取得约2psig的干式真空泵的输出，并在第一阶段将所述输出压缩到60psig，然后在第二阶段从约60psig优选压缩到至少约300psig,从而储存于罐中。另外，还需要在第一干式真空泵与压缩机之间部署至少ー个粒子过滤器。图6图示此类设备400，设备400具有经连接以取得干式真空泵的输出的第一压缩机4131，以及连接到第一压缩机4131的第二压缩机4132，以用于在另ー阶段将大于约60psig优选压缩到约300psig。还优选的是，使用一种能同时将每个泵维持在一定速度从而为其他泵提供最佳压力的控制系统。在开始时，压缩机首先起动，接着在达到最佳t呆作压力之后，干式真空栗起动，然后向真空泵密封区供给压缩的四氟化硅(SiF4)气体。如图4所示，控制系统4200还可经操作以调节阀4135，阀4135可控制压缩气体从压缩机130排到泵120的密封区125。与此相反，在图2中，控制器4200可经操作以调节阀4145，阀4145可控制气体从罐4140流到泵4120的密封区4125。冲洗密封区的气体混合物优选用低温泵捕获或通过与固体起反应俘获，从而留下可安全处置的残留物或者可返回到室用于再处理的材料。尽管已结合优选实施例描述了本发明，但并不希望将本发明的范围限于所陈述的特定形式，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エ艺，所述エ艺包括以下步骤: a)提供具有可密封的搅拌棒的可加热室， 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)将所述氟硅酸钠(SFS)加热到至少高于约100°C， e)将水从所述室去除， f)将所述氟硅酸钠(SFS)加热到至少约500°C， g)四氟化硅(SiF4)从所述室去除， h)其中所述可密封的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2所述的用于合成四氟化硅的エ艺，其进ー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2所述的用于合成四氟化硅的エ艺，其进ー步包括在所述将所述四氟化硅(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，其包括: a)可密封室， b)可旋转轴，其从所述室的上部向下延伸， c)搅拌浆叶，其安置于所述轴的远离所述室的所述上部的端部，所述搅拌浆叶基本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驱动轴， 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)第一入ロ，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)第二入ロ，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。
5.一种用于提供纯四氟化硅(SiF4)的エ艺，所述エ艺包括以下步骤: a)将氟硅酸钠(SFS)放入反应室中， b)提供具有密封区的第一干式真空泵，以将所述反应室排空到小于约100托， c)提供压缩机以取得所述真空泵的输出， d)使所述压缩机通电， e)将四氟化硅(SiF4)气体提供给所述干式真空泵的所述密封区， f)将所述氟硅酸钠(SFS)加热到至少700°C， g)使所述干式真空泵通电以将所述室排空到小于200托， h)将形成于所述反应室中的所述纯四氟化硅(SiF4)压缩到至少300psi。
6.一种用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，所述エ艺包括以下步骤: a)提供具有至少ー个出口的第一反应室； b)提供第一干式真空泵，其与 所述至少ー个出ロ流体连通，以将所述反应室中的腐蚀性气体排空，c)提供压缩机以取得所述真空泵的输出， d)使所述压缩机通电， e)将纯净的所述腐蚀性气体提供给所述干式真空泵的密封件， f)开始在所述反应室中进行产生所述腐蚀性气体的反应， g)使所述干式真空泵通电，以排空所述室，从而将所述腐蚀性气体从所述室去除， h)压缩从所述干式真空泵取得的所述腐蚀性气体。
7.根据权利要求2所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其进ー步包括用所述纯压缩气体填充ー个或多个罐的步骤。
8.根据权利要求2所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其中向所述干式真空泵的所述密封件提供的所述纯净的腐蚀性气体可从所述纯压缩气体的罐中获得。
9.根据权利要求2所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其中向所述干式真空泵的所述密封件提供的所述纯净的腐蚀性气体可通过将所述纯气体从将所述干式泵连接到所述压缩机的连接线路中排出而获得。
10.根据权利要求2所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其进ー步包括将氟硅酸钠(SFS)放入所述反应室的步骤，且所述开始在所述反应室中进行产生所述腐蚀性气体的反应的步骤包括将所述氟硅酸钠(SFS)加热到至少约700°C，以产生四氟化硅(SiF4)作为所述纯腐蚀性气体。
11.根据权利要求6 所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其中所述使所述干式真空泵通电以排空所述室从而将所述四氟化硅(SiF4)去除的步骤包括将所述反应室排空到小于约100托。
12.根据权利要求7所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其中所述压缩从所述干式真空泵取得的所述腐蚀性气体的步骤包括将形成于所述反应室中的所述纯四氟化硅(SiF4)压缩到至少约300psi。
13.根据权利要求7所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其中形成于所述反应室中的所述纯四氟化硅(SiF4)在多个阶段被压缩。
14.根据权利要求1所述的用于合成四氟化硅的エ艺，其中所述泵暴露于所述四氟化硅(SiF4)蒸汽的部分由基本上不与所述部分起反应的材料构成。
15.根据权利要求6所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其中所述泵暴露于所述四氟化娃(SiF4)蒸汽的部分由基本上不与所述部分起反应的材料构成。
16.根据权利要求10所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其中所述泵暴露于所述四氟化硅(SiF4)蒸汽的部分由选自纯镍和含氟聚合物组成的群组中的材料构成。
17.根据权利要求11所述的用于获得纯腐蚀性气体的エ艺，其中所述泵暴露于所述四氟化硅(SiF4)蒸汽的部分由选自纯镍和含氟聚合物组成的群组中的材料构成。
全文摘要
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。搅拌棒支撑在向下延伸的轴上，这可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实现。排空唇缘密封区，从而使少量的向上腐蚀性气体流不与铁磁流体的成分起有害反应。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，以防止在初始干燥阶段期间吸收水。高纯度腐蚀性气体可通过在高温下分解前驱物固体产生，所述高纯度腐蚀性气体的合成工艺的优选实施例逐次使用干式真空泵和压缩机，以便在所述腐蚀性气体填充储存容器时对所述气体进行压缩。因此，防止水与四氟化硅起反应而产生腐蚀性的氟化氢气体。
文档编号C01B33/107GK103118978SQ201180046351
公开日2013年5月22日 申请日期2011年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者M·弗金 申请人:美亚知识产权有限公司