用于分離混合氣體中的氬氣的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于分離混合氣體中的氬氣的方法和裝置，尤其涉及其在用于提取硅晶體的融化裝置中的保護氣體中的氬氣的運用。
[0002]發(fā)明背景
[0003]生產(chǎn)例如用于太陽能電池的單晶或多晶硅的過程是在有保護氣體的環(huán)境下進行的。保護氣體防止對硅產(chǎn)生污染，并有利于對所產(chǎn)生的硅晶體的冷卻。典型的生產(chǎn)過程是一被稱為String Ribbon的生產(chǎn)過程，在該過程中兩個平行的金屬線穿過娃恪液，在這兩個金屬線之間形成一硅薄膜，該硅薄膜形成結(jié)晶，潔凈在一核膜上成長。所述的兩個金屬線的作用是穩(wěn)定所形成的硅膜，從而形成一特別穩(wěn)定的結(jié)晶提取過程。
[0004]String Ribbon生產(chǎn)過程的一個經(jīng)典的例子可以在專利文獻US 4，299，648 A中找至IJ。該文獻中描述的是一用于提取單晶體膜的方法和裝置，其特征在于，硅熔液中相互之間有距離的單元，在該兩單元中形成一半月形的熔液。
[0005]專利文獻WO 2006111668 Al描述了該過程的進一步發(fā)展。在所描述的方法中，除了兩邊的金屬線外，在中間還有薄的支撐條，用于取出硅片。該改進的方法適合于生產(chǎn)用于太陽能電池的多晶娃片。
[0006]在這些生產(chǎn)硅片的生產(chǎn)過程中，在熔化硅顆粒的時候通常使用高純度(99.9990% )的氬氣作為保護氣體，該氣體中含有很少量的添加劑。在該過程中，所述的保護氣體的純度降低，并通常在經(jīng)過熱爐以后被導(dǎo)入到空氣中。大規(guī)模的對該氣體再生的方法目前還沒有。
[0007]這些已知的生產(chǎn)硅膜的方法的特征在于其在熔化熱爐中的壓強比例。熔化過程在一敞開式的熱爐中在大氣壓的條件下進行，其中氬氣在該處從熱爐中被抽走，產(chǎn)生的產(chǎn)品也被持續(xù)地從熱爐中被取走?；蛘?，熱爐形成一封閉的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在低壓(幾個mb絕對壓強)下進行。在此之前充有保護氣體的熱爐通過真空栗被抽空，所含的氬氣在栗的廢氣中。
[0008]離開熱爐的，絕大部分由氬氣組成的混合氣體由于在生產(chǎn)過程中導(dǎo)致的不純不能被重新導(dǎo)入到熱爐中?；厥赵摎鍤庑枰惶崆暗募兓襟E，即所含的氬氣必須從混合氣體中被分離出來。其中的難度在于，將氬氣通過高選擇度從在混合氣體中存在的其他的氣體分離出來，從而達到原來的純度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種能大規(guī)模將氬氣從混合氣體中分離出來的方法和裝置。本發(fā)明的另一任務(wù)是，將該回收氬氣的方法和裝置運用于回收從生產(chǎn)芯片，尤其是生產(chǎn)硅晶體的熱爐的廢氣中的氬氣中，其中從熱爐中提取混合氣體有十分重要的意義。
[0010]上述任務(wù)通過一種通過分離和純化混合氣體中的氬氣從而回收氬氣的方法解決，該方法含有以下幾個步驟:將錯就氣體聚集在一聚集器中，將混合氣體中的氧氣通過催化和/或吸收的方法去處，干燥剩余的混合氣體，剩余的混合氣體在一分離柱中低溫純化，其中清洗獲得的氬氣以液體的形式從分離柱中被抽出。
[0011]在【背景技術(shù)】中已經(jīng)有對將氬氣從混合氣體中分離出來的描述，其中氬氣以氣體的形式被回收(相關(guān)的專利文獻如DE 197 08 025 Al1US 2008/0312347 Al1US 7361316B2, US 6123909 A, US 5783162 A, US 5106399 A 以及US 4477265A)。與這些技術(shù)不同的是，本發(fā)明的方法是將氬氣以液體的形式從分離柱中取出。
[0012]低溫純化技術(shù)是一已知分離混合氣體的方法。然而，氬氣和在結(jié)晶過程中很有干擾作用的氧氣的沸點的差別小于3K。其實只通過低溫純化就能使氬氣體達到所要求的純度，但是對選擇度的要求在該情況下十分高。出于這種原因，氬氣到目前不被分離出和純化，而是作為廢氣被排出。本發(fā)明通過先對混合氣體中氧氣的分離，使得氬氣只需要于于其沸點相差至少10K(Ar/N2)的成分分離。這樣，低溫純化步驟的技術(shù)和經(jīng)濟成本有了很明顯的降低。一方面，可以使用簡單并小的分離柱，另一方面，由于所需要的用于冷卻的液氮的含量減少，裝置成本也大幅度降低。本發(fā)明的另一不能被忽視的優(yōu)點為，本發(fā)明的方法和裝置對由系統(tǒng)中多余的氣體(氧氣)而引起的操作干擾的敏感度降低。這些優(yōu)勢被上游的純化以及隨后的干燥所帶來的成本抵消。本發(fā)明的方法的優(yōu)勢隨著氧氣濃度的增高而增高。
[0013]對氧氣分離的方法優(yōu)選為將氧氣通過催化反應(yīng)形成水后被分離?；旌蠚怏w中所加入的氫氣量根據(jù)與氧氣的化學(xué)計量比得出。尤為優(yōu)選的是，氫氣的量有0.1%的多余。另夕卜，氧氣可以通過吸附的方法被分離。
[0014]尤為優(yōu)選的是，氧氣是通過催化反應(yīng)還形成水后被分離還是通過吸附的方法被分離取決于氧氣在混合氣體中的含量。當氧氣的含量不超過0.0lVol.-%，優(yōu)選為不超過0.005Vol.時，氧氣通過吸附的方法被分離。當氧氣的含量超過0.0lVol.時，采用催化的方法將其分離。
[0015]在一優(yōu)選的實施范例中，分離出的氬氣被用于對于進入低溫純化步驟的的氣體進行預(yù)冷，然后在一個蒸發(fā)裝置中被蒸發(fā)。只要其中所獲得的氬氣不需要在液體的狀態(tài)下被儲藏，也不需要直接被導(dǎo)回系統(tǒng)中，這種方法可以減少在低溫過程中液氮的使用。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，混合氣體中的氧氣的含量通過測量催化裝置入口和出口的溫度差來決定的。這樣不需要使用其他的傳感器來測量氧氣的濃度。
[0017]從在空氣壓作用下的熱爐到硅熔液中收集混合氣體通過一低壓排出系統(tǒng)進行，該排出系統(tǒng)安裝在正常的熱爐出口下方并抽出保護氣體中的一部分的氣體。雖然氬氣的密度比空氣大，并在空氣壓作用下的裝置的出口處會大部分沉降下來，在該處收集氬氣并沒有意義，因為氬氣將不可避免地被環(huán)境空氣所污染。這樣會使氣體純化步驟成本明顯增高。因此，該排出系統(tǒng)在出口處下方抽取氣體，在該處沒有與周邊氣體的混合。因為在熱爐中的壓強一般都高于大氣壓，并且保護氣體必須從出口處被導(dǎo)出，所以熱爐中不會有空氣進入，只能相應(yīng)的有一部分的氣體被導(dǎo)出。
[0018]在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施范例中，從在空氣壓作用下的熱爐到硅熔液中收集混合氣體通過排除真空栗中的廢氣進行，并且在氣栗被油潤滑的情況下，在氣體進入收集器以前進行去油。當用來抽真空的氣栗被油潤滑時，所有的氣體中剩余的油必須在回收步驟前被分離出，從而避免對催化劑的損害。在所謂的干水計中，不需要采取其他的措施。
[0019]本發(fā)明還涉及一用來執(zhí)行執(zhí)行本發(fā)明的方法的裝置，該裝置包含有收集混合氣體的收集裝置，用于將混合氣體中的氧氣從混合氣體中通過催化和/或吸附的方法去除的單元，對混合氣體進行干燥的單元，對混合氣體進行低溫處理以及液體分離氬氣的裝置。
[0020]在本發(fā)明的一優(yōu)選的實施范例中，被分離的液體氬氣對進入低溫純化裝置的氣體通過一熱量交換器進行預(yù)冷，然后在一蒸發(fā)裝置中被蒸發(fā)。
[0021]尤為優(yōu)選的是，該裝置含有一貯藏被純化的液體或氣體的收集裝置，從而在系統(tǒng)需要比在需要被純化的氣流中更多的氬氣的時候或進入熱爐的氬氣比實際要純化的氬氣少的時候，該裝置能繼續(xù)地并不產(chǎn)生損失地繼續(xù)運作。
[0022]通過催化的方法去除混合氣體中的氧氣的單元含有一根據(jù)氧氣濃度在混合氣體加入氫氣的裝置。
[0023]所使用的催化劑是一稀有金屬催化劑，尤其優(yōu)選為鉑，鈀，或其混合物，其中沒種金屬都有氧化鋁作為載體。所使用的吸附劑是一非稀有金屬催化劑，優(yōu)選為氧化銅或氧化鑷，其均有氧化鋁作為載體，或者這兩種非稀有金屬的混合物。
[0024]在本發(fā)明的一優(yōu)選的實施范例中，所述的用于將混合氣體中的氧氣從混合氣體中通過催化和/或吸附的方法去除的單元含有一裝置，該裝置根據(jù)氧氣含量將氣體導(dǎo)入到催化劑或吸附劑中。該裝置能使本發(fā)明的方法達到高效并有靈活性。
[0025]本發(fā)明中對氣體的干燥通過使用分子篩和/或硅膠進行。這樣沒有需要處理的物質(zhì)。干燥伎倆可以被再生，從而使操作成本降低。此外，由于不需要人工做任何添加，再生過程可以自動進行。
[0026]在干燥階段中安裝有一用來分離催化劑和干燥劑殘渣的顆粒分離器，從而避免這些顆粒進入低溫純化步驟。
[0027]在本發(fā)明的一優(yōu)選的實施范例中，干燥階段中有兩個容器，這兩個容器分別運作，其中的一個容器用于干燥，另一個容器用于再生。運用兩個容器使本發(fā)明的裝置能聯(lián)系運作。當其中的一個容器通過新的或再生的干燥劑用于干燥時，第二個容器中的所有已經(jīng)被使用過的干燥劑被再生。這兩個容器的交換工作可以自動進行。干燥劑在150°C至250°C的溫度下再生。
[0028]在本發(fā)明的一優(yōu)選的實施范例中，在催化單元的入口和出口處安裝有溫度傳感器，該溫度傳感器通過溫度的差異測量混合氣體中的氧氣含量。
[0029]從在空氣壓作用下的熱爐到硅熔液中收集混合氣體的過程中安裝有一排除裝置，該裝置被安裝在熱爐出口下方的兩處并吸出保護氣體中的一部分的氣體。對氣體的排出原則上可以在一處進行，但是這里安排在兩處進行，為的是更好的避免在熱爐中的氣體比例被打亂。排出系統(tǒng)中的壓強為0-200mbar，尤為優(yōu)選的壓強為0-100mbar。
[0030]收集從一在真空作用下的熱爐到硅熔液的混合氣體的收集容器與真空栗中廢氣排除管道相連接，并在氣栗被油潤滑的情況下在真空栗和收集容器之間安裝有多個去油裝置。
【附圖說明】
[0031]圖1顯示的本發(fā)明的尤為優(yōu)選的實施范例。所示的裝置只是本發(fā)明的一個范例，對本發(fā)明不具有限制的作用。
[0032]符號說明
[0033]I結(jié)晶爐；2收集器；3、13栗；4控制閥；5催化純化階段；
[0034]6、7溫度傳感器；8磁閥門；9冷凝器；10干燥器；11顆粒分離器；
[0035]12、17裝有控制閥的流量檢測器；14低溫純化裝置；15緩沖容器；
[0036]16、18閥門；19壓強調(diào)節(jié)器；20、21背壓閥。
【具體實施方式】
[0037]圖1中的裝置用來回收在生成用于太陽能電池的單晶和/或多晶硅膜中使用的氬氣或作為保護混合氣體中主要成分的氬氣。在回收氬氣的過程中，保護混合氣體中的其他成分如果沒有在