FR2955867A1 - Recycling silane comprises injecting a mixture of pure silane/hydrogen in chamber, extracting the mixture, discharging a mixture comprising silane, hydrogen, silicon tetrafluoride and non-zero amount of feed gas and separating - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé de recyclage de gaz, en particulier le silane (SiH4). Dans ce dernier cadre, la première application visée est le dépôt de couches minces de silicium, en particulier pour la production de cellules photovoltaïques. Cependant, ce système peut être utilisé pour d'autres applications dont les spécifications sont proches. La réduction du coût de l'énergie solaire passe par la réduction du coût de fabrication des cellules photovoltaïques. Pour la filière technologique dite « couches minces », notamment pour l'application où le silicium est déposé en couche mince, et plus particulièrement pour la solution silicium micro cristallin et amorphe, la réduction de la consommation des gaz utilisés pour les dépôts des couches actives contribue à la diminution globale du coût de fabrication. La production des couches minces de silicium pour les piles solaires exige le dépôt séquentiel de couches de silicium dopées p, non dopées et dopées n sur un substrat. Chaque dépôt de silicium est conduit dans une chambre dans laquelle une méthode choisie parmi CVD, (dont MOCVD, PECVD, ALD, HWCVD, APCVD, VTD...) ou PVD (en particulier évaporation et pulvérisation) est exécutée. La production de cellules photovoltaïques avec couches minces de silicium micro cristallin et / ou amorphe nécessite la mise en oeuvre des gaz tels que H2, SiH4, des gaz dopants tels que TMB - TriMethyl Bore, PH3 û phosphine, B2H6 - diborane et aussi N2, argon... The present invention relates to a process for recycling gas, in particular silane (SiH4). In the latter context, the first targeted application is the deposition of thin layers of silicon, in particular for the production of photovoltaic cells. However, this system can be used for other applications whose specifications are close. Reducing the cost of solar energy involves reducing the cost of manufacturing photovoltaic cells. For the so-called "thin films" technological sector, especially for the application where silicon is deposited in a thin layer, and more particularly for the micro-crystalline and amorphous silicon solution, the reduction of the consumption of the gases used for the deposits of the active layers contributes to the overall decrease in manufacturing cost. The production of silicon thin films for solar cells requires the sequential deposition of p-doped, undoped and n-doped silicon layers on a substrate. Each silicon deposit is conducted in a chamber in which a method selected from CVD, (including MOCVD, PECVD, ALD, HWCVD, APCVD, VTD ...) or PVD (in particular evaporation and spraying) is performed. The production of photovoltaic cells with thin films of microcrystalline and / or amorphous silicon requires the use of gases such as H2, SiH4, doping gases such as TMB - TriMethyl Bore, PH3 - phosphine, B2H6 - diborane and also N2, argon...
Par exemple, le substrat est situé dans une première chambre dans laquelle un mélange de gaz contenant du silane, un dopant tel que le TMB et l'hydrogène comme gaz porteur est fourni pour façonner une couche de silicium de type p sur le substrat. Le substrat est alors déplacé vers une deuxième chambre dans laquelle un mélange de gaz d'hydrogène et de silane est fourni pour la conception d'une couche non dopée. Le substrat peut alors être déplacé vers une troisième chambre dans laquelle un mélange de gaz comportant de l'hydrogène comme gaz porteur, du silane et un dopant tel que la phosphine PH3 est fourni pour la réalisation d'une couche dopée n sur le substrat. Il y a une évolution dans ce type de fabrication de tels dispositifs : les substrats sur lesquels sont effectués ces dépôts sont de plus en plus grands. Ainsi, la taille des chambres de dépôt et les débits d'introduction des gaz, en particulier de l'hydrogène en tant que gaz porteur doivent également être augmentés. Dans les dispositifs actuels, les gaz non utilisés dans les chambres de dépôt sont aspirés à l'aide d'une pompe avant d'être traités afin de détruire les effluents dangereux. Les quantités de gaz nécessaires aux dépôts des couches actives cibles sont très importantes. Du fait de la taille des usines en projet et du besoin intrinsèque en gaz lié à la nature de la technologie, les débits nécessaires vont atteindre des dizaines, voire des centaines de m3 par heure pour l'hydrogène. La fourniture de gaz devient donc problématique pour l'hydrogène mais aussi pour le silane. Les volumes requis sont un frein au déploiement de ces technologies. Une façon de réduire le coût de la fourniture et de la logistique du silane (SiH4) et de l'hydrogène (H2) est de recycler ces gaz à leur sortie des réacteurs de dépôt. Cependant, les gaz réintroduits dans le réacteur doivent répondre aux spécifications requises pour obtenir des couches de bonne qualité. Les spécifications principales sont les suivantes : concentrations en H2O, 02 et N2 < 1 ppm dans SiH4 et H2 afin d'éviter la formation d'oxydes et/ou de nitrures; concentrations en gaz dopants tels PH3, B2H6, TMB maîtrisées en fonction du type et du niveau de dopage souhaité. De plus, des poudres peuvent se former en grandes quantités au cours de la réaction ; leur concentration doit donc être rapportée à une valeur acceptable, c'est-à-dire à un niveau suffisamment faible pour être compatible par exemple: avec le mode de fonctionnement des différents composants dans lesquels les gaz contenant ces poudres vont circuler, et avec l'application visée (par exemple le dépôt de couches minces pour la réalisation de cellules solaires). Ces composants sont par exemple des compresseurs, des unités d'adsorption.... En outre, le rapport SiH4/H2 et le débit de ces gaz doivent pouvoir être contrôlés. For example, the substrate is located in a first chamber in which a mixture of silane-containing gas, a dopant such as TMB and hydrogen as the carrier gas is provided to form a p-type silicon layer on the substrate. The substrate is then moved to a second chamber in which a mixture of hydrogen gas and silane is provided for the design of an undoped layer. The substrate can then be moved to a third chamber in which a gas mixture comprising hydrogen as a carrier gas, silane and a dopant such as PH3 phosphine is provided for producing an n-doped layer on the substrate. There is an evolution in this type of manufacture of such devices: the substrates on which these deposits are made are becoming larger. Thus, the size of the deposition chambers and the rates of introduction of gases, in particular of hydrogen as a carrier gas must also be increased. In current devices, the gases not used in the deposition chambers are pumped before being treated in order to destroy the hazardous effluents. The quantities of gas required for the deposits of the target active layers are very important. Due to the size of the planned plants and the inherent need for gas due to the nature of the technology, the required flows will reach tens, or even hundreds of m3 per hour for hydrogen. The supply of gas thus becomes problematic for the hydrogen as well as for the silane. The volumes required are a brake on the deployment of these technologies. One way to reduce the cost of supply and logistics of silane (SiH4) and hydrogen (H2) is to recycle these gases as they exit the deposition reactors. However, the gases reintroduced into the reactor must meet the specifications required to obtain good quality layers. The main specifications are as follows: concentrations of H2O, O2 and N2 <1 ppm in SiH4 and H2 to avoid the formation of oxides and / or nitrides; Dopant gas concentrations such as PH3, B2H6, TMB controlled depending on the type and level of doping desired. In addition, powders can form in large amounts during the reaction; their concentration must therefore be related to an acceptable value, that is to say at a sufficiently low level to be compatible, for example: with the mode of operation of the various components in which the gases containing these powders will circulate, and with the intended application (for example the deposition of thin layers for the production of solar cells). These components are for example compressors, adsorption units .... In addition, the SiH4 / H2 ratio and the flow rate of these gases must be controllable.
La littérature révèle quelques caractéristiques. Un recyclage des gaz de rejet est par exemple décrit dans le document JP58223612A « Apparatus for forming amorphous silicon film ». La demande de brevet publiée en 1983, présente une solution pour améliorer le taux d'utilisation du silane lors du dépôt d'un film de silicium amorphe par CVD assistée par plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) : il s'agit d'une séparation de l'hydrogène des gaz récupérés en sortie du réacteur de dépôt puis d'un recyclage du silane en entrée de ce même réacteur. Ce document expose une solution où la séparation et le recyclage nécessitent notamment la mise en oeuvre d'un piège froid utilisant de l'azote liquide. Mais il n'aborde pas la problématique du recyclage de l'hydrogène. D'autre part, le procédé est mis en oeuvre sous vide ce qui présente un danger difficile à maîtriser parfaitement pour la manipulation du silane qui est un réducteur très violent, donc avide d'oxydant comme l'oxygène contenu dans l'air qui pourrait rentrer dans le procédé par exemple. Dans le domaine photovoltaïque, jusqu'à présent, la solution détaillée dans la demande de brevet JP58223612A commentée ci-dessus n'a pas été mise en oeuvre pour séparer puis recycler les gaz utilisés comme précurseurs des dépôts de couches minces. D'autre part, aucune solution n'est actuellement industrialisée pour réaliser la récupération des gaz silane et / ou hydrogène et assurer leur réutilisation dans le procédé de dépôt de couches de silicium. Les gaz rejetés sont simplement traités et évacués. The literature reveals some characteristics. A recycling of the offgas is for example described in JP58223612A "Apparatus for forming amorphous silicon film". The patent application published in 1983, presents a solution to improve the rate of use of the silane during the deposition of an amorphous silicon film by plasma enhanced CVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition): it is a separating the hydrogen from the gases recovered at the outlet of the deposition reactor and then recycling the silane at the inlet of this same reactor. This document describes a solution where the separation and recycling require in particular the implementation of a cold trap using liquid nitrogen. But it does not address the problem of recycling hydrogen. On the other hand, the process is carried out under vacuum which presents a danger difficult to master perfectly for the handling of silane which is a very violent reducer, so hungry for oxidant such as oxygen in the air that could go into the process for example. In the photovoltaic field, up to now, the solution detailed in patent application JP58223612A commented on above has not been implemented to separate and then recycle the gases used as precursors of thin film deposition. On the other hand, no solution is currently industrialized to recover the silane gas and / or hydrogen and ensure their reuse in the process of deposition of silicon layers. The rejected gases are simply treated and evacuated.
Par ailleurs, le brevet US 5,785,741 « Process and system for separation and recovery of perfluorocompounds gases » présente une solution pour la séparation des gaz PFC en vue de leur recyclage. Cette solution peut être mise en oeuvre dans l'industrie de la microélectronique. Des laveurs, des filtres, des membranes, des pièges froids et des PSA (Pressure Swing Adsorber) sont requis pour aboutir au recyclage de ces gaz PFC. Cette solution est intéressante mais une forme améliorée et simplifiée de cette méthode est indispensable pour mettre en oeuvre d'autres gaz (silane et hydrogène par exemple) et dans un autre domaine (cas de l'industrie photovoltaïque par exemple). Pour la séparation du silane de l'hydrogène, des solutions sont écrites dans le document EP 0 644 153 « Procédé de séparation du silane à l'aide d'une membrane » et « Separation of hydrogen from silane via membranes : a step in the production of ultra-high purity silicon » traitant de l'utilisation d'une membrane pour séparer le silane de l'hydrogène utilisé dans de la fabrication du silicium de haute pureté. Cet élément peut être mis en oeuvre pour la solution développée pour le recyclage du silane et de l'hydrogène pour l'application relative au dépôt de silicium amorphe en couches minces. Néanmoins, il s'agit d'une brique de la solution technologique élaborée pour réaliser ce recyclage. D'autre part, la séparation par membrane ne peut pas fournir des gaz de haute pureté, ce qui est pourtant indispensable dans les applications visées ci-dessus. Pour finir, dans le brevet EP 0 645 345, il est décrit un procédé de séparation par membrane d'un hydrure gazeux ou d'un mélange d'hydrures gazeux (tels que PH3, AsH3, Si2H6), d'un milieu gazeux contenant au moins de l'argon, de l'hélium et / ou de l'hydrogène. La solution proposée permet donc de concentrer, d'un côté les hydrures gazeux (en l'occurrence les gaz utilisés pour le dopage dans le cas d'une application pour l'industrie photovoltaïque) et de ne laisser passer à travers la membrane, de l'autre côté appellé aussi perméat, que le mélange argon, hélium et / ou hydrogène. Une telle séparation est réalisée avec une membrane polymère de type polyimide ou polyaramide. Furthermore, US Pat. No. 5,785,741 "Process and system for separation and recovery of perfluorocompounds gases" presents a solution for the separation of PFC gases for their recycling. This solution can be implemented in the microelectronics industry. Washers, filters, membranes, cold traps and PSA (Pressure Swing Adsorber) are required to achieve recycling of these PFC gases. This solution is interesting but an improved and simplified form of this method is essential to implement other gases (silane and hydrogen for example) and in another field (case of the photovoltaic industry for example). For the separation of the silane from hydrogen, solutions are written in EP 0 644 153 "Silane separation process using a membrane" and "Separation of hydrogen from silane via membranes: a step in the production of ultra-high purity silicon "dealing with the use of a membrane to separate silane from hydrogen used in the manufacture of high purity silicon. This element can be used for the solution developed for the recycling of silane and hydrogen for the application relating to the deposition of amorphous silicon in thin layers. Nevertheless, it is a brick of the technological solution developed to carry out this recycling. On the other hand, membrane separation can not provide high purity gases, which is however indispensable in the applications mentioned above. Finally, in patent EP 0 645 345, there is described a method of membrane separation of a gaseous hydride or a mixture of gaseous hydrides (such as PH3, AsH3, Si2H6), a gaseous medium containing at least argon, helium and / or hydrogen. The proposed solution therefore makes it possible to concentrate, on the one hand, the gaseous hydrides (in this case the gases used for doping in the case of an application for the photovoltaic industry) and to not let through the membrane, the other side also called permeate, the mixture argon, helium and / or hydrogen. Such a separation is carried out with a polyimide or polyaramid polymer membrane.
Cette problématique du recyclage du silane pour l'industrie du photovoltaïque est abordée dans divers documents, en particulier les demandes de brevet WO2008/154293 et WO2009/079314. Ces documents décrivent une manière d'implémenter une machine de recyclage de silane en aval d'un procédé de fabrication de cellule solaire, sans aborder le procédé de recyclage en lui-même. La demande de brevet WO09112730 présente un état de l'art sur le recyclage du silane et détaille un procédé de recyclage du silane innovant dont une des applications est la production de cellules solaires. Vu les spécifications à atteindre en terme de pureté des gaz à recycler à leur sortie des réacteurs de dépôt, la voie cryogénique est privilégiée pour réaliser ce recyclage. Cependant, cette technologie ne peut accepter des espèces se solidifiant aux températures de travail utilisées. C'est le cas du tétrafluorure de silicium (SiF4) qui, en plus d'être un produit nocif à une température de solidification de û 86,8°C à 2,24 bars pouvant alors conduire au bouchage des systèmes dans lesquels passe ce gaz se retrouve en quantité non négligeable dans les flux à traiter en sortie des réacteurs de dépôt (pouvant atteindre des concentrations de l'ordre de 500 ppm à 2000 ppm voire plus). This problem of silane recycling for the photovoltaic industry is addressed in various documents, in particular patent applications WO2008 / 154293 and WO2009 / 079314. These documents describe a way to implement a silane recycling machine downstream of a solar cell manufacturing process, without addressing the recycling process itself. The patent application WO09112730 discloses a state of the art on silane recycling and details an innovative silane recycling process, one of whose applications is the production of solar cells. Given the specifications to be achieved in terms of the purity of the gases to be recycled at their disposal from the storage reactors, the cryogenic route is preferred for carrying out this recycling. However, this technology can not accept species solidifying at the working temperatures used. This is the case of silicon tetrafluoride (SiF4) which, in addition to being a harmful product at a solidification temperature of 86.8 ° C. to 2.24 bar, can then lead to clogging of the systems in which it passes. The gas is found in a significant quantity in the flows to be treated at the outlet of the deposition reactors (which can reach concentrations of the order of 500 ppm to 2000 ppm or more).
En effet, suite à la réaction de dépôt dans le réacteur, ce dernier est nettoyé à l'aide de substances fluorées (par exemple NF3 ou F2) ; il en résulte que les parois des circuits de sortie dudit réacteur de dépôt contiennent des produits fluorés à leur surface, ces derniers réagissant avec les produits de la réaction issus du réacteur forment du SiF4. Le protocole de nettoyage du réacteur après dépôt consiste à injecter du trifluorure d'azote (NF3) ou du fluore (F2) sous plasma qui va réagir avec le silane déposé et former majoritairement le tetrafluorosilane SiF4 gazeux ainsi que plusieurs sous-produits fluorés (HF, F2). Néanmoins, ces composés fluorés vont partiellement se redéposer après avoir quitté la zone d'effet du plasma en particulier dans les lignes d'évents. Lors de l'étape de dépôt, une partie de la fraction de silane SiH4 injecté ne se décomposant pas va réagir avec ces composés fluorés et se transformer en SiF4. Indeed, following the deposition reaction in the reactor, the latter is cleaned using fluorinated substances (for example NF3 or F2); As a result, the walls of the output circuits of said deposition reactor contain fluorinated products at their surface, the latter reacting with the reaction products from the reactor form SiF4. The protocol for cleaning the reactor after deposition consists of injecting nitrogen trifluoride (NF3) or fluoride (F2) under a plasma which will react with the silane deposited and mainly form the tetrafluorosilane SiF4 gas and several fluorinated by-products (HF , F2). Nevertheless, these fluorinated compounds will partially redeposit after leaving the plasma area of effect especially in the vent lines. During the deposition step, a portion of the injected SiH4 silane fraction that does not decompose will react with these fluorinated compounds and transform into SiF4.
Il est donc nécessaire de piéger le SiF4 sans retenir le SiH4 avant l'envoi dudit flux dans la partie cryogénique dédiée au recyclage évoqué ci-dessus. Le retrait du SiF4 aura aussi comme intérêt d'éviter de mettre en oeuvre des matériaux compatibles avec ce produit fluoré. Le procédé objet de la présente invention peut aussi être utilisé pour toute autre application pour laquelle le retrait du SiF4 est nécessaire. Or, aucune solution satisfaisante n'a été proposée ou mise en oeuvre jusqu'à présent pour réaliser de manière efficace et intégrée les différentes étapes nécessaires à la réalisation du recyclage de gaz utilisés dans la fabrication de structures notamment formées de films de silicium, dopés ou non, et déposés en couches minces, issus d'un flux de gaz contenant du SiF4. En particulier, les documents cités ci-dessus n'apportent pas de réponses à cette problématique. Plusieurs voies peuvent être envisagées. La voie du piégeage cryogénique consistant à liquéfier ou solidifier le SiF4 par refroidissement, conduirait au piegeage du SiF4 mais également au piégeage au moins partiel du SiH4 ce qui est à éviter selon le problème à résoudre exposé ci-dessus. De plus cela nécessite la mise en oeuvre de matériel cryogénique et l'utilisation d'un liquide réfrigérant tel que l'azote liquide et donc toutes les contraintes liées à l'utilisation de système à basse température. En résumé, afin de réduire la consommation en hydrogène et / ou en silane pour la fabrication de systèmes composés de couches minces de silicium déposées par exemple par CVD ou PVD, tels que notamment les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium, les bénéfices que la solution doit apporter sont par exemple: - La séparation de tétrafluorure de silicium d'un effluent gazeux (effluent récupéré en sortie d'un réacteur de dépôt de couches minces de silicium amorphe) ; - La séparation des poudres d'un effluent gazeux (effluent récupéré en sortie d'un réacteur de dépôt de couches minces de silicium amorphe) ; - La concentration du silane dans un mélange silane / hydrogène ; - La séparation des gaz à recycler de l'azote utilisé dans le groupe de pompage soit en ballaste soit en dilution en aval de(s) la chambre(s) ; - La séparation des gaz dopants du silane ou de l'hydrogène ; - La mise à disposition des gaz silane et hydrogène en vue de leur réintroduction dans le réacteur de dépôt et de leur réutilisation pour lesdits dépôts. Une des difficultés consiste à extraire le SiF4 du flux gazeux sans retenir le silane (SiH4) que l'on cherche à récupérer par ailleurs. Dans l'application visée en premier lieu, la composition du flux issu du réacteur de dépôt est de l'ordre de 70% d'azote (N2), 27,9% d'hydrogène (H2), 2% de silane (SiH4) et 0,1 % de tétrafluorure de silicium (SiF4). Cette composition peut variée suivant le réacteur et la recette de dépôt utilisés. Un objectif est de produire un flux gazeux comprenant un taux de SiF4 inférieur à 10 ppm, voire inférieur encore, tout en conservant un taux de SiH4 proche de sa valeur initiale, 2% dans le cas cité ci-dessus. It is therefore necessary to trap SiF4 without retaining SiH4 before sending said stream to the cryogenic portion dedicated to recycling mentioned above. The removal of SiF4 will also have the advantage of avoiding the use of materials compatible with this fluorinated product. The method which is the subject of the present invention can also be used for any other application for which removal of SiF4 is necessary. However, no satisfactory solution has been proposed or implemented so far to efficiently and in an integrated manner the various steps necessary to achieve the recycling of gases used in the manufacture of structures formed in particular of doped silicon films. or not, and deposited in thin layers, from a gas flow containing SiF4. In particular, the documents cited above do not provide answers to this problem. Several ways can be envisaged. The cryogenic trapping path of liquefying or solidifying the SiF4 by cooling, would lead to the trapping of SiF4 but also trapping at least partial SiH4 which is to be avoided according to the problem to be solved above. In addition, it requires the use of cryogenic equipment and the use of a cooling liquid such as liquid nitrogen and therefore all the constraints related to the use of low temperature system. In summary, in order to reduce the consumption of hydrogen and / or silane for the manufacture of systems composed of thin layers of silicon deposited for example by CVD or PVD, such as in particular thin-film photovoltaic silicon cells, the benefits that the solution must provide are, for example: the separation of silicon tetrafluoride from a gaseous effluent (effluent recovered at the outlet of a reactor for depositing thin layers of amorphous silicon); The separation of the powders from a gaseous effluent (effluent recovered at the outlet of an amorphous silicon thin film deposition reactor); The concentration of the silane in a silane / hydrogen mixture; - The separation of the gases to be recycled from the nitrogen used in the pumping unit is in ballast or dilution downstream of (s) the chamber (s); - The separation of the doping gases silane or hydrogen; - The provision of silane and hydrogen gases for reintroduction into the deposition reactor and their reuse for said deposits. One of the difficulties consists in extracting SiF4 from the gas stream without retaining the silane (SiH4) that one seeks to recover elsewhere. In the first application, the composition of the flow from the deposition reactor is of the order of 70% nitrogen (N2), 27.9% hydrogen (H2), 2% silane (SiH4 ) and 0.1% silicon tetrafluoride (SiF4). This composition may vary according to the reactor and the deposit recipe used. One objective is to produce a gas stream comprising a SiF 4 content of less than 10 ppm, or even lower, while keeping a SiH 4 content close to its initial value, 2% in the case cited above.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. En particulier, la présente invention a pour but de réaliser la séparation sélective de SiF4 et SiH4 dans le mélange gazeux en sortie de réacteur afin de recycler le flux de SiH4 en piégeant le SiF4 sous forme solide par le biais d'un adsorbant et en régénérant ledit adsorbant. An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above. In particular, the present invention aims to achieve the selective separation of SiF4 and SiH4 in the gas mixture at the outlet of the reactor in order to recycle the flow of SiH4 by trapping SiF4 in solid form through an adsorbent and regenerating said adsorbent.
A cette fin, l'invention a pour objet un procédé de recyclage de silane comprenant les étapes successives suivantes: a) Injection d'un mélange silane pur/hydrogène pur (SiH4/H2) dans une chambre de réaction (7) pour fabriquer des couches minces contenant du silicium ; b) Extraction du mélange : excès de silane non utilisé à l'étape a) / hydrogène (SiH4/H2), au moyen d'une pompe (8) mettant en oeuvre un gaz d'alimentation ; c) Refoulement de ladite pompe (8) à une pression proche de la pression atmosphérique, d'un mélange comprenant au moins du silane (SiH4), de l'hydrogène (H2), du tétrafluorure de silicium (SiF4) et une quantité non nulle dudit gaz d'alimentation; d) Séparation du tétrafluorure de silicium (SiF4) du mélange silane/hydrogène/gaz d'alimentation issus du mélange issu de l'étape c) ; caractérisé en ce qu'au moins 50%, de préférence 70%, et de préférence encore 80% du silane (SiH4) issu de l'étape b) est réutilisé après l'étape d) pour une nouvelle étape a). Ledit gaz d'alimentation est un gaz lourd permettant l'entraînement de l'hydrogène hors de ladite chambre de réaction ainsi qu'une lubrification de la pompe satisfaisante. Le gaz d'alimentation est par exemple de l'azote, de l'argon ou du 002. De manière préférée, le gaz d'alimentation est l'azote. Par gaz pur on entend des gaz comprenant moins de 100 ppm d'impuretés, par exemple moins de 100 ppm d'azote, voire moins de 1 ppm d'impureté, par exemple moins de 1 ppm d'azote. Les dopants tels que cités plus haut ne sont pas considérés comme des impuretés. La technique de fabrication de couche mince par dépôt de métal sous vide est une pratique très utilisée. A très basse pression (de l'ordre du centième de Pascal), les molécules de vapeur d'un métal se déplacent avec très peu de risque de collision avec d'autres molécules. Le gaz métallique se trouve projeté sur un substrat sans être freiné par les phénomènes de diffusion et sans risque de d'oxydation. La couche obtenue est ainsi très pure et très régulière. Par ailleurs, des modes de réalisation du procédé de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Procédé tel que défini précédemment comprenant en outre une étape de: e) Séparation du silane (SiH4) du mélange hydrogène/gaz d'alimentation issus du mélange issu de l'étape d), ledit silane obtenu comprenant moins de 100 ppm de gaz d'alimentation, de préférence moins de 10 ppm de gaz d'alimentation, de préférence moins de 1 ppm de gaz To this end, the subject of the invention is a silane recycling process comprising the following successive steps: a) Injection of a pure silane / pure hydrogen mixture (SiH4 / H2) into a reaction chamber (7) to manufacture thin layers containing silicon; b) extraction of the mixture: excess silane not used in step a) / hydrogen (SiH4 / H2), by means of a pump (8) using a feed gas; c) Delivery of said pump (8) at a pressure close to atmospheric pressure, of a mixture comprising at least silane (SiH4), hydrogen (H2), silicon tetrafluoride (SiF4) and a non zero of said feed gas; d) Separation of the silicon tetrafluoride (SiF4) from the silane / hydrogen / feed gas mixture resulting from the mixture resulting from stage c); characterized in that at least 50%, preferably 70%, and more preferably 80% of the silane (SiH4) from step b) is reused after step d) for a new step a). Said feed gas is a heavy gas for driving the hydrogen out of said reaction chamber and satisfactory lubrication of the pump. The feed gas is, for example, nitrogen, argon or 002. Preferably, the feed gas is nitrogen. Pure gas is understood to mean gases comprising less than 100 ppm of impurities, for example less than 100 ppm of nitrogen, or even less than 1 ppm of impurity, for example less than 1 ppm of nitrogen. Dopants as mentioned above are not considered as impurities. The technique of manufacturing thin layer by vacuum metal deposition is a widely used practice. At very low pressure (of the order of a hundredth of Pascal), the vapor molecules of a metal move with very little risk of collision with other molecules. The metal gas is projected onto a substrate without being slowed down by diffusion phenomena and without the risk of oxidation. The layer obtained is thus very pure and very regular. Furthermore, embodiments of the method of the invention may comprise one or more of the following characteristics: - Method as defined above further comprising a step of: e) Separation of the silane (SiH4) from the hydrogen / gas mixture feedstock resulting from the mixture resulting from step d), said silane obtained comprising less than 100 ppm of feed gas, preferably less than 10 ppm of feed gas, preferably less than 1 ppm of gas
- Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que lors de l'étape d), le tétrafluorue de silicium contenu dans le mélange issu de l'étape c) réagit avec un adsorbant solide de type nF2,nM, où n = 2 lorsque M est un métal alcalin choisi parmi Li, Na, K, Rb, Cs, Fr et n = 1 lorsque M est un métal alcalino terreux choisi parmi Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. - Procédé tel que défini précédemment comprenant en outre une étape de régénération de l'adsorbant solide par activation thermique à une température supérieure ou égale à 400°C sous balayage d'un gaz neutre vis-à-vis de la réaction de l'étape d), tel que N2, H2, Ar, He. - Procédé tel que défini précédemment caractérisé en ce que l'adsorbant est le fluorure de sodium (NaF). En effet, NaF n'est pas soluble dans l'eau ni hygroscopique, de plus il est un des moins toxiques de tous les fluorures - Process as defined above, characterized in that during step d), the silicon tetrafluoride contained in the mixture resulting from step c) is reacted with a solid adsorbent nF2 type, nM, where n = 2 when M is an alkali metal selected from Li, Na, K, Rb, Cs, Fr and n = 1 when M is an alkaline earth metal selected from Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. - Method as defined above further comprising a step of regenerating the solid adsorbent by thermal activation at a temperature greater than or equal to 400 ° C under a neutral gas sweep vis-à-vis the reaction of the step d), such as N2, H2, Ar, He. - Process as defined above characterized in that the adsorbent is sodium fluoride (NaF). Indeed, NaF is not soluble in water or hygroscopic, moreover it is one of the least toxic of all fluorides
- Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le flux de silane (SiH4) issu de l'étape e) contient moins de 10 ppm de tétrafluorure de silicium (SiF4), et de préférence moins de 1 ppm. - Process as defined above, characterized in that the silane stream (SiH4) from step e) contains less than 10 ppm of silicon tetrafluoride (SiF4), and preferably less than 1 ppm.
- Procédé tel que défini précédemment comprenant en outre une étape de: f) Purification de l'hydrogène (H2) issu de l'étape e) telle que le taux de gaz d'alimentation dans l'hydrogène n'est pas supérieur à 100 ppm, de préférence pas supérieur à 10 ppm et de préférence encore pas supérieur à 1 ppm; caractérisé en ce qu'au moins 50% de l'hydrogène (H2) et de préférence au moins 85% de l'hydrogène issu de l'étape b) est réutilisé après l'étape f) pour une nouvelle étape a). - Method as defined above further comprising a step of: f) purifying the hydrogen (H2) from step e) such that the feed gas rate in the hydrogen is not greater than 100 ppm, preferably not more than 10 ppm and more preferably not more than 1 ppm; characterized in that at least 50% of the hydrogen (H2) and preferably at least 85% of the hydrogen from step b) is reused after step f) for a new step a).
- Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit gaz d'alimentation de la pompe (8) est l'azote (N2). - Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le mélange issu de l'étape c) comprend, de 60% à 75% d'azote (N2), de 20% à 35% d'hydrogène (H2), de 1,5% à 4% de silane (SiH4) et de 0,1% à 0,3% de tétrafluorure de silicium (SiF4), de préférence 70% d'azote (N2), 27,9% d'hydrogène (H2), 2% de silane (SiH4) et 0,1% de tétrafluorure de silicium (SiF4). - Process as defined above, characterized in that said feed gas of the pump (8) is nitrogen (N2). - Process as defined above, characterized in that the mixture resulting from step c) comprises, from 60% to 75% of nitrogen (N 2), from 20% to 35% of hydrogen (H 2), from 1 , 5% to 4% of silane (SiH4) and 0.1% to 0.3% of silicon tetrafluoride (SiF4), preferably 70% of nitrogen (N2), 27.9% of hydrogen (H2 ), 2% silane (SiH4) and 0.1% silicon tetrafluoride (SiF4).
- Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'étape e) est effectuée par séparation et/ou distillation cryogénique. - Procédé tel que défini précédemment caractérisé en ce que l'étape d) consiste à introduire le mélange issu de l'étape c) dans un contenant tel qu'une cartouche, contenant ledit adsorbant solide de type nF2,nM. - Process as defined above, characterized in that step e) is carried out by separation and / or cryogenic distillation. - Process as defined above characterized in that step d) comprises introducing the mixture from step c) into a container such as a cartridge, containing said solid adsorbent nF2 type, nM.
15 - Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que plusieurs cartouches sont placées en parallèle de manière à pouvoir en régénérer les unes pendant que les autres travaillent. 15 - Process as defined above, characterized in that several cartridges are placed in parallel so as to regenerate some while the others work.
- Procédé tel que précédemment défini, comprenant en outre une étape 20 d'adsorption d'eau après compression et avant étape e). En effet, parmi les impuretés présentes dans le mélange issu de l'étape c), il peut se trouver de l'eau. Le moyen d'adsorption est par exemple un PSA ou un TSA. Le dit moyen d'adsorption étant alors présent dans l'appareil (défini ci-dessous) mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. 25 - Procédé tel que précédemment défini, caractérisé en ce que le mélange injecté à l'étape a) comprend moins de 50% de silane (SiH4) dans de l'hydrogène (H2) et de préférence moins de 25%. Le procédé selon l'invention peut aussi être mis en oeuvre pour un mélange injecté à l'étape a) contenant plus de 50% 30 de silane. - Procédé tel que précédemment défini, caractérisé en ce que le rapport : concentration de silane (SiH4) sur concentration d'hydrogène (H2) est contrôlé et ajusté si nécessaire avant réinjection, pour une nouvelle étape a), du10 mélange silane/hydrogène (SiH4/H2) comprenant au moins du silane (SiH4) recyclé selon ledit procédé. - Procédé tel que précédemment défini, caractérisé en ce que la fabrication des couches minces dans la chambre de réaction est faite sous vide. - Method as defined above, further comprising a step of adsorbing water after compression and before step e). Indeed, among the impurities present in the mixture resulting from step c), water may be present. The adsorption means is for example a PSA or a TSA. The said adsorption means being then present in the apparatus (defined below) implementing the method according to the invention. 25 - Process as defined above, characterized in that the mixture injected in step a) comprises less than 50% of silane (SiH4) in hydrogen (H2) and preferably less than 25%. The process according to the invention can also be used for a mixture injected in step a) containing more than 50% of silane. - Process as defined above, characterized in that the ratio: concentration of silane (SiH4) on hydrogen concentration (H2) is controlled and adjusted if necessary before reinjection, for a new step a), of the silane / hydrogen mixture ( SiH4 / H2) comprising at least silane (SiH4) recycled according to said process. - Method as defined above, characterized in that the manufacture of thin layers in the reaction chamber is made under vacuum.
Une caractéristique essentielle du procédé selon l'invention est le recyclage du silane et si nécessaire de l'hydrogène, effectué autrement que sous vide. En effet, le silane est un gaz très réactif avec l'air donc il est très difficile à manipuler autrement qu'en utilisant des membranes ou alors par absorption mais ces techniques ne sont pas satisfaisantes lorsqu'un gaz à recycler requière une exigence de pureté. De plus, la manipulation du silane sous vide représente un grand danger en terme de sécurité dû au risque de la pénétration d'air, d'oxygène ou d'humidité. D'autre part, le fait de mettre en oeuvre un procédé à une pression relativement élevée (à pression atmosphérique ou plus) permet d'optimiser les blocs de l'appareil permettant la réalisation du procédé selon l'invention. L'appareil mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention, fonctionne à une pression au moins égale à la pression atmosphérique, de recyclage d'au moins un gaz mis en oeuvre dans une chambre de réaction sous vide au cours d'un procédé de dépôt pour couche mince comprenant : - une pompe à vide alimentée en gaz d'alimentation ; - au moins un moyen de purification du mélange de gaz aspiré par An essential characteristic of the process according to the invention is the recycling of the silane and, if necessary, hydrogen, carried out otherwise than under vacuum. In fact, silane is a very reactive gas with air so it is very difficult to handle other than using membranes or absorption, but these techniques are not satisfactory when a gas to be recycled requires a purity requirement. . In addition, the handling of silane under vacuum represents a great danger in terms of safety due to the risk of the penetration of air, oxygen or moisture. On the other hand, the fact of implementing a method at a relatively high pressure (at atmospheric pressure or more) optimizes the blocks of the apparatus for carrying out the method according to the invention. The apparatus embodying the process which is the subject of the invention operates at a pressure at least equal to atmospheric pressure, of recycling at least one gas used in a vacuum reaction chamber during a process. deposition apparatus for thin film comprising: - a vacuum pump fed with feed gas; at least one means for purifying the gas mixture sucked by
- au moins un moyen de séparation des gaz issus du mélange at least one means for separating the gases from the mixture
- au moins un moyen de recyclage des gaz séparés vers ladite chambre de réaction. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'appareil mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 30 - Appareil tel que défini précédemment, comprenant en outre un moyen de compression situé en aval du moyen de purification et en amont du moyen de séparation. ladite pompe; at least one means of recycling the separated gases to said reaction chamber. Furthermore, embodiments of the apparatus implementing the method that is the subject of the invention may include one or more of the following features: Apparatus as defined above, further comprising a compression means located downstream purification means and upstream of the separation means. said pump;
purifié ; 25 - Appareil tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le moyen de séparation consiste en un appareil pour séparation de phase cryogénique et/ou distillation cryogénique. - Appareil tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit gaz d'alimentation est l'azote (N2). Un autre objet de l'invention est l'utilisation de l'appareil défini ci-dessus pour la mise en oeuvre d'un procédé défini selon l'invention. L'invention concerne aussi un procédé de dépôt d'un film contenant du silicium mettant en oeuvre au moins un gaz recyclé selon le procédé défini ci-dessus. purified; 25 - Apparatus as defined above, characterized in that the separation means consists of an apparatus for cryogenic phase separation and / or cryogenic distillation. - Apparatus as defined above, characterized in that said feed gas is nitrogen (N2). Another object of the invention is the use of the apparatus defined above for the implementation of a method defined according to the invention. The invention also relates to a method of depositing a silicon-containing film using at least one recycled gas according to the method defined above.
De manière préférée, ce dépôt est fait à l'aide d'un mélange SiH4 (précurseur)/H2 comprenant moins de 50% de silane, de préférence moins de 25%. Le gaz recyclé décrit dans le procédé ci-dessus employé dans le procédé de dépôt selon l'invention est soit le silane précurseur, soit le silane précurseur et l'hydrogène. L'invention s'appuie sur la réaction chimique de certains fluorures avec le SiF4 pour former des complexes solides. Par exemple, d'après les propriétés des hexafluorosilicates il apparait que le tétrafluorure de silicium est susceptible d'être transformé en hexafluorosilicate à température ambiante. Ainsi lorsqu'on souhaite éliminer le SiF4 dudit courant de fluide à traiter, l'adsorption chimique suivante est envisagée : SiF4 (g)+nF2,1zM(s) -Mn[SiF6](s) Avec n=2 si M est un métal alcalin : Li, Na, K, Rb, Cs, Fr Avec n=1 si M est un métal alcalino terreux : Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. D'autres métaux peuvent donner lieu aux hexafluorosilicates, mais leur stabilité est moindre. Tous les fluorures de ce type sont des solides blancs cristallins. Preferably, this deposit is made using an SiH4 (precursor) / H2 mixture comprising less than 50% of silane, preferably less than 25%. The recycled gas described in the above process employed in the deposition process according to the invention is either the precursor silane or the precursor silane and hydrogen. The invention relies on the chemical reaction of certain fluorides with SiF4 to form solid complexes. For example, from the properties of hexafluorosilicates it appears that the silicon tetrafluoride is likely to be converted into hexafluorosilicate at room temperature. Thus, when it is desired to remove SiF4 from said fluid stream to be treated, the following chemical adsorption is envisaged: SiF4 (g) + nF2.1zM (s) -Mn [SiF6] (s) With n = 2 if M is a alkali metal: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr With n = 1 if M is an alkaline earth metal: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. Other metals may give rise to hexafluorosilicates, but their stability is less. All fluorides of this type are crystalline white solids.
La régénération du lit d'adsorbant solide est obtenue par réchauffement et balayage avec un gaz sec et inerte. Une température minimale de 400°C permet d'éliminer 85%, et de préférence 90%, du tetrafluorure de silicium capturé. Le gaz inerte utilisé peut être N2, H2, Ar et tout gaz inerte, et de préférence N2. Par exemple, lors de l'étape de régénération du lit d'adsorbant, lorsque l'adsorbant est le NaF, la réaction chimique suivante se produit : Nat [SiF6 ] chaleur > SiF4 T +2NaF . The regeneration of the solid adsorbent bed is obtained by heating and sweeping with a dry and inert gas. A minimum temperature of 400 ° C makes it possible to eliminate 85%, and preferably 90%, of the captured silicon tetrafluoride. The inert gas used may be N 2, H 2, Ar and any inert gas, and preferably N 2. For example, during the regeneration step of the adsorbent bed, when the adsorbent is NaF, the following chemical reaction occurs: Nat [SiF6] heat> SiF4 T + 2NaF.
Deux colonnes en fonctionnement alterné sont nécessaires pour une opération continue. Dans l'application visée en premier lieu, le recyclage du silane, l'emplacement de ces lits d'adsorbants est en amont du dispositif de séparation cryogénique. Two columns in alternating operation are required for continuous operation. In the intended application first, the recycling of the silane, the location of these adsorbent beds is upstream of the cryogenic separation device.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure 1: - la figure 1 représente un schéma d'un exemple de circuit de recyclage apte à mettre en oeuvre le procédé objet de la présente invention. Sur la figure 1 est représenté un circuit de recyclage (C) comprenant une source 1 de précurseur de silicium, en particulier le gaz silane (SiH4), une source d'hydrogène 2. L'hydrogène peut-être employé en tant que gaz porteur. L'appareil comprend également une source 3 de gaz dopants tels que TMB - TriMethyl Bore, PH3 û phosphine, B2H6 û diborane destinés à la fabrication des couches minces pour les applications mentionnées ci-dessus. D'autres gaz peuvent-être utilisés en fonction de l'application visée. Les gaz issus de ces sources sont ensuite injectés, via les lignes de gaz 4, 5, 6 dans la chambre de réaction 7 où a lieu le dépôt des couches minces. Par exemple, ledit mélange comporte au plus 50% de silane dans l'hydrogène, de préférence moins de 25% de silane. La concentration en éléments dopants est généralement inférieure à 5% et dépend du niveau de dopage voulu et de l'efficacité de dopage du précurseur utilisé. Ainsi, le rapport, en concentrations, entre H2 et SiH4 est choisi avec précision et doit être contrôlé avant d'être introduit dans la chambre de réaction 7. Une fois ledit mélange injecté dans la chambre de réaction 7, le dépôt a lieu. Other features and advantages will appear on reading the description below, made with reference to FIG. 1: FIG. 1 represents a diagram of an example of a recycling circuit able to implement the method that is the subject of the present invention. FIG. 1 shows a recycling circuit (C) comprising a source 1 of silicon precursor, in particular silane gas (SiH4), a source of hydrogen 2. Hydrogen can be used as a carrier gas . The apparatus also includes a source 3 of doping gases such as TMB-TriMethyl Bore, PH3-phosphine, B2H6-diborane for the manufacture of thin films for the above-mentioned applications. Other gases may be used depending on the intended application. The gases from these sources are then injected via the gas lines 4, 5, 6 into the reaction chamber 7 where the deposition of the thin layers takes place. For example, said mixture comprises at most 50% of silane in hydrogen, preferably less than 25% of silane. The concentration of doping elements is generally less than 5% and depends on the desired doping level and the doping efficiency of the precursor used. Thus, the ratio, in concentrations, between H2 and SiH4 is precisely chosen and must be controlled before being introduced into the reaction chamber 7. Once said mixture is injected into the reaction chamber 7, the deposition takes place.
Au cours du dépôt, une quantité du précurseur de silicium, en particulier le silane, préalablement introduit pouvant atteindre jusqu'à 85% n'est pas utilisée lors de la réaction à l'intérieur de la chambre. Un objectif de la présente invention étant de recycler la totalité ou la quasi-totalité de cette quantité non utilisée, les autres composants de l'appareil ont pour utilité le recyclage de ce silane. Selon une variante du procédé selon l'invention, outre le silane, l'hydrogène est également recyclé. En aval de la chambre de réaction 7, une pompe 8 est présente. Cette pompe 8 aspire un mélange: excès de silane non utilisé dans la chambre 7 / hydrogène (SiH4/H2) à travers un conduit 9 dans lequel la pression est de quelques millibars. Ledit mélange peut comprendre en outre des impuretés telles que par exemple H2O, 02, des traces de dopants comme PH3, B2H6, TMB, des particules formées dans le réacteur issues de la décomposition du plasma introduit ainsi que du tétrafluorure de silicium (SiF4) issu de la réaction du SiH4 n'ayant pas réagi dans la chambre 7 avec les éléments fluorés tels que NF3 ou encore F2 ayant servi à nettoyer ladite chambre 7 au préalable et présents sur les parois des conduits de sortie de la chambre 7. La pompe 8 est par exemple alimentée en azote (N2) (utilisé ici comme « gaz d'alimentation » comme défini ci-dessus) en particulier pour ces qualités d'inertage, de lubrifiant et d'entrainement des gaz légers. Il en résulte qu'en sortie de la pompe 8, un mélange comprenant, entre autre, du tétrafluorure de silicium, de l'azote, du silane (en général de 0.01% à 15%) et de l'hydrogène (de 10% à 80 %) circule à une pression proche de la pression atmosphérique dans un conduit 10. Une vanne trois voies 11 peut-être installée afin de diriger le mélange soit vers la canalisation 12 afin de le recycler, soit vers la canalisation 13 et les équipements de retraitement et l'évent. Ceci permet, par exemple, de sélectionner les mélanges, sortant de la chambre de réaction 7, à recycler en fonction des mélanges injectés dans cette même chambre de réaction 7. La vanne 11 permet aussi l'évacuation du mélange venant de la canalisation 10 vers la canalisation 13 en cas de défaillance du circuit de recyclage, de sorte que si le procédé de recyclage selon l'invention ne peut pas fonctionner, l'évacuation des gaz issus de la chambre de réaction 7 a lieu comme dans les systèmes standards de l'état de la technique. Le mélange circulant dans la canalisation 12 peut également comporter des impuretés comme celles qui ont été décrites précédemment. Les exigences de pureté dans les applications visées par la présente invention nécessitent donc une élimination maximale de ces impuretés, c'est pourquoi, un filtre 14 peut être placé à l'extrémité du conduit 12. Ledit filtre 14 est par exemple du type séparateur à effet centrifuge, séparateur inertiel et par sédimentation, séparateur électrique, électrofiltre, filtre à manches, séparateurs humide, laveur. La position du filtre peut être en aval ou en amont d'un moyen de compression 16 (par exemple un compresseur) en fonction des caractéristiques dudit moyen de compression 16. En effet dans le cas ou la force de succion du compresseur est suffisante, le filtre peut être placé en amont, avec cependant un risque de dépression en aval des filtres. Si la force de succion du compresseur est insuffisante, les filtres doivent être placés en aval du compresseur. During the deposition, an amount of the silicon precursor, in particular silane, previously introduced up to 85% is not used during the reaction inside the chamber. An object of the present invention being to recycle all or substantially all of this unused amount, the other components of the apparatus are useful for recycling this silane. According to a variant of the process according to the invention, besides the silane, the hydrogen is also recycled. Downstream of the reaction chamber 7, a pump 8 is present. This pump 8 sucks a mixture: excess silane not used in the chamber 7 / hydrogen (SiH4 / H2) through a conduit 9 in which the pressure is a few millibars. Said mixture may further comprise impurities such as, for example, H 2 O, O 2, traces of dopants such as PH 3, B 2 H 6, TMB, particles formed in the reactor resulting from the decomposition of the introduced plasma as well as silicon tetrafluoride (SiF 4) originating from of the reaction of the unreacted SiH4 in the chamber 7 with the fluorinated elements such as NF3 or F2 having served to clean said chamber 7 beforehand and present on the walls of the outlet ducts of the chamber 7. The pump 8 is for example supplied with nitrogen (N2) (used here as "feed gas" as defined above), in particular for these qualities of inerting, lubricating and driving light gases. As a result, at the outlet of the pump 8, a mixture comprising, inter alia, silicon tetrafluoride, nitrogen, silane (generally from 0.01% to 15%) and hydrogen (by 10%). 80%) circulates at a pressure close to atmospheric pressure in a conduit 10. A three-way valve 11 can be installed to direct the mixture to either the pipe 12 for recycling or to the pipe 13 and equipment reprocessing and venting. This makes it possible, for example, to select the mixtures, leaving the reaction chamber 7, to be recycled according to the mixtures injected into the same reaction chamber 7. The valve 11 also allows the mixture to be discharged from the pipe 10 towards line 13 in case of failure of the recycling circuit, so that if the recycling process according to the invention can not operate, the evacuation of the gases from the reaction chamber 7 takes place as in the standard systems of the state of the art. The mixture circulating in the pipe 12 may also include impurities such as those described above. The purity requirements in the applications targeted by the present invention therefore require a maximum elimination of these impurities, that is why a filter 14 can be placed at the end of the conduit 12. Said filter 14 is for example of the separator type. centrifugal effect, inertial and sedimentation separator, electric separator, electrofilter, bag filter, wet separators, scrubber. The position of the filter may be downstream or upstream of a compression means 16 (for example a compressor) depending on the characteristics of said compression means 16. In fact, in the case where the suction force of the compressor is sufficient, the filter can be placed upstream, with however a risk of depression downstream of the filters. If the suction force of the compressor is insufficient, the filters must be placed downstream of the compressor.
Le mélange ainsi filtré circule dans un conduit 15 vers un moyen de compression 16. En sortie de ce moyen de compression 16, la pression du mélange comportant au moins du silane, de l'hydrogène et de l'azote est comprise entre 2 bars et 35 bars, de préférence comprise entre 8 bars et 10 bars. La pression préférée est celle qui permet d'aboutir au meilleur compromis entre la taille des équipements de l'appareil (C) selon l'invention et le coût de l'énergie permettant d'élever la pression de travail. Ladite taille des équipements étant réduite lorsque la pression est élevée, mais le coût de l'énergie à dépenser pour aboutir à une pression élevé est à prendre en considération. 1 bar = 105 Pa. En amont du compresseur 16, le circuit comporte un moyen d'adsorption ou réacteur de piégeage 40 comprenant par exemple au moins une colonne d'adsorbant de type fluorure de métal nF2,nM, où n = 2 lorsque M est un métal alcalin choisi parmi Li, Na, K, Rb, Cs, Fr et n = 1 lorsque M est un métal alcalino terreux choisi parmi Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. Le flux gazeux circulant en amont de ce moyen d'adsorption 40 contient du silane, du tétrafluorure de silicium, de l'hydrogène et de l'azote. Seul le SiF4 réagit avec l'adsorbant, selon le bilan réactionnel: SiF4 (g)+nF2,1zM(s) -Mn[SiF6](s) De préférence, le moyen d'adsorption 40 contient au moins deux colonnes situées en parallèle de sorte que lorsqu'une colonne est régénérée, l'autre sert à adsorber le flux de SiF4. The mixture thus filtered flows in a duct 15 to a compression means 16. At the outlet of this compression means 16, the pressure of the mixture comprising at least silane, hydrogen and nitrogen is between 2 bar and 35 bar, preferably between 8 bar and 10 bar. The preferred pressure is that which leads to the best compromise between the size of the equipment of the apparatus (C) according to the invention and the cost of energy to raise the working pressure. Said equipment size being reduced when the pressure is high, but the cost of energy to spend to achieve high pressure is to be considered. 1 bar = 105 Pa. Upstream of the compressor 16, the circuit comprises an adsorption means or trapping reactor 40 comprising for example at least one metal fluoride adsorbent column nF2, nM, where n = 2 when M is an alkali metal selected from Li, Na, K, Rb, Cs, Fr and n = 1 when M is an alkaline earth metal selected from Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. The gaseous flow circulating upstream of this adsorption means 40 contains silane, silicon tetrafluoride, hydrogen and nitrogen. Only SiF4 reacts with the adsorbent, according to the reaction balance: SiF4 (g) + nF2.1zM (s) -Mn [SiF6] (s) Preferably, the adsorption means 40 contains at least two columns situated in parallel so that when one column is regenerated, the other serves to adsorb the SiF4 stream.
Ainsi, la présente invention a pour but de réaliser la séparation sélective de SiF4 et SiH4 dans le mélange gazeux en sortie de réacteur 7 afin de recycler le flux de SiH4 en piégeant le SiF4 sous forme solide par le biais d'un adsorbant 40 et en régénérant ledit adsorbant. Plusieurs types d'adsorption sont décrits ci-dessous : 1) Cas où le moyen d'adsorption, le réacteur de piéqeaqe 40 est une technoloqie type TSA (Temperature swinq adsorption). Thus, the purpose of the present invention is to carry out the selective separation of SiF4 and SiH4 in the gas mixture at the reactor outlet 7 so as to recycle the SiH 4 stream by trapping SiF4 in solid form by means of an adsorbent 40 and regenerating said adsorbent. Several types of adsorption are described below: 1) In the case where the adsorption means, the reactor 40 is a technology type TSA (Temperature swinq adsorption).
L'adsorbant proposé est le fluorure de sodium. : SiF4(g) +2NaF(s) Na2SiF6(s) Na2SiF6(s) 400°C ~2NaF(s) +SiF4(g) Le système est composé d'au moins deux bidons contenant l'adsorbant considéré. Ce dernier pourra être utilisé en masse ou bien déposé sur substrat. Le cycle typique pour l'un des bidons pourra se dérouler comme suit. Dans une première phase, le mélange gazeux N2/H2/SiH4/SiF4 est injecté dans le bidon. Le flux gazeux traversera ainsi la charge d'adsorbant où la réaction entre le fluorure de sodium et le SiF4 pourra avoir lieu. La longueur et la section du bidon devront être calculées afin que le temps de passage du gaz dans cette section soit suffisant pour que la totalité du SiF4 réagisse. Un flux gazeux N2/H2/SiH4 est ainsi récupéré en tête de bidon. Dans la seconde phase du cycle, l'injection de N2/H2/SiH4/SiF4 est arrêtée. Un flux de gaz dit neutre, par exemple N2, Ar ou H2, est alors injecté dans le bidon. Celui-ci est chauffé à la température de régénération souhaitée (par exemple 400°C). En sortie du réacteur est alors récupéré le gaz neutre chargé en SiF4 libéré par l'adsorbant. Ce flux de gaz est alors dirigé, par exemple, vers des équipements de retraitement. Lorsque la régénération est terminée, le bidon est refroidi et peut-être réutilisé pour l'adsorption. Ce type de cycle est utilisé de manière alternée sur deux bidons ou plus afin qu'il y ait toujours un bidon disponible pour la phase d'adsorption. The proposed adsorbent is sodium fluoride. : SiF4 (g) + 2NaF (s) Na2SiF6 (s) Na2SiF6 (s) 400 ° C ~ 2NaF (s) + SiF4 (g) The system is composed of at least two cans containing the adsorbent in question. The latter can be used in bulk or deposited on substrate. The typical cycle for one can will be as follows. In a first phase, the gas mixture N2 / H2 / SiH4 / SiF4 is injected into the can. The gas stream will thus pass through the adsorbent feedstock where the reaction between sodium fluoride and SiF4 can take place. The length and section of the can should be calculated so that the gas passage time in this section is sufficient for all SiF4 to react. An N2 / H2 / SiH4 gas stream is thus recovered at the top of the can. In the second phase of the cycle, the injection of N2 / H2 / SiH4 / SiF4 is stopped. A so-called neutral gas flow, for example N2, Ar or H2, is then injected into the can. This is heated to the desired regeneration temperature (eg 400 ° C). At the outlet of the reactor is then recovered the neutral gas loaded with SiF4 released by the adsorbent. This flow of gas is then directed, for example, to reprocessing equipment. When regeneration is complete, the can is cooled and can be reused for adsorption. This type of cycle is used alternately on two cans or more so that there is always a can available for the adsorption phase.
2) Cas où le moyen d'adsorption, le réacteur de piéqeaqe 40 est une technoloqie de lit fluidisé. Le mélange gazeux SiH4/SiF4 issu du filtre 14 est injecté dans le moyen 40 d'adsorption contenant un premier réacteur contenant une charge solide d'adsorbant. Par exemple, l'adsorbant est composé de fluorure de sodium en masse ou déposé sur substrat. L'injection du mélange gazeux se fera de façon à créer un régime de bulles : la charge solide est fluidisée mais pas entraînée par le courant gazeux. La réaction suivante aura lieu: SiF4(g) + 2NaF(s) Na2SiF6(s) Ce premier lit fluidisé est connecté à un second par un sous-titrage continu de solide en pied de réacteur. L'entraînement de solide à travers la connexion pourra se faire par fluidisation à l'azote ou par un système mécanique de déplacement de solide. Le solide est alors fluidisé par un courant d'azote au-delà de la vitesse de minimum de fluidisation afin de créer un riser : le solide est entraîné par le flux gazeux dans le réacteur jusqu'à son sommet. Afin de régénérer le lit, les parois du réacteur sont chauffées à 400°C pour favoriser la réaction de décomposition de l'hexafluorure de sodium : Na2SiF6(s) 400°c > 2NaF(s) + SiF4(g) Le mélange de gaz et de solides est alors séparé par un cyclone : les gaz chargés de tetrafluorosilane SiF4 sont collectés pour traitement alors que le solide sera réinjecté dans le premier réacteur. Pour éviter toute fuite de gaz du cyclone (chargé en SiF4) vers le premier réacteur (chargé en SiH4), la connexion entre le cyclone et le premier réacteur intégrera un siphon dont la perte de charge sera suffisante pour éviter le mélange entre les gaz de qualités différentes. 3) Cas où le moyen d'adsorption, le réacteur de piéqeaqe 40 est une technoloqie de lit dense. L'adsorbant proposé est le fluorure de sodium. Il a été sélectionné pour réagir avec les SiF4 et pour la réversibilité de cette réaction : SiF4(g) +2NaF(s) Na2SiF6(s) Na2SiF6(s) 400°c > 2NaF(s) + SiF4(g) L'adsorbant est donc injecté en entrée de réacteur et son écoulement pourra être assuré par son injection continue ou par déplacement mécanique. Il pourra être utilisé en masse ou bien déposé sur substrat. Le mélange gazeux N2/H2/SiH4/SiF4 est injecté à contre-courant de l'écoulement de solides au premier tiers du réacteur. Le flux gazeux traversera ainsi à contre-courant le premier tiers du réacteur, où la réaction entre le fluorure de sodium et le SiF4 pourra avoir lieu. La longueur de cette section du réacteur et la vitesse d'injection du gaz devront être calculées afin que le temps de passage du gaz dans cette section soit suffisant pour que la totalité du SiF4 réagisse. Un flux gazeux N2/H2/SiH4 est ainsi récupéré en tête de réacteur. Au niveau de l'injection du gaz à traiter, le lit dense est ainsi constitué d'un mélange NaF/Na2SiF6. La seconde moitié du réacteur est alors chauffée à 400°C pour favoriser la réaction de régénération de l'adsorbant. Un courant gazeux d'azote est également introduit à co-courant du solide pour contrôler le flux gazeux dans cette seconde moitié du réacteur et éviter que le silane libéré par la régénération ne puisse se mélanger de nouveau au gaz injecté. Une zone tampon entre l'injection du gaz initial et l'injection d'azote peut également être considérée pour maximiser cet effet. En sortie de réacteur, le lit dense est majoritairement constitué de NaF qui pourra alors être injecté de nouveau en tête de réacteur et le mélange gazeux SiF4/N2 sera collecté pour traitement. 2) When the adsorption means, the reactor 40 is a fluidized bed technology. The gas mixture SiH4 / SiF4 from the filter 14 is injected into the adsorption means 40 containing a first reactor containing a solid charge of adsorbent. For example, the adsorbent is composed of sodium fluoride in bulk or deposited on a substrate. The injection of the gas mixture will be done so as to create a bubble regime: the solid charge is fluidized but not driven by the gas stream. The following reaction will take place: SiF4 (g) + 2NaF (s) Na2SiF6 (s) This first fluidized bed is connected to a second by continuous subtitling of solid at the bottom of the reactor. The solid drive through the connection can be done by fluidization with nitrogen or by a mechanical system of solid displacement. The solid is then fluidized by a stream of nitrogen beyond the minimum fluidization speed to create a riser: the solid is driven by the gas flow in the reactor to its top. In order to regenerate the bed, the walls of the reactor are heated to 400 ° C to promote the decomposition reaction of sodium hexafluoride: Na2SiF6 (s) 400 ° c> 2NaF (s) + SiF4 (g) The gas mixture and solids is then separated by a cyclone: the tetrafluorosilane SiF4 loaded gases are collected for treatment while the solid will be reinjected into the first reactor. To avoid any gas leakage from the cyclone (loaded with SiF4) to the first reactor (loaded with SiH4), the connection between the cyclone and the first reactor will incorporate a siphon whose pressure drop will be sufficient to prevent mixing between the gases. different qualities. 3) When the adsorption means, the reactor 40 is a dense bed technology. The proposed adsorbent is sodium fluoride. It was selected to react with SiF4 and for the reversibility of this reaction: SiF4 (g) + 2NaF (s) Na2SiF6 (s) Na2SiF6 (s) 400 ° c> 2NaF (s) + SiF4 (g) The adsorbent is therefore injected into the reactor inlet and its flow can be ensured by continuous injection or mechanical displacement. It can be used in bulk or deposited on substrate. The gaseous mixture N2 / H2 / SiH4 / SiF4 is injected countercurrently with the flow of solids in the first third of the reactor. The gas flow will thus cross-flow the first third of the reactor, where the reaction between sodium fluoride and SiF4 can take place. The length of this section of the reactor and the rate of injection of the gas will have to be calculated so that the passage time of the gas in this section is sufficient for all the SiF4 to react. An N2 / H2 / SiH4 gas stream is thus recovered at the reactor head. At the level of the injection of the gas to be treated, the dense bed thus consists of a NaF / Na 2 SiF 6 mixture. The second half of the reactor is then heated to 400 ° C to promote the regeneration reaction of the adsorbent. A gaseous stream of nitrogen is also introduced cocurrently with the solid to control the gaseous flow in this second half of the reactor and to prevent the silane released by the regeneration from being able to mix again with the injected gas. A buffer zone between initial gas injection and nitrogen injection may also be considered to maximize this effect. At the outlet of the reactor, the dense bed consists mainly of NaF which can then be injected again at the reactor head and the SiF4 / N2 gas mixture will be collected for treatment.
Ce moyen de mise en oeuvre du procédé de l'invention est proposé pour un écoulement piston horizontal du lit fluidisé et a également été envisagé pour un réacteur vertical : le solide serait alors injecté au sommet du réacteur et son écoulement se ferait par gravité sans nécessité de moyen mécanique ni d'injection intermédiaire d'azote. 4) Cas où le moyen d'adsorption, le réacteur de piéqeaqe 40 est une technoloqie lit dense multi-étaqé. Dans un lit dense unique, le mélange gazeux N2/H2/SiH4/SiF4 est injecté simultanément avec l'adsorbant en entrée du réacteur et à co-courant de l'écoulement. L'avancement du solide à travers le réacteur sera assuré par son injection continue et par entraînement gazeux. En cas de transport insuffisant, on pourra adjoindre un dispositif de déplacement mécanique. L'adsorbant pourra être utilisé en masse ou bien déposé sur substrat. Dans une première section du réacteur, non chauffée, la réaction entre NaF et SiF4 se déroulera. La longueur de cette section devra être calculée pour atteindre un rendement d'adsorption de 100%. Les paramètres influents seront le débit de solide, le débit de gaz et la teneur en SiF4 du gaz. Un flux gazeux N2/H2/SiH4 est ainsi récupéré en fin de première section. A ce point, le lit est donc constitué d'un mélange NaF/Na2SiF6. La seconde moitié du réacteur est alors chauffée à 400°C pour favoriser la réaction de régénération de l'adsorbant. Une zone tampon entre le début de la zone de chauffe et la sortie du mélange N2/H2/SiH4 est prévue afin d'éviter un reflux du gaz SiF4. On prévoit également une sortie gaz en entrée de la zone de chauffe afin de récupérer les gaz résiduels et le SiF4 présent. This means of carrying out the process of the invention is proposed for a horizontal piston flow of the fluidized bed and has also been envisaged for a vertical reactor: the solid would then be injected at the top of the reactor and its flow would be by gravity without necessity. mechanical means or intermediate injection of nitrogen. 4) In the case where the adsorption means, the piezoelectric reactor 40 is a dense multi-etaqe bed technology. In a single dense bed, the gaseous mixture N 2 / H 2 / SiH 4 / SiF 4 is injected simultaneously with the adsorbent at the inlet of the reactor and at the co-current of the flow. The advancement of the solid through the reactor will be ensured by its continuous injection and by gas entrainment. In case of insufficient transport, we can add a mechanical displacement device. The adsorbent may be used in bulk or deposited on a substrate. In a first unheated reactor section, the reaction between NaF and SiF4 will proceed. The length of this section should be calculated to achieve an adsorption efficiency of 100%. The influential parameters will be the solid flow rate, the gas flow rate and the SiF4 content of the gas. An N2 / H2 / SiH4 gas stream is thus recovered at the end of the first section. At this point, the bed therefore consists of a NaF / Na 2 SiF 6 mixture. The second half of the reactor is then heated to 400 ° C to promote the regeneration reaction of the adsorbent. A buffer zone between the start of the heating zone and the outlet of the N 2 / H 2 / SiH 4 mixture is provided in order to avoid reflux of the SiF 4 gas. A gas outlet is also provided at the inlet of the heating zone in order to recover the residual gases and the SiF4 present.
En sortie de réacteur, le lit dense est majoritairement constitué de NaF qui pourra alors être injecté de nouveau en tête de réacteur et le gaz, constitué majoritairement de SiF4 sera collecté pour traitement. Cette approche exploitant un seul lit dense requiert une très grande précision de contrôle et de conception du réacteur pour que les zones réactionnelles soient bien définies. Cela implique également une flexibilité moindre du procédé vis-à-vis des variations de débits du gaz ainsi que de la teneur en SiF4 du gaz injecté. Une méthode permettant de s'affranchir de ces inconvénients consiste à adopter un procédé à double lit dense. Cette configuration simplifie la gestion des flux gazeux dans les lits de particules et évite le risque de contamination du flux gazeux nettoyé. En contrepartie, il requiert l'injection d'azote dans le second lit pour maintenir l'écoulement gazeux et l'entraînement du SiF4 dégagé par régénération de l'adsorbant. 5) Cas où le moyen d'adsorption, le réacteur de piéqeaqe 40 comprend au moins une cartouche rotative d'adsorbants. La cartouche d'adsorbants est constituée de fluorure de sodium compacté et divisée en plusieurs sections, certaines chauffées et d'autres non. Le mélange gazeux N2/H2/SiH4/SiF4 est injecté dans les sections non chauffées pour adsorber le SiF4 qui va réagir et former Na2SiF6. Le gaz purifié N2/H2/SiH4 est ainsi récupéré. L'adsorbant pourra être utilisé en masse ou bien déposé sur substrat. Le principe du système est de tourner à une vitesse donnée autour de son axe central, ce qui permettra ainsi au solide de passer progressivement de zones froides à des zones chauffées à 400°C puis retourner aux zones froides. Ce procédé propose d'adsorber le SiF4 dans la zone froide en injectant le gaz à purifier parallèlement à l'axe. Le solide tournant se charge progressivement en Na2SiF6 et entre progressivement dans les zones chauffées. Une fois la température optimale de régénération de l'adsorbant atteinte (estimée à 400°C), un courant gazeux d'azote préchauffé est injecté parallèlement à l'axe mais à contre-courant de l'injection initiale pour minimiser la migration du SiF4 dans la cartouche. A la sortie de cette zone chauffée, l'adsorbant retourne progressivement à la zone froide d'adsorption en se refroidissant. Pour optimiser ce refroidissement, la vitesse de rotation de la cartouche est le principal paramètre. On peut également accélérer ce refroidissement en prévoyant l'injection d'azote froid dans l'adsorbant, ce qui présenterait l'avantage d'entraîner les traces de SiF4 dans l'adsorbant. Les principaux paramètres de dimensionnement de cette unité seront : ^ Le débit du flux de gaz N2/H2/SiH4/SiF4 et sa composition ; • La granulométrie du solide NaF ; • La hauteur de la cartouche ; • La vitesse de rotation de la cartouche. At the outlet of the reactor, the dense bed consists mainly of NaF which can then be injected again at the reactor head and the gas, consisting mainly of SiF4 will be collected for treatment. This approach using a single dense bed requires a very high accuracy of control and design of the reactor so that the reaction zones are well defined. This also implies a less flexibility of the process vis-à-vis gas flow rate variations as well as the SiF4 content of the injected gas. One method to overcome these disadvantages is to adopt a dense double bed process. This configuration simplifies the management of the gas flows in the particle beds and avoids the risk of contamination of the cleaned gas stream. In return, it requires the injection of nitrogen into the second bed to maintain the gas flow and entrainment of the SiF4 released by regeneration of the adsorbent. 5) In the case where the adsorption means, the pore reactor 40 comprises at least one rotating cartridge of adsorbents. The adsorbent cartridge consists of compacted sodium fluoride and is divided into several sections, some heated and others not. The N2 / H2 / SiH4 / SiF4 gas mixture is injected into the unheated sections to adsorb the SiF4 which will react and form Na2SiF6. The purified gas N2 / H2 / SiH4 is thus recovered. The adsorbent may be used in bulk or deposited on a substrate. The principle of the system is to rotate at a given speed around its central axis, which will allow the solid to progressively move from cold areas to heated areas at 400 ° C and return to cold areas. This method proposes to adsorb SiF4 in the cold zone by injecting the gas to be purified parallel to the axis. The solid rotating progressively charges Na2SiF6 and gradually enters the heated zones. Once the optimum adsorbent regeneration temperature reached (estimated at 400 ° C), a preheated nitrogen gas stream is injected parallel to the axis but counter-current to the initial injection to minimize migration of SiF4 in the cartridge. At the exit of this heated zone, the adsorbent gradually returns to the cold adsorption zone while cooling. To optimize this cooling, the speed of rotation of the cartridge is the main parameter. This cooling can also be accelerated by providing for the injection of cold nitrogen into the adsorbent, which would have the advantage of causing traces of SiF4 in the adsorbent. The main dimensioning parameters of this unit will be: ^ The flow rate of the N2 / H2 / SiH4 / SiF4 gas flow and its composition; • The particle size of the solid NaF; • The height of the cartridge; • The rotational speed of the cartridge.
Selon une variante de l'invention, une capacité tampon 18 peut-être installée afin de lisser les variations de flux du mélange circulant dans la canalisation 17 en aval dudit moyen de compression 16. La taille et la manière de connecter cette capacité 16 à la canalisation 17 dépendent des flux utilisés et du mode de fonctionnement désiré. According to a variant of the invention, a buffer capacity 18 can be installed in order to smooth the flow variations of the mixture circulating in the pipe 17 downstream of said compression means 16. The size and the manner of connecting this capacity 16 to the pipe 17 depend on the flows used and the desired operating mode.
Selon une variante de l'invention, un ou plusieurs systèmes d'élimination d'impuretés pourra être disposé autour du module de compression. En effet, la localisation exacte permettra d'éliminer une majorité d'une ou de plusieurs impuretés préjudiciables à la suite du procédé. La présence de fluorés peut engendrer des problèmes par exemple de corrosion ou de tenue mécanique des matériaux présents dans l'appareil selon l'invention. Le coût peut être aussi élevé si la présence de composés fluorés nécessite l'utilisation de matériaux particulièrement adaptés donc chers. Le compresseur 16 est particulièrement visé par ces possibles problèmes. Alors, un système d'élimination 19 sera de préférence placé en amont du système de compression 16. Bien entendu, en l'absence d'impuretés préjudiciables, aucun système d'élimination nécessaire n'est à ajouter. Selon une variante de l'invention, un moyen de séparation 19 fonctionnant par exemple sur le principe de l'adsorption (par exemple, PSA, TSA : en anglais, Pressure or Thermal Swing Absorption) est situé en aval du moyen de compression 16 dans le but est d'adsorber les impuretés telles que par exemple H2O, 02 ou des composés fluorés voire chlorés. Dans le conduit 20 en sortie du moyen de séparation 19, circule un mélange azote/silane/hydrogène, la pression étant de quelques bars. Un des objectifs de la présente invention est de recycler des gaz, tels que le silane et l'hydrogène, purs. Par gaz pur on entend des gaz comprenant moins de 100 ppm d'impuretés, par exemple moins de 100 ppm d'azote, voire moins de 1 ppm d'impureté, par exemple moins de 1 ppm d'azote. Ces spécifications dépendent de l'application visée. Or le recyclage à une pression de quelques bars d'un mélange de gaz (silane/hydrogène) comprenant moins de 100 ppm d'azote, de préférence moins de 1 ppm d'azote, issu d'un mélange initial (silane/hydrogène) pouvant contenir jusqu'à 90% d'azote est un problème technique à résoudre par la présente invention. C'est pourquoi, un dispositif de séparation cryogénique 21 est situé en aval dudit conduit 20. Un système cryogénique 21, permet de condenser, voire solidifier, le silane (SiH4) et assure donc la séparation de SiH4. En fonction des conditions de séparation (pression et température), la phase de silane condensée peut contenir plus ou moins d'azote et d'autres produits lourds. Une purification supplémentaire du silane (colonne à distiller ou TSA par exemple) peut être envisagée suivant les spécifications demandées. En particulier, l'obtention d'un taux d'azote inférieur à 1 ppm peut être efficacement obtenue à l'aide d'une colonne à distiller 23 qui est alimentée par le mélange condensé dans le séparateur 21 et circulant dans la canalisation 22. Par exemple, la colonne à distiller 23 peut-être configurée pour permettre d'éliminer les impuretés dites légères par la canalisation 25 et les impuretés dites lourdes par la canalisation 26. Le silane ayant la pureté souhaitée est alors récupéré dans la canalisation 24. Il existe différentes méthodes pour réinjecter le SiH4 purifié dans le réacteur. Soit de manière directe en renvoyant directement le flux dans le système de distribution de SiH4, soit en passant par des capacités tampon voire du remplissage de bouteilles. De manière préférée, la solution selon l'invention met en oeuvre des capacités tampon (27) qui permettent d'adapter les flux de sortie de la colonne à la demande en gaz du système de distribution. En particulier, un système mettant en oeuvre deux capacités tampon en parallèle, permet de remplir une capacité pendant que l'autre se vide et d'avoir donc un découplage total entre le flux de sortie de la colonne et le flux demandé par le système de distribution. Le remplissage de ces capacités peut par exemple se faire par cryo-remplissage, mode bien connu dans le domaine des gaz produits par voies cryogéniques. According to a variant of the invention, one or more systems for removing impurities may be arranged around the compression module. Indeed, the exact location will eliminate a majority of one or more harmful impurities following the process. The presence of fluorine may cause problems for example corrosion or mechanical strength of the materials present in the apparatus according to the invention. The cost can be as high if the presence of fluorinated compounds requires the use of particularly suitable materials so expensive. The compressor 16 is particularly targeted by these possible problems. Then, an elimination system 19 will preferably be placed upstream of the compression system 16. Of course, in the absence of detrimental impurities, no necessary elimination system is to be added. According to a variant of the invention, a separation means 19 operating for example on the principle of adsorption (for example, PSA, TSA: English, or Pressure or Thermal Swing Absorption) is located downstream of the compression means 16 in the purpose is to adsorb impurities such as for example H 2 O, O 2 or fluorinated or chlorinated compounds. In the conduit 20 at the outlet of the separation means 19, a nitrogen / silane / hydrogen mixture circulates, the pressure being a few bars. One of the objectives of the present invention is to recycle gases, such as silane and hydrogen, pure. Pure gas is understood to mean gases comprising less than 100 ppm of impurities, for example less than 100 ppm of nitrogen, or even less than 1 ppm of impurity, for example less than 1 ppm of nitrogen. These specifications depend on the intended application. Or the recycling at a pressure of a few bars of a gas mixture (silane / hydrogen) comprising less than 100 ppm of nitrogen, preferably less than 1 ppm of nitrogen, resulting from an initial mixture (silane / hydrogen) which can contain up to 90% nitrogen is a technical problem to be solved by the present invention. Therefore, a cryogenic separation device 21 is located downstream of said conduit 20. A cryogenic system 21, allows to condense or even solidify the silane (SiH4) and thus ensures the separation of SiH4. Depending on the separation conditions (pressure and temperature), the condensed silane phase may contain more or less nitrogen and other heavy products. Further purification of the silane (distillation column or TSA for example) may be considered according to the required specifications. In particular, obtaining a nitrogen content of less than 1 ppm can be efficiently obtained using a distillation column 23 which is fed by the condensed mixture into the separator 21 and flowing in the pipe 22. For example, the distillation column 23 may be configured to allow removal of the so-called light impurities through the pipe 25 and the so-called heavy impurities via the pipe 26. The silane having the desired purity is then recovered in the pipe 24. There are various methods to reinject the purified SiH4 into the reactor. Either directly by directly returning the flow into the SiH4 distribution system, or by passing buffer capacity or even filling bottles. Preferably, the solution according to the invention uses buffer capacities (27) which make it possible to adapt the output streams of the column to the gas demand of the distribution system. In particular, a system implementing two buffering capacitors in parallel makes it possible to fill one capacity while the other is emptying and thus to have a total decoupling between the output flow of the column and the flow requested by the control system. distribution. The filling of these capacities can for example be done by cryo-filling, a mode well known in the field of gases produced by cryogenic routes.
Selon une variante de l'invention, le silane ainsi recyclé et purifié est réinjecté dans la canalisation 4 via la canalisation 28. Le mélange N2/H2 ressortant à quelques bars, de l'étape de séparation effectuée par le système 21, à travers un conduit 29 peut ensuite être séparé à l'aide d'une membrane 30 pour permettre le recyclage de l'hydrogène H2 si nécessaire. En effet, la distillation du mélange hydrogène/azote n'est pas très aisée du fait des très faibles températures nécessaires. L'obtention d'hydrogène pur avec moins de 100 ppm d'azote, voire moins de 1 ppm d'azote, est classiquement obtenue en utilisant des systèmes basés sur l'adsorption (PSA, adsorption cryogénique ...). Cependant, pour être pleinement opérationnels, ces types d'équipements nécessitent un flux d'entrée ayant des taux d'azote limités (inférieur à environ 20% pour un PSA ou inférieur à 5000 ppm pour un système de cryo-adsorption). L'utilisation d'une membrane permet, à moindre cout, d'appauvrir le mélange en azote de manière à le faire correspondre aux spécifications d'un éventuel système de purification se trouvant en aval. L'azote issu de la séparation avec l'hydrogène pur est de préférence évacué du système (C) au moyen par exemple, d'un évent 31. Une partie de l'azote issu de cette séparation peut également être employé par recyclage pour alimenter la pompe 8, au moyen d'un conduit de recyclage 32. La réutilisation de l'azote n'est probablement financièrement pas pertinente du fait du faible coût de l'azote. On préférera donc mettre l'azote à l'évent 31 plutôt que de le recycler vers la pompe à vide 8 de la chambre de réaction 7. A la sortie de la membrane 30 par laquelle circule l'hydrogène purifié, l'hydrogène sortant de la membrane peut être utilisé pour la régénération du système de séparation 19 via une canalisation non représentée sur la figure 1 ou alors être aussi réinjecté (recyclé) dans la chambre de réaction 7 via une conduite 33 après avoir subit une purification supplémentaire si nécessaire. Cette purification supplémentaire peut se faire, par exemple par PSA ou par cryoadsoprtion en fonction des spécifications de pureté requises. Selon une variante de l'invention, l'hydrogène circulant dans la canalisation 33 est compressé à l'aide d'un moyen de compression 34 puis acheminé vers le système de purification 36 via la canalisation 35. Le fait de compresser le gaz permet d'optimiser la purification. Par exemple, en cas d'utilisation d'un PSA, la pression de fonctionnement de l'ordre de 25 bars. According to a variant of the invention, the silane thus recycled and purified is reinjected into the pipe 4 via the pipe 28. The mixture N2 / H2 standing out a few bars, from the separation step performed by the system 21, through a conduit 29 can then be separated by means of a membrane 30 to allow the hydrogen H2 to be recycled if necessary. Indeed, the distillation of the hydrogen / nitrogen mixture is not very easy because of the very low temperatures required. Obtaining pure hydrogen with less than 100 ppm of nitrogen, or even less than 1 ppm of nitrogen, is conventionally obtained using systems based on adsorption (PSA, cryogenic adsorption, etc.). However, to be fully operational, these types of equipment require an input stream with limited nitrogen levels (less than about 20% for a PSA or less than 5000 ppm for a cryo-adsorption system). The use of a membrane makes it possible, at a lower cost, to deplete the nitrogen mixture so as to match the specifications of a possible purification system downstream. The nitrogen resulting from the separation with pure hydrogen is preferably removed from the system (C) by means of, for example, a vent 31. Part of the nitrogen resulting from this separation can also be used by recycling to supply the pump 8, by means of a recycling conduit 32. The reuse of nitrogen is probably not financially relevant because of the low cost of nitrogen. It will therefore be preferable to put the nitrogen in the vent 31 rather than to recycle it to the vacuum pump 8 of the reaction chamber 7. At the outlet of the membrane 30 through which the purified hydrogen circulates, the hydrogen leaving the the membrane can be used for the regeneration of the separation system 19 via a pipe not shown in Figure 1 or also be reinjected (recycled) in the reaction chamber 7 via a pipe 33 after further purification if necessary. This additional purification can be done, for example by PSA or by cryoadsoprtion according to the required purity specifications. According to a variant of the invention, the hydrogen flowing in the pipe 33 is compressed using a compression means 34 and then conveyed to the purification system 36 via the pipe 35. The fact of compressing the gas makes it possible to optimize purification. For example, when using a PSA, the operating pressure of the order of 25 bar.
L'hydrogène ainsi recyclé et purifié peut être, par exemple réinjecté dans la canalisation 5 à l'aide de la canalisation 37. Selon une variante de l'invention, une ou plusieurs capacités 38 peuvent être utilisées afin de stocker l'hydrogène et de découpler ainsi le flux d'hydrogène recyclé du flux demandé par l'application. Selon une autre variante de l'invention, l'hydrogène recyclé peut être réinjecté dans la capacité servant de source d'hydrogène 2. Selon une variante de l'invention, la composition des flux de gaz recyclés peut être contrôlée par un système adéquat (FTIR, catharomètre ...) connecté soit sur les canalisations 28 et/ou 37, soit sur les capacités 27 et/ou 38. Les différentes grandeurs mesurées peuvent ainsi être renvoyées à un système de supervision qui peut agir sur les débits des gaz frais injectés afin de contrôler le procédé. Une autre methode de contrôle de la qualité des gaz recyclés consiste à effectuer un prélèvement des dits gaz sur les lignes 28 et/ou 37 ou dans les capacités 27 et/ou 38, puis de réaliser une analyse ex-situ des ces prélèvements. The hydrogen thus recycled and purified can be, for example reinjected into line 5 using line 37. According to a variant of the invention, one or more capacities 38 can be used to store hydrogen and thus decoupling the flow of recycled hydrogen from the flow required by the application. According to another variant of the invention, the recycled hydrogen can be reinjected into the hydrogen source capacity 2. According to a variant of the invention, the composition of the recycled gas streams can be controlled by a suitable system ( FTIR, katharometer ...) connected either on the pipes 28 and / or 37, or on the capacitors 27 and / or 38. The different quantities measured can thus be sent back to a supervision system which can act on the flow rates of the fresh gases injected to control the process. Another method for controlling the quality of the recycled gases is to take a sample of said gases on the lines 28 and / or 37 or in the capacities 27 and / or 38, and then perform an ex-situ analysis of these samples.
Selon un mode de l'invention, l'appareil comporte des réservoirs ou chambres de mélanges (non représentés sur la figure 1). Ces chambres sont destinées à mélanger les gaz recyclés avec des gaz purs issus par exemple des sources 1 et 2. Ces types de mélanges permettent, par exemple, d'amortir les fluctuations de qualité de la composition des gaz recyclés à mélanger avant d'être réinjectés dans la chambre de réaction 7. Afin que le mélange silane/hydrogène soit injecté dans la chambre de réaction 7 dans les mêmes proportions que le mélange silane/hydrogène circulant dans les conduits 4 et 5 contenant les gaz issus des sources 1 et 2, le rapport silane sur hydrogène en concentrations est contrôlé avant injection dans la chambre de réaction 7. Selon une variante, le système de séparation cryogénique 21 comprend des échangeurs permettant de réduire la température du mélange. Ces échangeurs sont conçus et dimensionnés afin d'optimiser le bilan énergétique. Le principe repose sur la liquéfaction du silane. Pour ce faire, la température du gaz contenant le silane à liquéfier est conduite à une température inférieure à la température de liquéfaction (température de bulle) du silane en utilisant des échangeurs refroidis en mettant en oeuvre de l'azote étendu par exemple. En effet, il permet facilement de moduler cette température. D'autres sources froides sont utilisables. Ensuite, lorsque le silane se trouve en majorité sous forme liquide, il est nécessaire de séparer les gouttes du gaz résiduaire. On utilise alors un pot de séparation, éventuellement muni d'un ou de plusieurs systèmes de récupération des gouttes afin de récupérer un maximum de gouttes. Une partie de l'azote contenu dans le gaz se liquéfie et/ou se solubilise dans le silane liquide. Or, il est nécessaire de recycler un silane produit de haute pureté, il est donc préférable de purifier ce mélange azote/silane (principalement). De préférence une colonne de distillation dont l'une des sorties sera constituée de silane de haute pureté sera utilisée. According to one embodiment of the invention, the apparatus comprises reservoirs or mixing chambers (not shown in FIG. 1). These chambers are intended to mix the recycled gases with pure gases from, for example, sources 1 and 2. These types of mixtures make it possible, for example, to damp the fluctuations in the quality of the composition of the recycled gases to be mixed before being reinjected into the reaction chamber 7. In order that the silane / hydrogen mixture is injected into the reaction chamber 7 in the same proportions as the silane / hydrogen mixture circulating in the conduits 4 and 5 containing the gases from the sources 1 and 2, the ratio of silane to hydrogen in concentrations is checked before injection into the reaction chamber 7. According to one variant, the cryogenic separation system 21 comprises exchangers making it possible to reduce the temperature of the mixture. These exchangers are designed and sized to optimize the energy balance. The principle is based on the liquefaction of the silane. To do this, the temperature of the gas containing the silane to be liquefied is conducted at a temperature below the liquefaction temperature (bubble temperature) of the silane using cooled exchangers using extended nitrogen for example. Indeed, it makes it easy to modulate this temperature. Other cold sources are usable. Then, when the silane is in the majority in liquid form, it is necessary to separate the drops of the waste gas. A separation pot is then used, possibly equipped with one or more drop recovery systems in order to recover a maximum of drops. Part of the nitrogen contained in the gas is liquefied and / or solubilized in the liquid silane. However, it is necessary to recycle a silane product of high purity, it is therefore preferable to purify this nitrogen / silane mixture (mainly). Preferably a distillation column of which one of the outlets will consist of high purity silane will be used.
De tels systèmes de séparation cryogénique permettent de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention de manière continue. Such cryogenic separation systems make it possible to implement the method according to the invention in a continuous manner.
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