PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA HIDROGENACION DE CLOROSILANOS.

Procedimiento para la hidrogenación de un clorosilano de la fórmula general RnSiCl4-n,

significando R hidrógeno y siendo n 0, 1, 2 ó 3, en un reactor que comprende una cámara de reacción con una superficie que entra en contacto con el clorosilano, y un elemento calentador calentado mediante el paso directo a su través de una corriente eléctrica, con una superficie que entra en contacto con el clorosilano, componiéndose la cámara de reacción y el elemento calentador a base de grafito, caracterizado porque, en una primera etapa del procedimiento, un clorosilano de la fórmula general RnSiCl4-n, en la que R significa hidrógeno y n es 0, 1, 2 ó 3, así como hidrógeno, se ponen en contacto con la superficie de la cámara de reacción y con la superficie del elemento calentador, de tal manera que sobre la superficie de la cámara de reacción y sobre la superficie del elemento calentador se forma in situ un revestimiento de SiC, y en una segunda etapa del procedimiento se efectúa una hidrogenación del clorosilano mediante calentamiento de una mezcla del clorosilano e hidrógeno en la cámara de reacción por medio del elemento calentador, llevándose a cabo la primera etapa del procedimiento a una temperatura de reacción, que es más alta que la temperatura de reacción en la segunda etapa del procedimiento

Procedimiento y dispositivo para la hidrogenación de clorosilanos.

El invento se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la hidrogenación de clorosilanos.

Se conocen ciertos procedimientos para la hidrogenación de clorosilanos a unas temperaturas > 600ºC. Por ejemplo, la hidrogenación del tetracloruro de silicio (STC) para dar el triclorosilano (TCS) tiene una gran importancia, puesto que en el caso de la deposición por CVD (deposición a partir de la fase de vapor, del inglés "Chemical Vapor Deposition") de silicio para semiconductores resultan grandes cantidades del STC como producto secundario y el STC puede ser transformado de nuevo con este procedimiento en TCS, que es el material de partida para la deposición por CVD de silicio para semiconductores. Estos procedimientos son descritos, por ejemplo, por los documentos de patentes de los EE.UU. US 5422088 (de Burgie y colaboradores), US 3933985 (de Rogers), US 4217334 (de Weigert y colaboradores), US 4536642 (de Hamster y colaboradores), así como por la bibliografía citada en estos documentos.

Para todos estos procedimientos se utiliza grafito a causa de sus especiales propiedades mecánicas, eléctricas y químicas como material de construcción para las piezas constructivas componentes de los reactores, como material aislante y para los elementos calentadores. El documento US 3645686 (de Tucker) reconoció que la utilización de electrodos de grafito puede incorporar unas impurezas, p.ej. de boro, fósforo, arsénico y antimonio, en el producto semiconductor. El documento de patente europea EP 0294047 (de McCormick) reconoció que el contacto de grafito con hidrógeno a > 500ºC puede conducir a la formación de hidrocarburos, la cual conduce a la incorporación de impurezas que contienen carbono (metil-silanos) en el producto. Para evitar la incorporación de impurezas, se propuso revestir a las piezas constructivas componentes de grafito con carburo de silicio (SiC). La deposición de unas capas de SiC se puede efectuar en este caso con los conocidos procedimientos de CVD, por ejemplo tal como se describen en el documento US 3459504 (de Bracken) o en el documento de patente alemana DE 2379258 (de Sirtl).

Los documentos US 4668493, 4702960, 4373006, 4737348, así como EP 1454670 describen unos reactores constituidos sobre la base de un material de carbono revestido con SiC, los cuales se pueden utilizar para unas reacciones realizadas a altas temperaturas en presencia de clorosilanos.

Partiendo de estos reconocimientos, el documento DE 4317905 (de Burgie y colaboradores) desarrolló un reactor mejorado para la hidrogenación de clorosilanos a unas temperaturas > 600ºC. Este documento describe una cámara de reacción y unos elementos calentadores, que se componen de un material de fibras de carbono, revestido con SiC. A través de la cámara de reacción se hace pasar una mezcla de un clorosilano e hidrógeno. Los elementos calentadores están dispuestos fuera de la cámara de reacción y no entran en contacto con la mezcla de reacción. El calentamiento de la mezcla de reacción se efectúa a través de las paredes de la cámara de reacción. En este caso, los elementos calentadores y las paredes del reactor deben alcanzar unas temperaturas de 1.600ºC, con el fin de respetar la temperatura de 800 - 1.200ºC, que se prefiere para la hidrogenación de STC, en la cámara de reacción. Este procedimiento requiere, por consiguiente, una aportación de energía más alta que la que sería necesaria para la reacción. Con una temperatura más alta del reactor se establecen otros efectos adicionales indeseados, tales como una alta solicitación térmica de las piezas constructivas componentes y de los elementos calentadores, una corrosión reforzada de las piezas constructivas componentes por ataque químico por hidrógeno, clorosilanos y HCl, así como la deposición de silicio junto a sitios indeseados.

El documento DE 3024320 divulga un dispositivo para la realización de un procedimiento destinado a la hidrogenación de clorosilanos.

El documento DE 27 39 258 divulga un procedimiento para la aplicación de una capa protectora de SiC sobre cuerpos moldeados de carbono, que está caracterizado porque el revestimiento tiene lugar a unas temperaturas de 1.000 a 1.350ºC.

El invento está basado en la misión de poner a disposición un procedimiento para la hidrogenación de clorosilanos, que evite una incorporación de impurezas en la reacción, y que sea manipulable de un modo energéticamente más eficiente o más sencillo que los procedimientos conocidos, que evitan tales impurezas.

El problema planteado por esta misión es resuelto mediante un procedimiento para la hidrogenación de un clorosilano, que tiene la fórmula general R_nSiCl_4-n, significando R hidrógeno y siendo n 0, 1, 2 ó 3, en un reactor, que comprende una cámara de reacción con una superficie que entra en contacto con el clorosilano, y un elemento calentador calentado mediante paso directo a su través de una corriente eléctrica, con una superficie que entra en contacto con el clorosilano, componiéndose la cámara de reacción y el elemento calentador a base de grafito, el cual está caracterizado porque, en un primera etapa del procedimiento, un clorosilano de la fórmula general R_nSiCl_4-n, significando R hidrógeno y siendo n 0, 1, 2 ó 3, así como hidrógeno, se ponen en contacto con la superficie de la cámara de reacción y con la superficie del elemento calentador de tal manera que sobre la superficie de la cámara de reacción y sobre la superficie del elemento calentador se forma in situ un revestimiento de SiC, y en una segunda etapa del procedimiento se efectúa una hidrogenación del clorosilano mediante un calentamiento de una mezcla del clorosilano e hidrógeno en la cámara de reacción por medio del elemento calentador, llevándose a cabo la primera etapa del procedimiento a una temperatura de reacción, que es más alta que la temperatura de reacción en la segunda etapa del procedimiento.

De manera especialmente preferida, en el caso del clorosilano se trata, por consiguiente, del tetraclorosilano.

De manera especialmente preferida, se trata del clorosilano, que se emplea como un educto (producto de partida) en la segunda etapa del procedimiento.

El procedimiento conforme al invento hace posible la combinación de dos procedimientos conocidos, que son independientes uno de otro, a saber el revestimiento de piezas constructivas componentes de grafito y la hidrogenación de un clorosilano, en un mismo reactor. Puesto que ambas etapas del procedimiento tienen lugar en el mismo reactor, sin que el reactor tenga que ser remodelado, se evita un gasto adicional.

La puesta en contacto directa conforme al invento de los elementos calentadores con un clorosilano da lugar a un revestimiento in situ de los elementos calentadores, de la pared del reactor y eventualmente de otras construcciones internas adicionales en el sector de la zona de reacción dentro del reactor.

Esta capa de SiC, que se ha formado in situ, forma una capa protectora que es químicamente inerte, reduce el ataque químico de los gases de reacción sobre la superficie del reactor o respectivamente sobre la superficie del elemento calentador, y disminuye unas reacciones secundarias indeseadas, por ejemplo la formación de hidrocarburos, metil-clorosilanos y la retroformación de TCS para dar STC en los sectores más fríos de la zona de reacción.

El procedimiento conforme al invento hace posible, en comparación con el modo de proceder de una sola etapa, tal como el que se conoce p.ej. a partir de los documentos US 5422088 o US 4536642, unos períodos de tiempo más largos en estado útil del reactor, una incorporación más pequeña de contaminaciones, y vinculado con esto, una pureza más alta de los productos de reacción así como unos rendimientos más altos de la reacción. La contaminación más pequeña con impurezas, por ejemplo con compuestos de B y P y con metil-clorosilanos, conduce también a un menor gasto energético y en aparatos para el subsiguiente proceso de purificación de los productos de reacción, que se lleva a cabo de manera preferida mediante una destilación.

Ventajosamente se pueden utilizar, en la primera etapa del procedimiento, como clorosilano, también unos productos resultantes secundarios que contienen silanos, tales como, por ejemplo, un diclorosilano procedente de la síntesis de triclorosilanos, o de la deposición de un silicio policristalino por medio del proceso de Siemens, o unos productos...

1. Procedimiento para la hidrogenación de un clorosilano de la fórmula general R_nSiCl_4-n, significando R hidrógeno y siendo n 0, 1, 2 ó 3, en un reactor que comprende una cámara de reacción con una superficie que entra en contacto con el clorosilano, y un elemento calentador calentado mediante el paso directo a su través de una corriente eléctrica, con una superficie que entra en contacto con el clorosilano, componiéndose la cámara de reacción y el elemento calentador a base de grafito, caracterizado porque, en una primera etapa del procedimiento, un clorosilano de la fórmula general R_nSiCl_4-n, en la que R significa hidrógeno y n es 0, 1, 2 ó 3, así como hidrógeno, se ponen en contacto con la superficie de la cámara de reacción y con la superficie del elemento calentador, de tal manera que sobre la superficie de la cámara de reacción y sobre la superficie del elemento calentador se forma in situ un revestimiento de SiC, y en una segunda etapa del procedimiento se efectúa una hidrogenación del clorosilano mediante calentamiento de una mezcla del clorosilano e hidrógeno en la cámara de reacción por medio del elemento calentador, llevándose a cabo la primera etapa del procedimiento a una temperatura de reacción, que es más alta que la temperatura de reacción en la segunda etapa del procedimiento.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el clorosilano y el hidrógeno son aportados al reactor en la primera etapa del procedimiento en una relación molar (de silano:hidrógeno) de 2:1 hasta 1:10, de manera preferida en una relación molar de 2:1 hasta 1:2.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la primera etapa del procedimiento tiene lugar a una temperatura del reactor de > 1.000ºC, de manera preferida a una temperatura del reactor de 1.000 a 1.600ºC.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la primera etapa del procedimiento se lleva a cabo a unas presiones de 1 - 20 bares, de manera preferida de 1 - 5 bares.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la primera etapa del procedimiento es regulada y controlada a través de una medición de la resistencia eléctrica de los elementos calentadores.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la segunda etapa del procedimiento se efectúa de manera preferida a unas temperaturas de 700 - 1.400ºC, de manera preferida a 900 - 1.200ºC.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la segunda etapa del procedimiento se lleva a cabo a una temperatura más baja y a una presión más alta que la primera etapa del procedimiento.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los eductos clorosilano e hidrógeno se emplean en la segunda etapa del procedimiento en una relación, en la que el hidrógeno se presenta en un exceso, de manera preferida en una relación del hidrógeno al clorosilano de 1,5:1 hasta 5:1.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque en la primera etapa del procedimiento y en la segunda etapa del procedimiento se emplean los mismos eductos.