PROCEDIMIENTO PARA LA PREPARACION DE TRICLOROMONOSILANO.

Procedimiento para la preparación de tricloromonosilano, en el que en un lecho fluidizado a base de partículas de silicio y de cloruro de hidrógeno,

las partículas de silicio se hacen reaccionar con el cloruro de hidrógeno en un reactor de lecho fluidizado, empleándose como partículas de silicio un polvo fino de silicio que tiene un tamaño máximo de granos de 80 µm, y siendo introducido el polvo fino de silicio directamente en el reactor

Procedimiento para la preparación de tricloromonosilano.

El invento se refiere a un procedimiento para la preparación de tricloromonosilano a partir de silicio en forma de partículas y de cloruro de hidrógeno gaseoso.

Las cantidades necesarias de silicio ultrapuro para la industria de los semiconductores y para la industria fotovoltaica aumentaron bruscamente en los últimos años. Entre las diferentes vías de preparación, la deposición a partir de triclorosilano con hidrógeno se ha mostrado como una variante comercialmente atractiva. Así, un 90% del silicio empleado en el sector de los semiconductores se produce con ayuda de triclorosilano purificado. La preparación de triclorosilano a partir de un silicio metalúrgico se lleva a cabo en reactores de lecho fluidizado. Esto se describe p.ej. en el documento de patente de los EE.UU. US-A-4.092.446. Allí se describe un reactor, en el que un lecho de silicio, que se compone de partículas de silicio, es atravesado por una corriente de cloruro de hidrógeno. El cloruro de hidrógeno reacciona con las partículas de silicio para formar tetraclorosilano y tricloromonosilano e hidrógeno. En este caso, no se abordan ni la distribución de tamaños de partículas, que es necesaria en el reactor, ni tampoco la distribución óptima para conseguir un contenido lo más alto que sea posible de tricloromonosilano en el gas producto. Tanto el cloruro de hidrógeno no convertido químicamente como también una alta cantidad resultante secundaria de tetraclorosilano aumentan considerablemente los costos del proceso.

En la Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie [Enciclopedia de Ullmann de la química técnica, año de publicación 2002, se describe el procedimiento de producción en tales reactores de lecho fluidizado a una temperatura en el reactor situada alrededor de 650ºC. El cloruro de hidrógeno reacciona a esta temperatura, de manera preferida, con las partículas de silicio para formar tricloromonosilano e hidrógeno.

En el documento de solicitud de patente alemana DE-A1-3938897 se muestra que la relación de tetraclorosilano a tricloromonosilano es dependiente de la temperatura mantenida en el reactor. Además se muestra que, con una elevación de la homogeneidad de las partículas empleadas de silicio, la proporción del cloruro de hidrógeno gaseoso en el gas producto es solamente de 3% y se obtiene un producto más pobre en SiCl₄. De acuerdo con ese documento DE-A1-3938897 es ventajoso utilizar un polvo de silicio. que se ha obtenido mediante atomización con un gas de Si fundido, el cual tiene una distribución de tamaños de partículas comprendida entre 1 y 1.000 µm o respectivamente, de manera preferida, entre 50 y 800 µm, para la producción de tricloromonosilano en un reactor de lecho fluidizado.

El documento de patente alemana DE-C2-3239590 describe, al contrario que un procedimiento en lecho fluidizado, un procedimiento en lecho sometido a agitación para la preparación de triclorosilano y de tetraclorosilano. En este caso el silicio se presenta en forma de trozos conglomerados.

A partir del documento de patente del Reino Unido UK 945.618 es conocido emplear unas granulaciones de silicio con un tamaño de partículas de 30 a 500 µm, de manera preferida de 50 a 200 µm, para la preparación de tricloromonosilano en un reactor de lecho fluidizado. Este material obtenible comercialmente puede ser purificado adicionalmente antes de su utilización.

A partir del documento de solicitud de patente de los EE.UU. US 2002/0151737 A1 (que corresponde al documento de solicitud de patente europea EP-A1-1.249.453) es conocido añadir primeramente un polvo fino de Si a un líquido y tan solo entonces introducirlo en un reactor (síntesis de Müller-Rochow o de tricloro-monosilano). Este procedimiento es costoso y el polvo de silicio que se ha de emplear es llevado mediante una molienda hasta la finura necesaria.

Fue misión del presente invento poner a disposición un procedimiento barato para la preparación de tricloromonosilano.

El problema planteado por esta misión se resuelve por medio de un procedimiento, en el cual en un reactor de lecho fluidizado a base de partículas de silicio y cloruro de hidrógeno, las partículas de silicio se hacen reaccionar con el cloruro de hidrógeno, empleándose como partículas de silicio un polvo fino de silicio que tiene un tamaño máximo de granos de 80 µm, e introduciéndose el polvo fino de silicio directamente en el reactor.

Los polvos finos de silicio resultan en la producción de unas distribuciones definidas de tamaños de granos de silicio, p.ej. para su empleo en la síntesis de metilclorosilano y en la síntesis de triclorosilano. En tal caso, primeramente se machaca un silicio troceado que tiene una longitud de aristas de hasta 0,5 m. Después del machacamiento, el silicio es molido y a continuación tamizado o clasificado. De esta manera se produce un silicio molido que tiene una distribución definida de tamaños de granos. En todas las etapas del procedimiento (machacamiento, molienda, tamizado y clasificación) el polvo fino de Si resultante se filtra con succión. Este polvo fino se utiliza conforme al invento para la preparación de tricloromonosilano. Este polvo fino, hasta ahora, o bien era desechado o era fundido y molido de nuevo con un intenso consumo de energía. Ambos modos de proceder están vinculados con unos costos, que se pueden ahorrar mediante el procedimiento conforme al invento. Mediante el aprovechamiento de los polvos finos de silicio residuales, que por todo el mundo resultan anualmente en grandes cantidades, en el procedimiento conforme al invento, este modo de proceder ofrece una gran ventaja económica. Tampoco resultan ya los gastos de transformación ni los gastos de evacuación a vertederos de los polvos finos.

La reacción del silicio metálico con cloruro de hidrógeno transcurre muy rápidamente, tal como es sabido. Es decisiva para esto la superficie específica de las partículas empleadas de silicio. El material sólido contenido por unidad de volumen tiene, en el caso de la utilización de una granulación más fina, una superficie específica correspondientemente mayor. Por lo tanto, es de esperar que el empleo de polvos finos debería conducir a un más alto tono térmico en la capa fluidizada y por consiguiente conduzca a una disminución de la selectividad para tricloromonosilano. Sorprendentemente, sin embargo, en el marco del presente invento, este efecto no se observa. En lugar de esto, se mostraron unos efectos contrarios totalmente inesperados, que incluso conducían a un aumento de la selectividad para tricloromonosilano. A saber, se comprobó que mediante el empleo de las mencionadas partículas muy finas de silicio, tales como las que resultan en cantidades considerables al desmenuzar un silicio troceado, en un reactor para formar tricloromonosilano en el caso de la preparación de tricloromonosilano mediante una reacción de partículas de silicio con un cloruro de hidrógeno gaseoso, se obtiene un tricloromonosilano más rico y al mismo tiempo un gas producto pobre en cloruro de hidrógeno. De esta manera, los costos del procedimiento para la preparación de tricloromonosilano se disminuyen manifiestamente.

El polvo fino de silicio, empleado de manera preferente en el procedimiento conforme al invento, es por lo tanto preferiblemente un polvo fino residual, tal como el que resulta en la producción de unas granulaciones definidas de silicio. A causa de las ventajas de procedimiento, que se pueden conseguir con esta granulación, es sin embargo asimismo posible producir deliberadamente las mencionadas granulaciones de silicio.

Mediante el empleo de este polvo fino de silicio de grano fino, los costos del procedimiento en el caso de la preparación de tricloromonosilano se disminuyen mediante una reacción de las partículas de silicio con cloruro de hidrógeno gaseoso sin ningún catalizador, tal como cobre, puesto que se obtiene un gas producto más rico en tricloromonosilano y más pobre en cloruro de hidrógeno. La selectividad para tricloromonosilano y para tetraclorosilano es grandemente dependiente de la temperatura. Por lo tanto, el mantenimiento del calor mediante un enfriamiento es un desafío especial en el procedimiento conforme al invento. De manera preferida, el procedimiento se lleva a cabo a una temperatura de 250 a 600ºC, de manera especialmente preferida a una temperatura de 280 a 400ºC.

De manera preferida, la adición del cloruro de hidrógeno y de un polvo de silicio en el procedimiento conforme al invento se efectúa en una relación molar de 4:1 a 3:1. De manera especialmente preferida,...

1. Procedimiento para la preparación de tricloromonosilano, en el que en un lecho fluidizado a base de partículas de silicio y de cloruro de hidrógeno, las partículas de silicio se hacen reaccionar con el cloruro de hidrógeno en un reactor de lecho fluidizado, empleándose como partículas de silicio un polvo fino de silicio que tiene un tamaño máximo de granos de 80 µm, y siendo introducido el polvo fino de silicio directamente en el reactor.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el polvo fino de silicio resulta como un producto residual en el caso de la producción de granulaciones definidas de silicio a partir de un silicio troceado.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque como polvo fino de silicio se emplea un polvo fino residual, que resulta en el caso de la producción de unas distribuciones especiales de tamaños de granos para su empleo en la síntesis de metilclorosilano y en la síntesis de triclorosilano.