PROCEDIMIENTO PARA LA PREPARACIÓN DE TRICLOROSILANO.

Procedimiento, en el que un educto gaseoso que contiene tetraclorosilano se hace reaccionar con un educto gaseoso que contiene hidrógeno a una temperatura de desde 900 °C hasta 1.

300 °C, con lo que resulta una mezcla de productos que contiene triclorosilano, caracterizado porque la reacción se efectúa a una presión hipercrítica de los eductos gaseosos.

El invento se refiere a un procedimiento para la preparación de triclorosilano mediante una hidrogenación térmica en la región hipercrítica de presiones.

En el caso de la reacción de triclorosilano con hidrógeno para la producción de silicio policristalino resultan grandes cantidades de tetraclorosilano. El tetraclorosilano se puede transformar mediante la conversión de tetraclorosilano, que es una reacción de deshidrohalogenación catalítica o respectivamente térmica de tetraclorosilano con hidrógeno, para dar de nuevo triclorosilano y cloruro de hidrógeno. Para la conversión de tetraclorosilano en triclorosilano se conocen dos variantes de procedimiento. La conversión a bajas temperaturas se efectúa en presencia de silicio y de un catalizador a unas temperaturas situadas en el intervalo de 400 °C hasta 700 °C. Los documentos de patentes de los EE.UU. US 2595620, US 2657114 (de Union Carbide and Carbon Corporation / Wagner 1952) y US 2943918 (de Compagnie de Produits Chimiques et Electrometallurgiques / Pauls 1956) informan acerca de una hidrogenación parcial de tetraclorosilano en presencia de unos catalizadores (p.ej. cloruros metálicos).

Puesto que la presencia de unos catalizadores, p.ej. de cobre, puede conducir a unas impurificaciones del triclorosilano y del silicio policristalino producido a partir de éste, se desarrolló un segundo procedimiento, que es el procedimiento a altas temperaturas. En el caso de este procedimiento, los eductos (productos de partida) tetraclorosilano e hidrógeno se convierten químicamente en triclorosilano sin ningún catalizador a unas temperaturas más altas que en el procedimiento a bajas temperaturas. La conversión de tetraclorosilano es un proceso endotérmico, estando limitada la formación de los productos por un equilibrio químico. Con el fin de poder llegar de algún modo a un rendimiento significativo de triclorosilano, en el reactor tienen que estar presentes unas altas temperaturas (> 900 °C). Así, el documento US-A 3933985 (de Motorola INC / Rodgers 1976) describe la reacción de tetraclorosilano con hidrógeno para dar triclorosilano a unas temperaturas situadas en el intervalo de desde 900 °C hasta 1.200 °C, y con una relación molar de H2:SiCl4 de desde 1:1 hasta 3:1. En este caso se alcanzan unos rendimientos de triclorosilano de 12 - 13 %.

El documento US-A 4217334 (de Degussa / Weigert 1980) describe un procedimiento optimizado para la transformación de tetraclorosilano en triclorosilano mediante la hidrogenación de tetraclorosilano con hidrógeno en un intervalo de temperaturas de desde 900 °C hasta 1.200 °C. Mediante una alta relación molar de H2:SiCl4 (hasta de 50:1) y un enfriamiento rápido del producto gaseoso caliente con un líquido hasta una temperatura situada por debajo de 300 °C (el líquido es: el producto o un líquido inerte, con unos períodos de tiempo de enfriamiento de 50 ms = milisegundos), se consiguen unos rendimientos manifiestamente más altos de triclorosilano (de hasta aproximadamente 35 % en el caso de una relación de H2:SiCl4 de 5:1). Unas desventajas de este procedimiento son la proporción manifiestamente más alta de hidrógeno en el gas de reacción así como el enfriamiento rápido mediante un líquido, que se usa, puesto que ambas cosas aumentan grandemente el esfuerzo energético, y por consiguiente los costes del procedimiento. El enfriamiento rápido es necesario para congelar el equilibrio de reacción, que se encuentra desplazado hacia el lado de SiHCl3 y HCl.

A partir del documento US 4.217.334 se conoce también que es ventajoso "congelar" el equilibrio mediante un enfriamiento rápido. En el documento US 4217334 esto sucede mediante un enfriamiento rápido inmediato con SiCl4 desde 1.100 °C hasta 300 °C. También este procedimiento es insatisfactorio desde el punto de vista energético y, por consiguiente, caro.

El resumen acerca del documento de patente japonesa JP60081010 (de Denki Kagaku Kogyo K.K./1985) describe un procedimiento de enfriamiento rápido en el caso de unas relaciones más bajas de H2:SiCl4 para la elevación del contenido de triclorosilano en el producto gaseoso. Las temperaturas en el reactor se sitúan desde 1.200 °C hasta

1.400 °C; la mezcla de reacción se enfría en el transcurso de un segundo hasta llegar a menos que 600 °C. También en el caso de este procedimiento de enfriamiento rápido, la energía del gas de reacción se pierde en una gran parte, lo que repercute muy negativamente sobre la rentabilidad del procedimiento.

El documento de patente alemana DE 3024319 describe un procedimiento continuo, en el que una mezcla de tetraclorosilano e hidrógeno reacciona en un reactor de alta temperatura a 900 - 1.300 °C, y en el que el cloruro de hidrógeno resultante, después de haberse enfriado, se hace reaccionar en un reactor dispuesto detrás, en presencia de un catalizador de silicio a 280 hasta 350 °C, para dar una cantidad adicional de triclorosilano. El tetraclorosilano y el hidrógeno, que no han reaccionado, se aportan de nuevo al reactor de alta temperatura. De manera preferida, este procedimiento se lleva a cabo a 1 hasta 6 bares. Con el fin de aumentar la eficiencia energética del procedimiento, en el documento DE 3024319 se integra una unidad de intercambio de calor en el reactor de alta temperatura.

A causa de la creciente importancia económica de la producción de silicio policristalino, p.ej. para las aplicaciones fotovoltaicas, y de los precios de la energía, que están aumentando constantemente, en los últimos años se han emprendido en grado aumentado esfuerzos para estructurar el empleo de energía primaria más eficientemente en el caso de la conversión de silanos, referido al rendimiento de triclorosilano. Una misión del invento consistió en poner a disposición un procedimiento barato para la preparación de triclorosilano mediante una hidrogenación térmica de tetraclorosilano, que haga posible un alto rendimiento de triclorosilano con una rentabilidad aumentada en comparación con la del estado de la técnica.

El problema planteado por esta misión se resuelve mediante un procedimiento, en el que un educto gaseoso que contiene tetraclorosilano se hace reaccionar con un educto gaseoso que contiene hidrógeno, a una temperatura de desde 900 °C hasta 1.300 °C, resultando una mezcla de productos que contiene triclorosilano, que está caracterizado porque la reacción se efectúa a una presión hipercrítica de los eductos gaseosos.

De manera preferida, el educto gaseoso que contiene tetraclorosilano, consiste en tetraclorosilano a solas. De manera preferida, el educto gaseoso que contiene hidrógeno consiste en hidrógeno a solas. De manera preferida, la mezcla de productos, que contiene triclorosilano, consiste en triclorosilano, cloruro de hidrógeno así como los eductos gaseosos que no han reaccionado.

La velocidad de reacción, con la que se ajusta el equilibrio químico, está vinculada con el aumento de la presión. A una presión situada por encima de la presión crítica de la mezcla de los eductos gaseosos (la mezcla de eductos), el equilibrio químico se ajusta casi independientemente del período de tiempo de permanencia de los eductos gaseosos en el recinto de reacción. Una elevación de la presión por encima de la presión crítica de la mezcla de eductos no aumenta adicionalmente el rendimiento de triclorosilano, de tal manera que como presión óptima se escoge una presión situada por encima de la presión crítica de la mezcla de eductos.

La presión crítica del hidrógeno se sitúa en aproximadamente 12,9 bares, y la presión crítica del tetraclorosilano se sitúa en 35,9 bares. La presión crítica de la mezcla se establece a partir de la suma de las proporciones molares de los componentes en la mezcla, multiplicada por la presión crítica de los componentes individuales. La mezcla se presenta en estado hipercrítico tan pronto como la presión del sistema es mayor que la presión crítica de la mezcla. Èste es el caso p.ej. con una relación molar de tetraclorosilano:H2 = 1:3 a 18,7 bares.

De manera preferida, la reacción se efectúa a una presión mayor que 12,9 bares, de manera preferida a 12,9 hasta 100 bares. De manera especialmente preferida, la reacción se efectúa a una presión de 12,9 - 35,9 bares, es decir en la región hipercrítica de presiones de una mezcla de H2 y tetraclorosilano. De manera particularmente preferida, la reacción se efectúa a una presión de 14 - 24 bares.

De manera preferida, el tetraclorosilano y el hidrógeno se presentan en una relación molar de desde 1:1 hasta 1:100.... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento, en el que un educto gaseoso que contiene tetraclorosilano se hace reaccionar con un educto gaseoso que contiene hidrógeno a una temperatura de desde 900 °C hasta 1.300 °C, con lo que resulta una mezcla de productos que contiene triclorosilano, caracterizado porque la reacción se efectúa a una presión hipercrítica de los eductos gaseosos.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la reacción se efectúa a una presión mayor que 12,9 bares, de manera preferida a 12,9 hasta 100 bares, de manera especialmente preferida a 12,9 - 35 bares, de manera especialmente preferida a 14 - 24 bares.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el tetraclorosilano y el hidrógeno se presentan en una relación molar de desde 1:1 hasta 1:100, de manera preferida de desde 1:1 hasta 1:10 y de manera particularmente preferida de desde 1:1 hasta 1:3.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, caracterizado porque los eductos gaseosos permanecen en la zona de reacción durante 200 - 0,05 segundos, de manera preferida durante 10 hasta 0,1 segundos.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 4, caracterizado porque se lleva a cabo a una presión del sistema de la corriente de eductos, que está situada en la región hipercrítica, y a una presión del sistema de la corriente de productos, que está situada en la región subcrítica.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la presión del sistema de la corriente de productos en la región subcrítica se consigue mediante una descompresión, que se efectúa detrás de la zona de reacción.