Granulado de polisilicio muy puro, exento de poros y que no desprende polvo.

Granulado de silicio policristalino, que está caracterizado porque se compone de unas partículas que poseen una densidad mayor que 99,

9 % de la densidad teórica del material sólido y por consiguiente poseen una proporción de poros menor que 0,1 % así como una aspereza superficial Ra menor que 150 nm.

Granulado de polisilicio muy puro, exento de poros y que no desprende polvo

El invento se refiere a un granulado de polisilicio muy puro, exento de poros y que no desprende polvo, a su producción y a su utilización.

Un granulado de polisilicio es una alternativa con respecto al polisilicio producido según el procedimiento de Siemens. Mientras que el polisilicio resulta en el procedimiento de Siemens en forma de una barra cilíndrica de silicio, que antes de su elaboración ulterior se desmenuza de un modo costoso en cuanto al tiempo y a los gastos para formar el denominado material “Chippoly” y eventualmente se tiene purificar de nuevo, el granulado de polisilicio posee unas propiedades de materiales a granel y se puede emplear directamente como material en bruto p.ej. para la producción de monocristales para las industrias fotovoltaica y electrónica.

Un granulado de polisilicio se produce en un reactor de capa turbulenta (fluidizada) . Esto se realiza por fluidización de partículas de silicio mediante una corriente gaseosa circulante en una capa turbulenta, siendo calentada ésta a altas temperaturas a través de un dispositivo de calefacción. Por adición de un gas de reacción que contiene silicio, se efectúa una reacción de pirólisis junto a la superficie caliente de las partículas. En tal caso se deposita silicio elemental sobre las partículas de silicio y las partículas individuales crecen en cuanto a su diámetro. Mediante la retirada regular de partículas que han crecido y la adición de partículas más pequeñas de silicio como partículas de nucleación, el procedimiento se puede realizar en un régimen continuo, con todas las ventajas vinculadas con esto. Como gas de educto que contiene silicio se describen compuestos halogenados de silicio (p.ej. clorosilanos o bromosilanos) , el monosilano (SiH4) así como una mezcla de estos gases con hidrógeno. Tales procedimientos de deposición y los dispositivos destinados a ellos se conocen por ejemplo a partir del documento de solicitud de patente internacional WO 96/41036, del documento de patente alemana DE 3638931 C2 (que corresponde al documento de patente de los EE.UU. US 4.786.477) o del documento de solicitud de patente alemana DE 199 48 395 A1.

El granulado de silicio obtenido a partir de los procedimientos de deposición se distingue por una alta pureza, es decir por un bajo contenido de sustancias dopantes (en particular de boro y fósforo) , carbono y metales.

A partir del documento US 4.883.687 se conoce un granulado de silicio que es definido con ayuda de la distribución de tamaños de granos, de los contenidos de boro, fósforo y carbono, del contenido de polvo en la superficie, de su densidad y de su densidad a granel (= aparente) .

En el documento US 4.851.297 se describe un granulado de polisilicio dopado, y en el documento US 5.242.671 se describe un granulado de polisilicio con un contenido reducido de hidrógeno.

El documento US 5.077.028 describe un procedimiento, en el que a partir de un clorosilano se deposita un granulado de polisilicio, que se distingue por un bajo contenido de cloro.

El documento de solicitud de patente europea EP 0 896 952 A1 divulga un procedimiento para la producción de un granulado de silicio muy puro por descomposición térmica o por reducción con hidrógeno de un gas de fuente de silicio. En tal caso el gas de fuente de silicio tiene una temperatura situada por debajo de 900ºC; las partículas de silicio en la zona de reacción tienen una temperatura de más que 900ºC.

El granulado de polisilicio, producido hoy en día a gran escala, tiene una estructura porosa y, resultando de ella, dos desventajas graves en las propiedades:

- En los poros está encerrado un gas. Este gas se libera al fundir y perturba al tratamiento ulterior del granulado de polisilicio. Se intenta por lo tanto reducir el contenido de gas del granulado de polisilicio. En tal caso sin embargo, tal como se ha descrito en el documento US 5.242.671, se necesita una etapa de trabajo adicional, lo cual aumenta los costos de producción y además da lugar a una contaminación adicional del granulado.

- El granulado de polisilicio no es especialmente resistente a la abrasión. Esto significa que al realizar la manipulación del granulado, p.ej. durante el transporte hasta el usuario, resulta un polvo fino de silicio. Este polvo perturba en múltiples aspectos:

Él perturba al realizar el tratamiento ulterior del granulado de polisilicio, puesto que flota al fundir el granulado;

él perturba durante el transporte del granulado de polisilicio dentro de la instalación de producción, puesto que causa una formación de recubrimientos junto a conducciones tubulares y se llega a un bloqueo de las griferías;

el, a causa de su gran superficie específica, es un potencial material portador de contaminación.

La abrasión conduce ya a pérdidas durante la producción del granulado de polisilicio en la capa turbulenta.

De manera desventajosa en el caso de la producción hoy en día usual a base del monosilano como gas de educto que contiene silicio, adicionalmente a la abrasión resulta en el proceso de deposición directamente un polvo como consecuencia de una reacción en fase gaseosa homogénea y una subsiguiente recristalización.

Este polvo finísimo puede ciertamente ser separado parcialmente con respecto del producto, lo cual sin embargo significa asimismo un gasto, una pérdida de material y por consiguiente costos adicionales.

Es una misión del presente invento poner a disposición un granulado de silicio policristalino, que no presente las desventajas del conocido granulado de polisilicio.

Es un objeto del presente invento un granulado de silicio policristalino, que está caracterizado porque se compone de unas partículas, que poseen una densidad mayor que 99, 9 % de la densidad teórica del material sólido y por consiguiente poseen una proporción de poros menor que 0, 1 % así como una aspereza superficial Ra menor que 150 nm.

De manera preferida, las partículas poseen una aspereza superficial Ra menor que 100 nm. En comparación con esto, un granulado de polisilicio de acuerdo con el estado de la técnica posee una aspereza superficial Ra de aproximadamente 250 nm.

La determinación de la aspereza superficial se efectúa en tal caso mediante medición con interferometría de luz blanca y correspondiente evaluación de acuerdo con la norma EN ISO 4287.

La alta homogeneidad del granulado conforme al invento, que resulta a partir de las características mencionadas, conduce a una alta resistencia a la abrasión del material. Por consiguiente, al efectuar la manipulación (en inglés handling) del material se llega a una menor formación de polvo.

El granulado de silicio policristalino tiene de manera preferida una densidad a granel comprendida entre 1.200 kg/m3 y

1.550 kg/m3, de manera preferida entre 1.350 kg/m3 y 1.550 kg/m3.

Las partículas del granulado poseen de manera preferida una estructura con forma esférica y tienen un diámetro de granos de 100-3.000 µm, de manera preferida de 300 a 2.000 µm.

Las partículas del granulado de presentan de manera preferida en más de un 80 % en peso, de manera especialmente preferida en más de 85 % en peso, en el estado “tal como han crecido” (en inglés “as grown”) . Las partículas en el estado “tal como han crecido” no muestran hasta llegar a un aumento de 100 veces ninguna señal de una elaboración mecánica, es decir no son visibles ningunas aristas de rotura.

De manera preferida, las partículas de los granulados tienen un contenido de sustancias dopantes relacionadas con fósforo menor que 300 ppta, de manera especialmente preferida menor que 150 ppta.

De manera preferida, las partículas tienen un contenido de sustancias dopantes relacionadas con boro menor que 300 ppta, de manera preferida menor que 100 ppta.

De manera preferida, las partículas tienen un contenido de carbono menor que 250 ppba, de manera preferida menor que 100 ppba.

De manera preferida, las partículas tienen un contenido total de los metales Fe, Cr, Ni, Cu, Ti, Zn y Na de menos que 50 ppbw, de manera preferida menor que 10 ppbw.

El granulado... [Seguir leyendo]

1. Granulado de silicio policristalino, que está caracterizado porque se compone de unas partículas que poseen una densidad mayor que 99, 9 % de la densidad teórica del material sólido y por consiguiente poseen una proporción de poros menor que 0, 1 % así como una aspereza superficial Ra menor que 150 nm.

2. Granulado de silicio policristalino de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas poseen una aspereza superficial Ra menor que 100 nm.

3. Granulado de silicio policristalino de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el granulado posee una densidad a granel comprendida entre 1.300 kg/m3 y 1.550 kg/m3.

4. Granulado de silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, caracterizado porque las partículas poseen una estructura con forma esférica y tienen un diámetro medio de granos d.

10. 3.000 µm, de manera preferida de 300 a 2.000 µm.

5. Granulado de silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 4, caracterizado porque las partículas se presentan en mas de un 80 % en peso, de manera preferida en más de un 85 % en peso, en el estado “tal como han crecido”, es decir sin señales visibles de elaboración mecánica, tales como p.ej. aristas de rotura.

6. Granulado de silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 4, caracterizado porque las partículas tienen un tamaño de partículas comprendido entre 100 µm y 3.000 µm, de manera preferida entre 300 µm y

2.000 µm, tienen un contenido de sustancias dopantes relacionadas con fósforo menor que 300 ppta, de manera preferida menor que 150 ppta, tienen un contenido de sustancias dopantes relacionadas con boro menor que 300 ppta, de manera preferida menor que 100 ppta, y tienen un contenido de carbono menor que 250 ppba, de manera preferida menor que 100 ppba.

7. Procedimiento para la producción de un granulado de silicio policristalino de acuerdo con las reivindicaciones 1 hasta 6, caracterizado porque se disponen previamente cristales de nucleación a base de silicio en una capa turbulenta que forma burbujas, siendo fluidizada la capa turbulenta mediante un gas de fluidización exento de silicio, y siendo calentada la capa turbulenta mediante irradiación térmica a una temperatura de reacción comprendida entre 700 y 1.200ºC y se inyecta un gas de reacción que contiene silicio mediante unas toberas dentro de la capa turbulenta caliente por encima del sitio de aportación del gas inerte, de manera tal que allí se deposita silicio sobre los cristales de nucleación, siendo desde 100 ms hasta 2 s el período de tiempo promediado de permanencia del gas de reacción en la capa turbulenta.