Procedimiento y dispositivo para la producción de un silicio policristalino en forma de granulados en un reactor de capa turbulenta.

Procedimiento para la producción de un silicio policristalino en forma de granulados,

en cuyo caso en un reactorde capa turbulenta con una superficie caliente, un gas de reacción, que contiene un compuesto gaseoso de silicio sedeposita a una temperatura de reacción de 600 a 1.100°C, en forma de silicio metálico, sobre unas partículas desilicio, que han sido fluidizadas mediante un gas de fluidización para formar una capa turbulenta, y las partículasprovistas del silicio depositado, así como el gas de reacción que no ha reaccionado y el gas de fluidización, seretiran desde el reactor, presentándose junto a la superficie del reactor una composición gaseosa que contiene de99,5 a 95 % en moles de hidrógeno y de 0,5 a 5 % en moles del compuesto gaseoso de silicio, y teniendo lasuperficie del reactor una temperatura de 700 a 1.400°C, y siendo esta temperatura más alta que la temperatura delas partículas de silicio.

Procedimiento y dispositivo para la producción de un silicio policristalino en forma de granulados en un reactor de capa turbulenta El invento se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la producción de un silicio policristalino en forma de granulados en un reactor de capa turbulenta (= fluidizada) .

Un silicio policristalino muy puro sirve, entre otras cosas, para la producción de piezas componentes electrónicas y celdas solares. Ëste se obtiene mediante descomposición térmica de un gas que contiene silicio o de una mezcla gaseosa que contiene silicio. Este proceso se designa como deposición química desde la fase de vapor (CVD, acrónimo del inglés chemical vapor deposition) . Este proceso se realiza a gran escala en unos denominados reactores de Siemens.

En la época más reciente se están haciendo numerosos esfuerzos de usar un procedimiento continuo en capa turbulenta como alternativa al procedimiento discontinuo de Siemens. En este caso, se hace funcionar una capa turbulenta a base de partículas de silicio, por regla general de unas partículas con forma aproximadamente esférica que tienen un diámetro de 200 a 3.000 μm. Las partículas son calentadas a una temperatura de deposición de preferiblemente 600 - 1.100°C y se conduce un gas o respectivamente una mezcla gaseosa, que contiene silicio, por ejemplo triclorosilano o una mezcla de triclorosilano e hidrógeno, a través de la capa turbulenta. En este caso se deposita silicio elemental sobre todas las superficies calientes y las partículas de silicio aumentan en su tamaño. Un tal procedimiento o respectivamente un reactor adecuado se describen, por ejemplo, en el documento de solicitud de patente alemana DE 19948395 A1. Mediante la retirada regular de unas partículas que han crecido, y la adición de partículas más pequeñas como partículas de núcleo, el procedimiento se puede realizar en teoría de una manera continua, con todas las ventajas que están vinculadas con esto. No obstante, en la práctica, a causa de la deposición de silicio sobre las partes calientes del reactor, p.ej. la pared del reactor, las piezas montadas incorporadas y las toberas, se llega a una carga térmica -mecánica del reactor, y por consiguiente a paradas del reactor debidas a la acumulación de calor junto a las superficies del reactor. La minimización del problema de la deposición de silicio sobre las superficies calientes del reactor tiene una importancia decisiva para un modo de funcionamiento económicamente rentable del procedimiento en capa turbulenta.

En el documento de solicitud de patente de los EE.UU. US 2002/0102850 A1 (de Kim) se describen un procedimiento y un aparato para la evitación o eliminación de la deposición de silicio sobre las toberas para los eductos gaseosos mediante una introducción dosificada continua, discontinua o regulada de HCl + un gas inerte (H2, N2, He, Ar) o del gas inerte H2. Desventajosamente, en el caso de una tal realización del procedimiento, aumentan los costes de funcionamiento, puesto que el grado de conversión y por consiguiente el rendimiento de espaciotiempo del reactor disminuyen en el caso de una adición dosificada de HCl. La utilización de un HCl de calidad electrónica requiere además unas adicionales etapas de proceso de purificación y limpieza, y está vinculada con un peligro elevado de contaminación y con unos costes más altos de materiales de partida.

El documento de patente alemana DE 4327308 C2 (que corresponde al documento de patente de los EE.UU. US 5.382.412) describe un reactor, en el que las zonas de calentamiento y de reacción están separadas, y la calentamiento del reactor se efectúa con un sistema de microondas. El calentamiento con microondas debe de evitar un sobrecalentamiento de las paredes y por consiguiente una deposición sobre estas paredes, puesto que una temperatura aumentada de las paredes tendría como consecuencia una deposición aumentada de Si sobre las paredes. Este documento de patente divulga además, que una deposición sobre las paredes se efectúa a unas temperaturas superiores a 400°C, y que una refrigeración de una pared es antieconómica a causa de la pérdida de energía.

El documento US 4.868.013 (de Allen) describe un procedimiento, en el que mediante inyección de un gas inerte frío (p.ej. H2) , se enfría la superficie del reactor y de esta manera se disminuye la deposición sobre las paredes.

En el documento de patente europea EP 0.832.312 B1 o respectivamente en el documento de patente de los EE.UU. US 2002/0081250 A1 se describe un procedimiento, en el que se efectúa un despeje por ataque químico o un ataque químico parcial del recubrimiento de la pared, a la temperatura de funcionamiento o cerca de la temperatura de funcionamiento del reactor de capa turbulenta, con un agente de ataque químico halogenado gaseoso, tal como cloruro de hidrógeno, cloro gaseoso o tetracloruro de silicio. Todos los mencionados agentes de ataque químico conducen a una inversión local de la reacción diana propiamente dicha, disminuyen de esta manera el rendimiento de espacio-tiempo del reactor y disminuyen por consiguiente la rentabilidad del procedimiento.

En el documento DE 3910343 A1 (de Union Carbide Corp) se describe un reactor que impide una deposición sobre la pared mediante una doble pared del reactor. En el anillo externo de la pared del reactor se inyecta solamente un gas de fluidización pero no un gas de reacción. Esta solicitud describe el problema de que la pared del reactor tiene una temperatura más alta que la capa turbulenta, y de que, por consiguiente, se llega a una deposición de silicio sobre esta pared y, resultando a partir de ello, a un peor transporte de calor en el reactor. Mediante la doble pared

se consigue una separación de las zonas de calentamiento y de reacción, permaneciendo bien conservado el transporte de calor en la zona de calentamiento.

El documento de solicitud de patente japonesa JP 6 127914 A divulga un procedimiento para la producción de un silicio policristalino en forma de granulados en un reactor de capa turbulenta, impidiédose la deposición de silicio sobre la superficie del reactor de capa turbulenta mediante el recurso de que se reducen la concentración de silanos junto a la superficie del reactor o la temperatura junto a las superficies del reactor.

La desventaja de todas las mencionadas soluciones para la disminución de la deposición de silicio sobre la superficie del reactor reside en los costes aumentados de funcionamiento. En el caso de una adición dosificada de una mezcla de HCl y un gas inerte disminuye el grado de conversión y, por consiguiente, el rendimiento de espaciotiempo del reactor, puesto que la adición dosificada de una mezcla de HCl y un gas inerte se opone al objetivo propiamente dicho de la deposición de silicio. Además, por lo general, el cloruro de hidrógeno no está a disposición en la alta pureza, como la que tienen los demás eductos gaseosos (hidrógeno y los clorosilanos) . Por lo tanto, para el empleo de cloruro de hidrógeno sería necesaria por lo tanto una instalación adicional para el tratamiento con el fin de obtener una correspondiente calidad. En el caso de una refrigeración de la pared aumenta el consumo de energía del procedimiento de una manera tan importante que el procedimiento se vuelve antieconómico.

Por lo tanto, una misión del invento fue poner a disposición un procedimiento rentable para la producción de un silicio policristalino en forma de granulados en un reactor de capa turbulenta con una superficie calentada, en cuyo caso se disminuya la deposición de silicio sobre la superficie del reactor de capa turbulenta.

El problema planteado por esta misión se resuelve mediante un procedimiento, en cuyo caso en un reactor con una superficie caliente un gas de reacción, que contiene un compuesto gaseoso de silicio, se deposita a una temperatura de reacción de 600 a 1.100°C en forma de silicio metálico sobre unas partículas de silicio, que han sido fluidizadas mediante un gas de fluidización en una capa turbulenta y han sido calentadas a la temperatura de reacción, y las partículas provistas del silicio depositado, así como el gas de reacción que no ha reaccionado y el gas de fluidización, se retiran del reactor, presentándose junto a la superficie del reactor una composición gaseosa que contiene de 99, 5 a 95 % en moles de hidrógeno y de 0, 5 a 5 % en moles del compuesto gaseoso de silicio, y teniendo la superficie del reactor una temperatura de 700 a 1.400°C, y siendo esta temperatura más alta que la temperatura de las partículas de silicio.

Se puso de manifiesto de una manera totalmente sorprendente, que, mediante la combinación de una alta temperatura de la superficie del reactor con una composición gaseosa... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la producción de un silicio policristalino en forma de granulados, en cuyo caso en un reactor de capa turbulenta con una superficie caliente, un gas de reacción, que contiene un compuesto gaseoso de silicio se 5 deposita a una temperatura de reacción de 600 a 1.100°C, en forma de silicio metálico, sobre unas partículas de silicio, que han sido fluidizadas mediante un gas de fluidización para formar una capa turbulenta, y las partículas provistas del silicio depositado, así como el gas de reacción que no ha reaccionado y el gas de fluidización, se retiran desde el reactor, presentándose junto a la superficie del reactor una composición gaseosa que contiene de 99, 5 a 95 % en moles de hidrógeno y de 0, 5 a 5 % en moles del compuesto gaseoso de silicio, y teniendo la superficie del reactor una temperatura de 700 a 1.400°C, y siendo esta temperatura más alta que la temperatura de las partículas de silicio.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se lleva a cabo de un modo contínuo.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque junto a la superficie del reactor se presenta una composición gaseosa que contiene de 97 a 99 % en moles de hidrógeno y de 1 a 3 % en moles del compuesto gaseoso de silicio.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, caracterizado porque la temperatura junto a 20 la superficie del reactor es de 800 a 1.100°C.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 4, caracterizado porque el gas de fluidización es hidrógeno.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 5, caracterizado porque el gas de reacción contiene un compuesto gaseoso de silicio, de manera preferida un monosilano o un compuesto de clorosilano, de manera especialmente preferida triclorosilano.