Método y reactor de crisol para producir silicio o un metal reactivo.

Un método para producir silicio o un metal reactivo, que comprende:

introducir una alimentación que contiene silicio o una alimentación que contiene metal reactivo en una cámara dereacción, donde la cámara de reacción incluye una pared de la cámara de reacción que tiene (i) una superficieinterior orientada hacia un espacio de reacción y (ii) una superficie exterior opuesta;

generar una primera energía térmica dentro del espacio de reacción suficiente para generar un producto de siliciolíquido o un producto de metal reactivo líquido;

generar una segunda energía térmica exterior a la pared de la cámara de reacción, de manera que un flujo decalor desde la segunda energía térmica impacta inicialmente con la superficie exterior de la pared de la cámarade reacción; y

establecer una temperatura de la pared de la superficie interior dentro de un intervalo de temperaturas que estápor debajo de la temperatura del punto de fusión del silicio o el metal reactivo controlando la primera fuente deenergía térmica y la segunda fuente de energía térmica.

Método y reactor de crisol para producir silicio o un metal reactivo

Campo La divulgación se refiere a métodos, aparatos y sistemas para tratar un material que contiene silicio o un material de metal reactivo.

Antecedentes El silicio policristalino ultrapuro o de alta calidad (polisilicio) es una materia prima crítica tanto para la industria de semiconductores (SC) como fotovoltaica (PV) . Aunque hay alternativas para aplicaciones PV específicas, el polisilicio seguirá siendo la materia prima preferida en el futuro cercano y previsible. Por tanto, mejorar la disponibilidad y la economía para producir polisilicio aumentará las oportunidades de crecimiento de ambas industrias.

La mayor parte del polisilicio se produce por el método denominado habitualmente de hilo caliente Siemens con silano o triclorosilano (TCS) como la fuente de gas que contiene silicio (SBG) . El SBG, normalmente mezclado en 20 otros gases inertes o de reacción, se descompone pirolíticamente y se deposita sobre un filamento de silicio calentado. Otro método es la descomposición pirolítica de SBG en lechos fluidizados. Esta es una alternativa atractiva para producir polisilicio para las industrias de PV y semiconductores debido a un consumo de energía significativamente menor y la posibilidad de producción continua. Estos beneficios son el resultado de la excelente transferencia de masa y calor y el aumento de la superficie para deposición. En comparación con el reactor tipo Siemens, el reactor de lecho fluidizado ofrece velocidades de producción considerablemente mayores a una fracción del consumo de energía. El reactor de lecho fluidizado también será más continuo y altamente automatizado, lo que reducirá también significativamente los costes laborales.

El silano, o silanos de orden superior, usados como el SBG en el proceso Siemens o de reactor de lecho fluidizado tiene una desventaja respecto al TCS en tanto que puede experimentar una descomposición en fase gas (homogénea) respecto a las partículas en polvo además de la deposición de polisilicio (heterogénea) . La temperatura a la que ocurre la descomposición se denomina temperatura de nucleación crítica (CNT) . La CNT depende de la especie de SBG, presión parcial de SBG, presión total y tipo de gas de dilución inerte. Una vez que se alcanza la CNT, la concentración de partículas aumentará 104-106 veces en un intervalo de 1-5 ºC. Las partículas de polvo de silicio de núcleo son típicamente de un tamaño de 1-100 nm, dependiendo del tiempo de residencia y pueden ser amorías o cristalinas. En cualquier caso, existe una concentración moderada de electrones no unidos sobre la superficie de estas partículas, que posibilita que las partículas se aglomeren fácilmente en partículas de polvo más grandes. Dependiendo de las condiciones, este polvo puede ser desde partículas de núcleos no individuales, aglomerados redondos de tamaño micrométrico hasta grandes partículas con una extensión de varios 100 de micrómetros.

Estas partículas de polvo (conocidas también como finos de silicio) se consideran contaminantes en el proceso Siemens si el polisilicio se usa posteriormente para el crecimiento de un monocristal sin dislocación, particularmente en la industria de semiconductores. Por lo tanto, en un proceso Siemens con silano, o silanos de orden superior

como el SBG, las paredes del reactor se mantienen frías, aplicando termoforesis para conducir las partículas de polvo desde la región cercana a las barras calientes donde se producen hacia las paredes del reactor frías donde se depositan. Retirar el polvo de la fase gaseosa reduce el potencial de contaminación de la barra de silicio.

En un proceso con reactor de lecho fluidizado, el polvo puede adherirse a los gránulos e incorporarse en la partícula,

contribuyendo de esta manera al crecimiento granular global. Sin embargo, una gran porción del polvo se arrastrará fuera del reactor de lecho fluidizado con los gases salientes. En un proceso con reactor de lecho fluidizado para producción de silicio granular, dicho polvo de silicio fino se considera una pérdida de producción puesto que no contribuye al material granular.

El polvo de silicio puede producirse también en otros procesos de deposición de SBG, por ejemplo intencionadamente en un Reactor de Espacio Libre o no intencionadamente en un reactor de Deposición Química en Fase Vapor (CVD) para deposición de una película fina sobre un sustrato. Otra fuente de polvo de silicio es el rectificado o corte de lingotes de silicio. Las velocidades de producción y calidades de silicio varían considerablemente dependiendo de los procesos.

El polvo producido como se ha descrito en los procesos anteriores actualmente se recupera con gran dificultad debido a que es esponjoso, de baja densidad, es un producto de alta área superficial y se contamina fácilmente por sustancias contenidas en el aire. Además, el polvo de silicio típicamente se desecha como un producto residual o se ofrece a un valor muy bajo dentro del mercado de comercialización de silicio.

El documento US4188368 desvela un método de producción de silicio usando calentadores de arco para calentar un gas portador inyectado a través de una pluralidad de puertos. El documento US4787986 desvela un proceso para fundir polvo de silicio usando un crisol de fusión. El documento US4343772 desvela un aparato de reactor térmico para descomponer pirolíticamente silano gaseoso en silicio líquido.

Sumario La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

En este documento se desvelan métodos para tratar térmicamente un material que contiene silicio o un metal reactivo para convertir este material en una forma de producto más útil. Por ejemplo, los métodos desvelados mejoran el polvo de silicio desde un producto de baja calidad, poco empaquetado, con una elevada área superficial, hasta una materia prima de silicio adecuada para los requisitos de procesamiento PV y SC. Es importante evitar la contaminación durante el proceso de tratamiento térmico para obtener un producto puro, particularmente ultrapuro.

Una fuente de contaminación son los materiales que constituyen los elementos estructurales del sistema de reactor. De acuerdo con los aparatos, sistemas y métodos desvelados en este documento se forma una capa de fondo de crisol que comprende silicio sólido o un metal reactivo sólido sobre al menos una porción de la superficie interior del reactor. La capa de fondo de crisol sólida evita el contacto del material de suministro y el producto con la superficie del sistema de reactor, evitando así o minimizando la contaminación. La capa de fondo de crisol puede proporcionar también una barrera frente a la difusión para evitar la migración de los elementos de la pared del reactor dentro del producto de silicio.

De acuerdo con una realización, en este documento se desvela un método para producir silicio o un metal reactivo que comprende:

introducir una alimentación que contiene metal reactivo o una alimentación de metal reactivo en una cámara de reacción, donde la cámara de reacción incluye una pared de la cámara de reacción que tiene (i) una superficie interior orientada hacia el espacio de reacción y (ii) una superficie exterior opuesta; generar una primera energía térmica dentro del espacio de reacción suficiente para generar un producto de silicio líquido o un producto de metal reactivo líquido; generar una segunda energía térmica exterior a la pared de la cámara de reacción, de manera que un flujo de calor desde la segunda energía térmica impacta inicialmente con la superficie exterior de la pared de la cámara de reacción; y establecer una temperatura de la pared de la superficie interior dentro de un intervalo de temperaturas que está

por encima o por debajo de una temperatura del punto de fusión del silicio o el metal reactivo controlando la primera fuente de energía térmica y la segunda fuente de energía térmica.

En una realización adicional, se desvela un método para producir silicio que comprende:

introducir polvo de silicio en una cámara de reacción, donde la cámara de reacción incluye una pared de la cámara de reacción que tiene (i) una superficie interior orientada hacia un espacio de reacción y (ii) una superficie exterior opuesta; generar un plasma en el espacio del reactor; fundir térmicamente el polvo de silicio sometiendo el polvo de silicio a una temperatura mayor que el punto de 45 fusión del polvo de silicio mediante el plasma, donde el proceso de fusión produce silicio líquido; mantener la superficie interior de la pared de la cámara de reacción a una temperatura de equilibrio por debajo del punto de fusión del polvo de silicio... [Seguir leyendo]

1. Un método para producir silicio o un metal reactivo, que comprende:

introducir una alimentación que contiene silicio o una alimentación que contiene metal reactivo en una cámara de reacción, donde la cámara de reacción incluye una pared de la cámara de reacción que tiene (i) una superficie interior orientada hacia un espacio de reacción y (ii) una superficie exterior opuesta; generar una primera energía térmica dentro del espacio de reacción suficiente para generar un producto de silicio líquido o un producto de metal reactivo líquido;

generar una segunda energía térmica exterior a la pared de la cámara de reacción, de manera que un flujo de calor desde la segunda energía térmica impacta inicialmente con la superficie exterior de la pared de la cámara de reacción; y establecer una temperatura de la pared de la superficie interior dentro de un intervalo de temperaturas que está por debajo de la temperatura del punto de fusión del silicio o el metal reactivo controlando la primera fuente de energía térmica y la segunda fuente de energía térmica.

2. El método de la reivindicación 1, donde se produce un flujo de energía ajustable de 1 a 2000 kW/m2 desde el espacio de reacción a través de la pared de la cámara de reacción controlando la primera fuente de energía térmica y la segunda fuente de energía térmica.

3. El método de la reivindicación 1, donde la primera energía térmica es energía de plasma y la segunda energía térmica es calentamiento por inducción o calentamiento por resistencia.

4. El método de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente formar una capa de fondo de crisol sólida de

silicio o de metal reactivo sobre la superficie interior de la pared de la cámara de reacción, preferentemente donde la capa de fondo de crisol sólida tiene un espesor de menos de 200 mm.

5. El método de la reivindicación 1, donde la primer energía térmica genera calor dentro del espacio del reactor a una temperatura por encima del punto de fusión del silicio, y la primera fuente de energía y la segunda fuente de energía se combinan para mantener la temperatura de la pared de la superficie interior a una temperatura por debajo del punto de fusión del silicio.

6. El método de la reivindicación 1, donde la pared de la cámara de reacción está alineada verticalmente de manera que el silicio líquido o el metal líquido puedan fluir hacia abajo por la pared de la cámara. 35

7. El método de la reivindicación 1, donde el calor desde la segunda energía térmica está controlado para mantener la temperatura de la pared de la superficie interior a una temperatura por debajo de la temperatura del punto de fusión de la alimentación que contiene silicio o la alimentación de metal reactivo, preferentemente donde la temperatura de la pared de la superficie interior se mantiene de 1 a 300 ºC por debajo de la temperatura del punto de fusión del silicio o el metal reactivo.

8. El método de la reivindicación 1, donde una alimentación que contiene silicio se introduce en la cámara de reacción y la segunda energía térmica mantiene la temperatura de la pared de la superficie interior a una temperatura de 1115 a 1414 ºC.

9. El método de la reivindicación 1 que comprende adicionalmente:

introducir polvo de silicio en dicha cámara de reacción, donde la generación de una primera energía térmica comprende generar un plasma en el espacio del reactor, 50 comprendiendo el método adicionalmente:

fundir térmicamente el polvo de silicio sometiendo el polvo de silicio a una temperatura mayor que el punto de fusión del polvo de silicio mediante el plasma, donde el proceso de fusión produce silicio líquido; mantener la superficie interior de la pared de la cámara de reacción a una temperatura de equilibrio por

debajo del punto de fusión del polvo de silicio mientras se funde el polvo de silicio; y solidificar el silicio líquido después de su salida de la cámara de reacción.

10. El método de la reivindicación 9, que comprende adicionalmente calentar de forma controlable la superficie exterior de la pared de la cámara de reacción. 60

11. El método de la reivindicación 1 donde generar dicha primera energía térmica dentro del espacio de reacción es suficiente para generar un gas de reacción calentado y un producto de silicio líquido o un producto de metal reactivo líquido; donde el método comprende adicionalmente:

formar una capa de fondo de crisol sólida de silicio o de metal reactivo sobre la superficie interior de la pared de la cámara de reacción; y formar una película del producto de silicio líquido o del producto de metal reactivo líquido de manera que la película fluya hacia abajo sobre al menos una parte de la capa de fondo de crisol sólida;

donde la primera energía térmica genera un primer flujo de calor que progresa de la siguiente manera: gas de reacción calentado → película de silicio o metal reactivo líquido → capa de fondo de crisol de silicio o metal reactivo sólido → pared de la cámara de reacción, y la segunda energía térmica genera un segundo flujo de calor que progresa de la siguiente manera: pared de la cámara de reacción → capa de fondo de crisol de silicio o metal reactivo sólido → película de silicio o metal reactivo líquido.

12. El método de la reivindicación 1, donde la alimentación que contiene silicio es un gas que contiene silicio seleccionado entre SinH2n+2, donde n es de 1 a 4, diclorosilano, triclorosilano, tetracloruro de silicio, dibromosilano, tribromosilano, tetrabromuro de silicio, diyodosilano, triyodosilano, tetrayoduro de silicio o una mezcla de los mismos.

13. Un sistema de reactor que comprende:

una materia prima que contiene silicio o una materia prima de metal reactivo; una cámara de reacción que incluye una pared de la cámara de reacción que define un espacio de reacción de la cámara e incluye (i) una superficie interior orientada hacia el espacio de reacción y (ii) una superficie exterior

opuesta; una fuente de energía de plasma acoplada a la cámara de reacción y configurada para generar energía térmica dentro del espacio de reacción de la cámara; una fuente de energía térmica externa configurada para someter a la superficie exterior de la pared de la cámara de reacción a calentamiento, y que está localizada fuera de la cámara de reacción; y

una salida de producto configurada para extraer silicio líquido o metal reactivo líquido de la cámara de reacción.

14. El sistema de reactor de la reivindicación 13, que comprende adicionalmente:

medios para inyectar una materia prima de polvo de silicio en la cámara de reacción; o una cámara de contención sellada herméticamente que abarca al menos la cámara de reacción y la fuente de energía térmica externa; o medios para hacer vibrar la salida del producto; y preferentemente donde la fuente de energía externa comprende al menos una bobina de inducción dispuesta alrededor de una parte de la superficie exterior de la pared de la cámara de reacción o donde la fuente de energía externa comprende al menos un calentador de resistencia dispuesto en contacto con una parte de la superficie exterior de la pared de la cámara de reacción.