Método para la preparación continua de silicio policristalino usando un reactor de lecho fluidizado.

Un método para la preparación de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado para la preparación de silicio policristalino granular,

en el que una salida de gas de reacción de un medio de suministro de gas de reacción, que suministra un gas de reacción que contiene silicio de forma que tiene lugar la deposición de silicio al tiempo que se mantiene fluidizado el lecho de partículas de silicio formado en el interior de un tubo de reactor, está ubicada en el interior del lecho de partículas de silicio y, con un extremo de salida de la salida de gas de reacción como la altura de referencia, estando los espacios superior e inferior del tubo de reactor definidos respectivamente como zona de reacción proporcionada para la deposición de silicio por parte del gas de reacción y como zona de calentamiento proporcionada para el calentamiento de las partículas de silicio, y que comprende:

(i) una etapa de preparación de partículas de silicio, en la que el gas de reacción lo suministra el medio de suministro de gas de reacción de manera que tenga lugar la deposición de silicio sobre la superficie de las partículas de silicio en contacto con el gas de reacción, al tiempo que se acumula el depósito de silicio sobre la pared interna del tubo de reactor que engloba la zona de reacción;

(ii) una etapa de descarga parcial de partículas de silicio, que sigue a la etapa de preparación de partículas de silicio, en la que, sin requerir el suministro de gas de reacción, una parte de las partículas de silicio que quedan en el interior del tubo de reactor se descarga fuera del reactor de lecho fluidizado de manera que la altura del lecho de partículas no supere la altura de la salida de gas de reacción; y

(iii) una etapa de retirada de depósitos de silicio, que sigue a la etapa de descarga de partículas de silicio, en la que se retira el depósito de silicio por medio del suministro de un gas de ataque químico a la zona de reacción, que reacciona con el depósito de silicio para formar compuestos de silicio gaseosos.

Mïtodo para la preparaciïn continua de silicio policristalino usando un reactor de lecho fluidizado Campo de la invenciïn La presente invenciïn se refiere a un mïtodo para la preparaciïn de silicio policristalino usando un reactor de lecho fluidizado, en particular un mïtodo para la preparaciïn continua de silicio policristalino que permite la retirada eficaz del depïsito de silicio acumulado en la pared interna del tubo de reactor de un aparato de fabricaciïn de silicio policrilstalino (silicio multicristalino, polisilicio o poli-Si) .

Tïcnica anterior

El silicio policristalino de alta pureza se usa ampliamente como sustancia quïmica o material de origen industrial en dispositivos semiconductores, cïlulas solares, etc. De igual forma, se usa en la fabricaciïn de dispositivos funcionales de precisiïn y sistemas de precisiïn altamente integrados de pequeïo tamaïo. El silicio policristalino se prepara por medio de descomposiciïn tïrmica y/o reducciïn de hidrïgeno de gas de reacciïn que contiene silicio altamente purificado, provocando de este modo la deposiciïn de silicio sobre las partïculas de silicio.

En la producciïn a escala comercial de silicio policristalino, se ha usado principalmente un reactor de tipo cubiertatinaja. Los productos de silicio policristalino generados usando el reactor de tipo cubierta-tinaja tienen forma de varilla y tienen un diïmetro de aproximadamente 50-300 mm. No obstante, el reactor de tipo cubierta-tinaja, que consiste fundamentalmente en un sistema de calentamiento de resistencia elïctrica, no se puede operar de forma continua debido al lïmite inevitable en cuanto al diïmetro mïximo de varilla que se puede conseguir. Tambiïn se sabe que este reactor tiene serios problemas de baja eficacia de deposiciïn y elevado consumo elïctrico debido a las superficies de silicio limitadas y a la elevada pïrdida de calor.

Para solucionar estos problemas, se desarrollï recientemente un proceso de deposiciïn de silicio usando un reactor de lecho fluidizado para producir silicio policristalino en forma de partïculas que tenïan un tamaïo de aproximadamente 0, 5-3 mm. De acuerdo con este mïtodo, se forma un lecho fluidizado de partïculas de silicio por medio del flujo ascendente de gas y aumenta el tamaïo de las partïculas de silicio a medida que los ïtomos de silicio se depositan sobre las partïculas, procedente del gas de reacciïn que contiene silicio suministrado al lecho fluidizado caliente.

Como en el caso del reactor de tipo cubierta-tinaja convencional, se usa un compuesto de silano basado en Si-H-Cl, por ejemplo, monosilano (SiH4) , diclorosilano (SiH2Cl2) , triclorosilano (SiHCl3) , tetracloruro de silicio (SiCl4) o una de sus mezclas en el reactor de lecho fluidizado como gas de reacciïn que contiene silicio, que puede comprender ademïs al menos un componente de gas seleccionado entre hidrïgeno, nitrïgeno, argïn, helio, etc.

Para la deposiciïn de silicio con el fin de preparar silicio policristalino, se deberïa mantener la temperatura de reacciïn, o la temperatura de las partïculas de silicio, en aproximadamente 600-850 ïC para monosilano, siendo de 900-1.100 ïC para triclorosilano que es el mïs ampliamente usado.

El proceso de deposiciïn de silicio, que estï provocado por la descomposiciïn tïrmica y/o la reducciïn de hidrïgeno de gas de reacciïn que contiene silicio, incluye varias reacciones elementales, y existen rutas complejas en las cuales los ïtomos de silicio crecen para dar lugar a partïculas granulares que dependen del gas de reacciïn. No obstante, independientemente del tipo de reacciones elementales y del gas de reacciïn, la operaciïn del reactor de lecho fluidizado da lugar a un producto de silicio policristalino en forma de partïculas, es decir, grïnulos.

En este caso, las partïculas de silicio mïs pequeïas, es decir, los cristales seminales se vuelven mïs grandes en cuanto a tamaïo debido a la deposiciïn continua de silicio o la aglomeraciïn de las partïculas de silicio, perdiendo de este modo fluidez y moviïndose finalmente aguas abajo. Se pueden preparar cristales seminales o se pueden generar in situ en el propio lecho fluidizado, o se pueden suministrar al reactor de forma continua, periïdica o intermitente. De este modo, se pueden descargar las partïculas mïs grandes preparadas, es decir, el producto de silicio policristalino desde la parte inferior del reactor de forma continua, periïdica o intermitente.

Debido al ïrea superficial relativamente elevada de las partïculas de silicio, el sistema de reactor de lecho fluidizado proporciona un rendimiento de reacciïn mïs elevado que el del sistema de reactor de tipo cubierta-tinaja. Ademïs, el producto granular se puede usar directamente sin procesado adicional para los procesos de seguimiento tales como la proliferaciïn de cristales individuales, la producciïn de bloques cristalinos, el tratamiento superficial y la modificaciïn, la preparaciïn de un material quïmico para reacciïn o separaciïn, o un cuerpo conformado o la pulverizaciïn de partïculas de silicio. Aunque estos procesos de seguimiento se han operado de manera discontinua, la fabricaciïn de silicio policristalino granular permite llevar a cabo los procesos de forma continua o semi-continua.

El mayor escollo en la producciïn continua de silicio policristalino granular, es decir, de partïculas conformadas, que usa el reactor de lecho fluidizado es que la deposiciïn de silicio por medio del gas de reacciïn tenga lugar no solo

sobre las superficies de las partïculas de silicio calentadas a una temperatura elevada sino tambiïn sobre las superficies de los componentes del reactor que estïn expuestas inevitablemente o que se encuentran en contacto con las partïculas de silicio calientes.

La deposiciïn de silicio tiene lugar y se acumula sobre las superficie sïlidas calientes del interior del reactor de lecho fluidizado, incluyendo las partïculas de silicio, la pared interna del tubo del reactor y el medio de suministro de gas de reacciïn, todos ellos expuestos al gas de reacciïn. El espesor de la capa de deposiciïn acumulada aumenta con el tiempo. En este caso, de manera beneficiosa se ajusta a la finalidad del proceso de deposiciïn de lecho fluidizado que el espesor de la capa de deposiciïn de silicio aumenta gradualmente sobre las superficies de los cristales seminales de silicio o las partïculas de silicio. No obstante, resulta desastroso cuando la deposiciïn de silicio supera un nivel permitido en las superficies sïlidas de los componentes del reactor, excepto para las partïculas de silicio, incluyendo la pared interna del tubo de reactor y/o el medio de suministro de gas de reacciïn expuesto a, o en contacto con, las partïculas de silicio de fluidizaciïn de alta temperatura. Si la deposiciïn de silicio en dichos componentes de reactor supera el alcance permitido de masa o espesor, se deberïa deteriorar en gran medida la estabilidad y, a largo plazo, se tendrïa que detener la operaciïn del reactor.

Para una producciïn rentable de silicio policristalino con partïculas conformadas, es decir, granular, resulta esencial la mejora de la productividad del reactor de lecho fluidizado. Ademïs, para la operaciïn continua del reactor de lecho fluidizado, que es la principal ventaja del proceso de deposiciïn de silicio de lecho fluidizado, se deberïa garantizar sobre todo la estabilidad fïsica de los componentes del reactor. De este modo, con el fin de mejorar la productividad del reactor de lecho fluidizado y garantizar la estabilidad mecïnica del reactor durante el proceso de deposiciïn de silicio para preparar las partïculas de silicio policristalino, se requiere retirar eficazmente el depïsito de silicio que se forma en los componentes del reactor debido a la exposiciïn constante y al contacto con las partïculas de silicio calientes y el gas de reacciïn. Dicha retirada eficaz del depïsito de silicio es mïs importante en la producciïn en masa de partïculas de silicio policristalino usando un reactor de lecho fluidizado. Pero, existen ïnicamente unas pocas tïcnicas relacionadas con ello.

La patente de Estados Unidos Nï. 5.358.603 (1994) describe un mïtodo para retirar, por medio de un mïtodo de ataque quïmico, el depïsito de silicio formado de manera especïfica sobre el medio de descarga de producto del reactor de lecho fluidizado durante el proceso de deposiciïn de silicio de lecho fluidizado. Este mïtodo que usa un gas de ataque quïmico tambiïn se puede aplicar a la retirada del depïsito de silicio formado en la pared interna del tubo de reactor. No obstante, la aplicaciïn de este mïtodo requiere bïsicamente las siguientes etapas: en primer lugar se debe detener la operaciïn de deposiciïn; se deben descargar... [Seguir leyendo]

1. Un mïtodo para la preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado para la preparaciïn de silicio policristalino granular, en el que una salida de gas de reacciïn de un medio de suministro de gas de reacciïn, que suministra un gas de reacciïn que contiene silicio de forma que tiene lugar la deposiciïn de silicio al tiempo que se mantiene fluidizado el lecho de partïculas de silicio formado en el interior de un tubo de reactor, estï ubicada en el interior del lecho de partïculas de silicio y, con un extremo de salida de la salida de gas de reacciïn como la altura de referencia, estando los espacios superior e inferior del tubo de reactor definidos respectivamente como zona de reacciïn proporcionada para la deposiciïn de silicio por parte del gas de reacciïn y como zona de calentamiento proporcionada para el calentamiento de las partïculas de silicio, y que comprende:

(i) una etapa de preparaciïn de partïculas de silicio, en la que el gas de reacciïn lo suministra el medio de suministro de gas de reacciïn de manera que tenga lugar la deposiciïn de silicio sobre la superficie de las partïculas de silicio en contacto con el gas de reacciïn, al tiempo que se acumula el depïsito de silicio sobre la pared interna del tubo de reactor que engloba la zona de reacciïn;

(ii) una etapa de descarga parcial de partïculas de silicio, que sigue a la etapa de preparaciïn de partïculas de silicio, en la que, sin requerir el suministro de gas de reacciïn, una parte de las partïculas de silicio que quedan en el interior del tubo de reactor se descarga fuera del reactor de lecho fluidizado de manera que la altura del lecho de partïculas no supere la altura de la salida de gas de reacciïn; y

(iii) una etapa de retirada de depïsitos de silicio, que sigue a la etapa de descarga de partïculas de silicio, en la que se retira el depïsito de silicio por medio del suministro de un gas de ataque quïmico a la zona de reacciïn, que reacciona con el depïsito de silicio para formar compuestos de silicio gaseosos.

2. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 1, que ademïs comprende (iv) un etapa de reaprovisionamiento de partïculas de silicio, en la que, despuïs de retirar el depïsito de silicio y terminar el suministro del gas de ataque quïmico, se reaprovisionan las partïculas de silicio al interior del tubo de reactor para formar un lecho de partïculas de silicio en la zona de reacciïn.

3. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciones 1 y 2, en el que el ciclo que comprende las etapas (i) , (ii) , (iii) y (iv) se repite.

4. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 1, en el que el reactor de lecho fluidizado comprende una cubierta de reactor que engloba el tubo de reactor, y el espacio interno del tubo de reactor estï definido como zona interna en la cual estï presente el lecho de partïculas de silicio y estïn incluidas la zona de calentamiento y la zona de reacciïn, al tiempo que el espacio entre el tubo de reactor y la cubierta del reactor se define como zona externa en la que no estï presente el lecho de partïculas de silicio y no tiene lugar la deposiciïn de silicio.

5. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que (i) la etapa de preparaciïn de partïculas de silicio comprende las sub-etapas de:

suministrar un gas de fluidizaciïn al lecho de partïculas de silicio en la zona de calentamiento usando un medio de suministro de gas de fluidizaciïn de manera que el lecho de partïculas de silicio formado en la zona de reacciïn experimente fluidizaciïn; calentar las partïculas de silicio con un medio de calentamiento equipado en la zona interna y/o la zona externa del tubo de reactor; descargar una parte de las partïculas de silicio preparadas en la zona interna fuera del reactor de lecho fluidizado usando un medio de descarga de partïculas; y descargar un gas de salida que comprende el gas de fluidizaciïn, que pasa a travïs del lecho de partïculas de silicio, un gas de reacciïn que no ha reaccionado y un gas subproducto fuera del reactor de lecho fluidizado usando un medio de descarga de gas.

6. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 4, en el que se suministra un gas inerte, que comprende al menos uno seleccionado entre nitrïgeno, argïn y helio, a la zona externa para mantener la zona externa en condiciones de atmïsfera de gas inerte.

7. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 4, en el que la diferencia de presiïn en la zona externa (P0) y la presiïn en la zona interna (Pi) se mantiene cumpliendo la condiciïn de 0 bar !∀P0-Pi∀!1 bar.

8. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciones 1 a 3, en el que el gas de ataque quïmico comprende al menos una sustancia que contiene cloro seleccionada entre tetracloruro de silicio (SiCl4) , ïcido clorhïdrico (HCl) y cloro (Cl2) .

9. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 8, en el que el gas de ataque quïmico comprende ademïs al menos una sustancia seleccionada entre

hidrïgeno, nitrïgeno, argïn y helio.

10. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciones 1 a 3, en el que, en (i) la etapa de preparaciïn de partïculas de silicio y/o en (iii) la etapa de retirada de depïsitos de silicio, se mantiene la presiïn absoluta en la zona de reacciïn dentro del intervalo de 1-20 bar.

11. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciones 1 a 3, en el que (iii) la etapa de retirada de depïsitos de silicio comprende la sub-etapa de retirar el depïsito de silicio formado en la salida de gas de reacciïn del medio de suministro de gas de reacciïn usando el gas de ataque quïmico.

12. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciones 1 a 3, en el que (iii) la etapa de retirada de depïsitos de silicio se lleva a cabo por medio del suministro del gas de ataque quïmico usando el medio de suministro de gas de reacciïn y/o un medio de suministro de gas de ataque quïmico cuya salida estï expuesta a la zona de reacciïn.

13. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 12, en el que en (iii) la etapa de retirada de depïsitos de silicio, se suministra un gas fluidizado al lecho de partïculas de silicio que quedan en la zona de calentamiento usando un medio de suministro de gas de fluidizaciïn de manera que el lecho de partïculas de silicio se mantiene en un lecho fijo en el que las partïculas se vuelven inmïviles o como lecho fluidizado en el que una parte de las partïculas permanecen fluidizadas.

14. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 5 o la reivindicaciïn 13, en el que el gas de fluidizaciïn comprende al menos una sustancia seleccionada entre hidrïgeno, nitrïgeno, argïn, helio, tetracloruro de silicio, triclorosilano, diclorosilano y ïcido clorhïdrico.

15. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 5 o la reivindicaciïn 13, en el que por medio del gas de fluidizaciïn se forma un lecho fijo de materiales de relleno que no estïn fluidizados, ademïs del lecho de partïculas de silicio en el espacio inferior de la zona de calentamiento.

16. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 12, en el que en (iii) la etapa de retirada de depïsitos de silicio, un gas de salida de ataque quïmico que incluye el gas de fluidizaciïn que se hace pasar a travïs del lecho de partïculas de silicio, un gas de ataque quïmico que no ha reaccionado y/o un gas producto de reacciïn de ataque quïmico, se descarga fuera del reactor de lecho fluidizado usando un medio de descarga de gas.

17. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 1, en el que el gas de reacciïn comprende al menos una sustancia que contiene silicio seleccionada entre monosilano (SiH4) , diclorosilano (SiH2Cl2) , triclorosilano (SiHCl3) y tetracloruro de silicio (SiCl4) .

18. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en la reivindicaciïn 1, en el que en (iii) la etapa de retirada de depïsitos de silicio, la temperatura de una parte del depïsito de silicio se mantiene dentro del intervalo de 500 #1.250 ïC.

19. El mïtodo de preparaciïn de silicio policristalino que usa un reactor de lecho fluidizado como se explica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 o en la reivindicaciïn 18, en el que en (iii) la etapa de retirada de depïsitos de silicio, se calienta el depïsito de silicio gracias a un medio de calentamiento equipado en la zona interna del tubo de reactor y/o en la zona externa.