Proceso para retirar impurezas de carbono y/o fósforo de una instalación de producción de silicio.

Un proceso para retirar impurezas de carbono y/o fósforo de una instalación de producción de silicio que comprende las etapas de:

enfriar la corriente de efluente de reactor que contiene principalmente halosilanos, hidrógeno y haluros de hidrógeno;

condensar más de un 60 % de los halosilanos;

separar la preponderancia de los gases no condensados de los líquidos condensados y hacer pasar parte o la totalidad de los gases a través de un separador de membranas para retirar más de un 10 % de cualesquiera impurezas de carbono y/o fósforo presentes en la parte de la corriente que penetra en el separador de membranas; y

recuperar más de un 10 % del hidrógeno que penetra en el separador de membranas.

Proceso para retirar impurezas de carbono y/o fósforo de una instalación de producción de silicio.

Antecedentes de la invención La presente invención se refiere generalmente al campo de la producción de silicio de alta pureza y, dentro de ese campo, a la conversión de silicio de calidad metalúrgica en silicio de calidad electrónica y, de manera más específica, a un proceso para retirar impurezas de una instalación de producción de silicio. Los procesos se pueden usar para evitar la acumulación de impurezas en las corrientes de reciclaje y para proporcionar un materia prima más pura y estable en las etapas de purificación final de las técnicas de destilación convencionales comúnmente usadas para purificar un gas que contiene silicio de alta pureza, que posteriormente se usa para producir silicio de alta pureza en un reactor de deposición. Las ubicaciones en las cuales se retiran las impurezas se denominan pozos y las ubicaciones en las cuales penetran se denominan fuentes. Otras definiciones y abreviaturas son; MCS; monoclorosilano, SiH3Cl DCS; diclorosilano, SiH2Cl2 TCS; triclorosilano, SiHCl3 STC; tetracloruro de silicio, SiCl4 MBS; monobromosilano, SiH3Br DBS; dibromosilano, SiH2Br2 TBS; tribromosilano, SiHBr3 SBC; tetrabromuro de silicio, SiBr4 MGS; silicio de calidad metalúrgica EGS; silicio de calidad electrónica MTCS; metil triclorosilano, Si (CH3) Cl3 MTBS; metil tribromosilano, Si (CH3) Br3 H2; gas de hidrógeno HCl; gas de ácido clorhídrico HBr; gas de ácido bromhídrico Cl2; gas de cloro Br2; gas de bromo Ppm wt son partes por millón en peso Ppma son partes por millón atómicas Ppba son partes por billón atómicas La mayoría del silicio de calidad electrónica de alta pureza se produce a partir de silicio de calidad metalúrgica, MGS, que tiene una pureza de aproximadamente un 98 %. El proceso convierte el silicio sólido en un material líquido, que se puede purificar y posteriormente se puede descomponer de nuevo en silicio. Normalmente, el material inicial es triclorosilano, TCS, aunque se podrían usar tribromosilano, TBS y triyodosilano, SiHI3. El proceso implica usar sustancias químicas portadoras para transformar el silicio sólido y reciclar las sustancias químicas portadoras con el fin de reducir el residuo como se muestra en la Figura 1. Se deben usar algunas sustancias químicas portadoras para rechazar las impurezas, que son Carbono, C; Boro, B; Fósforo, P; Aluminio, Al; y otros metales. También resulta deseable la minimización de la pérdida de las sustancias químicas portadoras para el residuo. Las sustancias químicas portadoras consisten en silicio, hidrógeno y un halógeno, normalmente cloro, en varias combinaciones tales como H2, STC, TCS, DCS, MCS, HCl y Cl2, SiH4, H2, etc, y en un sistema basado en bromo los equivalentes de bromo análogos. Los reactores iniciales para producir triclorosilano se denominaron reactores de Siemens e hicieron reaccionar HCl con silicio para formar TCS con un rendimiento elevado, un 90 %, con algún subproducto de STC, los reactores de deposición de silicio hicieron reaccionar el TCS con hidrógeno para formar silicio, algún subproducto de STC y HCl que se recicló al reactor de Siemens. Un ejemplo detallado de este enfoque de refinería de silicio se puede observar en Padovani US 4.213.937, que muestra la complejidad del proceso que se requiere para cerrar el reciclaje y tratar el subproducto STC. La eliminación del subproducto STC generalmente se reconoce como un problema y han surgido varios métodos para convertirlo de nuevo en TCS o una sílice y HCl. Ingle, documento US 4.526.769, muestra un proceso que recicla STC, hidrógeno y HCl hasta un reactor de dos etapas. Breneman, documento US 4.676.967, muestra un proceso que recicla únicamente STC e hidrógeno a un reactor lleno o MGS y los hace reaccionar para formar una mezcla de TCS, STC, hidrógeno y ácido clorhídrico y posteriormente los suministra para la desproporción progresiva de TCS hasta silano, SlH4 y STC que posteriormente se recicla hasta el reactor, el silano se descompone hasta silicio e hidrógeno, que posteriormente se recicla. Información adicional sobre la retirada de impurezas en el mismo proceso se proporciona en Coleman, documento US 4.340574, que menciona proporcionar una pequeña corriente de purga de un 0, 01 a un 0, 1 % a partir de las columnas usadas en la parte de desproporción del proceso.

El enfoque de purificación de la tecnología anterior es principalmente destilación del gas de deposición de silicio, normalmente TCS pero también TBS y SlH4 hasta niveles de muy alta pureza. Existen también procesos para retirar algunas impurezas por medio del uso de absorbentes. Ingle proporciona la retirada de MGS que se lleva a cabo a partir de un reactor y para destilación y purificación química de TCS. Él también proporciona la destilación de tetracloruro de silicio reciclado. Él no proporciona tricloruro de aluminio sólido y además su esquema de destilación

propuesto falla. Véase columna 7, renglón 2, "The chlorosilanes are separated by distillation in distillation column 78 which separates the lighter boiling constituents (H2SiCl2 y HSiCl3 a partir de SICl4". Resulta evidente a partir de los ejemplos que se llevó a cabo investigación en el propio reactor de etapa dual una vez a través de las sustancias químicas. De este modo, la pureza y los problemas operacionales de un sistema de reciclaje cerrado que usa SlCl4 no resultan evidentes, y además no se tratan de manera fiable. Ingle también destila todo el SlCl4 reciclado que no se requiere o que resulta óptimo. Breneman proporciona la condensación de una parte pequeña del STC a partir del reactor para inmovilizar el MGS transportado y los haluros metálicos que posteriormente se envían a la fracción residual y que no requieren la dilución adicional antes de la hidrólisis y menciona específicamente en la columna 15, renglón 54, que "se podría retirar cualquier tricloruro de boro, punto de ebullición, -12 º C, no retirado en dicho lodo o retenido sobre la resina de intercambio iónico, a partir del silano de dicha zona de purificación". Klein y col., documento US 6.843.972 proporcionan adsorción de impurezas en TCS usando una base sólida. En la tecnología anterior, el objetivo principal de purificación es retirar las impurezas del gas de deposición de silicio. Otros objetivos son que las sustancias químicas portadoras se reciclen preferentemente con una mínima fracción residual y que las impurezas también se rechacen con una mínima fracción residual o material portador. Breneman afirma en la columna 6, renglón 44, "todos los materiales de subproducto se reciclan para uso posterior...". Los niveles de pureza requeridos son muy elevados, con frecuencia partes por billón o superiores, que resultan muy difíciles de detectar de manera directa y por consiguiente puede ser necesario usar etapas de purificación redundantes. Breneman afirma en la columna 12, renglón 60, "... el silano producto es de pureza de semiconductor, tiene impurezas presentes en niveles de partes por billón, en lugar de niveles del orden de aproximadamente un 0, 05 % o 500 partes por millón. También se aprecia que dichas etapas de purificación, como vienen indicadas en la presente memoria, podrían, de manera proactiva, constituir características redundantes útiles principalmente en esa base". Coleman reivindica en la columna 20, renglón 30, "la mejora que comprende sangrar una parte de la corriente inferior rica en triclorosilano (iii) de dicha parte sangrada que contiene una o más impurezas de BCl3, PCl3 y AsCl3 y añadir dicha parte a la corriente de reciclaje inferior de tetracloruro de silico que no ha reaccionado de (iv) y sangrar una parte de la corriente inferior rica en clorosilano de (viii) dicha parte de sangrado que contiene una o más impurezas de B2H6, PH3 y AsH3 y añadir dicha parte a la corriente de reciclaje inferior de tetracloruro de silicio que no ha reaccionado de (iv) , en la que las partes de sangrado respectivas de la corriente inferior rica en triclorosilano de (iii) y la corriente inferior rica en clorosilano de (viii) son un 0, 01 y un 0, 1 por ciento de sus respectivas corrientes inferiores".

Normalmente, un problema principal en la técnica anterior es que la purificación es principalmente del material de SiHCl3 o SiH4 o SiHBr3, usado para la deposición final de silicio. De manera nada sorprendente, algunas de las impurezas halladas en TCS, TBS o SiH4 se encuentran muy próximas químicamente y en cuanto a propiedades físicas al material puro y la purificación que se precisa es muy elevada, lo que requiere una pérdida significativa de producto para retirar las impurezas. De este modo, las columnas de destilación para retirar estas impurezas tienden a ser grandes y costosas de operar. Pueden requerirse columnas... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para retirar impurezas de carbono y/o fósforo de una instalación de producción de silicio que comprende las etapas de:

enfriar la corriente de efluente de reactor que contiene principalmente halosilanos, hidrógeno y haluros de hidrógeno; condensar más de un 60 % de los halosilanos; separar la preponderancia de los gases no condensados de los líquidos condensados y hacer pasar parte o la totalidad de los gases a través de un separador de membranas para retirar más de un 10 % de cualesquiera impurezas de carbono y/o fósforo presentes en la parte de la corriente que penetra en el separador de membranas;

y recuperar más de un 10 % del hidrógeno que penetra en el separador de membranas.