ES2317625T3 - Procedimiento y aparato para el calentamiento de gases exento de contaminacion. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para calentamiento exento de contaminación de un gas de alta pureza a una temperatura de 300 a 1200ºC, que se caracteriza porque el gas de alta pureza se conduce a una presión de 0,1 a 10 bar absolutos a través de un sólido de alta pureza, que no contamina el gas, en el que el sólido se encuentra en un recipiente de alta pureza, cuya pared está constituida por un material activo, que es permeable para los rayos infrarrojos en proporción mayor que 85% y el recipiente está tan completamente lleno con el granulado, fragmentos o piezas moldeadas del sólido, que éste se encuentra inmóvil en el recipiente y puede ser bañado por el gas a calentar, y el recipiente es irradiado por los rayos infrarrojos, con lo cual se calienta el sólido y éste calienta el gas.

Description

Procedimiento y aparato para el calentamiento de gases exento de contaminación.

La invención se refiere a un procedimiento y un aparato para el calentamiento de gases exento de contaminación.

En la separación en lecho fluidizado de silicio policristalino de alta pureza se carga inicialmente en un reactor un relleno de partículas de silicio, se fluidiza este relleno por medio de un gas y se calienta mediante un dispositivo apropiado a la temperatura necesaria para la reacción de separación. Un compuesto que contiene silicio contenido en el gas, por lo general silano o un halogenosilano (SiH_{x}Hg_{4-x}, Hg: halógeno, X = 1-3) se desintegra en las superficies calientes de las partículas en una reacción de pirólisis con formación de silicio elemental, que se precipita sobre la superficie de las partículas de silicio y conduce a un aumento de tamaño de las partículas. El procedimiento puede realizarse continuamente, si las partículas continuamente crecientes se retiran del lecho fluidizado como producto y se introducen en el lecho fluidizado partículas de tamaño más pequeño, denominadas partículas germen de silicio. Un procedimiento de este tipo se describe por ejemplo en el documento DE 199 48 395 A1.

La necesidad neta de calor del lecho fluidizado se obtiene en estos procedimientos en su mayor parte por la diferencia entre la temperatura de lecho fluidizado y la temperatura de los gases de entrada, siendo por el contrario de menor importancia la entalpía de reacción de la separación de la fase gaseosa. La temperatura del lecho fluidizado corresponde a la temperatura de reacción necesaria para la reacción de pirólisis y depende fuertemente de la clase y concentración del compuesto que contiene silicio. En el caso del empleo de silano o clorosilanos, p.ej. triclorosilano, se emplea habitualmente además para la dilución un gas exento de silicio, como p.ej. hidrógeno. La temperatura del lecho fluidizado necesaria como mínimo para la reacción de separación, partiendo del silano, aumenta fuertemente con el conte-
nido creciente de cloro del compuesto que contiene silicio empleado y está comprendida entre aprox. 500ºC y 1200ºC.

Así pues, es obvio calentar previamente los gases a la temperatura del lecho fluidizado antes de la entrada en el mismo a fin de mantener pequeñas las necesidades de calor para el lecho fluidizado. Sin embargo, en el caso de gases que contienen silicio, o mezclas de gases que contienen estos compuestos, un precalentamiento de este tipo está limitado por la temperatura de descomposición respectiva de los gases que contienen silicio. Si se introduce por separado en el lecho fluidizado el gas de dilución exento de silicio, p.ej. hidrógeno, éste podría calentarse teóricamente incluso hasta por encima de la temperatura del lecho fluidizado, para calentar de este modo el lecho fluidizado. Sin embargo, particularmente para temperaturas muy altas existe el riesgo, no sólo en el caso de precalentamiento de los gases que contienen silicio, sino también en el caso de precalentamiento del gas de dilución exento de silicio, de una contaminación potencial por el aparato utilizado para el precalentamiento. Esto sucede p.ej. en el caso del empleo de elementos de calentamiento metálicos de p.ej. tántalo, molibdeno o aleación Kanthal como se describe en el documento US 6.827.786 B2, columna 18, líneas 57 y siguientes para el precalentamiento de hidrógeno a 1300ºC para separación en lecho fluidizado. Desfavorablemente, por el contacto íntimo con la superficie de los elementos calentadores se llega en este caso a una contaminación del gas. La superficie del elemento calentador se compone de metal, que contamina el gas a calentar. Además, debido a las impurezas presentes en el metal del elemento calentador se produce también una contaminación adicional del gas a calentar. El grado de contaminación del gas aumenta con la temperatura creciente del elemento calentador metálico.

La finalidad de la invención fue proporcionar un procedimiento para el calentamiento sin contaminación de gases de alta pureza, preferiblemente de gases que se utilizan para la separación de silicio cristalino de alta pureza en lecho fluidizado, a una temperatura de 300 a 1200ºC.

El objetivo se resuelve por un procedimiento, que se caracteriza porque el gas de alta pureza se conduce a una presión de 0,1 hasta 10 bar absolutos a través de un sólido de alta pureza, que no contamina el gas y no reacciona con el gas, encontrándose el sólido en un recipiente de alta pureza cuya pared se compone de un material activo que es translúcido a los rayos infrarrojos en una proporción mayor que 85% y el recipiente está tan completamente lleno con el granulado, fragmentos o piezas moldeadas del sólido, que el sólido se encuentra inmóvil en el recipiente y puede ser bañado por el gas a calentar, y el recipiente es irradiado por los rayos infrarrojos, con lo cual se calienta el sólido y éste calienta el gas.

Por un gas de alta pureza debe entenderse en el contexto de la invención, que el gas contiene menos de 10 ppm (volumen) como suma de todos los componentes adicionales (impurezas). En cuanto a los componentes adicionales se trata por ejemplo en el caso del hidrógeno de alta pureza por regla general de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarburos, nitrógeno, gases nobles (por regla general Ar o He), oxígeno y humedad (H_{2}O).

En el contexto de la presente invención, un gas no se considera contaminado, cuando los componentes del sólido devueltos al gas no afectan a una reacción subsiguiente, en la cual está presente el gas, es decir no contaminan el producto de reacción de la reacción subsiguiente. De modo particularmente preferido, un gas no está contaminado, cuando no se devuelve al gas cantidad alguna de componentes del sólido.

Preferiblemente, en lo que respecta al sólido se trata de silicio, que contiene menos de 100 ppm (en peso) de impurezas totales, SiC, que contiene menos de 100 ppm (peso) de impurezas totales, o Si_{3}N_{4} que contiene menos de 100 ppm (en peso) de impurezas totales. De modo particularmente preferido, por lo que respecta al sólido se trata de silicio policristalino de alta pureza.

El sólido se calienta por medio de uno o más termorradiadores. Preferiblemente, están distribuidos uniformemente varios termorradiadores a lo largo del perímetro del recipiente, a fin de proporcionar un aporte de energía calorífica lo más uniforme posible. La temperatura y con ello la longitud de onda del termorradiador debe seleccionarse de tal manera que el 85% o más de la energía de radiación atraviese la pared del recipiente y se transforme en el sólido en calor, y 15% o menos de la energía de radiación sea absorbida por la pared del recipiente.

El calentamiento de los gases se realiza a una presión de 0,1 a 10 bar absolutos, preferiblemente a una presión de 1 a 10 bar absolutos.

Preferiblemente, el procedimiento correspondiente a la invención es apropiado para el precalentamiento de gases para la separación en lecho fluidizado de silicio policristalino de alta pureza. Tales gases son p.ej. silano, halogenosilanos, particularmente clorosilanos, como p.ej. triclorosilano, un gas exento de silicio, que puede servir en la separación en el lecho fluidizado como gas portador, como p.ej. hidrógeno, y mezclas de estos gases.

En esta variante del procedimiento se emplea como sólido preferiblemente silicio policristalino de alta pureza en forma de granulado o fragmentos. El gas, preferiblemente hidrógeno puro o una mezcla de hidrógeno y triclorosilano, se calienta a una temperatura de 300ºC a 1200ºC (hidrógeno puro) o a 300ºC hasta 400ºC (mezcla de hidrógeno y triclorosilano).

Preferiblemente se hacen pasar 50 a 500 m^{3}/h de los gases mencionados a través del recipiente lleno con fragmentos de silicio o granulado de silicio.

El procedimiento correspondiente a la invención permite calentar gases que contienen silicio o mezclas de gases que contienen un gas que contiene silicio hasta cerca de la temperatura de descomposición del compuesto que contiene silicio sin contaminación. Los gases exentos de silicio, como p.ej. hidrógeno, pueden calentarse por el procedimiento hasta incluso por encima de la temperatura del lecho fluidizado necesaria hasta 1200ºC sin contaminación alguna.

Un objetivo adicional de la invención fue proporcionar un aparato que es apropiado para la realización del procedimiento correspondiente a la invención.

Este objetivo se resuelve por medio de un aparato que comprende un recipiente con una abertura de entrada para un gas y una abertura de salida para el gas calentado y termorradiadores, que pueden irradiar el recipiente con rayos infrarrojos, estando compuesto el recipiente de un material de alta pureza que no contamina el gas y que es permeable para los rayos infrarrojos en proporción mayor que 85%, y estando el recipiente tan completamente lleno con un sólido de alta pureza que no contamina el gas, que el sólido se encuentra inmóvil en el recipiente y puede ser bañado por el gas a calentar, y pudiendo calentarse el sólido por medio de los rayos infrarrojos.

El sólido se encuentra en forma de granulado, piezas moldeadas o fragmentos. El sólido se compone de un material de alta pureza, que no contamina el gas y no reacciona con el gas. Para el calentamiento de hidrógeno o mezclas de hidrógeno y clorosilanos, como el que es necesario para la separación en lecho fluidizado del silicio policristalino de alta pureza, se emplea preferiblemente silicio, SiC o Si_{3}N_{4}, que contiene en cada caso menos de 100 ppm (peso) de impurezas totales. De modo particularmente preferido, en el caso del sólido se trata de silicio policristalino de alta pureza. Bajo silicio policristalino de alta pureza se entiende en el contexto de la invención preferiblemente silicio policristalino, que contiene como máximo 100 ppb en peso de impurezas metálicas, 1000 ppba de carbono, 5 ppba de aceptores (sobre todo boro y aluminio) y 2 ppba de donantes (sobre todo fósforo y arsénico) (a significa partes en átomos).

Preferiblemente, el recipiente tiene un volumen de 0,01 a 0,1 m^{3}. En el caso del recipiente se trata preferiblemente de un vaso de vidrio de cuarzo, preferiblemente vidrio de cuarzo de calidad semiconductor, como p.ej. HSQ-300 de la firma Heraeus. El vaso tiene preferiblemente la forma de un cilindro o un tubo, en cuyo caso el termorradiador está dispuesto exteriormente. En otra forma de realización, el recipiente es el espacio interior entre dos cilindros o tubos concéntricos. En esta forma de realización, el sólido se encuentra en el espacio comprendido entre el cilindro o tubo interior y el exterior. En esta forma de realización, el radiador de infrarrojos está dispuesto dentro del cilindro o tubo interior y/o fuera del cilindro o tubo exterior.

Como termorradiador se utilizan preferiblemente radiadores infrarrojos con una temperatura del filamento de calefacción de 800 a 2700ºC, preferiblemente de 1500 a 2700ºC, y de modo particularmente preferido de 1800 a 2700ºC. En el caso de temperaturas superiores a 2000ºC, aproximadamente el 90% de la potencia de radiación se encuentra en el campo de longitudes de onda de 0,3 a 3 \mum. Para esta longitud de onda, en el caso de un tubo de cuarzo de p.ej. 5 mm de espesor, no más de 10% de la potencia de radiación en el tubo de cuarzo se transforma en calor. La mayor proporción, de aproximadamente 90% (longitud de onda 0,3 a 3 \mum) atraviesa el tubo de cuarzo sin pérdidas y se convierte en calor en el cuerpo sólido a calentar. Preferiblemente, el termorradiador individual tiene una potencia de radiación de 0,5 a 10 kW.

El tamaño del recipiente, la potencia térmica instalada y la forma y tamaño del sólido pueden adaptarse al caudal de gas respectivo y a la temperatura final necesaria del gas. Asimismo es posible la conexión de varios de los calentadores de gas correspondientes a la invención en serie o en paralelo.

La Figura 1 muestra una forma de realización del aparato correspondiente a la invención para calentamiento de gases como vista en corte a través del recipiente. Un radiador de infrarrojos (1) se encuentra en el exterior de la pared de vidrio de cuarzo (3) de un recipiente, que separa los fragmentos de silicio policristalino de alta pureza (2) del radiador de infrarrojos (1). El gas de alta pureza entra preferiblemente por abajo (4) en el recipiente de vidrio de cuarzo. Por el lado opuesto (5) sale el gas caliente.

El ejemplo siguiente sirve para ilustración adicional de la invención:

En un tubo de vidrio de cuarzo con un diámetro interior de 114 mm se cargó inicialmente un relleno constituido por 15,6 kg de fragmentos de silicio purísimo de un tamaño de 15 mm por 30 mm. Alrededor del tubo de cuarzo se dispusieron varias lámparas IR de onda corta (temperaturas de filamento de 1800 a 2400ºC) con una potencia total de 26 kW. Se hizo pasar a través del relleno un caudal de 75 Nm^{3}/h de hidrógeno purísimo, que fluía por el interior del tubo de cuarzo con una temperatura de 120ºC. La presión del sistema era 2,9 bar absolutos. Los radiadores infrarrojos se llevaron gradualmente hasta la potencia máxima. Como temperatura final, el hidrógeno que fluía a través del tubo de cuarzo alcanzó 936ºC. El hidrógeno así precalentado se condujo a un reactor de lecho fluidizado para la producción de granulado de silicio purísimo policristalino. Por el precalentamiento del hidrógeno pudo llevarse de nuevo el calentamiento del reactor hasta 21 kW. Basándose en los datos de calidad del granulado de silicio producido pudo excluirse una influencia negativa del precalentamiento del gas sobre la producción de granulado de silicio purísimo policristalino.

Claims (13)

1. Procedimiento para calentamiento exento de contaminación de un gas de alta pureza a una temperatura de 300 a 1200ºC, que se caracteriza porque el gas de alta pureza se conduce a una presión de 0,1 a 10 bar absolutos a través de un sólido de alta pureza, que no contamina el gas, en el que el sólido se encuentra en un recipiente de alta pureza, cuya pared está constituida por un material activo, que es permeable para los rayos infrarrojos en proporción mayor que 85% y el recipiente está tan completamente lleno con el granulado, fragmentos o piezas moldeadas del sólido, que éste se encuentra inmóvil en el recipiente y puede ser bañado por el gas a calentar, y el recipiente es irradiado por los rayos infrarrojos, con lo cual se calienta el sólido y éste calienta el gas.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el sólido se selecciona del grupo que comprende silicio, SiC y Si_{3}N_{4}, que contiene menos de 100 ppm (en peso) de impurezas totales.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se emplea como sólido silicio policristalino de alta pureza.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque el procedimiento se realiza a una presión de 1 a 10 bar absolutos.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el gas a calentar es un gas seleccionado del grupo silano, halogenosilano e hidrógeno.

6. Procedimiento según la reivindicación 3, 4 ó 5, caracterizado porque el gas a calentar es hidrógeno, que se calienta a 300ºC hasta 1200ºC exento de contaminación.

7. Procedimiento según la reivindicación 3, 4 ó 5 caracterizado porque el gas a calentar es una mezcla de hidrógeno y triclorosilano, que se calienta a 300ºC hasta 400ºC exento de contaminación.

8. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se conducen a través del recipiente 50 hasta 500 m^{3}/h del gas.

9. Procedimiento para calentamiento exento de contaminación de un gas que comprende un recipiente con una abertura de entrada para un gas y una abertura de salida para el gas calentado y un termorradiador que puede irradiar el recipiente con rayos infrarrojos, caracterizado porque el recipiente se compone de un material de alta pureza que no contamina el gas y que es permeable para los rayos infrarrojos en proporción mayor que 85%, y el recipiente está tan completamente lleno con un sólido de alta pureza que no contamina el gas, que el sólido se encuentra inmóvil en el recipiente y puede ser bañado por el gas a calentar, y el sólido puede calentarse por medio de los rayos infrarrojos.

10. Aparato según la reivindicación 9, caracterizado porque el sólido se selecciona del grupo silicio, SiC y Si_{3}N_{4}, que contiene en todos los casos menos de 100 ppm (en peso) de impurezas totales.

11. Aparato según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque el recipiente tiene un volumen de 0,01 a 0,1 m^{3}.

12. Aparato según la reivindicación 9, 10 ó 11, caracterizado porque el recipiente es un vaso de vidrio de cuarzo.

13. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque el termorradiador es un radiador de infrarrojos con una temperatura del filamento de calefacción de 800 a 2700ºC.