ES2259743T3 - Deposicion de un solido por descomposicion termica de una sustancia gaseosa en un reactor. - Google Patents

Deposicion de un solido por descomposicion termica de una sustancia gaseosa en un reactor.

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ES2259743T3 ES03016937T ES03016937T ES2259743T3 ES 2259743 T3 ES2259743 T3 ES 2259743T3 ES 03016937 T ES03016937 T ES 03016937T ES 03016937 T ES03016937 T ES 03016937T ES 2259743 T3 ES2259743 T3 ES 2259743T3
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Abstract

Dispositivo para la deposición de un sólido (B) por descomposición térmica de una sustancia (A) gaseosa, en el que la sustancia (A) utilizada posee una densidad mayor que la de los productos (C) gaseosos formados en la descomposición, caracterizado por un vaso (1), cuyo fondo (1.1) está orientado en dirección a la gravedad terrestre (g) y su zona (1.2) de abertura contra la gravedad terrestre (g), el vaso (1) puede calentarse directa o indirectamente mediante una unidad (3.3) de calefacción, medición de temperatura y control, una unidad (2) de alimentación de sustancias con conducción (3.1) de sustancias y unidad (3.2) de dosificación, en el que la unidad (2) de alimentación de

Description

Deposición de un sólido por descomposición térmica de una sustancia gaseosa en un reactor de vaso.
La presente invención se refiere a un nuevo procedimiento y a un nuevo dispositivo para la deposición de un sólido (B) por descomposición térmica de una sustancia (A) gaseosa en un reactor, en el que la sustancia (A) utilizada posee una densidad mayor que la de los productos (C) gaseosos formados en la descomposición, especialmente para la fabricación de cuerpos predominantemente con forma de bloque y/o cilíndricos de silicio policristalino de alta pureza a partir de monosilano.
Desde hace tiempo se conoce descomponer, con influencia de temperatura más alta, silano en silicio y productos secundarios y deponer el silicio policristalino. Este procedimiento también se conoce por el término procedimiento de CVD (deposición de vapores químicos, "Chemical Vapor Deposition"). Los procedimientos industrialmente aplicados hasta la fecha para la fabricación de silicio policristalino puro utilizan triclorosilano (HSiCl_{3}) o monosilano (SiH_{4}) como materia prima.
En el uso de triclorosilano se forman como productos secundarios tetracloruro de silicio, cloro, hidrógeno y otras sustancias generalmente reciclables.
Por el contrario, en el uso de monosilano sólo se produce hidrógeno. Entonces, puede descomponerse monosilano de una barra de silicio calentada por medio de corriente eléctrica (procedimiento Siemens) o en un lecho fluidizado calentado.
En procedimientos más recientes se pasa a una deposición en un tubo horizontal o verticalmente orientado (documentos US 6 284 312, US 6 365 225, WO01/61070).
El silicio de alta pureza obtenido según el procedimiento de CVD se utiliza generalmente en el procedimiento de fusión para la fabricación de silicio mono o policristalino. Especialmente en el procedimiento de fusión se intenta utilizar el silicio de alta pureza a ser posible en forma gruesa, como granulado, como bloque o como barra.
Desgraciadamente, en el procedimiento de CVD conocido se produce una alta proporción de silicio en forma de polvo que, en lo referente a un producto objeto grueso, contribuye a una pérdida considerable de material.
Además, en los procedimientos conocidos se producen apelmazamientos no deseados, más o menos considerables, de silicio en las paredes del recipiente de reacción.
Además, la mayoría de las veces sólo puede utilizarse gas de soporte muy diluido.
Además, una desventaja en el uso de triclorosilano es un alto gasto de energía a causa de los altos caudales debidos a la alta dilución en el uso de monosilano o debido a numerosos productos secundarios.
En el caso de los procedimientos conocidos en los que se utilizan reactores de flujo también se encuentran, además de polvo, otras cantidades considerables de educto en el gas residual que requiere una depuración de los gases residuales, la mayoría de las veces costosa, y/o un reciclado costoso.
El objetivo de la presente invención se basó en poner a disposición otro procedimiento para reducir, en la medida de lo posible, las desventajas anteriormente mencionadas.
El objetivo propuesto se alcanza según la invención de manera correspondiente a las indicaciones de las reivindicaciones.
De manera sorprendente se encontró que puede fabricarse de manera sencilla y especialmente económica un sólido (B) por descomposición térmica específica de una sustancia (A) gaseosa en forma gruesa y con una producción comparativamente pequeña de silicio en forma de polvo, siempre que la descomposición y deposición de la sustancia (A) utilizada que, dado el caso, se utiliza en una mezcla de gases y posee una densidad más alta que la de los productos (C) gaseosos formados en la descomposición, se lleve a cabo en un dispositivo que se caracteriza por un vaso (1), cuyo fondo (1.1) está orientado en dirección a la gravedad terrestre (g) y su zona (1.2) de abertura contra la gravedad terrestre (g), el vaso (1) puede calentarse directa o indirectamente mediante una unidad (3.3) de calefacción, medición de temperatura y control, una unidad (2) de alimentación de sustancias con conducción (3.1) de sustancias y unidad (3.2) de dosificación, en el que la unidad (2) de alimentación de sustancias con el orificio (2.1) de descarga de sustancias está orientada en dirección a la gravedad terrestre (g) y se extiende en el volumen libre del vaso (1) entre el fondo (1.1) y la zona (1.2) de abertura, una envoltura (3) de reactor, que está de manera adecuada para poder abrirse y que aísla esencialmente las unidades (1) y (2) de un intercambio de gas con el entorno, y un orificio (3.6) de descarga para productos (C) predominantemente gaseosos, en éste puede descomponerse térmicamente de manera especial monosilano como sustancia (A), pero no exclusivamente, y depositarse silicio policristalino como sólido (B) en el vaso (1).
La presente invención es especialmente económica ya que el gasto en aparatos es comparativamente bajo, en el caso del uso de monosilano como sustancia (A) sólo se produce hidrógeno con, dado el caso, pequeñas partes de monosilano como gas residual y en este sentido se forma una proporción comparativamente pequeña de polvo de silicio. Debido a la conducción del procedimiento y al dispositivo según la invención, normalmente no aparecen apelmazamientos de sólido (B) en la pared (3) del reactor. Además, en el presente procedimiento se obtiene como gas residual prácticamente de manera exclusiva educto sin hidrógeno. Normalmente, la velocidad de deposición alcanzada del sólido (B) es > 97%. Además, la proporción de polvo en el gas (C) residual es normalmente muy baja después del orificio (3.6) de descarga. El presente procedimiento también es especialmente favorable energéticamente ya que, entre otros, pueden transportarse flujos comparativamente pequeños.
Así, según el presente procedimiento, en un dispositivo según la invención se obtiene de manera ventajosa silicio de alta pureza con forma de bloque que, por ejemplo, puede utilizarse en el procedimiento de fusión para obtener silicio mono o policristalino.
En las figuras 1 a 3 se representan esquemas de formas de realización preferidas de dispositivos según la invención, a continuación también denominados reactores de vaso, compárese las figuras 1 a 3.
Por tanto, el objeto de la presente invención es un dispositivo para la deposición de un sólido (B) por descomposición térmica de una sustancia (A) gaseosa, en el que la sustancia (A) utilizada posee una densidad más alta que la de los productos (C) gaseosos formados en la descomposición, caracterizado por
un vaso (1), cuyo fondo (1.1) está orientado en dirección a la gravedad terrestre (g) y su zona (1.2) de abertura contra la gravedad terrestre (g), el vaso (1) puede calentarse directa o indirectamente mediante una unidad (3.3) de calefacción, de medición de la temperatura y de control,
una unidad (2) de alimentación de sustancias con conducción (3.1) de sustancias y unidad (3.2) de dosificación, en el que la unidad (2) de alimentación de sustancias con el orificio (2.1) de descarga de sustancias está orientada en dirección a la gravedad terrestre (g) y se extiende en el volumen libre del vaso (1) entre el fondo (1.1) y la zona (1.2) de abertura,
una envoltura (3) de reactor y un orificio (3.6) de descarga para productos (C) gaseosos.
Preferiblemente, el vaso (1) y/o la unidad (2) de alimentación de sustancias pueden subirse y/o bajarse mediante al menos un dispositivo (3.4.1 y/o 3.4.2) elevador en dirección a la gravedad terrestre. De manera adecuada, el dispositivo 3.4.1 elevador puede diseñarse para que pueda calentarse, de manera que, por ejemplo, la placa soporte del vaso (1) contenga una unidad (3.3) de calefacción.
Además, en el reactor de vaso según la invención puede conectarse antes del orificio (3.6) de descarga una barrera (3.5) de turbulencia para la estabilización del gas y la deposición de partículas.
Para ajustar y regular el caudal de (A), en el presente dispositivo puede conectarse después del orificio (3.6) de descarga una unidad (3.7) de impulsión de gas, compárese las figuras 1 a 3.
Además, en el dispositivo según la invención puede conectarse antes y/o después de la unidad (3.7) de impulsión de gas un separador (3.8) de polvo, por ejemplo un filtro de polvo.
La unidad (2) de alimentación de sustancias del presente reactor de vaso está dotada preferiblemente en la zona del orificio (2.1) de descarga de sustancias de un detector (2.2) de temperatura.
La unidad (2) de alimentación de sustancias puede componerse preferiblemente del sólido (B), cristal de cuarzo o una materia metálica tratada, como acero inoxidable, titanio o una aleación a base de níquel. Además, como acero inoxidable puede utilizarse una aleación de níquel resistente a altas temperaturas, por ejemplo Inconell®, o también Ti, Nb, Ta. Además, la lanza de la unidad (2) puede estar diseñada para poder refrigerarse. La punta de la lanza posee preferiblemente la forma de un embudo invertido, de manera que pueda garantizarse una alimentación lo más lenta posible del gas (A) en el vaso (1) y para evitar, en la medida de lo posible, una turbulencia de la estratificación de gases.
El vaso (1) del reactor según la invención se compone preferiblemente del sólido (B) y presenta de manera adecuada una altura lateral de 10 a 200 cm, así como una superficie de fondo, es decir, superficie de apoyo, de preferiblemente de 10 a 10 000 cm^{2}. En este sentido, la unidad (1) y la lanza de la unidad (2) se componen de manera adecuada de un silicio de alta pureza.
Entonces, el vaso (1) del dispositivo según la invención puede componerse de manera adecuada de un disco con un espesor y/o grosor de 0,01 a 1 cm, preferiblemente de 0,3 a 2 mm, de silicio de alta pureza como fondo (1.1) y de un tubo de silicio como pared con un grosor de pared de 0,01 a 1 cm, preferiblemente de 0,3 a 2 mm, y preferiblemente con un diámetro de 10 a 50 cm, en el que el tubo es esencialmente perpendicular a la superficie plana del disco de silicio con una de ambas superficies de abertura opuestas del tubo y el diámetro exterior del tubo es igual de pequeño que el diámetro del disco de silicio. Como disco de silicio se utiliza preferiblemente en el presente documento una oblea. El eje de un tubo de este tipo está orientado esencialmente perpendicular a al menos una de ambas superficies de abertura del tubo. De manera adecuada, al menos una de las superficies de abertura está orientada de manera plana, perpendicular al eje del tubo, y sirve como superficie de contacto respecto a la superficie plana de la oblea. Sin embargo, los bordes de la superficie de abertura del tubo también pueden diseñarse dentadas e irregulares.
En el dispositivo según la invención, el vaso (1) puede estar cubierto a la altura de la zona (1.2) de abertura adicionalmente con una placa (1.3) que presenta en el centro una sección de paso para la unidad (2), a través de la que normalmente permanece garantizada la permeabilidad a los gases. Una placa de este tipo con un orificio como sección de paso para la unidad (2) puede componerse, por ejemplo, del sólido (B).
También se dota el dispositivo según la invención preferiblemente de al menos una trampilla que se cierra herméticamente o de una tapa que se cierra herméticamente como constituyente de la envoltura (3) del reactor.
La envoltura (3) del reactor puede dotarse además de una refrigeración y, dado el caso, de una calefacción. De manera adecuada, la envoltura (3) del reactor se dimensiona para una temperatura de -100 a +400ºC, preferiblemente de 10 a 100ºC. La envoltura (3) del reactor también debería estar diseñada de manera resistente a la presión, prefiriéndose una presión de operación en el reactor de vaso de 0,1 mbar absolutos a 50 bar absolutos, especialmente de 0,1 a 5 bar absolutos. Además, se prefiere una realización hermética, especialmente respecto al oxígeno del
aire.
Además, es objeto de la presente invención un procedimiento para la deposición de un sólido (B) por descomposición térmica de una sustancia (A) gaseosa, en el que la sustancia (A) utilizada o una mezcla de gases que contiene la sustancia (A) posee una densidad más alta que la de los productos (C) gaseosos formados en la descomposición, en un dispositivo según la invención, en el que
- se calienta el fondo y/o las paredes laterales del vaso (1),
- se aporta la sustancia (A) gaseosa por la unidad (2) de alimentación de sustancias desde arriba en el interior del vaso (1), de manera adecuada con aprovechamiento de la fuerza de gravedad,
- se deposita el sólido (B) formado por descomposición térmica de (A), esencialmente en la superficie interior del vaso (1) y
- se separan los productos (C) por medio de la fase gaseosa del sistema.
En la realización del procedimiento según la invención se prefiere que dicho dispositivo se evacue antes de la alimentación de la sustancia (A) gaseosa y/o se rellene específicamente con un gas o mezcla de gases que posea una densidad más baja que la sustancia (A) gaseosa. Especialmente se utilizan gases sin agua y oxígeno. En este caso, como gases se utilizan preferiblemente hidrógeno, nitrógeno, amoniaco, gas (C) residual como reciclado, helio, argón o una mezcla de los gases anteriormente mencionados.
Como sustancia (A) se utiliza en el presente procedimiento preferiblemente monosilano puro (SiH_{4}). Preferiblemente se utiliza un monosilano con una pureza > 99,99%.
Sin embargo, también pueden utilizarse otros compuestos de SiH, por ejemplo disilanos o mezclas correspondientes de dichos compuestos de SiH. Además, pueden utilizarse clorosilanos o mezclas de clorosilanos y silanos, es decir, compuestos de SiH. Dado el caso, al gas (A) también pueden añadirse compuestos metálicos de hidrógeno, como BH_{3}, GaH_{3}, GeH_{4}, PH_{3}, AsH_{3}, por sólo nombrar algunos ejemplos, en el intervalo de cantidades de ppm, para conseguir una impurificación específica del producto. Preferiblemente se utiliza una mezcla de gases que contiene del 0,1 al 100% en volumen de sustancia (A), de manera especialmente preferida del 10 al 100% en volumen.
Como sustancia (A) se utiliza especialmente en el procedimiento según la invención silano puro (SiH_{4}) o una mezcla del mismo con hidrógeno, nitrógeno, gas amoniaco, argón y/o helio.
Sin embargo, en el dispositivo según la invención y/o según el presente procedimiento también pueden realizarse otras reacciones como la descomposición de silanos para la deposición de silicio. Entonces, por ejemplo, una mezcla de SiH_{4} y NH_{3} como sustancia (A) en un vaso (1) que se compone, por ejemplo, de cuarzo, puede depositarse para dar nitruro de silicio.
En la realización del procedimiento según la invención, en el calentamiento del vaso (1) se ajusta de manera adecuada una temperatura que es superior a la temperatura de descomposición de la sustancia (A) utilizada, en el que el vaso (1) se calienta preferiblemente en la zona del fondo (1.1) y/o en la zona de la pared inferior. En este sentido puede refrigerarse la envoltura (3) del reactor para evitar apelmazamientos no deseados en la pared del reactor.
El procedimiento según la invención puede realizarse a presión reducida, a presión aumentada o a presión normal y a una temperatura de \geq 400 a 1200ºC. De manera adecuada se calienta el vaso (1) o partes del mismo a una temperatura de 400 a 1200ºC, preferiblemente de 600 a 1000ºC.
La alimentación de la sustancia (A) y/o de una mezcla de gases correspondiente tiene lugar en el presente procedimiento de manera adecuada por las unidades (3.2.), (3.1) y (2) y puede favorecerse por la unidad (3.8).
En este sentido, el orificio (2.1) de descarga de sustancias se extiende preferiblemente en el volumen libre del vaso (1) entre el fondo (1.1) y la zona (1.2) de abertura, en el que la orientación del orificio (2.1) de descarga de sustancias respecto al fondo (1.1) del vaso (1) se regula y se sigue de manera adecuada mediante un detector (2.2) de temperatura.
Además, la presión en el reactor y la alimentación de sustancia (A) se regula preferiblemente mediante la derivación de los productos (C) gaseosos por medio de la unidad (3.7) de impulsión de gas y/o por la unidad (3.2) de dosificación.
En general, el procedimiento según la invención puede realizarse como sigue:
Generalmente, en primer lugar se seca el reactor de vaso, por ejemplo mediante calentamiento, a continuación se evacua y se rellena con un gas sin O_{2}, así como H_{2}O, que posea una densidad más baja que la de la sustancia (A) que va a descomponerse. Sólo ahora puede llevarse el vaso (1) a la temperatura de operación. A continuación, se deja entrar la sustancia (A) o una mezcla de gases correspondientemente diluida por las unidades (3.2), (3.1) y (2) en el interior del vaso (1). La progresión de la deposición del sólido (B) puede verificarse, por ejemplo, por el cambio de temperatura en la unidad (2.2) y reajustarse en la unidad (2). Además, la cantidad de alimentación de (A) puede regularse mediante las unidades (3.2) y/o (3.8). Entonces, según el procedimiento de la invención puede fabricarse de manera ventajosa silicio de alta pureza en un nuevo dispositivo desarrollado para ello.

Claims (26)

1. Dispositivo para la deposición de un sólido (B) por descomposición térmica de una sustancia (A) gaseosa, en el que la sustancia (A) utilizada posee una densidad mayor que la de los productos (C) gaseosos formados en la descomposición, caracterizado por
un vaso (1), cuyo fondo (1.1) está orientado en dirección a la gravedad terrestre (g) y su zona (1.2) de abertura contra la gravedad terrestre (g), el vaso (1) puede calentarse directa o indirectamente mediante una unidad (3.3) de calefacción, medición de temperatura y control,
una unidad (2) de alimentación de sustancias con conducción (3.1) de sustancias y unidad (3.2) de dosificación, en el que la unidad (2) de alimentación de sustancias con el orificio (2.1) de descarga de sustancias está orientada en dirección a la gravedad terrestre (g) y se extiende en el volumen libre del vaso (1) entre el fondo (1.1) y la zona (1.2) de abertura,
una envoltura (3) del reactor y un orificio (3.6) de descarga para productos (C) gaseosos.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el vaso (1) y/o la unidad (2) de alimentación de sustancias pueden subirse y/o bajarse mediante al menos un dispositivo (3.4.1 y/o 3.4.2) elevador en dirección a la gravedad terrestre.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque antes del orificio (3.6) de descarga está conectada una barrera (3.5) de turbulencia.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque después del orificio (3.6) de descarga está conectada una unidad (3.7) de impulsión de gas.
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque previa y/o posteriormente a la unidad (3.7) de impulsión de gas está conectado un separador (3.8) de polvo.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la unidad (2) de alimentación de sustancias está dotada en la zona del orificio (2.1) de descarga de sustancias de un detector (2.2) de temperatura.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la unidad (2) de alimentación de sustancias se compone del sólido (B), cristal de cuarzo o una materia metálica.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el vaso (1) que se compone del sólido (B) posee una altura lateral de 10 a 200 cm, y una superficie de fondo de 10 a 10000 cm^{2}.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la unidad (1) y la lanza de la unidad (2) se componen de silicio de alta pureza.
10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el vaso (1) se compone de un disco de silicio como fondo (1.1) y de un tubo de silicio como pared, en el que el tubo es esencialmente perpendicular a la superficie plana del disco de silicio con una de ambas superficies de abertura opuestas del tubo y el diámetro exterior del tubo es igual de pequeño que el diámetro del disco de
silicio.
11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque el disco de silicio es una oblea.
12. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el vaso (1) está cubierto a la altura de la zona (1.2) de abertura con una placa (1.3) que presenta en el centro una sección de paso para la unidad (2).
13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el dispositivo está dotado con al menos una trampilla que se cierra herméticamente o una tapa que se cierra herméticamente como constituyente de la envoltura (3) del reactor.
14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque la envoltura (3) del reactor está dotada de una refrigeración y, dado el caso, de una calefacción.
15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la envoltura (3) del reactor está diseñada de manera resistente a la presión y al vacío.
16. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por una realización hermética.
17. Procedimiento para la deposición de un sólido (B) por descomposición térmica de una sustancia (A) gaseosa, en el que la sustancia (A) utilizada posee una densidad mayor que la de los productos (C) gaseosos formados en la descomposición, en un dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 16, en el que
- se calienta el fondo y/o las paredes laterales del vaso (1),
- se aporta la sustancia (A) gaseosa por la unidad (2) de alimentación de sustancias en el interior del vaso (1),
- se deposita el sólido (B) formado por descomposición térmica de (A), esencialmente en la superficie interior del vaso (1) y
- se separan los productos (C) por medio de la fase gaseosa del sistema.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, caracterizado porque el dispositivo se evacua antes de la alimentación de la sustancia (A) gaseosa y/o se rellena específicamente con un gas o mezcla de gases que posea una densidad más baja que la sustancia (A) gaseosa.
19. Procedimiento según la reivindicación 17 ó 18, caracterizado porque como sustancia (A) se utiliza monosilano (SiH_{4}) puro.
20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque como sustancia (A) se utiliza silano (SiH_{4}) puro en mezcla con hidrógeno, nitrógeno, gas amoniaco, argón y/o helio.
21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 20, caracterizado porque en el calentamiento del vaso (1) se ajusta una temperatura que es superior a la temperatura de descomposición del monosilano.
22. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 21, caracterizado porque el procedimiento se realiza a presión reducida, a presión aumentada o a presión normal y a una temperatura de \geq 400 a 1200ºC.
23. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado porque se refrigera la envoltura (3) del reactor.
24. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 23, caracterizado porque el orificio (2.1) de descarga de sustancias se extiende en el volumen libre del vaso (1) entre el fondo (1.1) y la zona (1.2) de abertura y la orientación del orificio (2.1) de descarga de sustancias respecto al fondo (1.1) del vaso (1) se regula y se sigue por un detector (2.2) de temperatura.
25. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 24, caracterizado porque la presión en el reactor y la alimentación de sustancia (A) se regula por la derivación de los productos (C) gaseosos por medio de la unidad (3.7) de impulsión de gas y/o la unidad (3.2) de dosificación.
26. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 25, caracterizado porque por descomposición térmica específica de la sustancia (A) en el interior de un vaso (1) se producen esencialmente cuerpos homogéneos en forma de bloque que se componen del sólido (B).
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