Reatores de leito fluidizado de alta eficiência para produção contínua de silício de alta pureza

A procura mundial de polissilício de alta pureza, a base das indústrias fotovoltaica (PV) e de semicondutores, exige metodologias de fabrico altamente eficientes e menos energéticas.Embora o processo tradicional Siemens baseado em lotes permaneça generalizado, a indústria está rapidamente a virar paraTecnologia do reator fluidizado contínuo (FBR)Os sistemas FBR utilizam a decomposição térmica do gás silano (SiH4) ou triclorosilano (SiHCl3) sobre um leito fluidizado de partículas de sementes.A redução do consumo de energia em até 80% e a, paradigma de produção automatizada.

A produção de polissilício granular dentro de um FBR depende da pirólise térmica heterogênea do gás monosilano (SiH4).

Em um reator ativo, o gás silano é misturado com um gás transportador (normalmente hidrogênio) e injetado no fundo da câmara do reator.O fluxo de gás passa para cima através de um leito de partículas de sementes de silício de alta purezaÀ medida que a temperatura atinge a zona de reacção (600°C a 700°C), o gás silano decompõe-se, depositando silício elementar puro directamente sobre as superfícies das espigas de sementes suspensas.

Esta deposição contínua faz com que os grânulos aumentem de tamanho até atingirem um peso alvo,em que ponto eles superam a velocidade de fluidização e afundam no fundo do recipiente para colheita contínua.

O principal impulsionador por trás da adoção da tecnologia FBR para silício de alta pureza é a sua eficiência termodinâmica e perfil operacional contínuo, em contraste aqui com o processo Siemens legado.

Para manter a operação ininterrupta e contínua, o projeto do FBR deve equilibrar perfeitamente a velocidade do gás com as distribuições de peso de partículas.

A velocidade do gás deve ser mantida precisamente entre a velocidade mínima de fluidização (umf) e a velocidade terminal (ut) do leito granular.

1. "Slagging/Channeling": "Slagging/Channeling":Ocorre quando a velocidade do gás é mal distribuída, fazendo com que as bolhas de gás ignorem as partículas de semente, o que interrompe a eficiente deposição de vapor químico (CVD).

2. Treinamento:Ocorre quando a velocidade do gás excede ut, explodindo acidentalmente as preciosas partículas de sementes finas do escape superior antes que tenham crescido.

O silício de grau semicondutor requer um perfil de pureza de 99,999999999% (11N pureza).e níquel na matriz de silício, arruinando as suas propriedades eletrónicas.

Para alcançar a contenção de contaminação zero:

• Linhas:A zona de reação é revestida por uma capa interna de alta purezaQuartzo (SiO2)ou ultra-densaCarbono de silício (SiC).

• Cortinas de gás:Uma cortina de gás hidrogénio inerte ou puro é mantida no espaço anular entre o revestimento interno e a casca externa do recipiente de pressão, protegendo o processo do contato metálico.

A operação contínua apresenta desafios mecânicos e físicos únicos que exigem estratégias de engenharia preventiva:

• Deposição da parede (corte amorfa):O silano pode decompor-se prematuramente nas paredes do reator quente, em vez das partículas de sementes.Vestes de arrefecimento especializadas mantêm as paredes exteriores do reator ligeiramente abaixo do limiar de reação crítica, mantendo o núcleo do leito aquecido através de microondas localizadas ou conjuntos de aquecimento infravermelho.

• Geração de multas:A nucleação homogênea pode fazer com que o silano se decomponha diretamente na fase gasosa, formando poeira de silício ultrafina em vez de revestimentos granulares.Minimizar o espaço de gás livre sob a zona de leito de fluido controla este fenômeno.

• Sementes contínuas:Para equilibrar a colheita contínua de contas pesadas do fundo,um micro-alimentador automatizado na parte superior injeta continuamente pequenas partículas de sementes de silício no sistema sem diminuir as pressões internas.

P: Por que o silício granular de uma FBR é preferido para extração de cristais solares?

R: O silício granular flui facilmente como um fluido, tornando-o ideal para o processo de crescimento de cristais Czochralski (CCZ) contínuo.Permite que os cristais sejam continuamente reabastecidos com matéria-prima sem arrefecer o forno, aumentando drasticamente a produção da fábrica.

P: Qual é a principal causa de paralisações não planeadas num sistema de RFC?

R: O obstrução do bico devido à decomposição térmica prematura do silano nos pontos de injecção é a principal causa.Os projetos modernos utilizam bocas de injeção resfriadas com água ou óleo para manter o gás silano frio até o momento exato em que ele encontra o leito de fluido aquecido.

P: A tecnologia FBR pode atingir a pureza de 11N (Classe de Semicondutores)?

R: Sim. Historicamente, a FBR lutou contra a contaminação de poeira fina e a lixiviação de revestimentos, limitando-a a graus solares (9N).com gases de fluidização ultrapuros modernos e revestimentos avançados de carburo de silício, os sistemas FBR podem atingir com sucesso as especificações de grau de semicondutor 11N.

Os reatores de cama fluidizada contínua representam uma mudança de paradigma na fabricação de silício de alta pureza.Os sistemas FBR reduzem as necessidades de energia de produção para uma fração dos níveis legados, ao mesmo tempo em que produzem uma produção granular de alta demandaÀ medida que a ciência dos materiais resolve velhos obstáculos de contaminação, a arquitetura FBR está pronta para dominar a eletrónica global e as cadeias de abastecimento de energia renovável.