CN101421189B - 三氯硅烷制造装置 - Google Patents

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Abstract

一种三氯硅烷制造装置，具备：反应容器，在内部的反应流路中被供给包括四氯化硅和氢的供给气体，生成包括三氯硅烷与氯化氢的反应生成气体；加热机构，将反应容器的内部加热；气体供给部，将供给气体供给到反应容器内；气体排气部，将反应生成气体从反应容器排出到外部；反应流路具有：供给侧流路，在反应容器的中央部连接在气体供给部上，使供给气体一边在反应容器内折回一边朝向外侧流动；返回流路，连接在供给侧流路的下游端，到达反应容器的中央部；排出侧流路，连接在返回流路的下游端，相邻于反应容器的中央部的供给侧流路而配设，连接在气体排气部上。

Description

三氯硅烷制造装置
技术领域
本发明涉及将四氯化硅转换为三氯硅烷的三氯硅烷制造装置。
本发明基于2006年10月31日在日本提出申请的特愿2006-297035号以及2007年10月3日在日本提出申请的特愿2007-259446号主张优先权，这里援用其内容。
背景技术
作为用来制造高纯度硅(Si：硅)的原料使用的三氯硅烷(SiHCl3)可以通过使四氯化硅(SiCl4：四氯化硅)与氢反应转换来制造。
即，硅通过基于以下的反应式(1)(2)的三氯硅烷的还原反应和热分解反应生成，三氯硅烷通过基于以下的反应式(3)的转换反应生成。
SiHCl3+H2→Si+3HCl　　　　　　　　......(1)
4SiHCl3→Si+3SiCl4+2H2            ......(2)
SiCl4+H2→SiHCl3+HCl              ......(3)
作为制造该三氯硅烷的装置，例如在专利文献1(特许第3781439号公报)中，提出了下述反应器：被发热体包围的反应室为具有由同心配置的两个管形成的外室和内室的双层室设计，经由设在该反应室的下部的热交换器对反应室从下方供给氢与四氯化硅的供给气体，并且将反应生成气体从反应室的下方排出。在该反应器中，在上述热交换器中，被供给到反应室中的供给气体被从由反应室排出的反应生成气体传递热而被预热，并且进行排出的反应生成气体的冷却。
发明内容
在上述以往的技术中，存在以下的问题。
即，在上述以往的三氯硅烷的制造装置中，通过与由设在反应室的下部的热交换器供给的供给气体热交换来进行供给气体的预热，但是有一旦从反应室排出的反应生成气体温度下降、不能充分地得到向供给气体的预热效果的不良状况。此外，在反应室的外部需要另外设置热交换器，有装置整体大型化并且高成本化的问题。
本发明是鉴于上述问题而做出的，目的是提供一种能够通过与反应生成气体的热交换将供给气体有效地预热、并且能够实现装置整体的小型化及低成本化的三氯硅烷制造装置。
本发明为了解决上述问题，采用了以下的结构。即，本发明的三氯硅烷制造装置的特征在于，具备：反应容器，在内部的反应流路中被供给包括四氯化硅和氢的供给气体，生成包括三氯硅烷与氯化氢的反应生成气体；加热机构，将上述反应容器的内部加热；气体供给部，将上述供给气体供给到上述反应容器内；气体排气部，将上述反应生成气体从上述反应容器排出到外部；上述反应流路具有：供给侧流路，在上述反应容器的中央部连接在上述气体供给部上，使上述供给气体一边在上述反应容器内折回一边朝向外侧流动；返回流路，连接在上述供给侧流路的下游端，到达上述反应容器的中央部；排出侧流路，连接在上述返回流路的下游端，相邻于上述反应容器的中央部的上述供给侧流路而配设，连接在上述气体排气部上。
在该三氯硅烷制造装置中，在供给侧流路中，供给气体一边从反应容器的中央部折回一边朝向外侧流动，一边被加热一边成为反应生成气体。并且，在通过返回流路使包括反应生成气体的气体回到反应容器的中央部后，在相邻于供给侧流路的排出侧流路中流通时，在流过供给侧流路的供给气体与流过排出侧流路的高温状态的反应生成气体之间进行热交换，将供给气体预热。因而，在该三氯硅烷制造装置中，由于具有通过返回流路使高温状态的反应生成气体回到相邻于供给侧流路的排出侧流路中的构造，所以能够在从反应容器排出之前将反应生成气体维持着高温状态而与供给气体热交换，能够高效地进行供给气体的预热。此外，由于在反应容器内具备热交换机构，所以不需要在外部另外设置热交换器，能够使装置整体小型化，并且能够降低装置成本。
在上述三氯硅烷制造装置中，气体供给部也可以是气体供给管，气体排气部也可以是气体排气管。
此外，上述本发明的三氯硅烷制造装置也可以是，具备多个上述气体排气部；在上述排出侧流路的下游端连接着多个上述气体排气部。在该三氯硅烷制造装置中，由于在排出侧流路的下游端上连结有多个气体排气部，所以通过将高温状态的反应生成气体朝向多个气体排气部分开排出来提高冷却效果，并且能够与外部在多个部位进行热交换，能够进行迅速冷却。即，四氯化硅向三氯硅烷的转换反应如果不将排出的反应生成气体迅速冷却则也会发生恢复为原来物质的逆反应，但通过由从上述多个气体排气部的排出将反应生成气体迅速冷却，能够提高向三氯硅烷的转换率。
上述三氯硅烷制造装置也可以是，构成反应容器的部材由碳形成。
上述三氯硅烷制造装置也可以是，上述碳的表面用碳化硅涂层。在该三氯硅烷制造装置中，由于由用碳化硅(SiC)涂层的碳构成反应容器，所以与用碳纯净材料构成的情况相比能够设定为高温，能够与更高温度的反应生成气体热交换，能够得到较高的预热效果。此外，能够防止碳与供给气体及反应生成气体中的氢、氯硅烷及氯化氢(HCl)反应、生成甲烷、甲基氯硅烷、碳化硅等而成为不纯物，能够得到纯度较高的三氯硅烷。
此外，上述本发明的三氯硅烷制造装置也可以是，具备收纳上述反应容器及上述加热机构的收纳容器；具备将氩气供给到上述收纳容器内的氩气供给机构。在该三氯硅烷制造装置中，由于通过氩气供给机构将氩气供给到收纳容器内，所以通过用氩气使反应容器周围成为加压状态，能够防止供给气体或反应生成气体从反应容器泄漏。由此，能够防止从反应容器泄漏的供给气体或反应生成气体与在反应容器外侧的加热机构等中使用的碳反应。
根据本发明，发挥以下的效果。
根据有关本发明的三氯硅烷制造装置，由于具有通过返回流路使高温状态的反应生成气体回到相邻于供给侧流路的排出侧流路中的构造，所以能够在从反应容器排出之前将反应生成气体维持着高温状态而与供给气体热交换，能够高效地进行供给气体的预热。此外，由于在反应容器内具备热交换机构，所以能够使装置整体小型化，并且能够降低装置成本。因而，能够在得到小型而低成本的装置的同时、加热效率良好地得到较高的三氯硅烷的转换率。
附图说明
图1是表示有关本发明的三氯硅烷制造装置的一实施方式的简略的剖视图。
图2是沿着图1的A-A线的向视剖视图。
图3是沿着图1的B-B线的向视剖视图。
具体实施方式
以下，参照图1或图2说明有关本发明的三氯硅烷制造装置的一实施方式。
本实施方式的三氯硅烷制造装置如图1所示，具备将四氯化硅和氢的供给气体供给到内部的气体流路中并通过转换反应生成三氯硅烷和氯化氢的反应生成气体的反应容器1、配设在反应容器1的周围而将反应容器1从外侧加热的加热机构2、将供给气体供给到反应容器1内的气体供给管3、从反应容器1将反应生成气体排出到外部的多个气体排气管4、覆盖反应容器1及加热机构2的周围而配设的隔热部件5、收纳反应容器1、加热机构2及隔热部件5的收纳容器6、和对收纳容器6内供给氩气(Ar)的氩气供给机构7。
上述反应容器1内的反应流路具有在反应容器1的中央部与气体供给管3连接、使供给气体一边在反应容器1内沿上下折回一边朝向外侧流动的供给侧流路F1、连接在供给侧流路F1的下游端上而使生成的反应生成气体回到反应容器1的中央部的返回流路F2、和连接在返回流路F2的下游端上并且与配设在反应容器1的中央部的供给侧流路F1相邻而配设的排出侧流路F3。
为了构成该反应流路F1～F3，反应容器1如图1及图2所示，具备从内侧开始依次同心配置且内径不同的圆筒状的第1～第6反应筒壁9a～9f、支承第1～第3反应筒壁9a～9c的上部的第1上部圆板21、支承第4～第6反应筒壁9d～9f的上部的第2上部圆板22、支承第1～第5反应筒壁9a～9e的下部的第1下部圆板23、支承第6反应筒壁9f的下部的第2下部圆板24、和在第2下部圆板24上支承第1下部圆板23且与第1及第2反应筒壁9a、9b分别同径同心的第1间隔筒部件25及第2间隔筒部件26。
上述第1～第6反应筒壁9a～9f将反应容器1的内部空间的大部分划分为中央的柱状的小空间11a、和其周围的多个筒状的小空间11b～11f。
第1上部圆板21比第2上部圆板22小径地形成，隔开既定间隔配设在第2上部圆板22的下方，在这些两上部圆板21、22之间形成有水平的小空间30a。此外，第1下部圆板23比第2下部圆板24小径地形成，经由第1间隔筒部件25及第2间隔筒部件26隔开既定间隔配设在第2下部圆板24的上方，在两下部圆板23、24之间形成有水平的小空间30b。
在第1下部圆板23及第2下部圆板24上，形成有第1中心孔23a及第2中心孔24a，经由这些第1中心孔23a及第2中心孔24a，第1反应筒壁9a的内侧的小空间11a连通到第1间隔筒部件25及后述的供给用连结管13。此外，在第1上部圆板21上也形成有第3中心孔21a，在该第3中心孔21a上连通着第1反应筒壁9a内的小空间11a的上端开口部，使该小空间11a成为连通到两上部圆板21、22之间的水平的小空间30a的状态。
在第1下部圆板23上，形成有在第1中心孔23a的外周侧沿周向配设有多个的第1贯通孔23b、和在比这些第1贯通孔23b靠外周侧沿周向配设有多个的第2贯通孔23c。此外，在第2下部圆板24上，形成有在第2中心孔24a的外周侧沿周向配设有多个的第3贯通孔24b。和在比这些第4贯通孔22b靠内侧沿周向配设有多个的第5贯通孔22c。
在第2反应筒壁9b及第5反应筒壁9e的上部，沿周向形成有多个流通用贯通孔10。此外，在第4反应筒壁9d的下部上也沿周向形成有多个流通用贯通孔10。
上述气体供给管3及气体排气管4将上端固定在收纳容器6下部，分别连通到形成在收纳容器6下部的供给孔6a及排气孔6b。在该收纳容器6的下部上，贯通隔热部件5而在中央部设有供给用连结管13，并且如图1及图3所示，与该供给用连结管13同心状地贯通隔热部件5而设有两个筒体14A、14B，在这些筒体14A、14B之间以筒状形成有排气用连结流路32。并且，上述供给孔6a及排气孔6b的上端开口部分别连通到供给用连结管13及排气用连结流路32的下端开口部。
上述供给用连结管13通过其上端支承第2下部圆板24的中央下表面，并且上端开口部连通到第2中心孔24a。此外，构成排气用连结流路32的筒体14A、14B中的外侧的筒体14A形成得比内侧的筒体14B长，将上述第2下部圆板24的外周缘部载置在该外侧的筒体14A上，在该第2下部圆板24的下方形成水平流路33。通过该构造，排气用连结流路32经由该水平流路33将上端开口部连通到第3贯通孔24b。
上述气体排气管4如图3所示，沿排气用连结流路32的周向等间隔地配置有8根。
在气体供给管3上连接有供给气体的供给源(图示略)。在气体排气管4中，通过管内的压力差将反应生成气体向外部排出，但也可以连接排气用泵。
构成反应容器1的上述各部件在该实施方式的情况下，第1～第6反应筒壁9a～9f、第1上部圆板21、第2上部圆板22、第1下部圆板23、第2下部圆板24、第1间隔筒部件25及第2间隔筒部件26等分别由碳形成，并且在该碳的表面上涂层有碳化硅。
上述收纳容器6由筒状壁35、将其两端堵塞的底板部36及顶板部37构成，是不锈钢制。
上述加热机构2具备配设在反应容器1的周围以使其包围反应容器1的作为发热体的加热器部15、和连接在该加热器部15上、用来使电流流到加热器部15中的电极部16。该电极部16连接在未图示的电源上。上述加热器部15由碳形成。此外，加热机构2进行加热控制以使反应容器1内成为800℃～1400℃的范围内的温度。另外，如果将反应容器1内设定为1200℃以上，则转换率提高。此外，也可以导入乙硅烷类而将硅烷类取出。
上述隔热部件5例如由碳形成，分别安装在收纳容器6的筒状壁35的内壁面、底板部36的上表面、顶板部37的下表面上，以使其内贴在收纳容器6上。
另外，在上述第2上部圆板22的下表面上，固定有突出到反应流路F1～F3中的最外侧的小空间11f内的温度传感器S。一边通过该温度传感器S测量温度，一边通过加热机构2进行温度控制。
上述氩气供给机构7具备贯通收纳容器6的下部及隔热部件5而前端突出到收纳容器6内的氩气供给管17、和连接在氩气供给管17上的氩气供给源18。另外，该氩气供给机构7进行氩气的供给控制，以使收纳容器6内成为既定的加压状态。另外，在收纳容器6的上部，连接有用来进行内部环境气体的置换及氩气的排气的容器用泵(图示略)。
参照图1以下对本实施方式的三氯硅烷制造装置的气体的流动进行说明。
首先，从气体供给管3经由供给用连结管13导入的供给气体经由第1间隔筒部件25的内侧空间在第1反应筒壁9a内的小空间11a中向上方流动，经由第1上部圆板21的第2中心孔21a流到第1上部圆板21与第2上部圆板22之间的水平的小空间30a中后，在外侧的第3反应筒壁9c与第4反应筒壁9d之间的筒状的小空间11d中向下方流动。
接着，供给气体经由第4反应筒壁9d的流通用贯通孔10移动到外侧的第4反应筒壁9d与第5反应筒壁9e之间的筒状的小空间11e中并向上方流动。进而，供给气体从第5反应筒壁9e的流通用贯通孔10移动到最外侧的第5反应筒壁9e与第6反应筒壁9f之间的小空间11f中并向下方流动。即，由从第1间隔筒部件25的内侧空间到第1反应筒壁9a的内侧的小空间11a、两上部圆板21、22之间的水平的小空间30a、从第3反应筒壁9c到第6反应筒壁9f的3个筒状的小空间11d～11f以及使它们连通的流通用贯通孔10构成的路径为供给侧流路F1。供给气体在流动到这里的期间中被加热而成为反应生成气体。
因而，进行设定，以使得供给到第1反应筒壁9a的内侧的小空间11a中的供给气体一边被加热，一边经由多个流通用贯通孔10等向外侧依次流动并反应而成为反应生成气体。并且，设定为，气体随着在该供给侧流路F1中沿半径方向移动而在上下交错地配设的流通用贯通孔10之间流动，使气体的流动方向反复变化为上方向和下方向。另外，在图中，将气体的流动方向用箭头表示。
接着，生成的反应生成气体从第5反应筒壁9e与第6反应筒壁9f之间的小空间11f通过第1下部圆板23与第2下部圆板24之间的水平的小空间30b回到反应容器1的中央部。即，第1下部圆板23与第2下部圆板24之间的小空间30b为返回流路F2。进而，反应生成气体经由第1下部圆板23的第2贯通孔23c被导入到第2反应筒壁9b与第3反应筒壁9c之间的小空间11c中，朝向上方流动。
此时，在经由第3反应筒壁9c相邻的、在第3反应筒壁9c与第4反应筒壁9d之间的小空间11d中流动的供给气体与反应生成气体之间进行热交换。
接着，反应生成气体经由第2反应筒壁9b的流通用贯通孔10流入到第1反应筒壁9a与第2反应筒壁9b之间的小空间11b中，向下方流动。此时，在经由第1反应筒壁9a相邻的、在第1反应筒壁9a内的小空间11a中流动的供给气体与反应生成气体之间进行热交换。即，通过第2反应筒壁9b与第3反应筒壁9c之间以及第1反应筒壁9a与第2反应筒壁9b之间的两小空间11c、11b、和将这些小空间11c、11b连通的连通用贯通孔10，构成排出侧流路F3。
然后，反应生成气体依次经由第1下部圆板23的第1贯通孔23b、第1间隔筒部件25与第2间隔筒部件26之间、第2下部圆板24的第3贯通孔24b、水平流路33、排气用连结流路32及排气孔6b被从多个气体排气管4向外部排出。
这样，在本实施方式中，在供给侧流路F1中，供给气体从反应容器1的中央部一边沿上下折回一边朝向外侧流动，一边被加热一边成为反应生成气体。接着，通过返回流路F2使反应生成气体回到反应容器1的中央部之后，在通过相邻于供给侧流路F1的排出侧流路F3时，由流过供给侧流路F1的供给气体与流过排出侧流路F3的高温状态的反应生成气体进行热交换，将供给气体预热。
因而，在该三氯硅烷制造装置中，由于具有通过返回流路F2使高温状态的反应生成气体回到与供给侧流路F1相邻的排出侧流路F3中的构造，所以在从反应容器1排出之前能够使反应生成气体维持着高温状态而与供给气体热交换，能够高效地进行供给气体的预热。此外，由于在反应容器1内具备热交换机构，所以不需要在外部另外设置热交换器，能够使装置整体小型化，并且能够降低装置成本。
此外，由于在排出侧流路F3的下游端连结有多个气体排气管4，所以通过将高温状态的反应生成气体在多根中与外部热交换并从冷却效果较高的气体排气管4排出，能够进行迅速冷却。即，由于从多个气体排气管4的排出使反应生成气体迅速冷却，能够抑制三氯硅烷的转换的逆反应，提高三氯硅烷的转换率。
进而，由于通过由碳化硅(SiC)涂层的碳构成反应容器1，所以与由碳纯净材料构成的情况相比能够设定为高温，能够与更高温度的反应生成气体热交换，能够得到较高的预热效果。此外，能够防止碳与供给气体及反应生成气体中的氢、氯硅烷及氯化氢(HCl)反应、生成甲烷、甲基氯硅烷、碳化硅等而成为不纯物，能够得到纯度较高的三氯硅烷。
另外，各反应筒壁9a～9f受加热机构2加热而发生热膨胀，在此情况下，由于在外侧配置有加热机构2，所以外侧的反应筒壁9f因被加热最多而有热膨胀也变大的倾向，但由于通过返回流路F2使成为高温的反应生成气体回到相邻于供给侧流路F1的排出侧流路F3中，在流过两者的气体之间进行热交换，所以能够减小半径方向的温度差，能够减小在反应容器1内的结构部件(特别是沿径向配置的两上部圆板21、22、下部圆板23、24)中产生的热应变。
配置在外侧的反应筒壁9d～9f的上端上的第2上部圆板22在图1所示的例子中为接触在隔热部件5上的状态，因此，反应筒壁9d～9f的热膨胀力直接作用在隔热部件5上，但作为该隔热部件5，是具有能够吸收其热膨胀的缓冲性的结构。此外，也可以考虑到反应筒壁9d～9f的热膨胀量而在隔热部件5与第2上部圆板22之间设置间隙。
此外，由于通过氩气供给机构7将氩气供给到收纳容器6内，所以通过用氩气使反应容器1周围成为加压状态，能够防止供给气体或反应生成气体从反应容器1泄漏。由此，能够防止从反应容器泄漏的供给气体或反应生成气体与在反应容器1外侧的加热机构2等中使用的碳反应。
另外，在将氩气作为吹扫用气体供给的情况下，通过氩气供给机构7从收纳容器6的下部供给氩气，所以通过加热器部15的加热朝上生成自然对流。并且，通过从连接在收纳容器6上部的容器用泵吸引，吹扫用气体从下向上顺利地流动并穿过，由此能够得到较高的吹扫效果。
另外，本发明的技术范围并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够加以各种变更。
例如，在上述实施方式中，使用了6个第1～第6反应筒壁9a～9f，但也可以采用6以外的个数的反应筒壁。另外，如果反应筒壁的个数较多，则传热面积增加而能量效率变高，另一方面加热机构2的辐射热变得难以向内侧传递而加热效果降低，所以反应筒壁根据气体流量及装置整体的大小而设定为适当的个数。
此外，也可以在收纳容器5的壁内部形成使水等冷媒流通的冷媒路径、附加冷却机构。
进而，在相互的周面间形成流路的两反应筒壁的流通用贯通孔10也可以不仅在上下位置、相互在周向上也错开形成。在此情况下，能够使流通用贯通孔10之间的流路变得更长。此外，也可以不是贯通孔，而做成由形成在反应筒壁的上端部或下端部上的切口构成的流通用贯通部。
此外，在上述实施方式中，将排气用连结流路32形成在一组筒体14A、14B之间，但也可以将一个筒体配置为使其包围供给用连结管13的周围而形成双层筒状，在其之间形成排气用连结流路。在此情况下，也可以形成为气体排气管包围气体供给管3的周围的双层管状。
此外，在上述实施方式中，也可以将气体供给管3与气体排气管4的位置设定为相反、在同样的装置构造中使气体的入口与出口相反而使气体的流动相反。
工业实用性
根据有关本发明的三氯硅烷制造装置，能够通过将反应生成气体维持着高温状态而与供给气体热交换来高效地进行供给气体的预热。此外，由于在反应容器内具备热交换机构，所以能够使装置整体小型化，并且能够降低装置成本。因而，能够在实现小型且低成本的装置的同时加热效率良好地得到较高的三氯硅烷的转换率。

Claims (7)

1.一种三氯硅烷制造装置，其特征在于，
具备：
反应容器，在内部的反应流路中被供给包括四氯化硅和氢的供给气体，生成包括三氯硅烷与氯化氢的反应生成气体；
加热机构，将上述反应容器的内部加热；
气体供给部，将上述供给气体供给到上述反应容器内；
气体排气部，将上述反应生成气体从上述反应容器排出到外部；
上述反应流路具有：
供给侧流路，该供给侧流路在上述反应容器的中央部连接在上述气体供给部上，使上述供给气体一边在上述反应容器内折回一边朝向外侧流动；
返回流路，连接在上述供给侧流路的下游端，到达上述反应容器的中央部；
排出侧流路，连接在上述返回流路的下游端，相邻于上述反应容器的中央部的上述供给侧流路而配设，连接在上述气体排气部上。
2.如权利要求1所述的三氯硅烷制造装置，其特征在于，
具备多个上述气体排气部；
在上述排出侧流路的下游端连接着多个上述气体排气部。
3.如权利要求1或2所述的三氯硅烷制造装置，其特征在于，
构成上述反应容器的部材由碳形成。
4.如权利要求3所述的三氯硅烷制造装置，其特征在于，
上述碳的表面用碳化硅涂层。
5.如权利要求1或2所述的三氯硅烷制造装置，其特征在于，
具备收纳上述反应容器及上述加热机构的收纳容器；
具备将氩气供给到上述收纳容器内的氩气供给机构。
6.如权利要求3所述的三氯硅烷制造装置，其特征在于，
具备收纳上述反应容器及上述加热机构的收纳容器；
具备将氩气供给到上述收纳容器内的氩气供给机构。
7.如权利要求4所述的三氯硅烷制造装置，其特征在于，
具备收纳上述反应容器及上述加热机构的收纳容器；
具备将氩气供给到上述收纳容器内的氩气供给机构。
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