JP2008115059A

JP2008115059A - トリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置

Info

Publication number: JP2008115059A
Application number: JP2006302055A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Hasegawa; 俊一長谷川; Korn Young; コーンヤング; Toshiyuki Ishii; 敏由記石井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】トリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置において、反応室の小型化ができると共に、低コスト化及び構成材料の長寿命化を図ること。
【解決手段】第１の加熱機構１でテトラクロロシランを加熱する工程と、テトラクロロシランとは別に第２の加熱機構２で水素を加熱する工程と、加熱されたテトラクロロシランと加熱された水素とを反応室３内に導入し、テトラクロロシランと水素との混合ガスの温度を８００〜１４００℃に保持することにより転換反応によってトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成する工程とを有する。また、反応室３から排出した反応生成ガスと加熱前のテトラクロロシランとの間で熱交換を行う工程を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テトラクロロシランをトリクロロシランに転換するトリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置に関する。

高純度のシリコン（Ｓｉ：珪素）を製造するための原料として使用されるトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）は、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４：四塩化珪素）を水素により還元反応させて転換することで製造することができる。
すなわち、シリコンは、以下の反応式（１）（２）によるトリクロロシランの還元反応と熱分解反応で生成され、トリクロロシランは、以下の反応式（３）による転換反応で生成される。

ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２→ Ｓｉ＋３ＨＣｌ・・・（１）
４ＳｉＨＣｌ_３→ Ｓｉ＋３ＳｉＣｌ_４＋２Ｈ_２・・・（２）
ＳｉＣｌ_４＋Ｈ_２→ ＳｉＨＣｌ_３＋ＨＣｌ・・・（３）

このトリクロロシランを製造する方法として、例えば特許文献１及び２には、発熱体に囲まれた反応室内に水素とテトラクロロシランとの混合供給ガスを供給し、発熱体によって加熱することで、反応室内で水素とテトラクロロシランとを反応させてトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを得ている。この反応室は、水素とテトラクロロシランとの混合供給ガスを内部で加熱して反応させるため、高温に耐えかつ塩素による腐食に耐えるようにカーボン製が用いられている。さらに、カーボンと水素とが高温下でＣＨ_３基を発生させて不純物となることを防ぐために、カーボンにＳｉＣ（炭化珪素）のコーティング処理が施されている。また、加熱ヒータにも、ＳｉＣコーティングされたカーボンヒータが用いられている。

特許第３７８１４３９号公報米国特許第３９３３９８５号明細書

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記従来のトリクロロシランの製造技術では、反応室にカーボンヒータ等の加熱機構が必要になるため、反応室が大型化してしまう不都合があった。また、炭化珪素コーティングされたカーボンは高価であり、装置コストが増大してしまうと共に、カーボンヒータによる加熱にも大きな電力が必要であり、ランニングコストも高くなる不都合がある。さらには、ＳｉＣコーティングされたカーボンが、温度の上下サイクルに伴うＳｉＣコートとカーボンとの熱膨張率差により、割れやひびが発生して劣化、損傷する場合がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、反応室の小型化ができると共に、低コスト化及び構成材料の長寿命化を図ることができるトリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のトリクロロシランの製造方法は、テトラクロロシランを加熱する工程と、テトラクロロシランとは別に水素を加熱する工程と、前記加熱されたテトラクロロシランと前記加熱された水素とを反応室内に導入し、テトラクロロシランと水素との混合ガスの温度を８００〜１４００℃に保持することにより転換反応によってトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、テトラクロロシランを加熱する第１の加熱機構と、水素を加熱する第２の加熱機構と、前記第１の加熱機構で加熱されたテトラクロロシランと前記第２の加熱機構で加熱された水素とを内部に導入し、テトラクロロシランと水素との混合ガスの温度を８００〜１４００℃に保持することにより転換反応によってトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成する反応室とを備えていることを特徴とする。

これらのトリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置は、別々に加熱されたテトラクロロシランと水素とを反応室内に導入し転換反応によりトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成するので、反応室に加熱機構を設ける必要が無く、反応室を小型化することができる。また、テトラクロロシランの加熱及び水素の加熱には、それぞれに好適な異なる加熱機構を選択することができる。さらに、テトラクロロシランの加熱にカーボンヒータを用いる場合には、水素とカーボンとの反応を考慮する必要が無く、カーボンの保護が不要になることから、ＳｉＣコーティングされていないカーボンヒータを用いることができ、低コスト化及びヒータ材料の長寿命化を図ることができる。

また、本発明のトリクロロシランの製造方法は、前記反応室から排出した前記反応生成ガスと加熱前の前記テトラクロロシランあるいは前記水素との間で熱交換を行う工程を有することを特徴とする。
また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記第１の加熱機構が、前記反応室から排出した前記反応生成ガスと加熱前の前記テトラクロロシランあるいは前記水素との間で熱交換を行う予熱機構を備えていることを特徴とする。

すなわち、これらのトリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置では、反応室から排出した反応生成ガスと加熱前のテトラクロロシランあるいは加熱前の水素との間で熱交換を行うので、高温状態の反応生成ガスによりテトラクロロシランあるいは水素が予熱されてテトラクロロシランあるいは水素の加熱効率を向上させることができる。

さらに、本発明のトリクロロシランの製造方法は、前記混合ガスの温度を１２００℃を超えて１４００℃までの温度に保持することを特徴とする。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記第２の加熱機構が、可燃性ガス、石油類又は石炭の燃焼熱により前記水素を加熱することを特徴とする。すなわち、このトリクロロシラン製造装置では、第２の加熱機構として、可燃性ガス、石油類又は石炭の燃焼により水素を加熱する機構を採用するので、高価な電力が不要になり低コストに加熱を行うことができる。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記反応室が、円環状に形成され前記第２の加熱機構からの前記水素を中央に向けて供給する水素放出管と、前記水素放出管の中央に向けて前記第１の加熱機構からの前記テトラクロロシランを供給するテトラクロロシラン放出管とを備えていることを特徴とする。すなわち、このトリクロロシラン製造装置では、中央に水素が供給される円環状の水素放出管の中央に向けてテトラクロロシラン放出管からテトラクロロシランを供給するので、水素放出管内側で集中的にテトラクロロシランと水素とを混合させることができ、効率的に反応させることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るトリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置によれば、別々に加熱されたテトラクロロシランと水素とを反応室内に導入し、テトラクロロシランと水素との混合ガスの温度を８００〜１４００℃に保持することにより転換反応によってトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成するので、反応室に加熱機構を設ける必要が無く、反応室を小型化することができると共に加熱コストを低減することができる。また、テトラクロロシランの加熱にカーボンヒータを用いる場合には、ＳｉＣコーティングが不要で、装置コスト及び加熱コストを低減することができる。

以下、本発明に係るトリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置の一実施形態を、図１を参照しながら説明する。

本実施形態のトリクロロシラン製造装置は、図１に示すように、テトラクロロシランを加熱する第１の加熱機構１と、水素を加熱する第２の加熱機構２と、第１の加熱機構１で加熱されたテトラクロロシランと第２の加熱機構２で加熱された水素とを内部に導入し転換反応によりトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成する反応室３とを備えている。

上記第１の加熱機構１は、テトラクロロシランを加熱するカーボンヒータ４と、反応室３から排出した反応生成ガスと加熱前のテトラクロロシランとの間で熱交換を行う予熱機構５とを備えている。上記カーボンヒータ４は、表面にＳｉＣコーティングを施していない無垢のカーボン材が用いられている。また、上記予熱機構５の上流側には、テトラクロロシランの蒸発器６が接続されている。すなわち、この予熱機構５は、反応室３から排出された反応生成ガスの排出管７が内部に折り返し配管されていると共に、蒸発器６から排出されるテトラクロロシランの供給管８が上記排出管７に隣接状態に折り返し配管されて熱交換器を構成している。

反応生成ガスの排出管７は、予熱機構５を介した後に反応生成ガスを冷却する冷却器９に接続されている。さらに、この冷却器９は、トリクロロシランの凝縮捕集を行う蒸留装置１０に接続されている。
上記第２の加熱機構２は、可燃性ガス、石油類又は石炭の燃焼熱により水素を加熱するものであり、螺旋状に配管された水素の供給金属管１１と、この供給金属管１１に向けて可燃性ガス、石油類又は石炭の燃焼によって生じた燃焼ガスを吹き付けるバーナー１２とを備えている。

上記反応室３は、第２の加熱機構２の供給金属管１１に接続され第２の加熱機構２からの水素を中央に向けて供給する円環状（リング状）の水素放出管１３と、第１の加熱機構１に接続され水素放出管１３の中央に向けて第１の加熱機構１からのテトラクロロシランを供給するテトラクロロシラン放出管１４とを備えている。また、反応室３は、例えばステンレス製の反応室本体３ａと、反応室本体３ａの内壁に設けられたカーボン材の断熱材３ｂとを備えている。

次に、本実施形態のトリクロロシラン製造装置を用いたトリクロロシランの製造方法について説明する。

まず、蒸発器６から供給されるテトラクロロシランが予熱機構５に導入される。この予熱機構５では、反応室３から排出された高温状態の反応生成ガスと蒸発器６からのテトラクロロシランとの間で熱交換が行われ、テトラクロロシランが予熱される。さらに、予熱されたテトラクロロシランは、カーボンヒータ４に供給される。このカーボンヒータ４によって、反応室３内で転換反応可能な所望の温度までテトラクロロシランを加熱する。

一方、第２の加熱機構２では、螺旋状の供給金属管１１に水素を流すと共に、供給金属管１１に向けてバーナー１２から燃焼ガスを放射して供給金属管１１内の水素を反応室３内で転換反応可能な所望の温度まで加熱する。なお、テトラクロロシラン及び水素は、反応室内の温度が８００〜１４００℃に保持される温度まで加熱されるならばそれぞれの温度に差があっても良い。また、テトラクロロシラン及び水素の混合ガスの温度が１２００℃を超える温度に保持されるために必要十分な温度にまで加熱することで、テトラクロロシランの転換率をさらに向上させることができる。なお、供給するテトラクロロシランにはジシラン類を含んでも良いし、またジシラン類を取り除いても良い。

このように第１の加熱機構１により加熱されたテトラクロロシランと第２の加熱機構２により加熱された水素とを反応室３内に導入し、テトラクロロシランと水素との混合ガスの温度を８００〜１４００℃に保持することにより転換反応によってトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成する。すなわち、水素を円環状の水素放出管１３から中央に放出すると共に、テトラクロロシラン放出管１４から水素放出管１３の中央に向けてテトラクロロシランを放出することで、水素放出管１３の内側で集中的に混合させて反応させる。

次に、反応室３で生じた高温状態の反応生成ガスを排出管７により予熱機構５へ導入し、蒸発器６からのテトラクロロシランと熱交換させる。次に、予熱機構５から反応生成ガスを冷却器９へ導入して冷却し、さらに、蒸留装置１０によりトリクロロシランを凝縮捕集する。

このように本実施形態では、第１の加熱機構１及び第２の加熱機構２で別々に加熱されたテトラクロロシランと水素とを反応室３内に導入し転換反応によりトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成するので、反応室３に加熱機構を設ける必要が無く、反応室３を小型化することができる。また、テトラクロロシランの加熱及び水素の加熱には、それぞれに好適な異なる加熱機構を選択することができる。さらに、テトラクロロシランの加熱に用いるカーボンヒータ４では、水素とカーボンとの反応を考慮する必要が無く、カーボンの保護が不要になることから、ＳｉＣコーティングされていないカーボンヒータを用いることができ、低コスト化及びヒータ材料の長寿命化を図ることができる。

また、予熱機構５により反応室３から排出した反応生成ガスと加熱前のテトラクロロシランとの間で熱交換を行うので、高温状態の反応生成ガスによりテトラクロロシランが予熱されてテトラクロロシランの加熱効率を向上させることができる。
さらに、第２の加熱機構２として、可燃性ガス、石油類又は石炭の燃焼により水素を加熱する機構を採用するので、高価な電力が不要になり低コストに加熱を行うことができる。
また、内側に水素が供給される円環状の水素放出管１３内に向けてテトラクロロシラン放出管１４からテトラクロロシランを供給するので、水素放出管１３内側で集中的にテトラクロロシランと水素とを混合させることができ、効率的に反応させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明に係るトリクロロシランの製造方法及びトリクロロシラン製造装置の一実施形態を示す概略的な装置構成図である。

符号の説明

１…第１の加熱機構、２…第２の加熱機構、３…反応室、４…カーボンヒータ、５…予熱機構、１１…供給金属管、１２…バーナー、１３…水素放出管、１４…テトラクロロシラン放出管

Claims

テトラクロロシランを加熱する工程と、
テトラクロロシランとは別に水素を加熱する工程と、
前記加熱されたテトラクロロシランと前記加熱された水素とを反応室内に導入し、テトラクロロシランと水素との混合ガスの温度を８００〜１４００℃に保持することにより転換反応によってトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成する工程とを有することを特徴とするトリクロロシランの製造方法。
請求項１に記載のトリクロロシランの製造方法において、
前記反応室から排出した前記反応生成ガスと加熱前の前記テトラクロロシランあるいは前記水素との間で熱交換を行う工程を有することを特徴とするトリクロロシランの製造方法。
請求項１又は２に記載のトリクロロシランの製造方法において、
前記混合ガスの温度を１２００℃を超えて１４００℃までの温度に保持することを特徴とするトリクロロシランの製造方法。
テトラクロロシランを加熱する第１の加熱機構と、
水素を加熱する第２の加熱機構と、
前記第１の加熱機構で加熱されたテトラクロロシランと前記第２の加熱機構で加熱された水素とを内部に導入し、テトラクロロシランと水素との混合ガスの温度を８００〜１４００℃に保持することにより転換反応によってトリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを生成する反応室とを備えていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
請求項４に記載のトリクロロシラン製造装置において、
前記第１の加熱機構が、前記反応室から排出した前記反応生成ガスと加熱前の前記テトラクロロシランあるいは前記水素との間で熱交換を行う予熱機構を備えていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
請求項４又は５に記載のトリクロロシラン製造装置において、
前記第２の加熱機構が、可燃性ガス、石油類又は石炭の燃焼熱により前記水素を加熱することを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
請求項４から６のいずれか一項に記載のトリクロロシラン製造装置において、
前記反応室が、円環状に形成され前記第２の加熱機構からの前記水素を中央に向けて供給する水素放出管と、
前記水素放出管の中央に向けて前記第１の加熱機構からの前記テトラクロロシランを供給するテトラクロロシラン放出管とを備えていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。