JP2008137885A - トリクロロシランの製造方法およびトリクロロシラン製造装置 - Google Patents

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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、化学反応を制御しながら反応生成ガスを急冷し、転換効率を向上させること。
【解決手段】 テトラクロロシランと水素とを内部に導入し800℃以上で還元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2と、反応室2内部の反応生成ガスを外部に導出する反応生成ガス導出手段4と、反応生成ガス導出手段4で導出される反応生成ガスに水素、テトラクロロシラン又は塩化水素を混入して反応生成ガスを冷却する冷却ガス導入手段5とを有している。
【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およびトリクロロシラン製造装置に関する。
高純度多結晶シリコンは、例えばトリクロロシラン(SiHCl3:TCSと略称)、テトラクロロシラン(SiCl4:STCと略称)、および水素を原料とし、次式(1)に示されるトリクロロシランの水素還元反応、次式(2)に示されるトリクロロシランの熱分解反応によって製造することができる。
SiHCl3+H2 → Si+3HCl ・・・(1)
4SiHCl3 → Si+3SiCl4+2H2 ・・・(2)
多結晶シリコンの上記生成反応から排出されるガスには、未反応のテトラクロロシランとトリクロロシランおよび水素と共に、副生した塩化水素およびジクロロシランなどの低沸点クロロシラン類、テトラクロロジシランやヘキサクロロジシランなどの微量の高沸点クロロシラン類が含まれている。これらのクロロシラン類は沸点に応じて段階的に蒸留分離され、必要に応じて再利用される。
例えば、上記生成反応の排ガスから蒸留分離して回収したテトラクロロシランを原料とし、次式(3)に示す水素付加の転換反応によってトリクロロシランを生成させることができる。このトリクロロシランを回収し、上記多結晶シリコンの製造原料として再利用することができる。
SiCl4+H2 → SiHCl3+HCl ・・・(3)
このトリクロロシランを製造する装置として、例えば特許文献1に記載されている転換反応装置(転化炉)が知られている。この転換反応装置は、発熱体に囲まれた反応室が同心配置の2つの管によって形成された外室と内室の二重室を有し、この反応室の下部に熱交換器が設けられており、該熱交換器を介して反応室に水素とテトラクロロシランとを供給する原料ガス供給管路と、反応室から反応生成ガスを排出する排出管路とが接続しており、上記熱交換器において、反応室に供給される供給ガスが、反応室から排出される反応生成ガスから熱を伝達されて予熱されると共に、排出される反応生成ガスの冷却が行われるようになっている。
特許第3781439号公報
従来の上記トリクロロシラン製造装置では、反応室下部の熱交換器において、供給ガスと熱交換することによって反応生成ガスの冷却が行われるが、反応生成ガスの冷却過程でトリクロロシランが四塩化珪素と水素に分解する逆反応が生じる。そこで、できるだけ逆反応が生じないよう反応生成ガスの冷却速度を高め、逆反応が顕著には生じなくなる温度まで短い時間で急冷する工夫が行われている。しかし、従来の上記冷却手段では、冷却速度が早くないので逆反応の発生を避けることはできず、トリクロロシランへの転換率が低くなってしまうという不都合があり、より高い温度で転換反応を起こさせた場合にこの問題が大きく、特に1200℃を超える温度で顕著であった。
逆反応が顕著には生じなくなる温度まで1秒以内の極端に短い時間で急冷することも可能であるが、この場合は、冷却過程においてポリマーが副生するために転換率が低くなっる問題があり、また副生したポリマーが配管の壁に付着するなどして配管を閉塞し、配管等の良好な健全性を維持できないといった不都合があった。なお、このポリマーは、シリコン2原子以上を含むSi2Cl6、Si3Cl8、Si22Cl4等の高次クロロシラン類である。
本発明は、従来のトリクロロシラン製造方法における上記問題を解決したものであり、転換反応で生成した混合ガスに特定の冷却ガスを導入することによって、化学反応を制御しながら生成混合ガスを急冷し、転換効率を向上させることができるトリクロロシランの製造方法およ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、以下の〔1〕〜〔6〕に示す構成を有することによって上記課題を解決したトリクロロシランの製造方法に関する。
〔1〕テトラクロロシランと水素とを反応室内に導入し、800℃以上の温度で反応させてトリクロロシランと塩化水素とを含む混合ガスを生成する工程と、上記反応室から上記混合ガスを導出する際に、該混合ガスに水素、テトラクロロシラン、または塩化水素の少なくとも一種を主体とする冷却ガスを導入して該混合ガスを冷却する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。
〔2〕混合ガスに導入する冷却ガスの温度が−60〜650℃である上記[1]に記載するトリクロロシランの製造方法。
〔3〕混合ガス生成工程の反応温度が1200℃以上である上記[1]または上記[2]に記載するトリクロロシランの製造方法。
〔4〕水素またはテトラクロロシランを主体とする冷却ガスを導入して上記混合ガスを650℃以下に冷却する上記[1]〜上記[3]に記載するトリクロロシランの製造方法。
〔5〕塩化水素を主体とする冷却ガスを導入して上記混合ガスを1秒以内に650℃以下に冷却する上記[1]〜上記[3]に記載するトリクロロシランの製造方法。
〔6〕冷却ガスを導入した混合ガスを冷却器に導入して未反応の水素を凝縮分離し、分離した水素含有ガスを冷却ガスとして再利用する上記[1]〜上記[4]に記載するトリクロロシランの製造方法。
さらに本発明は、以下の〔7〕〜〔11〕に示す構成を有することによって上記課題を解決したトリクロロシランの製造装置に関する。
〔7〕テトラクロロシランと水素とを800℃以上の温度で反応させてトリクロロシランと塩化水素を含む混合ガスを生成する反応室と、上記混合ガスを反応室の外部に導出する混合ガス導出手段と、水素、テトラクロロシラン、または塩化水素の少なくとも一種を主体とする冷却ガスを上記混合ガスに導入する冷却ガス導入手段とを有し、該冷却ガス導入手段が上記混合ガス導出手段に接続されていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
〔8〕反応温度が1200℃以上である上記[7]に記載するトリクロロシラン製造装置。
〔9〕冷却ガス導入手段に水素またはテトラクロロシランを主体とする冷却ガスの供給管路が接続しており、水素またはテトラクロロシランを主体とする冷却ガスを上記混合ガスに導入して650℃以下に冷却する上記[7]または上記[8]に記載するトリクロロシラン製造装置。
〔10〕冷却ガス導入手段に塩化水素を主体とする冷却ガスの供給管路が接続しており、塩化水素を主体とする冷却ガスを上記混合ガスに導入して1秒以内に650℃以下に冷却する上記[7]または上記[8]に記載するトリクロロシラン製造装置。
〔11〕冷却ガスを導入した混合ガスを導入する冷却器と、冷却器で凝縮分離した未反応の水素を主体とする水素含有ガスを冷却ガス導入手段に供給する循環管路を有する上記[7]〜上記[10]に記載するトリクロロシラン製造装置。
上記[1]の方法および上記[7]の装置によれば、テトラクロロシランと水素とを反応させてトリクロロシランを生成させる転換反応において、生成した混合ガスに、水素、テトラクロロシラン、または塩化水素の少なくとも一種を主体とする冷却ガスを導入することによって上記生成混合ガスを冷却するので、高温の混合ガスが冷却されると共に、導入された水素、テトラクロロシランによってトリクロロシランの逆反応が抑制され、塩化水素によってポリマーの副生が抑制されるので、トリクロロシランの転換率を向上させることができる。なお、冷却ガスについて、水素、テトラクロロシラン、または塩化水素の少なくとも一種を主体とするとは、これらによる効果を大幅に減じない範囲で少量の他の成分を含んでいてもよいことを意味する。
導入する水素、テトラクロロシラン、または塩化水素は、何れかを単独で混入してもよく、複数を同時に混入してもよい。また、水素、テトラクロロシラン、または塩化水素を主体とする冷却ガスの温度は上記生成混合ガスの冷却速度を考慮して設定すればよく、例えば、上記[2]に示すように−60〜650℃の冷却ガスを用いられる。また、冷却ガスをあらかじめ予熱して導入することもできる。これらの冷却ガスは他の冷却手段と併用してもよい。
上記[1]の方法および上記[7]の装置において、トリクロロシランの生成転換反応の温度は800℃以上であり、上記[3]の方法および上記[8]の装置において、反応温度は1200℃以上である。転換反応温度が800℃より低いとトリクロロシランの生成率(転換率)が大幅に低下する。1200℃以上の反応温度では転換反応がより促進され、トリクロロシランへの転換率を向上させることができる。
トリクロロシランへの転換反応は、温度が高いほど促進されるが、1000℃程度を超えると、反応生成ガス中のトリクロロシランの一部が塩化水素と中間生成物のSiCl2に分解する。この分解反応は温度が高いほど進行し、特に1200℃を超える温度では、SiCl2が反応生成ガス中で主要な成分となる。
本発明の製造方法および製造装置は、転換反応の生成混合ガスに導入した冷却ガスの水素、テトラクロロシラン、または塩化水素がこのSiCl2に作用するので、1200℃を超える温度で転換反応を進めた場合でも、トリクロロシラン分解の逆反応が効果的に抑制され、トリクロロシランへの転換率を向上させることができる。
上記[4]の方法および上記[9]の装置において、水素またはテトラクロロシランを主体とする冷却ガスを導入して上記生成ガスを650℃以下の温度にまで冷却するので、転換反応の逆反応が顕著には生じない温度領域まで生成ガスが冷却されると同時に、水素またはテトラクロロシランによって転換反応の逆反応が抑制される。なお、混入する水素またはテトラクロロシランは、何れかを単独で導入してもよく、または両方を同時に導入してもよい。
上記[5]の方法および上記[1]の装置において、塩化水素を主体とする冷却ガスを導入して上記生成ガスを650℃以下の温度にまで1秒以内の冷却速度で急冷すると、転換反応の逆反応が顕著には生じなくなる上記650℃以下の温度範囲まで1秒以下の極端に短い時間で急冷しても、塩化水素によってポリマーの副生が抑制される。その結果、ポリマーの副生による転換率の低下を抑制できると同時に、転換反応の逆反応を抑制することが可能となり、より転換率を向上させることができる。さらに、副生したポリマーが配管の壁に付着するなどして配管を閉塞する問題を防止し、配管等の良好な状態に維持することができる。その効果は、より高い温度で転換反応を起こさせた場合に大きくなり、特に1200℃を超える温度で顕著となる。
上記[6]の方法および上記[11]の装置において、冷却ガスを導入した混合ガスを冷却器に導入して未反応の水素を凝縮分離し、分離した水素含有ガスを冷却ガスとして再利用するので、水素の使用効率を高めることができる。
以上のように、本発明に係るトリクロロシランの製造方法およびトリクロロシラン製造装置によれば、反応室から生成ガスを導出する際に、水素、テトラクロロシラン、または塩化水素を主体とする冷却ガスを導入して上記生成ガスを冷却するので、高温状態の生成ガスが急冷されると同時に、転換反応の逆反応が抑制され、ポリマーの副生が抑制されるので、高い転換率でトリクロロシランを得ることができる。
以下、本発明に係るトリクロロシランの製造方法およびトリクロロシラン製造装置の実施形態を、図1を参照して具体的に説明する。
図1に示す実施形態のトリクロロシラン製造装置(転化炉)1は、テトラクロロシランと水素とを800℃以上で反応させてトリクロロシランと塩化水素との混合ガスを生成させる反応室2と、反応室2に接続されたガス供給手段3と、上記生成混合ガスを外部に導出する生成ガス導出手段4と、この生成ガス導出手段4に接続した冷却ガス導入手段5とを有している。
反応室2の周囲には該反応室2を加熱する加熱手段6が設けられており、この反応室2および加熱手段6の周囲を覆うように断熱材7が配置されており、これらの反応室2、加熱手段6、および断熱材7は収納容器8に収納されている。
上記加熱手段6は、反応室2の周囲に反応室2を囲うように配された発熱体であるヒータ部6aを備えている。このヒータ部6aは、カーボンで形成されている。また、加熱手段6は、反応室2内が800℃〜1900℃の範囲内の温度になるように加熱制御を行っている。なお、反応室内を1200℃以上の温度に設定すれば、転換率が向上する。すなわち、1200℃を超える温度での転換反応により多くのトリクロロシランを取り出すことができる。
上記反応室2は、カーボンで形成されていると共に該カーボンの表面に炭化珪素をコーティングしてもよい。また、上記収納容器8はステンレス製がよい。
上記ガス供給手段3は、反応室2に原料ガスを供給するガス供給管9と、該ガス供給管9に接続された混合器10とを備えている。該混合器10には水素が供給され、また蒸発器(図示略)からテトラクロロシランが供給され、これらが混合器10で混合されて反応室に導入される。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。
反応室2に接続されている上記生成ガス導出手段4は、反応室内の生成混合ガスを外部に導出するガス排気管11と、該ガス排気管11に接続された冷却分離器12と、冷却分離器12に接続された蒸留装置13とを備えている。この生成ガス導出手段4に上記冷却ガス導入手段5が接続している。該冷却ガス導入手段5は冷却ガス導入管14を備えており、該冷却ガス導入管14は上記ガス排気管11の基端部内に接続されている。
冷却ガス導入管14は冷却ガスの供給源(図示省略)に接続されており、供給管路(図示省略)を通じて、例えば、水素またはテトラクロロシラン、または塩化水素の供給源(図示省略)に接続されている。該冷却ガス導入管14を通じて水素またはテトラクロロシランまたは塩化水素を主体とする冷却ガスが生成ガスに導入される。
図1に示す例では、冷却ガス導入管14は上記冷却分離器12に接続しており、該冷却分離器12において分離された未反応の水素ガスが上記冷却ガス導入管14を通じて上記ガス排気管11に導入されるように形成されている。
上記冷却ガス導入手段5は、反応生成ガスを650℃以下の温度にまで冷却するように導入する冷却ガス量を調整できるように形成されている。なお、急冷される反応生成ガスの温度を測定し、制御するために、ガス排気管11の基端部内に温度センサを設けても構わない。
次に、上記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、混合器10からテトラクロロシランと水素とからなる原料ガスがガス供給管9から反応室2の内部に導入される。反応室内は加熱手段6によって反応温度まで加熱され、原料ガスの反応によってトリクロロシランや塩化水素などが生成する。この反応生成ガスはガス排気管11を通じて外部に導出される。このとき、冷却ガス導入手段5によって冷却ガス導入管14を通じてガス排気管11の基端部内に冷却ガスが導入され、反応生成ガスに混入される。
この冷却ガスの導入によって高温状態の反応生成ガスは650℃以下の温度にまで急冷される。反応生成ガスが650℃以下になるように冷却ガスの温度および導入量が調整される。なお、この際、トリクロロシランの分解が生じる逆反応を抑制する十分な急冷効果を得るために、650℃まで1秒以内で急冷されることが好ましい。次に、冷却ガスが導入された反応生成ガスはガス排気管11を通じて冷却分離器12に導入され、ここでさらに冷却され、分離されたトリクロロシランは蒸留装置13に導かれて凝縮捕集される。
また、図1に示す例では、上記冷却分離器12において未反応の水素ガスなどが分離され、この水素ガスは冷却ガス導入管14を通じてガス排気管11の基端部内に導入され、冷却ガスとして再利用される。
本発明の実施形態において、冷却ガスとして水素を用いる例では、反応室2から反応生成ガスを導出する際に反応生成ガスに水素を混入して反応生成ガスを冷却することによって、高温状態の反応生成ガスが急冷されると同時に、転換の逆反応が抑制され、トリクロロシランへの転換率を向上させることができる。その効果は、より高い温度で転換反応を起こさせた場合に大きくなり、特に1200℃を超える温度で顕著となる。特に、水素を混入して反応生成ガスを650℃以下の温度にまで冷却すれば、転換反応の逆反応を十分に抑制可能な温度領域まで反応生成ガスが急冷され、トリクロロシランへの転換率を向上させることができる。
水素に代えて、または水素と共にテトラクロロシランを冷却ガスとして用いた場合にも水素を冷却ガスとして使用した場合と同様の効果を得ることができる。この場合、蒸留装置13から分離したテトラクロロシランの一部を、冷却ガス導入管14を通じてガス排気管11に導入しても良い。
また、本発明の実施形態において、冷却ガスとして塩化水素を用いる例では、塩化水素が冷却ガス導入管14を通じてガス排気管11内に導入され、塩化水素の混入により反応生成ガスが1秒以内の冷却速度で650℃以下の温度にまで冷却しても、ポリマーを副生を抑制して、トリクロロシランの転換率を高めることができる。
一般に、トリクロロシランの分解が生じる逆反応が顕著には生じなくなる温度まで1秒以下の極端に短い時間で急冷すると、冷却過程においてポリマーが副生し易い。このポリマーは、例えば、次式(4)に示すように、トリクロロシランの分解によって生じたSiCl2が、次式(5)に示すように、SiCl4と反応して発生する。このSiCl2は高温においてより多く生成する。従って、ポリマーの副生は、より高い温度で転換反応を起こさせた場合に大きくなり、特に1200℃を超える温度で顕著となる。
SiHCl3 → SiCl2+HCl ・・・(4)
SiCl2+SiCl4 → Si2Cl6 ・・・(5)
一方、塩化水素は、次式(6)に示すように、SiCl2と反応してトリクロロシランを生成する反応を促進するため、上記反応式(4)によるポリマーの副生を抑制する働きがある。また、以下の反応式(7)、(8)、(9)等に示すように、いったん副生したポリマーを分解する働きもある。
SiCl2+HCl → SiHCl3 ・・・(6)
Si2Cl6+HCl → SiHCl3+SiCl4 ・・・(7)
Si3Cl8+2HCl→2SiHCl3+SiCl4 ・・・(8)
Si22Cl4+2HCl→2SiHCl3 ・・・(9)
従って、冷却ガスとして塩化水素を用い、塩化水素を混入して反応生成ガスを650℃以下の温度にまで1秒以内の冷却速度で急冷する場合、塩化水素の導入によって生成ガスが650℃以下の温度範囲まで急冷されると共に、ポリマーの副生が抑制され、トリクロロシランの転換率を向上させることができる。また、副生したポリマーが配管の壁に付着して配管を閉塞することなどの問題を防止され、配管等が良好に維持される。その効果は、より高い温度で転換反応を起こさせた場合に大きく、特に1200℃を超える温度で顕著である。
以下、本発明の実施例を示す。なお、本発明の技術範囲は上記実施形態および以下の実施例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。
〔実施例1〕
図1に示す製造装置を用い、反応室に水素とテトラクロロシランの混合ガス(H2/STCモル比2)を供給し、表1に示す反応温度下で反応させ、トリクロロシランを生成させた。排気管11を通じて生成した混合ガスを室外に導出する際に、冷却ガス導入管14を通じて表1に示す冷却ガスを上記生成混合ガスに導入し、生成混合ガスを表1に示す温度に冷却した。この結果を表1に示した。
表1の結果に示すように、H2、STCを冷却ガスとして生成混合ガスに導入することによって、生成混合ガスを1秒以内に650℃以下に急冷することができ、トリクロロシラン(TCS)の生成率を高めることができる。
Figure 2008137885
〔実施例2〕
冷却ガスとしてHClを用い、表2に示す条件下で生成混合ガスにHClを導入して表2に示す温度に冷却した。この結果を表2に示した。表2の結果に示すように、HClを冷却ガスとして生成混合ガスに導入することによって、急冷してもポリマーを生じない。
Figure 2008137885
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装置全体の構成図である。
符号の説明
1…トリクロロシラン製造装置、2…反応室、4…反応生成ガス導出手段、5…冷却ガス導入手段、6…加熱手段、9…ガス供給管、11…ガス排気管、14…冷却ガス導入管

Claims (11)

  1. テトラクロロシランと水素とを反応室内に導入し、800℃以上の温度で反応させてトリクロロシランと塩化水素とを含む混合ガスを生成する工程と、上記反応室から上記混合ガスを導出する際に、該混合ガスに水素、テトラクロロシラン、または塩化水素の少なくとも一種を主体とする冷却ガスを導入して該混合ガスを冷却する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。
  2. 混合ガスに導入する冷却ガスの温度が−60〜650℃である請求項1に記載するトリクロロシランの製造方法。
  3. 混合ガス生成工程の反応温度が1200℃以上である請求項1または請求項2に記載するトリクロロシランの製造方法。
  4. 水素またはテトラクロロシランを主体とする冷却ガスを導入して上記混合ガスを650℃以下に冷却する請求項1〜請求項3に記載するトリクロロシランの製造方法。
  5. 塩化水素を主体とする冷却ガスを導入して上記混合ガスを1秒以内に650℃以下に冷却する請求項1〜請求項3に記載するトリクロロシランの製造方法。
  6. 冷却ガスを導入した混合ガスを冷却器に導入して未反応の水素を凝縮分離し、分離した水素含有ガスを冷却ガスとして再利用する請求項1〜請求項4に記載するトリクロロシランの製造方法。
  7. テトラクロロシランと水素とを800℃以上の温度で反応させてトリクロロシランと塩化水素を含む混合ガスを生成する反応室と、上記混合ガスを反応室の外部に導出する混合ガス導出手段と、水素、テトラクロロシラン、または塩化水素の少なくとも一種を主体とする冷却ガスを上記混合ガスに導入する冷却ガス導入手段とを有し、該冷却ガス導入手段が上記混合ガス導出手段に接続されていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
  8. 反応温度が1200℃以上である請求項7に記載するトリクロロシラン製造装置。
  9. 冷却ガス導入手段に水素またはテトラクロロシランを主体とする冷却ガスの供給管路が接続しており、水素またはテトラクロロシランを主体とする冷却ガスを上記混合ガスに導入して650℃以下に冷却する請求項7または請求項8に記載するトリクロロシラン製造装置。
  10. 冷却ガス導入手段に塩化水素を主体とする冷却ガスの供給管路が接続しており、塩化水素を主体とする冷却ガスを上記混合ガスに導入して1秒以内に650℃以下に冷却する請求項7または請求項8に記載するトリクロロシラン製造装置。
  11. 冷却ガスを導入した混合ガスを導入する冷却器と、冷却器で凝縮分離した未反応の水素を主体とする水素含有ガスを冷却ガス導入手段に供給する循環管路を有する請求項7〜請求項10に記載するトリクロロシラン製造装置。
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