JP2008150273A - Apparatus for producing trichlorosilane - Google Patents
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Abstract
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製造装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for producing trichlorosilane that converts tetrachlorosilane to trichlorosilane.
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(SiHCl3)は、テトラクロロシラン(SiCl4:四塩化珪素)を水素と反応させて転換することで製造することができる。 Trichlorosilane (SiHCl 3 ) used as a raw material for producing high-purity silicon (Si: silicon) is produced by reacting tetrachlorosilane (SiCl 4 : silicon tetrachloride) with hydrogen and converting it. Can do.
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。 That is, silicon is generated by the reduction reaction and thermal decomposition reaction of trichlorosilane according to the following reaction formulas (1) and (2), and trichlorosilane is generated by the conversion reaction according to the following reaction formula (3).
SiHCl3+H2 → Si+3HCl ・・・(1)
4SiHCl3 → Si+3SiCl4+2H2 ・・・(2)
SiCl4+H2 → SiHCl3+HCl ・・・(3)
このトリクロロシランの製造方法として、種々の手法が提案されているが、例えば特許文献1には、グラファイト、シリコン又はシリコンカーバイドで形成された発熱体にテトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを吹き付けてトリクロロシランへ転換させる技術が開示されている。この製造技術では、生成したトリクロロシランが発熱体から即座に取り除かれるため、1100℃以上の温度範囲でもトリクロロシランからシリコンへの析出が生じないというメリットがある。
4SiHCl 3 → Si + 3SiCl 4 + 2H 2 (2)
SiCl 4 + H 2 → SiHCl 3 + HCl (3)
Various methods for producing this trichlorosilane have been proposed. For example, in Patent Document 1, a supply gas containing tetrachlorosilane and hydrogen is sprayed on a heating element formed of graphite, silicon, or silicon carbide. A technique for converting to trichlorosilane is disclosed. This production technique has an advantage that the generated trichlorosilane is immediately removed from the heating element, so that precipitation from trichlorosilane to silicon does not occur even in a temperature range of 1100 ° C. or higher.
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。 The following problems remain in the conventional technology.
すなわち、上記特許文献1の技術では、供給ガスをグラファイト、シリコン又はシリコンカーバイドで形成された発熱体に吹き付けて反応生成ガスを得ているが、グラファイトやシリコンを用いて発熱体を構成すると、常温で機械的強度が低く、さらに加熱による高温状態で機械的強度が大きく低下してしまうため、より高い強度の発熱体が要望されている。また、グラファイトで形成された発熱体を用いた場合、カーボンと供給ガス及び反応生成ガス中の水素、クロロシラン及び塩化水素とが反応してメタン、メチルクロロシラン、炭化珪素等が生成されて不純物となる不都合があった。さらに、シリコンカーバイドで発熱体を構成する場合、焼結シリコンカーバイド又は結晶成長させたPureのシリコンカーバイドを用いることになるが、前者は、通常、ボロンを焼結助剤に用いて作製され、1300℃が限度であると共に、高温時に供給ガス中の水素とシリコンカーバイドに含有するボロンとが反応してBH3となり、脆くなる不都合がある。また、後者の場合は、ボロンの影響はないが、非常に高価であり部材コストが高くなりすぎてしまう問題があった。 That is, in the technique of Patent Document 1, a reaction gas is obtained by blowing a supply gas to a heating element formed of graphite, silicon, or silicon carbide. However, when a heating element is configured using graphite or silicon, Therefore, since the mechanical strength is low and the mechanical strength is greatly lowered at a high temperature by heating, a heating element with higher strength is desired. In addition, when a heating element formed of graphite is used, hydrogen, chlorosilane, and hydrogen chloride in the supply gas and reaction product gas react with each other to generate methane, methylchlorosilane, silicon carbide, and the like as impurities. There was an inconvenience. Further, when the heating element is composed of silicon carbide, sintered silicon carbide or pure silicon carbide with crystal growth is used, but the former is usually manufactured using boron as a sintering aid. In addition to the upper limit of ° C., hydrogen in the supply gas reacts with boron contained in silicon carbide at high temperatures to become BH 3 and become brittle. In the latter case, there is no influence of boron, but there is a problem that it is very expensive and the member cost becomes too high.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高い機械的強度を有すると共に不純物の発生を防ぎ、さらに部材コストの増大を抑制することができる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。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and has an object to provide a trichlorosilane manufacturing apparatus that has high mechanical strength, prevents generation of impurities, and can suppress increase in member cost. To do.
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製造装置は、石英で形成された反応器と、前記反応器を加熱する加熱機構と、テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを前記反応器に吹き付けるガス吹き付け機構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、供給ガスを吹き付けられる反応器が石英で形成されているので、反応器が常温だけでなく800〜1400℃の高温下でも高い機械的強度を有すると共に、高い純度で形成可能である。また、反応器が供給ガス及び反応生成ガス中のガス成分と反応して不純物を生成することがなく、純度の高いトリクロロシランを得ることができる。また、石英がPureのシリコンカーバンドに比べて低価格であるため、部材コストの増大を抑制することができる。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, the trichlorosilane production apparatus of the present invention comprises a reactor formed of quartz, a heating mechanism for heating the reactor, and a gas blowing mechanism for blowing a supply gas containing tetrachlorosilane and hydrogen to the reactor. It is characterized by having. That is, in this trichlorosilane manufacturing apparatus, since the reactor to which the supply gas is blown is formed of quartz, the reactor has high mechanical strength and high purity not only at room temperature but also at a high temperature of 800 to 1400 ° C. Can be formed. In addition, the reactor does not react with gas components in the supply gas and the reaction product gas to produce impurities, and thus high purity trichlorosilane can be obtained. In addition, since quartz is less expensive than Pure silicon carband, it is possible to suppress an increase in member cost.
また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記反応器が円弧状凹面を有し、前記ガス吹き付け機構が、前記反応器における前記円弧状凹面に向けて前記供給ガスを噴射する噴射ノズル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、反応器における円弧状凹面に向けて噴射ノズルから供給ガスを噴射するので、反応器に噴射されて衝突した供給ガスが円弧状凹面の円弧に沿って流れ、該円弧状凹面からの加熱効果によって、より効率的に転換反応させることができる。円弧状凹面を有する反応器としては、単結晶シリコンの引き上げ生成に用いられる石英製ルツボが好適に使用できる。 In the trichlorosilane production apparatus of the present invention, the reactor has an arc-shaped concave surface, and the gas blowing mechanism includes an injection nozzle that injects the supply gas toward the arc-shaped concave surface in the reactor. It is characterized by being. That is, in this trichlorosilane production apparatus, since the supply gas is injected from the injection nozzle toward the arc-shaped concave surface in the reactor, the supply gas injected and collided with the reactor flows along the arc of the arc-shaped concave surface, The conversion reaction can be performed more efficiently by the heating effect from the arcuate concave surface. As a reactor having an arcuate concave surface, a quartz crucible used for pulling and generating single crystal silicon can be suitably used.
さらに、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記反応器で前記供給ガスから生成されたトリクロロシランと塩化水素とを含む反応生成ガスを前記反応器における前記円弧状凹面の周縁部内側に配されたガス導出口から外部に導出するガス回収機構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、反応生成ガスを反応器の周縁部内側に配されたガス導出口から外部に導出するので、反応器における円弧状凹面に衝突して生成され円弧状凹面の円弧に沿って折り返して流れる反応生成ガスを効率的に回収することができる。 Furthermore, in the trichlorosilane production apparatus of the present invention, the reaction product gas containing trichlorosilane and hydrogen chloride generated from the supply gas in the reactor is disposed inside the peripheral edge of the arcuate concave surface in the reactor. It has a gas recovery mechanism that leads to the outside from the gas outlet. That is, in this trichlorosilane production apparatus, the reaction product gas is led out to the outside from the gas outlet port arranged inside the peripheral edge of the reactor, so that it is generated by colliding with the arc-shaped concave surface in the reactor. It is possible to efficiently recover the reaction product gas that flows back along.
また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記反応器の外側表面を覆うように支持する支持部材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、支持部材で反応器の外側表面を覆うように支持しているので、高温時に反応器が軟化しても反応器を支持部材が周囲から支持することで反応器の形状変化等を防ぐことができる。 In addition, the trichlorosilane production apparatus of the present invention includes a support member that supports the outer surface of the reactor so as to cover it. That is, in this trichlorosilane production apparatus, since the support member supports the outer surface of the reactor, the reactor is supported by the support member from the surroundings even if the reactor softens at high temperatures. It is possible to prevent changes in the shape and the like.
本発明によれば、以下の効果を奏する。 The present invention has the following effects.
すなわち、本発明に係るトリクロロシラン製造装置によれば、供給ガスを吹き付ける反応器が石英で形成されているので、反応器が常温だけでなく800〜1400℃の反応温度でも高い機械的強度を有し、高い純度で形成可能であると共に不純物を生成することがなく、純度の高いトリクロロシランを得ることができる。 That is, according to the trichlorosilane production apparatus according to the present invention, the reactor for blowing the supply gas is made of quartz, so that the reactor has high mechanical strength not only at room temperature but also at a reaction temperature of 800 to 1400 ° C. In addition, high purity trichlorosilane can be obtained without forming impurities while being able to be formed with high purity.
以下、本発明に係る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。 Hereinafter, an embodiment of a trichlorosilane production apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
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、石英で形成された円弧状凹面1aを有する反応器1と、反応器1を加熱する加熱機構2と、テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを反応器1に吹き付けるガス吹き付け機構3と、反応器1内で供給ガスから生成されたトリクロロシランと塩化水素とを含む反応生成ガスを反応器1の周縁部内側に配されたガス導出口4から外部に導出するガス回収機構5とを備えている。
As shown in FIG. 1, the trichlorosilane production apparatus of this embodiment includes a reactor 1 having an arcuate
図示例の場合、反応器1は、単結晶シリコンの引き上げ生成に用いられる石英製ルツボが使用されており、その円弧状凹面1aを上向きにして配置され、円弧状凹面1aから連続する筒状内面1bが上部に形成されている。
In the case of the illustrated example, the reactor 1 uses a crucible made of quartz used for pulling and generating single crystal silicon, and is arranged with its arcuate
上記ガス吹き付け機構3は、反応器1上部の中心軸上に配され反応器1の円弧状凹面1aに向けて供給ガスを噴射する噴射ノズル6を備えている。また、噴射ノズル6の外側には、該噴射ノズル6と同軸に配された外筒部材7が設けられており、該外筒部材7は、上記反応器1の上部の筒状内面1bの内側に、リング状閉塞部材11を介して固定されている。そして、噴射ノズル6と外筒部材7との間は、反応生成ガスの導出流路8とされ、下端開口部がガス導出口4となる。すなわち、噴射ノズル6と外筒部材7とは、2重管構造となっている。また、噴射ノズル6は、ガス導出口4よりも先端が反応器1の内部まで突出して配されている。
The gas blowing mechanism 3 includes an injection nozzle 6 that is arranged on the central axis of the upper part of the reactor 1 and injects the supply gas toward the arcuate
また、ガス吹き付け機構3は、噴射ノズル6に接続され供給ガスを加圧供給する噴射用ポンプP1を備えるとともに、供給ガスを反応器1に供給する前に加熱する予熱機構12を備えており、噴射用ポンプP1は供給ガスの供給源(図示略)に接続されている。また、上記ガス回収機構5は、ガス導出口4に接続され反応生成ガスを吸引する排気用ポンプP2を備えているが、この反応生成ガスを圧力差で排出可能な場合には排気用ポンプは省略可能である。
The gas blowing mechanism 3 includes an injection pump P1 connected to the injection nozzle 6 and pressurizing and supplying the supply gas, and also includes a
上記石英製の反応器1は、その周囲がカーボン製支持部材9によって支持されている。このカーボン製支持部材9は、反応器1の周囲を覆う支持部本体9aと、該支持部本体9aの下部に設けられた支持柱部9bを備えている。
The periphery of the quartz reactor 1 is supported by a carbon support member 9. The carbon support member 9 includes a
上記加熱機構2は、反応器1の周囲に反応器1を囲うように配され発熱部であるヒータ部2aと、該ヒータ部2aの下部に接続されヒータ部2aに電流を流すための電極部2bと、反応器1の下方に配された円環状の底部ヒータ部10とを備えている。この電極部2bは、図示しない電源に接続されている。上記底部ヒータ部10は、カーボン製支持部材9の支持柱部9bが挿通された状態で支持部本体9aの下方に設置されている。なお、底部ヒータ部10にも、図示しない電極部が接続されている。
The heating mechanism 2 includes a heater unit 2a that is a heat generating unit disposed around the reactor 1 so as to surround the reactor 1, and an electrode unit that is connected to a lower part of the heater unit 2a and allows a current to flow through the heater unit 2a. 2b and an annular
また、加熱機構2は、反応器1が800℃〜1400℃の範囲内の温度になるように加熱制御を行う。なお、反応器1を1200℃以上に設定すれば、転換率が向上する。また、供給ガスにジシラン類を導入し、シラン類を取り出してもよい。 Further, the heating mechanism 2 performs heating control so that the reactor 1 has a temperature in the range of 800 ° C to 1400 ° C. In addition, if the reactor 1 is set to 1200 degreeC or more, a conversion rate will improve. Further, disilanes may be introduced into the supply gas and the silanes may be taken out.
このトリクロロシラン製造装置では、噴射ノズル6から供給ガスを反応器1の円弧状凹面1aに吹き付けると、高温状態に加熱された反応器1に衝突した供給ガスが転換反応して反応生成ガスが生成される。この反応生成ガスは、反応器1の円弧状凹面1aの円弧に沿って上方の筒状内面1bに流れてガス導出口4から外部に導出されて回収される。なお、図中において、ガスの流れ方向を矢印で示している。
In this trichlorosilane manufacturing apparatus, when the supply gas is blown from the injection nozzle 6 onto the arcuate
このように本実施形態では、供給ガスを吹き付けられる反応器1が石英で形成されているので、反応器1が常温だけでなく800〜1400℃の高温下でも高い機械的強度を有していると共に、高い純度で形成可能である。また、反応器1が供給ガス及び反応生成ガス中のガス成分と反応して不純物を生成することがなく、純度の高いトリクロロシランを得ることができる。さらに、石英がPureのシリコンカーバイド等に比べて低価格であるため、部材コストの増大を抑制することができる。 Thus, in this embodiment, since the reactor 1 to which the supply gas can be blown is formed of quartz, the reactor 1 has high mechanical strength not only at room temperature but also at a high temperature of 800 to 1400 ° C. At the same time, it can be formed with high purity. Moreover, the reactor 1 does not react with the gas components in the supply gas and the reaction product gas to produce impurities, and thus high purity trichlorosilane can be obtained. Furthermore, since quartz is less expensive than pure silicon carbide or the like, an increase in member cost can be suppressed.
また、反応器1における円弧状凹面1aに向けて噴射ノズル6から供給ガスを噴射するので、反応器1の円弧状凹面1aに噴射されて衝突した供給ガスが円弧状凹面1aの円弧に沿って流れ、円弧状凹面1aからの加熱効果によって、より効率的に転換反応させることができる。
Further, since the supply gas is injected from the injection nozzle 6 toward the arcuate
さらに、反応生成ガスを反応器1の周縁部内側に配されたガス導出口4から外部に導出するので、反応器1の円弧状凹面1aに衝突して生成され円弧状凹面1aから筒状内面1bに沿って上方に折り返して流れる反応生成ガスを効率的に回収することができる。
Further, since the reaction product gas is led out to the outside from the gas outlet 4 disposed inside the peripheral edge of the reactor 1, the reaction product gas is generated by colliding with the arc-shaped
また、カーボン製支持部材9で反応器1の周囲を支持しているので、高温時に反応器1が軟化してもカーボン製支持部材9が周囲から支持することで反応器1の形状変化等を防ぐことができる。 Further, since the periphery of the reactor 1 is supported by the carbon support member 9, even if the reactor 1 is softened at a high temperature, the carbon support member 9 supports from the periphery, so that the shape change or the like of the reactor 1 can be prevented. Can be prevented.
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。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施形態では、加熱機構2としてヒータ部2aによる輻射熱で反応器1を加熱しているが、高周波誘導加熱等の他の方法で反応器1を加熱しても構わない。 For example, in the above-described embodiment, the reactor 1 is heated by radiant heat from the heater unit 2a as the heating mechanism 2, but the reactor 1 may be heated by other methods such as high-frequency induction heating.
また、反応器1として、円弧状凹面1aから筒状内面1bが連続して形成された構成としたが、少なくとも、供給ガスが吹き付けられる表面を円弧状凹面としておけばよく、筒状内面がなくても、円弧状凹面に衝突したガスを反応器の表面に沿って円滑に流すことができる。この場合、円弧状凹面は、同一曲率の円弧でなくても、複数の曲率を有する円弧の連続でもよい。なお、反応生成ガスを回収するには円弧状凹面が好適であるが、本発明においては、円弧状凹面以外の表面形状を除外するものではない。
In addition, the reactor 1 has a configuration in which the cylindrical
さらに、反応器の筒状内面から導出流路8へのガスの流れを円滑にするために、リング状閉塞部材を筒状内面から連続するテーパ板状や円弧板状等に形成してもよい。 Further, in order to facilitate the flow of gas from the cylindrical inner surface of the reactor to the outlet channel 8, the ring-shaped closing member may be formed in a tapered plate shape, an arc plate shape, or the like continuous from the cylindrical inner surface. .
1…反応器、1a…円弧状凹面、1b…筒状内面、2…加熱機構、3…ガス吹き付け機構、4…ガス導出口、5…ガス回収機構、6…噴射ノズル、8…導出流路、9…カーボン製支持部材、11…リング状閉塞部材、12…予熱機構 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reactor, 1a ... Arc-shaped concave surface, 1b ... Cylindrical inner surface, 2 ... Heating mechanism, 3 ... Gas blowing mechanism, 4 ... Gas outlet, 5 ... Gas recovery mechanism, 6 ... Injection nozzle, 8 ... Outlet flow path , 9 ... Carbon support member, 11 ... Ring-shaped closing member, 12 ... Preheating mechanism
Claims (4)
前記反応器を加熱する加熱機構と、
テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを前記反応器に吹き付けるガス吹き付け機構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。 A reactor formed of quartz;
A heating mechanism for heating the reactor;
An apparatus for producing trichlorosilane, comprising: a gas blowing mechanism for blowing a supply gas containing tetrachlorosilane and hydrogen to the reactor.
前記反応器が円弧状凹面を有し、
前記ガス吹き付け機構が、前記反応器における前記円弧状凹面に向けて前記供給ガスを噴射する噴射ノズル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。 In the trichlorosilane manufacturing apparatus according to claim 1,
The reactor has an arcuate concave surface;
The apparatus for producing trichlorosilane, wherein the gas blowing mechanism includes an injection nozzle for injecting the supply gas toward the arcuate concave surface in the reactor.
前記反応器で前記供給ガスから生成されたトリクロロシランと塩化水素とを含む反応生成ガスを前記反応器における前記円弧状凹面の周縁部内側に配されたガス導出口から外部に導出するガス回収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。 In the trichlorosilane manufacturing apparatus according to claim 2,
A gas recovery mechanism for deriving a reaction product gas containing trichlorosilane and hydrogen chloride generated from the supply gas in the reactor to the outside from a gas outlet port disposed inside a peripheral edge of the arcuate concave surface in the reactor. An apparatus for producing trichlorosilane, comprising:
前記反応器の外側表面を覆うように支持する支持部材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。 In the trichlorosilane manufacturing apparatus according to claim 2 or 3,
An apparatus for producing trichlorosilane, comprising a support member that supports the outer surface of the reactor so as to cover the outer surface.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014512322A (en) * | 2011-03-25 | 2014-05-22 | エボニック デグサ ゲーエムベーハー | Use of silicon carbide tubes with flange ends or edge bend ends |
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- 2007-09-26 JP JP2007249626A patent/JP2008150273A/en not_active Withdrawn
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