JP2011148651A

JP2011148651A - トリクロロシラン製造装置

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Publication number: JP2011148651A
Application number: JP2010010703A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Inaba; 力稲葉; Kazunori Kasai; 一典笠井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: JP5423418B2

Abstract

【課題】反応流体から金属シリコン粉末やその酸化物、不純物成分を効率的に除去して、不純物の少ないトリクロロシランを得る。
【解決手段】反応炉２内に供給された金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、この反応により生成されたトリクロロシランを浄化しながら取り出すトリクロロシラン製造装置１において、反応炉２に接続されたトリクロロシラン浄化系５に、反応炉２から排出されるトリクロロシランを含む反応流体中の粗粒子を分離して捕集する粗粒子分離手段２１と、該粗粒子分離手段２１で捕集された粗粒子を反応炉２内に戻す粗粒子回収系２５と、粗粒子分離手段２１を通過した反応流体中の微小粒子を除去するフィルター２７とが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させてトリクロロシランを製造するトリクロロシラン製造装置及びトリクロロシラン製造方法に関するものである。

高純度のシリコン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、純度９８％程度の金属シリコン粉末（Ｓｉ）と塩化水素ガス（ＨＣｌ）とを反応させることで製造される。
このトリクロロシラン製造装置として、例えば特許文献１に示されるものがある。このトリクロロシラン製造装置は、反応炉と、この反応炉の底部に金属シリコン粉末を供給する原料供給手段と、この金属シリコン粉末と反応される塩化水素ガスを導入するガス導入手段とを備え、反応炉内の金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、生成したトリクロロシランを含む反応流体を反応炉の上部から取り出すようになっている。取り出された反応流体は精製されてトリクロロシランの純度が高められる。

特開平８−５９２２１号公報

ところで、反応炉内から排出される流体には、トリクロロシランとともに未反応のガスや金属シリコン粉末やその酸化物、原料の金属シリコン粉末に含まれていた不純物成分の塩化物等が含まれる。このため、これら金属シリコン粉末やその酸化物、不純物成分を除去する必要がある。これら金属シリコン粉末やその酸化物、不純物成分を反応流体から除去する場合、フィルターを使用するのが一般的であるが、トリクロロシラン生成に伴う反応流体が高温状態となっているため、フィルターの損傷が激しく、頻繁な交換が必要であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反応流体から金属シリコン粉末やその酸化物、不純物成分を効率的に除去して、不純物の少ないトリクロロシランを得るとともに、フィルターの耐久性を高めたトリクロロシラン製造装置及び製造方法の提供を目的とする。

本発明のトリクロロシラン製造装置は、反応炉内に供給された金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、この反応により生成されたトリクロロシランを浄化しながら取り出すトリクロロシラン製造装置において、前記反応炉に接続されたトリクロロシラン浄化系に、前記反応炉から排出される前記トリクロロシランを含む反応流体中の粗粒子を分離して捕集する粗粒子分離手段と、該粗粒子分離手段で捕集された粗粒子を前記反応炉内に戻す粗粒子回収系と、前記粗粒子分離手段を通過した反応流体中の微小粒子を除去するフィルターとが設けられてい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方法は、反応炉内で金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、この反応により生成されたトリクロロシランを浄化しながら取り出すトリクロロシラン製造方法であって、前記反応炉から排出される前記トリクロロシランを含む反応流体中の粗粒子を粗粒子分離手段により分離して捕集し、該粗粒子を前記反応炉に戻すとともに、前記粗粒子を除去した後の前記反応流体から粗粒子よりも小さい微小粒子をフィルターにより除去することを特徴とする。

すなわち、反応炉からの反応流体中の粗粒子をまず捕集する。この粗粒子は大半が未反応金属シリコン粉末であるため、これを反応炉に戻す。そして、この粗粒子を捕集した後の反応流体から粗粒子よりも小さい微小粒子を除去する。この微小粒子は、原料である金属シリコン粉末に不純物として含まれていたＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃａ等の塩化物であり、固体状、ガス状のものが混在している。これらの塩化物の大部分をフィルターにより除去することにより、不純物の少ないトリクロロシランを得ることができる。
この場合、粗粒子も含めてフィルターによって捕捉しようとすると、高温状態の粗粒子の衝突によりフィルターに穿孔等の損傷が生じるおそれがあるが、予め粗粒子を粗粒子分離手段により捕集しておくことにより、フィルターの損傷を防止することができる。逆に、すべての粒子を捕集するのは設計上困難である。

本発明において、前記粗粒子分離手段は、５〜５０μｍの範囲内で設定される所定粒径を超える粗粒子を捕集し、該所定粒径以下の微小粒子を通過させるようにするとよい。
後段のフィルターに径の大きい粒子が流れて、その熱によってフィルターを損傷させたり、摩耗等によって劣化が進行しないように、５〜５０μｍの範囲内において、反応流体の流通速度や温度等によって適切な粒径を設定する。不純物成分は、径の小さい微粒子にも多く付着しており、予め粗粒子分離手段で粗粒子を捕集しておくことにより、不純物成分をフィルターで効率的に除去することができる。

本発明のトリクロロシラン製造装置において、前記フィルターは、ポリテトラフルオロエチレンの織物を用いたフィルター又はポリテトラフルオロエチレンを連続多孔質体としてなるメンブレンフィルターを有するものとするとよい。
ポリテトラフルオロエチレンによって高い耐熱性を発揮するので、フィルターとしての耐久性をより高めることができる。

本発明によれば、粗粒子分離手段による粗粒子の捕集とフィルターによる微小粒子の除去とを組み合わせたことにより、反応流体から金属シリコン粉末やその酸化物、不純物成分を効率的に除去して、不純物の少ないトリクロロシランを得ることができるとともに、予め粗粒子分離手段によって粗粒子を捕集した後、微小粒子をフィルターによって除去するようにしており、フィルターの損傷や摩耗等を防止して、耐久性を高めることができる。

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示すフロー図である。

以下に本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
このトリクロロシラン製造装置１は、反応炉２と、この反応炉２に原料として金属シリコン粉末を供給する原料供給手段３と、その金属シリコン粉末と反応させられる塩化水素ガス（ＨＣｌ）を導入するガス導入手段４と、生成されたトリクロロシランガスを含む反応流体を浄化しながら取り出すトリクロロシラン浄化系５とが備えられた構成とされている。
反応炉２は、大部分がストレートの円筒状をなす上下方向に沿う胴体部６と、この胴体部６の下端に連結された底部７と、胴体部６の上端に連結された大径部８とから構成されている。この場合、胴体部６と大径部８とは相互に連通状態とされるが、胴体部６と底部７との間は水平な隔壁９によって仕切られている。また、胴体部６内には、内部を加熱する伝熱管１０、流動を制御する制御棒１１が設けられている。

原料供給手段３は、反応炉２の胴体部６の下部に接続された原料供給管１２を介してフィードホッパー１３から金属シリコン粉末を供給するようになっており、塩化水素ガス（ＨＣｌ）をキャリアガスとした気流移送によって金属シリコン粉末を供給する構成である。
ガス導入手段４は、ガス供給管１４を介して反応炉２の底部７内に塩化水素ガスを導入する構成である。反応炉２の胴体部６と底部７とを区画している隔壁９には、これを上下方向に貫通する多数の噴出部材１５が設けられており、底部７に導入された塩化水素ガスはこれら噴出部材１５の上端開口から胴体部６内に噴出されるようになっている。そして、胴体部６の下部に供給された金属シリコン粉末が底部７から噴出される塩化水素ガスによって流動されながら反応してトリクロロシランを生成するのである。

一方、トリクロロシラン浄化系５には、反応炉２から排出される反応流体の中から比較的径の大きい粗粒子を捕集する粗粒子分離手段としてのサイクロン２１と、このサイクロン２１を経由した後の反応流体から粗粒子よりも小さい微小粒子を除去するフィルター装置２２とが設けられている。
サイクロン２１は、下部がコーン状に形成されたサイクロン筒２３を有しており、このサイクロン筒２３内に流体を接線方向に流入させることにより旋回流を生じさせ、その遠心力によって粗粒子を気流から分離し、内周壁面を伝って下方へ落下させて、タンク２４に捕集するようになっている。一方、微小粒子についてはコーン部分で反転させ、中心部を上昇して気流とともに外部へ流出させる構成である。
このサイクロン２１のタンク２４と反応炉２の原料供給手段３におけるフィードホッパー１３との間には、サイクロン２１で捕集された粗粒子を反応炉２に戻すための粗粒子回収系２５が設けられている。

フィルター装置２２は、サイクロン２１の下流位置に設けられている。このフィルター装置２２は、例えばバグフィルターが用いられており、ハウジング２６内に、複数の筒状のフィルター２７が吊り下げられ、ハウジング２６下部から導入された流体が筒状フィルター２７内に導かれ、該フィルター２７を通過してハウジング２６上部から排出され、トリクロロシラン精製系２８に送り出される構成である。このフィルター装置２２に使用されているフィルター２７は、ポリテトラフルオロエチレンの織物を用いたフィルター又はポリテトラフルオロエチレンを微細な連続多孔質体としてなるメンブレンフィルターが使用されている。このメンブレンフィルターは融点が３００℃以上であり、常用使用温度の上限は例えば２６０℃とされる。また、ハウジング２６の上部には、フィルター２７に振動を加える加振装置２９が設けられており、フィルター２７で捕捉されたダストを下方のダストホッパー３０に払い落すことができるようになっている。払い落されたダストはダストホッパー３０からダスト処理系３１に送られる。

また、このフィルター装置２２には、その出口流路の開度を調整する弁３５と、内部のフィルター２７の温度を監視する温度検知手段３６とが設けられている。

次に、このように構成されたトリクロロシラン製造装置１を用いてトリクロロシランを製造する方法について説明する。
原料となる金属シリコン粉末は、平均粒径が１００〜３００μｍであり、原料供給手段３のフィードホッパー１３から反応炉２の胴体部６下部に供給される。このとき、塩化水素ガスが気流移送のキャリアガスとして用いられる。
また、ガス導入手段４により反応炉２の底部７に塩化水素ガスを導入する。塩化水素ガスは、反応炉２の隔壁９に配置された噴出部材１５を介して胴体部６内に上方に向けて噴出され、胴体部６の下部に供給される金属シリコン粉末中に噴出される。

このようにして反応炉２内の金属シリコン粉末に塩化水素ガスが噴出されることによって、金属シリコン粉末が反応炉２内を流動することになる。金属シリコン粉末が流動しながら塩化水素ガスと接触することで、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとが所定温度で反応し、トリクロロシランのガスが生成される。
生成したトリクロロシランを含む反応流体は、反応炉２の上部からトリクロロシラン浄化系５に取り出される。この反応流体には、生成物であるトリクロロシランとともに、未反応の塩化水素ガス、金属シリコン粉末やその酸化物、原料の金属シリコン粉末に含まれていた不純物成分の塩化物等が含まれる。主な不純物としては、金属シリコン粉末に含まれているＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃａ等の塩化物であり、ＦｅＣｌ₂、ＡｌＣｌ₃、ＮｉＣｌ2、ＣａＣｌ₂等が含まれる。主に、ＡｌＣｌ₃（沸点１８２．７℃（７５５ｔｏｒｒ））はおよそ１９０℃程度以上ではガス状であるが、ＦｅＣｌ₂、ＮｉＣｌ₂、ＣａＣｌ₂は固体である。

トリクロロシラン浄化系５においては、反応流体はまずサイクロン２１に送られ、このサイクロン２１で粗粒子が捕集される。この粗粒子としては、５〜５０μｍの範囲内で選択される径、例えば１０μｍの径よりも大きい粒子が対象とされ、その大部分は未反応の金属シリコン粉末である。そして、このサイクロン２１で捕集された粗粒子は、タンク２４から粗粒子回収系２５を介して原料供給手段３のフィードホッパー１３に戻される。
次にサイクロンを通過した反応流体はフィルター装置２２に送られる。このフィルター装置２２においては、サイクロン２１で捕集されなかった１０μｍ以下の微細な金属シリコン粉末及び不純物成分の塩化物等の微小粒子が捕捉される。不純物成分としては、前述した成分のうち、ＦｅＣｌ₂、ＮｉＣｌ₂、ＣａＣｌ₂などがフィルター２７によって捕捉される。

このようにしてサイクロン２１及びフィルター装置２２によって、反応流体から未反応の金属シリコン粉末やその酸化物、及び不純物成分が除去され、清浄化された反応流体が次工程のトリクロロシラン精製系２８に送られるので、この精製系２８において高純度のトリクロロシランを効率的に得ることができる。なお、前述した不純物成分のうち、ＡｌＣｌ₃は、トリクロロシラン精製系２８の前段での処理において除去される。

このようなトリクロロシラン製造工程において、反応炉２から取り出される反応流体中の不純物は、径の小さい微小粒子に多く付着するため、フィルター装置２２では径の小さい微小粒子を捕捉して、多くの不純物を除去することが好ましく、そのために、前段のサイクロン２１でその微小粒子よりも大きい粗粒子を取り除いておくのである。このサイクロン２１で微細な粒子まで捕集しようとすると、全体の処理速度が遅くなる。反面、サイクロン２１で分離される粒子の径が大きいと、このサイクロン２１を通過する反応流体中の粒子の径が大きくなり、その大きい粒子がフィルター２７に衝突して、その熱によってフィルター２７を損傷し、フィルター２７としての捕捉機能を損なう原因になる。したがって、サイクロン２１で粗粒子を除去した上で、フィルター２７で微細粒子を捕集することにより、フィルター２７を損傷することなく、処理を効率良く行うことができる。

なお、フィルター装置２２の圧損が大きくなったら、弁３５を閉めた状態とし、加振装置２９によって振動を加えることにより、フィルター２７に付着したダストを払い落すことが行われる。払い落されたダストはダストホッパー３０からダスト処理系３１に送られて処理される。このフィルター装置２２のメンテナンス作業のため、フィルター装置２２は２系統が並列に設けられ、そのうちの１系統が払い落し作業中のときは、他のフィルター装置を運転状態として、連続的な操業を可能にしている。

なお、本発明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。
例えば、上記実施形態では、粗粒子を捕集する手段としてサイクロンを用いたが、他の分離手段を用いてもよい。さらに、フィルターを振動することによってダストを払い落すようにしたが、逆方向から清浄気体を通過させる逆洗による方法としてもよい。
また、図１では、１基の反応炉にサイクロンを１台、フィルター装置を２台接続して、これを１ユニットとした例で示したが、複数の反応炉と、複数のサイクロンと、複数のフィルター装置とをそれぞれ接続状態とし、これらを適宜の組み合わせで使用されるようにしてもよい。
さらに、フィルター装置は加振装置によってダストを払い落す構成としたが、いわゆる逆洗方式により払い落す構成としてもよい。

１トリクロロシラン製造装置
２反応炉
３原料供給手段
４ガス導入手段
５トリクロロシラン浄化系
１３フィードホッパー
１５噴出部材
２１サイクロン（粗粒子分離手段）
２２フィルター装置
２５粗粒子回収系
２７フィルター
２８トリクロロシラン精製系
３１ダスト処理系
３５弁
３６温度検知手段

Claims

反応炉内に供給された金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、この反応により生成されたトリクロロシランを浄化しながら取り出すトリクロロシラン製造装置において、
前記反応炉に接続されたトリクロロシラン浄化系に、前記反応炉から排出される前記トリクロロシランを含む反応流体中の粗粒子を分離して捕集する粗粒子分離手段と、該粗粒子分離手段で捕集された粗粒子を前記反応炉内に戻す粗粒子回収系と、前記粗粒子分離手段を通過した反応流体中の微小粒子を除去するフィルターとが設けられていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
前記粗粒子分離手段は、５〜５０μｍの範囲内で設定される所定粒径を超える粗粒子を捕集し、該所定粒径以下の微小粒子を通過させることを特徴とする請求項１記載のトリクロロシラン製造装置。
前記フィルターは、ポリテトラフルオロエチレンの織物を用いたフィルター又はポリテトラフルオロエチレンを連続多孔質体としてなるメンブレンフィルターを有することを特徴とする請求項１又は２記載のトリクロロシラン製造装置。
反応炉内で金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、この反応により生成されたトリクロロシランを浄化しながら取り出すトリクロロシラン製造方法であって、
前記反応炉から排出される前記トリクロロシランを含む反応流体中の粗粒子を粗粒子分離手段により分離して捕集し、該粗粒子を前記反応炉に戻すとともに、前記粗粒子を除去した後の前記反応流体から粗粒子よりも小さい微小粒子をフィルターにより除去することを特徴とするトリクロロシラン製造方法。
前記粗粒子分離手段は、５〜５０μｍの範囲内で設定される所定粒径を超える粗粒子を捕集することを特徴とする請求項４記載のトリクロロシラン製造方法。