JP2017535505A - 蒸留および吸着によるクロロシランの精製 - Google Patents
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Abstract
本発明は、可能な限り最も純粋な形態の目的生成物のトリクロロシランを分離するために、ジクロロシラン、トリクロロシラン、四塩化ケイ素および少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含有する多成分混合物の蒸留分離方法および装置に関する。蒸留塔は、改良された分離壁技術、および少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を分離するための吸収器と共に使用される。
Description
本発明は、蒸留および吸着によってクロロシランを精製するための方法および装置に関する。
特に、本発明は、クロロシラン混合物中の不純物（ホウ素、リン、ヒ素）のレベルを同時に激減させながら、クロロシランを含む多成分混合物をその成分に分離する方法に関する。
トリクロロシラン（ＴＣＳ）のようなクロロシランは、多結晶シリコンを堆積するために使用される。
ＴＣＳは、主に３つの異なる方法によって生成される。
Ａ） Ｓｉ＋３ＨＣｌ→ＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２＋副生成物（金属シリコンの塩化水素化）
Ｂ） Ｓｉ＋３ＳｉＣｌ４＋２Ｈ２→４ＳｉＨＣｌ３＋副生成物（金属シリコンと四塩化ケイ素／ＳＴＣおよび水素との反応）
Ｃ） ＳｉＣｌ４＋Ｈ２→ＳｉＨＣｌ３＋ＨＣｌ＋副生成物（四塩化ケイ素／ＳＴＣの水素化）
Ａ） Ｓｉ＋３ＨＣｌ→ＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２＋副生成物（金属シリコンの塩化水素化）
Ｂ） Ｓｉ＋３ＳｉＣｌ４＋２Ｈ２→４ＳｉＨＣｌ３＋副生成物（金属シリコンと四塩化ケイ素／ＳＴＣおよび水素との反応）
Ｃ） ＳｉＣｌ４＋Ｈ２→ＳｉＨＣｌ３＋ＨＣｌ＋副生成物（四塩化ケイ素／ＳＴＣの水素化）
生じた副生成物には、とりわけ、ジクロロシラン（ＤＣＳ）が含まれる。
ＴＣＳ、ＳＴＣ、ＤＣＳおよび微量のさらなる不純物（メチルクロロシラン、炭化水素、高沸点物）を含むクロロシランの混合物が関係することは好ましい。
高純度のトリクロロシランは、各場合においてその後の蒸留を行うことによって得られる。蒸留の本質的な目的は、前記化合物が堆積シリコン中の望ましくないｐ−／ｎ−ドーパントであるので、ホウ素、リンおよびヒ素含有化合物を除去することである。これらの不純物に関して、堆積に使用されるトリクロロシランの純度要件はほんの数ｐｐｔａの範囲にある。
蒸留処理は、異なる相対揮発性および／または相互に可溶性の物質の混合物を熱的に分離するために化学工学において慣習的である。
多物質混合物の連続蒸留分離のために、様々な処理バージョンが一般的に使用される。
最も単純な場合には、低沸点留分および高沸点留分から構成される供給混合物は、低沸点頂部留分および高沸点底部留分の２つの留分に分離される。ここで、分離すべき混合物は、蒸留塔の底部と頂部との間に導入される。供給物は、塔を精留部とストリッピング部に分割する。高沸点留分は、底部において塔から抜き出される。濃縮物の一部は、底部領域に組み込まれた加熱手段（例えば、自然循環蒸発器）によって蒸発される。低沸点物は、蒸気として塔を上昇し、塔の頂部で塔から抜き出され、凝縮器で液化される。凝縮液の一部は再び塔に再循環され、上昇する蒸気に対して逆流で下向きに流れる（還流）。
しかし、多成分混合物（Ａ、Ｂ、Ｃ）から構成される供給混合物の３つ以上の留分への分留は、複数の従来の蒸留塔の使用を必要とする。これを達成するためにいくつかの選択肢がある。
ａ経路の場合、低沸点物Ａは、第１の塔の頂部生成物として除去される。底部留分は、中間沸点物Ｂと高沸点物Ｃとの混合物であり、この混合物は下流の塔において２つの純粋な物質ＢおよびＣに分留される。
前分離（ａ／ｃ経路）との物質的な連結では、第１の塔での分離は、頂部生成物が高沸点物Ｃを含まず、底部生成物が低沸点物Ａを含まないように行われる。従って、実行される分離は低沸点物Ａおよび高沸点物Ｃの分離である。中間沸点物Ｂは、頂部留分および底部留分の両方に存在する。留分ＡＢおよびＢＣの両方は、各々別々の下流の塔において、純粋な生成物Ａ、ＢおよびＣに分離される。従って、このバージョンは３つの分離工程を必要とする。
ｃ経路に関して、Ｃは純粋な底部生成物として第１の塔で除去され、混合物ＡＢは、典型的には蒸気の形態で頂部生成物として第２の塔に移される。
３成分混合物の分留のために、適切な経路（ａ経路、ｃ経路、ａ／ｃ経路）の選択は投入される組成物に依存することが一般的である。
低沸点物Ａの含有量が高い場合は、ａ経路が好ましい。対照的に、ｃ経路は、高沸点物Ｃの含有量が高い場合に好ましい。
中間の沸点物の割合Ｂが高い場合には、ａ／ｃ経路を選択することが好ましい。予備の塔との物質的な連結のために、両方の塔が物質的に連結される（従って、二倍の物質的連結、いわゆるペトリューク機構）。
ＵＳ２０１２０１９３２１４Ａ１号は、クロロシランの蒸留精製方法であって、ＴＣＳ、ＤＣＳおよびＳＴＣを含むホウ素含有クロロシランの混合物を提供し、クロロシランの混合物を複数の蒸留塔で蒸留することによって精製することを含み、低沸点ホウ素化合物を、ホウ素富化ＤＣＳを含む頂部流を介して蒸留塔から取り出し、比較的高沸点のホウ素化合物を、高沸点物を含むホウ素富化底部流を介して蒸留塔から取り出す。
純粋な蒸留法に加えて、吸着器を使用することも知られている。
吸着器は様々な機能を果たすことができる。微量の化合物は、吸着機構によってトリクロロシランから保持される。これは、特に極性分子を除去する有効な方法である。吸着剤は、これらの化合物を変換するための化学反応がその表面上で始まるようにさらに調整されてもよい。例えば、水分調整された吸着器表面上での意図的な加水分解は、下流の蒸留工程において除去することが著しくより容易であるホウ素−酸素化合物を生成する既知の方法である（例えば、ＵＳ４７１３２３０Ａ号参照）。
ＵＳ２０１１０１８４２０５Ａ１号は、少なくとも１つのケイ素化合物および少なくとも１つの異種金属および／または異種金属含有化合物を含む組成物を処理する方法を記載しており、組成物を、第１の工程において少なくとも１つの吸着媒体および／または少なくとも１つの第１のフィルタと接触させ、場合によりさらなる工程において少なくとも１つのフィルタと接触させて、異種金属および／または異種金属含有化合物の含有量を低減した組成物を得る。
ここで、クロロシラン中のホウ素含有量は、水を含まない吸着媒体（活性炭、シリカゲルのようなケイ酸塩、ゼオライト、有機樹脂）と接触させることによって低減される。しかし、所望の精製目的を達成するためには、非常に大量の吸着媒体（１２０ｇ／２５０ｍｌのＴＣＳ）が必要である。このことは、特に連続的な処理がほとんど不可能であり、半導体品質のクロロシランの製造において経済的に不利であるため、処理を不経済にする。また、吸着器の使用は、装置の複雑さ（ろ過等）を必要とし、半導体等級の生成物に他の不純物を混入する危険性をもたらす。
ＵＳ２０１３０１２１９０７Ａ１号は、トリクロロシランを含む混合物から少なくとも１つのホウ素含有不純物を除去してトリクロロシランを含む精製生成物を得る方法を開示する。これは、混合物からホウ素含有不純物を部分的に除去して、トリクロロシランを含む部分精製混合物を得ることを含む。この部分精製混合物は、側部の供給口を介して塔に供給される。塔から排出されるのは
ａ） ホウ素含有不純物を含む頂部生成物
ｂ） ホウ素含有不純物を含む底部生成物
ｃ） およびトリクロロシランを含む精製混合物である。
ａ） ホウ素含有不純物を含む頂部生成物
ｂ） ホウ素含有不純物を含む底部生成物
ｃ） およびトリクロロシランを含む精製混合物である。
ホウ素含有不純物の部分的除去は、混合物を蒸留塔に供給すること、ホウ素含有不純物を含む頂部生成物を排出すること、および部分精製混合物を底部生成物として抜き出すことを含むことができる。この底部生成物に、それが第２の塔に供給される前に、吸着器、例えば、シリカゲル床を通過させることができる。
吸着器と蒸留塔との組み合わせにもかかわらず、半導体品質のトリクロロシランの製造における蒸留工程は依然として莫大なエネルギー要件を有する。エネルギー要件を削減するための１つの魅力的な選択肢は、隔壁塔の技術により提供される。この技術は物質的な連結の原理に基づいており、最大５０％、エネルギー要件を削減することができる。この処理は２つの装置の分離作業を行うので、資本支出を節約することも可能である。
従来の隔壁塔は、塔の長手方向に配置された垂直隔壁を有しており、これは塔の小領域内で液体流および蒸気流の横方向の混合を防止する。従って、この塔は、塔の高さの一部に沿って延び、断面を隔壁の左右に少なくとも２つのセグメントに分割する少なくとも１つの垂直隔壁を含む。
よって、例えば、単一の塔において、３成分混合物をその３つの純粋な成分に分離することが可能であり、これは通常は２つの従来の塔を必要とするであろう。
塔の長手方向に配置された隔壁は、塔の内部を供給部、回収部、上部共通塔部（精留部）、下部共通塔部（ストリッピング部）に分離する。
しかし、これまでに知られている吸着器の使用と隔壁塔との組み合わせは、実施するのに費用がかかり、不便であることが判明した。隔壁塔における物質的な連結は、１つの装置において２つの分離作業が行われるという結果をもたらす。低沸点のホウ素化合物および高沸点のホウ素化合物の両方が装置内で除去される。この時点でのホウ素化合物の含有量が依然として非常に高く、これが吸着器の非常に迅速な充填につながるため、塔への供給物中の吸着器の配置は望ましくない。従来の隔壁塔において吸着器と同じ効果を達成するためには、前記塔に対応する内部を提供することが必要であろう。
隔壁塔には、触媒的に活性な内部構造を用いることが知られている。ＥＰ１５１３７９１Ｂ１号は、少なくとも２つの垂直蒸留セグメントを有する蒸留塔を開示し、セグメントの少なくとも１つは触媒を含み、セグメントの少なくとも１つは触媒を含まず、セグメントは、蒸留塔の垂直部分に沿って延びる壁によって分割され、垂直部分は塔の全高さよりも低く、セグメントは、壁の垂直末端／端部の周りで流体連通する。
同様の概念は原理的には隔壁塔に吸着器を使用することに対しても考えられる。しかし、吸着器は定期的な間隔（充填、調整）で交換する必要があるので、このバージョンは不利である。蒸留は連続的な処理であるため、定期的に必要とされる内部の交換による操作の比較的長い中断は望ましくない。
本発明によって達成されるべき目的は、記載された問題から生じた。
本発明の目的は、以下
ジクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む低沸点物、
トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む中間沸点物、ならびに
四塩化ケイ素を含む高沸点物
を含む多成分混合物の蒸留分離方法であって、
多成分混合物を第１の蒸留塔に供給して四塩化ケイ素を含む少なくとも１つの高沸点物を底部留分として除去し、ジクロロシラン、トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む頂部留分を第２の蒸留塔に供給し、第２の蒸留塔において、トリクロロシランを含む少なくとも１つの中間沸点物をサイドドローを介して除去し、ジクロロシランを含む少なくとも１つの低沸点物を頂部留分として除去し、第２の蒸留塔からの少なくとも１つの底部ドローを、少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器に通し、その後、還流として第１の蒸留塔に戻し、両方の蒸留塔は垂直隔壁を含む蒸留分離方法によって達成される。
ジクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む低沸点物、
トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む中間沸点物、ならびに
四塩化ケイ素を含む高沸点物
を含む多成分混合物の蒸留分離方法であって、
多成分混合物を第１の蒸留塔に供給して四塩化ケイ素を含む少なくとも１つの高沸点物を底部留分として除去し、ジクロロシラン、トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む頂部留分を第２の蒸留塔に供給し、第２の蒸留塔において、トリクロロシランを含む少なくとも１つの中間沸点物をサイドドローを介して除去し、ジクロロシランを含む少なくとも１つの低沸点物を頂部留分として除去し、第２の蒸留塔からの少なくとも１つの底部ドローを、少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器に通し、その後、還流として第１の蒸留塔に戻し、両方の蒸留塔は垂直隔壁を含む蒸留分離方法によって達成される。
第２の蒸留塔からの２つの底部ドローが存在する場合、１つの液体流または両方の液体流を吸着器に通し、次いで還流として第１の蒸留塔に供給することができる。
第１の蒸留塔と第２の蒸留塔との間の液体流中の吸着器の代わりに、吸着器を第１の蒸留塔から第２の蒸留塔へと通過する生成物蒸気流中に配置することもできる。第１の蒸留塔からの頂部留分は、好ましくは、２つの蒸気流を介して第２の蒸留塔のストリッピング部に供給される。蒸気流の一方のみが第２の蒸留塔に供給される前に吸収器を通過するようにしてもよい。両方の蒸気流が吸着器を通過することが好ましい。
一実施形態では、２つの吸着器が存在し、１つまたは２つの蒸気流が第１および第２の蒸留塔の間で第１の吸着器を通過し、１つまたは２つの液体流が第２の蒸留塔から第１の蒸留塔の還流に向けて第２の吸着器を通過する。
全ての液体流および全ての蒸気流が、各場合に２つの蒸留塔の間で吸着器を通過することが特に好ましい。
前記目的は、第２の蒸留塔の底部に連通する第１の蒸留塔からの蒸気と、第１の蒸留塔の還流部と連通する第２の蒸留塔の底部ドローによって互いに物質的に連結された２つの蒸留塔を含む多成分混合物の蒸留分離装置であって、ホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が、第２の蒸留塔の底部ドローと第１の蒸留塔の還流部との間に連通して配置され、両方の蒸留塔が垂直隔壁を含み、第２の塔は、頂部ドローよりも下方で底部ドローよりも上に１つ以上のサイドドローを含む該蒸留分離装置によってさらに達成される。
第１の蒸留塔と第２の蒸留塔との間の両方の連通接続部の各々に、ホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置されていることが好ましい。
本発明は、蒸留塔を互いに物質的に連結することを提供する。さらに、蒸留塔の各々に配置された垂直隔壁があり、隔壁は、液体と蒸気が混合できないように画定される。従って、第１の蒸留塔の隔壁は蒸留塔の上端まで延び、第２の蒸留塔の隔壁は蒸留塔の下端まで延びる。
第１の蒸留塔の塔長手方向に配置された隔壁は、塔内部を供給部、回収部および下部共通塔部（ストリッピング部）に分割し、そのため蒸留塔のこれらの領域は、底部を介して互いに流体連通する。第２の蒸留塔の塔長手方向に配置された隔壁は、塔内部を供給部、回収部および上部共通塔部（精留部）に分割し、そのため蒸留塔のこれらの領域は、頂部を介して互いに流体連通する。
２つの蒸留塔の物質的な連結は、２つの蒸留塔のための理論段の追加を達成する。従って、２つの同様に構成された蒸留塔が使用される場合、理論段数は２倍になる。
物質的な連結は、空間的に別個の位置でそれぞれの他の塔との少なくとも２つの接続部を有する各々の蒸留塔によって達成される。
このような２つの物質的に連結した蒸留塔は、エネルギー要求の観点からは単一の隔壁塔に相当する。従って、従来の既存の蒸留塔は改造との関連で隔壁塔に変換され、隔壁を備えたこれら２つの引用された蒸留塔が従来の隔壁塔の機能を果たすように互いに相互接続され得るので、従来の単一の隔壁塔の新たな取得と比較して、より少ない資本コストがかかる一方で、大きな省エネが実現できる。
物質的に連結された蒸留塔には、それぞれ、液体底部流を蒸発させる専用の蒸発器および／または蒸気流を凝縮させるための凝縮器を備えることができる。蒸留塔は、好ましくは、作動媒体として異なる圧力および温度定格を有する蒸気または熱油を使用する１つ以上の蒸発器システムを含む。蒸留塔は、好ましくは、作動媒体として異なる圧力および温度定格を有する冷却水または冷却ブラインを使用する１つ以上の凝縮システムを含む。
第１の凝縮工程において凝縮しない頂部流成分が、さらなる凝縮工程および／またはスクラバシステムに供給されることが好ましい。
２つの蒸留塔は、好ましくは、−１から＋１０バールのオフガス圧および−２０℃から＋２００℃の沸点範囲で操作される。
低沸点留分および高沸点留分は、異なる蒸留塔から抜き出すことができる。蒸留塔の運転圧力は、所定の流れ方向が着実に実行されるように設定される。蒸発器中の第１の蒸留塔からの底部流を部分的または完全に蒸発させ、続いて第２の蒸留塔まで二相形態または気体流および液体流の形態でこの流れを通過させることも可能である。
この実施により、２つの蒸留塔の間の接続流中に吸着器を容易に使用することが可能になる。吸着器の配置に適した位置は、２つの蒸留塔の間の生成物蒸気流と２つの蒸留塔の間の液体流の両方である。２つの連結された蒸留塔を有する隔壁塔の実施により、吸着器を容易に統合することが可能になる。これらは、所望の間隔で交換／調整することができる。隔壁塔の運転モードについての制限を避けるために、さらに吸着器を二通りに使用することもできる。従って、吸着器の交換のための隔壁塔の休止時間は存在しない。
本発明の目的は、以下
ジクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む低沸点物、
トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む中間沸点物、ならびに
四塩化ケイ素を含む高沸点物
を含む多成分混合物を蒸留分離する方法であって、該方法は第２の蒸留塔に物質的に連結された第１の蒸留塔に多成分混合物を供給することを含み、第２の蒸留塔は、第２の蒸留塔のストリッピング部と精留部とを分離する水平隔壁を含み、第２の蒸留塔は、第３の蒸留塔に物質的に連結され、四塩化珪素を含む底部留分およびジクロロシランを含む頂部留分を第２の蒸留塔から除去し、第３の蒸留塔のサイドドローを介してトリクロロシランを除去し、第２の蒸留塔と第３の蒸留塔との物質的な連結のための接続部に少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置され、材料流を吸着器に通す蒸留分離方法によってさらに達成される。
ジクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む低沸点物、
トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む中間沸点物、ならびに
四塩化ケイ素を含む高沸点物
を含む多成分混合物を蒸留分離する方法であって、該方法は第２の蒸留塔に物質的に連結された第１の蒸留塔に多成分混合物を供給することを含み、第２の蒸留塔は、第２の蒸留塔のストリッピング部と精留部とを分離する水平隔壁を含み、第２の蒸留塔は、第３の蒸留塔に物質的に連結され、四塩化珪素を含む底部留分およびジクロロシランを含む頂部留分を第２の蒸留塔から除去し、第３の蒸留塔のサイドドローを介してトリクロロシランを除去し、第２の蒸留塔と第３の蒸留塔との物質的な連結のための接続部に少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置され、材料流を吸着器に通す蒸留分離方法によってさらに達成される。
第２の蒸留塔と第１および第３の蒸留塔との物質的な連結のための２つの接続のそれぞれに、少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置され、材料流に吸着器を通過させることが好ましい。
本発明との関連で、物質的な連結とは、各場合において蒸留塔の間に適切な供給ラインおよび戻りラインが存在することを意味すると理解されるべきである。
３つの蒸留塔（そのうちの１つの蒸留塔が、蒸留塔のストリッピング部および精留部を分ける水平隔壁を含む）は、隔壁を持たない２つの蒸留塔を隔壁塔の左側部および右側部として有効にみなすことができるように、物質的に連結される。
多成分混合物は、隔壁塔の左側部としてみなすことができる第１の蒸留塔に供給され、る。
第１の蒸留塔からの蒸気は、ストリッピング部が水平隔壁、例えば、仕切板によって精留部分から分離される第２の蒸留塔に通される。
この第２の蒸留塔では、少なくとも１つの低沸点物を含む頂部生成物および少なくとも１つの高沸点物を含む底部生成物が除去される。
隔壁塔の右側部とみなすことができる第３の蒸留塔では、少なくとも１つの中間沸点物を含む目的生成物がサイドドローを介して排出される。
蒸留塔は、好ましくは、−１から＋１０バールのオフガス圧および−２０℃から＋２００℃の沸点範囲で操作される。
少なくとも第２の蒸留塔は、作動媒体として異なる圧力および温度定格を有する蒸気または熱油を使用する、液体底部流を蒸発させるための１つ以上の蒸発器システムを含むことが好ましい。
少なくとも第２の蒸留塔は、作動媒体として異なる圧力および温度定格を有する冷却水または冷却ブラインを使用する、蒸気流を凝縮するための１つ以上の凝縮システムを含むことが好ましい。
第１の凝縮工程において凝縮しない頂部流成分が、さらなる凝縮工程および／またはスクラバシステムに供給されることが好ましい。
第１の蒸留塔および第３の蒸留塔は、好ましくは、１から２００の理論段を含む。
前記目的は、第２の蒸留塔の精留部と連通する第１の蒸留塔からの蒸気と、第３の蒸留塔からの蒸気と連通する第２の蒸留塔の精留部と、第２の蒸留塔のストリッピング部と連通する第１の蒸留塔の底部ドローと、第３の蒸留塔の底部と連通する第２の蒸留塔のストリッピング部によって互いに物質的に連結された３つの蒸留塔を含む多成分混合物の蒸留分離装置であって、第２の蒸留塔は水平隔壁を含み、第３の蒸留塔は頂部ドローより下で底部ドローより上に１つ以上のサイドドローを含み、それぞれの材料流が通過する、ホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が、第２の蒸留塔および第３の蒸留塔を物質的な連結するための接続部に配置される蒸留分離装置によってさらに達成される。
第２の蒸留塔と第１の蒸留塔および第３の蒸留塔の物質的な連結のための両方の接続部のそれぞれに、それぞれの材料流が通過する、ホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置されていることが好ましい。
本発明との関連において、連通とは、各場合において、蒸留塔の間に適切な供給ラインおよび戻りラインが存在することを意味すると理解されるべきである。
従って、本発明は、熱的および物質的な連結を達成するために追加の蒸留塔が２つの既存の蒸留塔に接続された装置機構に関する。
第２の蒸留塔の内部では、精留部が水平の不浸透性プレートによってストリッピング部から分離されていることが好ましい。
操作モードに関しては、本発明は、特に水平仕切り板を有する、介在した蒸留塔を使用するために、蒸留塔に垂直仕切り板が必要ないので、装置の実施の点で異なっているが、隔壁塔の原理に匹敵する。
２つの蒸留塔の物質的な連結は、空間的に別個の位置で別の蒸留塔との少なくとも２つの接続部を有する各々の蒸留塔によって達成される。
エネルギー要件に関して、このような塔構成は、同一のプレート数を有する単一の隔壁塔と同等である。
従って、既存の蒸留塔を使用することができ、新しい隔壁塔よりもかなり小さい寸法を有する１つの追加の蒸留塔しか調達の必要がないので、大きな省エネを実現することができるが、従来の単一の隔壁塔の新たな取得と比較して、より少ない資本コストがかかるだけである。この理由は、隔壁塔のストリッピング部および精留部は、一般に、より少ないプレートを有するからである。
さらに、この構成では、隔壁部に対応するように意図された２つの蒸留塔は、この構成では完全な直径を保持する。これにより、２つの個々の塔のうちの１つの直径と単に等しい直径を有する隔壁塔と比較して、プラントの能力が著しく増加する。
従って、ほとんどの場合、この構成の資本コストは、同じ分離性能および容量を有する等価の隔壁塔への新しい投資よりも低くなる。これにより、同時にプラントの能力が増加するが、特定のエネルギー要件が低下する場合、本発明は改造に関し魅力的なものとなる。
低沸点留分および高沸点留分は水平隔壁を有する蒸留塔から抜き出される。
水平隔壁を有する第２の蒸留塔は、好ましくは、専用の蒸発器および凝縮器を備える。蒸留塔の操作圧力は、好ましくは、所定の流れ方向が維持されるように調節される。
水平隔壁を有する第２の蒸留塔の精留部から第３の蒸留塔へ流れる液体流中に吸着器を設置することが好ましい。水平隔壁を有する第２の蒸留塔の精留部から第１および第３の蒸留塔へ流れる液体流の各々に吸着器を設置することが特に好ましい。
第１の蒸留塔および第３の蒸留塔から水平隔壁を有する第２の蒸留塔のストリッピング部へ通過する液体流の各々に配置された吸着器があることが好ましい。
一実施形態は２つの吸着器を使用し、第１の蒸留塔と水平隔壁を有する第２の蒸留塔との間の全ての液体流に第１の吸着器を通過させ、第３の蒸留塔と水平隔壁を有する第２の蒸留塔との間の全ての液体流に第２の吸着器を通過させる。
本明細書に概説された装置を有する隔壁塔の概念の実現は、ここでもホウ素成分を除去するための吸着器の使用に制限がないという効果を有する。
本明細書で概説した概念は、吸着器の材料を交換または調整する必要がある場合であってもプラントの連続運転を可能にする。吸着器は、好ましくは少なくとも二通りに使用され、そのため交換はプラントの休止時間をもたらさない。
隔壁塔の操作モードのために液体流および生成物蒸気流を分離することにより、古典的な機構には存在しない吸着器の操作のためのさらなる自由度が得られる。これは、クロロシラン含有生成物流からホウ素含有化合物を除去するのに有利である。
本発明の好ましい実施バージョンおよび前記バージョンと従来技術との間の相違点を、図面を参照して以下に説明する。
本発明による方法の上述した実施形態に関連して引用した特徴は、それぞれ本発明による対応する装置にあてはめることができる。逆に、本発明による装置の上記の実施形態に関連して引用した特徴は、それぞれ本発明による対応する方法にあてはめることができる。本発明による実施形態のこれらの特徴および他の特徴は、図面の説明および特許請求の範囲において明らかになる。個々の特徴は、各場合において、本発明の実施形態として別々にまたは組み合わせて実現することができる。前記特徴は、それ自体の保護のために適格な有利な実施をさらに記述することができる。
図１は、凝縮器Ｃ１および蒸発器Ｈ１を備え、材料流Ｄ１を介して低沸点成分を主に除去する第１の塔Ｋ１を示す。液体材料流Ｂ１は、吸着器Ａに入る。気体材料流Ｂ２は、場合によりサイドドローを介して吸着器に供給されてもよい。吸着器Ａでは、ホウ素含有成分が吸着され、所望されるように転化される。凝縮器Ｃ２および蒸発器Ｈ２を備えた第２の塔Ｋ２では、主として高沸点成分が材料流Ｂ３を介して除去される。生成物Ｄ２は、オーバーヘッドで得られ、さらなる蒸留工程を通過するか、または多結晶シリコンとして直接堆積され得る。
図２に示す構成では、供給流Ｆは蒸発器Ｈおよび凝縮器Ｃを有する塔ＴＷＫに入る。主に揮発性の化合物が材料流Ｄを介して除去される。材料流Ｂは主に高沸点化合物を含む。生成物Ｐは、サイドドローを介して得られ、さらなる蒸留工程を通過するか、または多結晶シリコンとして直接堆積され得る。
図２に示す構成では、供給流Ｆは蒸発器Ｈおよび凝縮器Ｃを有する塔ＲＴＷＫに入る。主に揮発性の化合物が材料流Ｄを介して除去される。材料流Ｂは主に高沸点化合物を含む。生成物Ｐは、サイドドローを介して得られ、さらなる蒸留工程を通過するか、または多結晶シリコンとして直接堆積され得る。内部ＲＰ１から４は吸着器材料で被覆されており、このためホウ素含有成分は内部の表面で吸着されまたは所望に応じて転化される。
図４は、供給流Ｆが蒸発器Ｈおよび隔壁を備えた第１の塔ＴＷＫ１に入ることを示す。この塔では、主に高沸点化合物が底部生成物流Ｂを介して除去される。ＴＷＫ１からの蒸気流Ｖ１およびＶ２は塔の外で吸着器Ａ１を通過させてもよい。一度に両方の流れに吸着器Ａ１を通過させることもできるし、一度に２つの流れの一方のみに吸着器Ａ１を通過させることも可能である。吸着器の下流では、蒸気流は隔壁塔ＴＷＫ２に導入される。塔ＴＷＫ２は、凝縮器Ｃおよび隔壁を有する。主に低沸点の化合物が、材料流Ｄを介して除去される。目的生成物は材料流Ｐにサイドドローを介して除去され、さらなる蒸留工程を通過するか、または多結晶シリコンとして直接堆積され得る。底部においてＴＷＫ２を出る２つの液体材料流Ｌ１およびＬ２は、吸着器Ａ２に入る。一度に両方の流れに吸着器Ａ２を通過させることもできるし、一度に２つの流れの一方のみに吸着器２１を通過させることも可能である。吸着器の下流では、両方の材料流が還流として塔ＴＷＫ１に導入される。
図５によれば、供給流Ｆは第１の塔Ｋ１に入る。Ｋ１からの底部ドロー流Ｌ１１は吸着器Ａ１に供給される。吸着器Ａ１の下流で、材料流Ｌ１１は、蒸発器Ｈ、凝縮器Ｃ、およびストリッピング部と精留部とを互いに分離する水平隔壁を備えた塔Ｋ３に入る。材料流Ｌ１１は、それが還流として役割を果たす塔Ｋ３のストリッピング部に導入される。塔Ｋ２からの底部ドロー流Ｌ２１は吸着器Ａ２に供給される。吸着器Ａ２の下流で、材料流Ｌ２１も同様にそれが還流としての役割を果たす塔Ｋ３のストリッピング部に導入される。塔Ｋ３のストリッピング部では、主として高沸点化合物が底部生成物流Ｂを介して除去される。蒸気流Ｇから分離した蒸気流Ｖ１１およびＶ２１は、２つの塔Ｋ１およびＫ２に供給される。２つの塔Ｋ１およびＫ２の頂部において、蒸気流Ｖ１２およびＶ２２が抜き出されて塔Ｋ３の精留部に供給される。Ｋ３を出る蒸気流は凝縮され、主に低沸点化合物が副流Ｄを介して除去される。還流ＲはＫ３の精留部に通され、液体流Ｌ１２およびＬ２２の形態で特定の比で、吸着器Ａ１およびＡ２に供給される。吸着器の下流で、これらの材料流は２つの塔Ｋ１およびＫ２に供給される。塔Ｋ２では、材料流Ｐがサイドドローを介して除去され、さらなる蒸留工程を通過するか、または多結晶シリコンとして直接堆積され得る。
実施例および比較例
比較例ならびに実施例１および２において、材料流Ｆは、ＭＣＳおよびＤＣＳ（モノ−およびジクロロシラン）ならびｌ１から構成される低沸点留分を含むクロロシラン含有混合物から構成され、ｌ１はホウ素，リンおよびヒ素、を含む低沸点微量成分、例えば、ＢＣｌ３、ＰＨ３またはＡｓＨ３を表す。これらの成分の沸点は標準条件下で３２℃未満である。
比較例ならびに実施例１および２において、材料流Ｆは、ＭＣＳおよびＤＣＳ（モノ−およびジクロロシラン）ならびｌ１から構成される低沸点留分を含むクロロシラン含有混合物から構成され、ｌ１はホウ素，リンおよびヒ素、を含む低沸点微量成分、例えば、ＢＣｌ３、ＰＨ３またはＡｓＨ３を表す。これらの成分の沸点は標準条件下で３２℃未満である。
前記流れはさらに、ＴＣＳ（トリクロロシラン）およびｌ２から構成される中間沸点留分を含み、ｌ２はホウ素、リンおよびヒ素を含む中間沸点微量成分、例えば、Ｂ２Ｃｌ４を表す。これらの成分の沸点は、標準条件下で３２℃の領域にある。
前記流れは、ＳＴＣ（テトラクロロシラン）、高沸点物（例えば、高沸点物がジ−およびオリゴシランを表す）、およびｌ３から構成される高沸点留分をさらに含み、ｌ３はホウ素、リンおよびヒ素を含む高沸点微量成分、例えば、Ｂ−Ｏ化合物を表す。これらの成分の沸点は標準条件下で３２℃を超える。
［比較例−古典的な機構］
図１は、蒸発器Ｈ１および凝縮器Ｃ１を含むストリッピング塔Ｋ１と、蒸発器Ｈ２および凝縮器Ｃ２を含む精留塔Ｋ２とから構成される古典的蒸留装置を示す。吸着器Ａは、２つの塔の間に配置される。
図１は、蒸発器Ｈ１および凝縮器Ｃ１を含むストリッピング塔Ｋ１と、蒸発器Ｈ２および凝縮器Ｃ２を含む精留塔Ｋ２とから構成される古典的蒸留装置を示す。吸着器Ａは、２つの塔の間に配置される。
塔Ｋ１では、低沸点留分は材料流Ｄ１を介して除去される。材料流Ｂ１／Ｂ２は、吸着器Ａに供給される。吸着器では、ホウ素、リンおよびヒ素を含む微量で存在する不純物が吸着され、部分的に加水分解される。第２の塔Ｋ２では、高沸点留分が材料流Ｂ３を介して抜き出され、目的生成物（中間沸点留分）が材料流Ｄ２を介して抜き出される。
表１は、比較例によるそれぞれのサブストリーム中の個々の成分の質量分率を示す。
目的生成物流Ｄ２は、主としてＴＣＳおよび中間沸点不純物ｌ２を含む
［実施例１−吸着器を有する隔壁塔］
図４は、隔壁塔として実施され、蒸発器Ｈを含む第１の蒸留塔ＴＷＫ１、および同様に隔壁塔として実施され、凝縮器Ｃを含む第２の蒸留塔ＴＷＫ２を含む、吸着器を有する本発明による隔壁塔の好ましい実施形態を示す。吸着器Ａ１およびＡ２は、２つの塔の間に配置される。
図４は、隔壁塔として実施され、蒸発器Ｈを含む第１の蒸留塔ＴＷＫ１、および同様に隔壁塔として実施され、凝縮器Ｃを含む第２の蒸留塔ＴＷＫ２を含む、吸着器を有する本発明による隔壁塔の好ましい実施形態を示す。吸着器Ａ１およびＡ２は、２つの塔の間に配置される。
塔ＴＷＫ１では、高沸点留分が材料流Ｂを介して除去される。第２の塔ＴＷＫ２では、低沸点留分が材料流Ｄ２を介して抜き出され、目的生成物（中間沸点留分）が材料流Ｐを介して抜き出される。液体流Ｌ１およびＬ２ならびに生成物蒸気流Ｖ１およびＶ２は、それぞれ吸着器Ａ１およびＡ２に供給され、これらの材料流からホウ素、リンおよびヒ素を含む、微量で存在する不純物を除去し、加水分解する。本発明による実施は、吸着器Ａ１およびＡ２の両方を使用する運転モードでは、吸着器容量が２倍になるという効果を有する。
表２は、吸着器Ａ２のみが運転されている場合の、実施例１によるそれぞれのサブストリーム中の個々の成分の質量分率を示す。
目的生成物流Ｐは、主としてＴＣＳおよび中間沸点不純物ｌ２を含む。これらの化合物の割合は、比較例よりも実施例１において低い。微量成分のより大きな濃度が２つの二次流れにおいて生じる。生成された副生成物の量は低減され、不純物の激減がより大きい程度で起こる。
表３は、吸着器Ａ１およびＡ２が運転されている場合の、実施例１によるそれぞれのサブストリーム中の個々の成分の質量分率を示す。
目的生成物流Ｐは、主としてＴＣＳおよび中間沸点不純物ｌ２を含む。これらの化合物の割合は、１つの吸着器だけの運転モードよりも、両方の吸着器Ａ１およびＡ２の運転モードに対してさらに低い。副生成物流Ｂ中の中間沸点不純物の割合も同様により高い。
［実施例２−吸着器を用いた塔構成］
図５は、第１の蒸留塔Ｋ１、第２の塔Ｋ２および蒸発器Ｈと凝縮器Ｃとを含む第３の塔Ｋ３を含む、吸着器を有する本発明の塔構成の好ましい実施形態を示す。吸着器Ａ１およびＡ２は、塔Ｋ１およびＫ３の間、塔Ｋ２および塔Ｋ３の間に配置される。
図５は、第１の蒸留塔Ｋ１、第２の塔Ｋ２および蒸発器Ｈと凝縮器Ｃとを含む第３の塔Ｋ３を含む、吸着器を有する本発明の塔構成の好ましい実施形態を示す。吸着器Ａ１およびＡ２は、塔Ｋ１およびＫ３の間、塔Ｋ２および塔Ｋ３の間に配置される。
材料流は塔Ｋ１に導入される。塔Ｋ３のストリッピング部では、高沸点留分が材料流Ｂを介して除去される。塔Ｋ３の精留部では、低沸点留分が材料流Ｄを介して除去される。液体流Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１およびＬ２２はそれぞれ吸着剤Ａ１およびＡ２に供給され、これらの材料流から、ホウ素、リンおよびヒ素を含む、微量で存在する不純物を除去し、加水分解する。
表４は、吸着器Ａ２のみが運転されている場合の、実施例１によるそれぞれのサブストリーム中の個々の成分の質量分率を示す。
目的生成物流Ｐは、主としてＴＣＳおよび中間沸点不純物Ｂを含む。これらの化合物の割合は、比較例よりも実施例１において低い。微量成分のより大きな濃度が２つの二次流れにおいて生じる。生成された副生成物の量は低減され、不純物の激減がより大きな程度で起こる。表５は、吸着器Ａ１およびＡ２が運転されている場合の、実施例１によるそれぞれのサブストリーム中の個々の成分の質量分率を示す。
目的生成物流Ｐは、主としてＴＣＳおよび中間沸点不純物Ｂを含む。これらの化合物の割合は、１つの吸着器だけの運転モードよりも、両方の吸着器Ａ１およびＡ２の運転モードに対してさらに低い。副生成物流Ｂ中の中間沸点不純物の割合も同様により高い。
従って、実施例１および実施例２による本発明の実施の２つのバージョンは、比較例と比較して２つの利点を有することに留意することができる。
同じ分離作業のための特定のエネルギー入力は、比較例よりも実施例１および実施例２の２つのバージョンでは約５０％低い。プロセス工学の観点では、２つの例は同等であり、それらは単に装置に関して異なる実施形態を表すに過ぎない。
省エネに加えて、中間沸点不純物Ｂの除去は、比較例よりも実施例１および実施例２の２つのバージョンでより効果的である。
比較例の比較可能な生成物Ｄ２は１２００ｐｐｔａを含むのに対して、たった約２０ｐｐｔａの成分Ｂが目的生成物流Ｐに残る。
実施例１および実施例２はプロセス工学の観点で同等であるので、２つのバージョンは、微量で存在する不純物の除去に関して同様に同一である。本発明による２つの実施による成分Ｂのより効果的な除去の理由は、気相および液相の両方における二倍の吸着器の利用の選択肢である。低減されたエネルギー要件と共に、成分ｌ２の著しくより効果的な除去が達成され得る。
上記の例示的な実施形態の説明は、例示的なものとして理解されるべきである。これにより、なされた開示は、当業者が本発明およびそれに関連する利点を理解することを可能にし、当業者に明らかな記載された構造および方法に対する変更および修正も包含する。従って、そのような変更および修正、ならびに均等物の全ては、請求項の保護の範囲によって保護とされる。
Claims (11)
- ジクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む低沸点物、
トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む中間沸点物、ならびに
四塩化ケイ素を含む高沸点物
を含む多成分混合物の蒸留分離方法であって、
多成分混合物を第１の塔に供給して、四塩化ケイ素を含む少なくとも１つの高沸点物を底部留分として除去し、ジクロロシラン、トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む頂部留分を第２の蒸留塔に供給し、第２の蒸留塔において、トリクロロシランを含む少なくとも１つの中間沸点物をサイドドローを介して除去し、ジクロロシランを含む少なくとも１つの低沸点物を頂部留分として除去し、第２の蒸留塔からの少なくとも底部ドローを、少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器に通し、その後、還流として第１の蒸留塔に戻し、両方の蒸留塔は垂直隔壁を含む、蒸留分離方法。 - ２つの底部ドローからの液体流が存在し、１つの液体流または両方の液体流を吸着器に通し、次いで還流として第１の蒸留塔に供給する、請求項１に記載の方法。
- 第２の蒸留塔の底部ドローと第１の蒸留塔の還流との間の液体流中の吸着器の代わりに、第１の蒸留塔から第２の蒸留塔へと通過する蒸気流中に吸着器を配置する、請求項１に記載の方法。
- 第１の蒸留塔からの頂部留分が２つの蒸気流を介して第２の蒸留塔のストリッピング部に供給され、１つの蒸気流または両方の蒸気流が、第２の蒸留塔に供給される前に吸着器を通過する、請求項３に記載の方法。
- ２つの吸着器が存在し、１つまたは２つの蒸気流が第１および第２の蒸留塔の間で第１の吸着器を通過し、１つまたは２つの液体流が第２の蒸留塔から第１の蒸留塔の還流へ第２の吸着器を通って通過する、請求項１に記載の方法。
- 第２の蒸留塔の底部に連通する第１の蒸留塔からの蒸気と、第１の蒸留塔の還流部と連通する第２の蒸留塔の底部ドローによって互いに物質的に連結された２つの蒸留塔を含む多成分混合物の蒸留分離装置であって、ホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が、第２の蒸留塔の底部ドローと第１の蒸留塔の還流部との間に連通して配置され、または第２の蒸留塔の底部ドローと第１の蒸留塔の還流部との間に連通して配置され、両方の蒸留塔が垂直隔壁を含み、第２の塔が頂部ドローよりも下で底部ドローよりも上に１つ以上のサイドドローを含む、蒸留分離装置。
- 第１の蒸留塔と第２の蒸留塔との間の両方の連通接続部の各々に、ホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置される、請求項６に記載の装置。
- ジクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む低沸点物、
トリクロロシランおよび少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を含む中間沸点物、ならびに
四塩化ケイ素を含む高沸点物
を含む多成分混合物の蒸留分離方法であって、該方法は第２の蒸留塔に物質的に連結された第１の蒸留塔に多成分混合物を供給することを含み、第２の蒸留塔は、第２の蒸留塔のストリッピング部と精留部とを分離する水平隔壁を含み、第２の蒸留塔は、第３の蒸留塔に物質的に連結され、四塩化珪素を含む底部留分およびジクロロシランを含む頂部留分を第２の蒸留塔から除去し、第３の蒸留塔のサイドドローを介してトリクロロシランを除去し、第２の蒸留塔と第３の蒸留塔との物質的な連結のための接続部に少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置され、材料流を吸着器に通す、蒸留分離方法。 - 第２の蒸留塔と第１および第３の蒸留塔との物質的な連結のための２つの接続の各々に、少なくとも１つのホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置され、材料流を吸着器に通す、請求項８に記載の方法。
- 第２の蒸留塔の精留部と連通する第１の蒸留塔からの蒸気と、第３の蒸留塔からの蒸気と連通する第２の蒸留塔の精留部と、第２の蒸留塔のストリッピング部と連通する第１の蒸留塔の底部ドローと、第３の蒸留塔の底部と連通する第２の蒸留塔のストリッピング部によって互いに物質的に連結された３つの蒸留塔を含む多成分混合物の蒸留分離装置であって、第２の蒸留塔は水平隔壁を含み、第３の蒸留塔は頂部ドローより下で底部ドローより上に１つ以上のサイドドローを含み、それぞれの材料流が通過する、ホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が、第２の蒸留塔および第３の蒸留塔を物質的な連結するための接続部に配置される、蒸留分離装置。
- 第２の蒸留塔と第１の蒸留塔および第３の蒸留塔との物質的な連結のための両方の接続部の各々に、それぞれの材料流が通過する、ホウ素、リンまたはヒ素含有不純物を除去するための吸着器が配置される、請求項１０に記載の装置。
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