JP4813545B2 - ヒドロクロロシランの製造方法 - Google Patents
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Description
3SiCl4+2H2+Si → 4HSiCl3 (1)
で表わされる。
3HCl+Si → HSiCl3+H2 (2)
で表わされるように、トリクロロシランを合成できることも知られている。
2HCl+Si → H2SiCl2 (3)
によって、ジクロロシランをかなりの量生成する必要がある。
H2+SiO2(固体) → Si(金属)+H2O(蒸気) (4)
によって、これを達成することができる。
CuCl+H2 → 2HCl+Cu(金属) (5)
SiCl4+H2 → HCl+HSiCl3 (6)
が起こり、少量(<1%)のHClが生成する。温度、反応器の滞留時間、並びに水素と塩化物の濃度を調整して、所望の混合産物を製造することができる。HClは、反応(2)によって、275℃以上のどの温度でも、シリコンを積極的に攻撃する。反応(2)と(6)の組み合わせにより、反応(1)がもたらされる。シリコンの効果は、反応環境からHClを除去し、反応(1)の平衡濃度を右にシフトさせ、ヒドロクロロシラン類の全体での収率を向上させることである。
H2+SiO(H) → Si+H2O (7)
直径122 cmの流動床反応器に、平均粒径200ミクロンに摩砕された13,000 kgの冶金グレードシリコンを投入した。温度500℃、圧力3 MPaで、水素を3350 m3/hrで流して、該反応器を始動させた。該反応器が操作温度に到達した後、温度500℃、圧力3 MPa、3350 m3/hrの流速で四塩化ケイ素の蒸気を流し始めた。水素不存在基準でトリクロロシランを20 mol%含む反応器産物が得られた。反応器のレベルを150 kgに落とした場合において、反応(1)を経てシリコンが消費されるので、冶金グレードシリコンの定期的な添加を始め、かかる方法で、プロセスを幾日か継続した。3日間の操作の後、シリコンの初期投入質量の72%に相当する量が消費され、該量を、等量の未使用の冶金グレードシリコンで置換した。この時点で、1363 kgのシリコンを含むバルクバッグに、4.5 kgの塩化第一銅を添加して、冶金グレードシリコンと塩化第一銅の混合物を調製した。空気コンベヤーを用いて、銅/シリコン混合物を流動床反応器の頂上の固定ホッパーに移動させ、銅/シリコン混合物を、反応器に供給された通常の冶金グレードシリコンと置き換えた。塩化第一銅/シリコン混合物の添加の直後、水素の消費量が大幅に増えることが観測された。水素不存在基準で、反応器の生成物は、トリクロロシランが25 mol%に増加した。消費されたシリコンを補給するために塩化第一銅/シリコンの添加を継続する限り、トリクロロシランの収率は、高いレベルのままであった。塩化銅の添加を終了すると、トリクロロシランの収率が減少し始め、最終的には、塩化第一銅の供給を始める前の元のレベルに戻った。速度の低下は、シリコンと結合している銅が、結合したシリコン粒子が飛沫同伴サイズ(〜15ミクロン)よりも小さなサイズまで化学的にエッチングされた場合のみ、反応器から排出されることを示していた。トリクロロシラン転化率が触媒添加前のレベルに戻った後の反応マスの分析は、銅が堆積しないことを示しており、一方、反応器から排出された微細なシリコン中の銅のレベルはトリクロロシランの収率が減少するのに正比例で減少した。
摩砕された冶金グレードのシリコン(平均粒径=200ミクロン)50 gを小さなオーブン中に保持された直径25 mmのテストチューブ中にセットし、水素を流しながら、525℃の温度に加熱した。四塩化ケイ素を、25℃に保持された恒温容器中にセットした。容器を通して水素をバブリングして水素を四塩化ケイ素で飽和させ、H2:SiCl4のモル比が2.0となるように、該飽和した水素を追加の水素と共に、シリコンを含むテストチューブの下部に流した。合計の水素の流速は、12 cc/分であった。ガスクロマトグラフ分析用に少量のガスサンプルが収集できるように、反応器チューブの出口にセプラムを取り付けた。525℃の反応器温度で、トリクロロシランの収率は、4.6%であった。
例2と同じ装置と用いて、反応器チューブ中に49 gの冶金グレードのシリコンをセットし、水素雰囲気中で525℃に加熱した。シリコンを熱い水素に曝した後、水素を流し続けながら、0.39 gの塩化第一銅を反応器に加えた。次に、水素の流れを、四塩化ケイ素の恒温容器を経由させ、流出物をサンプリングした。水素不存在基準でのトリクロロシランの濃度は、6.14%であった。
例2と同じ装置と用いて、予め1%の白金を堆積させたシリコン50グラムを反応器に投入した。水素及び四塩化ケイ素の標準流と525℃で反応させた際の水素不存在基準でのトリクロロシランの濃度は、6.05%であった。
例2と同じ装置と用いて、冶金グレードのシリコン49.9 gと5%の白金を載せたシリカゲル0.1グラムとの混合物を反応器に投入した。その結果、トリクロロシランの濃度は、水素不存在基準で4.28%であった。
例2と同じ装置と用いて、白色石英49 gと5%の白金を載せた活性炭0.1グラムとを反応器チューブに充填した。例2で用いたのと同じ標準条件下で、流出物中のトリクロロシラン濃度は、0.1%未満であった。
例2に記載したのと同じ装置と用いて、50グラムの冶金グレードシリコンを反応器に投入し、12 cc/分の水素及び6 cc/分の塩化水素の流れの下、300℃に加熱した。シリコンを熱い水素及び塩化水素の混合物に数時間曝した後、水素/塩化水素を流し続けながら、反応器に0.4グラムの塩化第一銅を添加した。例2に示したようにしてサンプリングした際の流出物は、トリクロロシランと数パーセントのジクロロシランを含んでいた。銅−シリコン合金触媒を用いない場合、ジクロロシランのレベルは、痕跡程度に過ぎなかった。
Claims (20)
- 還元性雰囲気中で表面酸化物を有するシリコン粒子を加熱することにより、該表面酸化物を有するシリコン粒子の表面の少なくとも一部から酸素を除去して、少なくとも1つの領域に酸化物が存在しないシリコン粒子を生成させ、
シリコンの塩化水素化を促進することが可能な金属を、該金属を含む還元性物質を還元することを含む化学気相成長によって前記酸化物が存在しない領域上に堆積させて、促進金属−シリコンの合金表面を生成させ、
水素、塩素源、及び促進金属で合金化されたシリコンを反応させて、一種以上のヒドロクロロシランを生成させる、
ヒドロクロロシランの製造方法。 - 前記除去、堆積、及び反応を275℃から550℃で行うことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- トリクロロシラン及びジクロロシランを含むヒドロクロロシランの製造方法であって、
前記塩素源が、四塩化ケイ素であって;
前記促進金属が、四塩化ケイ素及び水素の存在下で、シリコンの塩化水素化を促進することが可能な金属である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記除去、堆積、及び反応を400℃から500℃で行うことを特徴とする請求項3に記載の方法。
- トリクロロシラン及びジクロロシランを含むヒドロクロロシランの製造方法であって、
前記塩素源が、塩化水素であって;
前記促進金属が、水素の存在下で、シリコンの塩化水素化を促進することが可能な金属である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記除去、堆積、及び反応を275℃から350℃で行うことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 水素、塩素源、及び表面酸化物を有するシリコンを組み合わせ、
シリコンの表面の少なくとも1つの領域から酸素を除去するのに十分な温度に、水素、塩素源、及びシリコンを加熱し、
酸化物が存在しない領域を有するシリコンと、シリコンの塩化水素化を促進することが可能な金属を含む還元性物質とを接触させ、
前記還元性物質を還元して前記金属を前記酸化物が存在しない領域上に堆積させるのに十分な温度に、前記還元性物質を加熱して、促進金属−シリコンの合金表面を生成させ、
水素、塩素源、及び促進金属で合金化されたシリコンを反応させて、一種以上のヒドロクロロシランを生成させる、
ヒドロクロロシランの製造方法。 - 前記複数の加熱により275℃から550℃にし、前記反応を275℃から550℃で行うことを特徴とする請求項7に記載の方法。
- トリクロロシラン及びジクロロシランを含むヒドロクロロシランの製造方法であって、
前記塩素源が、四塩化ケイ素であって;
前記促進金属が、四塩化ケイ素及び水素の存在下で、シリコンの塩化水素化を促進することが可能な金属である
ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 前記複数の加熱により400℃から500℃にし、前記反応を400℃から500℃で行うことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- トリクロロシラン及びジクロロシランを含むヒドロクロロシランの製造方法であって、
前記塩素源が、塩化水素であって;
前記促進金属が、水素の存在下で、シリコンの塩化水素化を促進することが可能な金属である
ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 前記複数の加熱により275℃から350℃にし、前記反応を275℃から350℃で行うことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記促進金属が、前記促進金属で合金化されたシリコンの質量の1%未満であることを特徴とする請求項1又は7に記載の方法。
- 前記促進金属が、前記促進金属で合金化されたシリコンの質量の0.01%から0.5%であることを特徴とする請求項1又は7に記載の方法。
- 前記還元性物質が、塩化第一銅であることを特徴とする請求項1又は7に記載の方法。
- 前記還元性物質が、酸化銅であることを特徴とする請求項1又は7に記載の方法。
- 前記還元性物質が、塩化白金酸であることを特徴とする請求項1又は7に記載の方法。
- 容器中で、表面酸化物を有するシリコンの表面の少なくとも一部から酸素を除去するのに十分な温度及び時間、水素と、塩素源と、表面酸化物を有するシリコンとを含む混合物を加熱し、
前記容器の内側で、還元性雰囲気中、シリコンの塩化水素化を促進することが可能な金属を含む還元性物質と、少なくとも部分的に酸化物が存在しない表面を有するシリコンとを、前記還元性物質を還元して前記金属を前記シリコンの酸化物が存在しない表面上に堆積させるのに十分高い温度で接触させ、
前記容器の内側で、水素と、塩素源と、促進金属で合金化されたシリコンとを反応させて、一種以上のヒドロクロロシランを生成させる、
ヒドロクロロシランの製造方法。 - 前記容器中で、シリコン粒子、水素、塩素源、及び塩化水素化を促進することが可能な金属を含む還元性物質を、前記シリコン粒子の表面から酸素を除去し、前記還元性物質を還元し、化学気相成長によって前記シリコン粒子の表面上に前記金属が堆積するのに十分な時間、275℃から550℃に維持して、促進金属−シリコンの合金表面を生成させる、
促進金属を含む反応マスの形成方法。 - 前記還元性物質が塩化第一銅であって、
前記金属が銅であって、該銅を化学気相成長によって前記シリコンの表面の少なくとも一部上に堆積させて、銅−シリコンの合金表面を生成させる、
請求項19に記載の方法。
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