JP5635004B2 - 四ハロゲン化ケイ素およびケイ素からトリハロシランへの水素化のための装置およびプロセス - Google Patents

Description

本発明は一般に高純度ケイ素の製造の分野、より具体的には四ハロゲン化ケイ素およびケイ素のトリハロシランへの水素化のための装置およびプロセスに関する。

ＳｉＨＣｌ₃およびＳｉＨＢｒ₃などのトリハロシランは、ケイ素と対応するハロゲン化水素、即ちＨＣｌまたはＨＢｒとの、約３５０℃の温度およびほぼ大気圧における反応によって最初に作られた。この反応の収率は典型的にはきわめて高く、文献によると９０％を超える収率が示されており、残余は四ハロゲン化ケイ素である。最も一般的に用いられるトリハロシランはトリクロロシランであり、これは精製され、分解して高純度のケイ素を生成する。この分解反応によって四ハロゲン化ケイ素も生成し、したがってこれはプロセス中に蓄積する。四ハロゲン化ケイ素の生成を最小化するために、四ハロゲン化物をリサイクルすることや分解反応器中で大過剰な水素を用いることなど、種々の手段が講じられてきた。過剰な四ハロゲン化物を酸化して無定形シリカとし、生成するハロゲン気体を洗浄することも行なわれてきた。ＤＯＥ／ＪＰＬによる研究に基づき、Ｂｒｅｎｅｍａｎの特許文献１に記載されている、より最近の技術革新によれば、過剰な四ハロゲン化ケイ素は、これを銅触媒の存在下で高温高圧において水素およびケイ素と反応させることによってトリハロシランに転換される。

Ｂｒｅｎｅｍａｎの特許文献１に開示された先の水素化技術によれば、ケイ素、四塩化ケイ素および水素の反応は約４００℃〜６００℃および３００から６００ｐｓｉの間で、混合空間より上に分配手段を含む流動床反応器で行なわれる。上の特許の工業的な実施形態においては、四塩化ケイ素および水素の入口気流は優先的には個別に異なった温度および圧力に加熱され、次いで混合空間で混合され、分配手段を通過し、気泡を生成してこれが微細に分割されたケイ素と接触して流動化する。水素は３２５ｐｓｉｇで５００℃に加熱される一方、四塩化ケイ素は５７５ｐｓｉｇで５００℃に加熱される。これは四塩化ケイ素の臨界圧である５３０ｐｓｉｇよりも高い。次いで四塩化ケイ素は水素との混合に際して３２５ｐｓｉｇに減圧される。

Ｂｒｅｎｅｍａｎに従って設計された工業用反応器の収率は、非特許文献１で論じられたＩｎｇｌｅによる反応器などの、より小さなスケールの実験室試験よりも低く、収率は時間とともに低下して、最終的にはケイ素の全床を廃棄して新しい材料で再スタートする必要が生じる。混合を混合空間にまで遅らせると、高温の流出気体からの熱回収がより困難になり、運転上の問題が生じるので、資本コストおよび運転コストが増大する。四ハロゲン化ケイ素はしばしば有意な微量のトリハロシランおよびジハロシランを含み、これらは四ハロゲン化物加熱器の中で分解してケイ素になり、目詰まりを起こすことがある。２つの個別予熱器を用いると単一列に比べて資本コストが増大し、排気気体からの熱回収がより困難になり、それによりユーティリティの使用が増大する。分配手段を設置すると資本コストが増大する。

工業用反応器の収率が低いことは、分配手段の設計および典型的な流動床運転条件の選択に帰され得る。これらによって反応気体の大きな気泡がケイ素を迂回することが引き起こされ、これは反応気体の一部の滞留時間がきわめて短くなることを意味している。Ｉｎｇｌｅによれば収率は滞留時間に依存するが結局は一定に達することが分かる。したがって滞留時間が短い気体と長い気体との混合物の収率は、全ての気体の滞留時間が同じで平均滞留時間が同じものの収率よりも低いことになる。Ｂａｄｅ，Ｓの非特許文献２で論じられているように、収率の経時的低下はケイ素床材料の表面における不純物の蓄積によって起こる。標準的な流動床プラクティスによる空間の設計によって、充分な新しい反応表面を提供するにはこのように不適当である摩耗の量が最小化される。収率を改善するためには、温度４００℃〜６００℃の間および３００から６００ｐｓｉというきわめて一般的な定義よりももっと具体的にプロセス条件を定義することが重要である。重要な基準は空塔速度Ｕと最小バブリング速度Ｕ_mbとの比（Ｕ／Ｕ_mb）である。空塔速度は運転温度および運転圧力について調節した実際の体積流量を容器の断面積で割った値である。最小バブリング速度Ｕ_mbは気泡が生成する時の最小空塔速度であり、気泡は粒子間の空隙を気体よりも速く移動し、したがって滞留時間が気体より短いので重要である。この速度は気体の特性ならびに顆粒状粒子の寸法、形状および密度に依存する。この特性を計算するには、コンピュータープログラムなどの多くの方法がある。２００ミクロンを超える大きな粒子については、Ｕ_mbは最小流動化における空塔速度Ｕ_mfと本質的に同じである。Ｂａｄｅの非特許文献２で論じられているように、冶金グレードのケイ素と塩化水素とを反応させる同様のプロセスにおいてよく粉砕することは価値があることが知られている。粉砕することによって反応速度および収率は増大するが、ボールミルを用いるＢａｄｅ法では、この反応に必要な５００ｐｓｉｇという高圧および５００℃という高温で実施することは困難で高価になる。

米国特許第４，６７６，９６７号明細書

W. Ingle, M. Peffley, "Kinetics of the Hydrogenation of Silicon Tetrachloride", J. Electrochem. Soc. May 1985, pg 1236-1240 "Mechano-chemical reaction of metallurigal grade silicon with gaseous hydrogenchloride in a vibration mill", S. Bade et al, Int. J. Mineral Processing 44-45 (1996) 167-179

トリハロシラン製造のための装置およびプロセスにおいて、より均一な気体固体接触、より充分な粉砕、より良いエネルギー回収ならびにより低い資本コストおよび運転コストをもたらす反応器および運転条件一式が望まれている。

本発明を組み込んだシステムによって、トリハロシランの高い収率、低い製作コスト、低い運転コスト、供給ケイ素の高い消費、供給される冶金グレードのケイ素に対する寸法分布の要求の順応性および運転の順応性が提供される。

本発明の他の目的および利点は、添付した図面と関連して説明および例示の目的で本発明の実施形態を開示する以下の記述から明らかになるであろう。

本発明の好ましい実施形態によれば、四ハロゲン化ケイ素およびケイ素からトリハロシランへの水素化のための装置は、内部流れ分布を有さず、１つまたは複数の気体入口、１つまたは複数の固体入口、１つまたは複数の固体排出管、１つまたは複数の気体／固体出口およびジェット研磨による新しい表面の創出を有する容器を備えている。装置を最大限に活用するための運転条件一式を選択するプロセスおよび熱統合の改善の例もさらに開示される。この装置は、プロセスの残り部分との熱統合が優れていることによって、より速い反応速度、より高いトリハロシランの収率、ならびにより低い資本コストおよび運転コストという利点を有する。

図面は本明細書の一部を構成し、種々の形態で具体化され得る本発明の例示的な実施形態を含む。いくつかの例においては、本発明の理解を容易にするため、本発明の種々の態様が誇張されまたは拡大されて示され得ることを理解されたい。

本発明を組み込んだシステムの全体操作を示す概略図である。 図１の反応器部分の断面図である。 図２の反応器部分の磨砕用気体入口の断面図である。 ２つの入口を示す図３の改変版の図である。

本発明の特徴を組み込んだ実施形態の詳細な説明を本明細書に提示する。しかし本発明は種々の形態で具体化され得ることを理解されたい。したがって、本明細書に開示する具体的な詳細は限定するものとしてではなく、むしろ特許請求の範囲の基礎として、また事実上すべての適切に詳述したシステム、構造または様式において本発明を利用することを当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。

まず図１には、トリハロシランの製造のためのプロセス全体に統合された際にエネルギーコストを節約するために用いられる本発明の実施形態を例示する全体流れ図が示されている。高圧のリサイクルされた液状の四ハロゲン化ケイ素の流れ１１２が下流プロセス１２０から流れてきて、第１の熱交換器１２１で流出気流１０６との熱交換によって予熱されて加熱流１１３を生成し、これは次に、これも下流プロセス１２０から来るリサイクルされた加圧水素流１１１と混合されて、液状四ハロゲン化ケイ素の流れ１１２の蒸発温度を低下させる。次に混合物は蒸発器１２２で蒸発させられる。熱は任意のユーティリティから供給することができるが、蒸気１０８を用いて凝縮液１０９を回収するのが特に有利である。得られる混合蒸気流１１４は次に第２の熱交換器１２３によって加熱され、この熱交換器は同時に反応器サイクロン１２７からのサイクロン流出流１０５を冷却する。第２の熱交換器１２３を出る４５０℃〜５５０℃のきわめて高温の流れ１１５は電気加熱器１２４によってさらに加熱されて入口気流１１６において温度が５００℃〜６００℃になり、それ自体の電気加熱器１０４を有する水素化反応器１２６に流入する。この加熱器は示されているように外部加熱器でもよく、または反応器の壁の通過を伴う内部加熱器でもよい。顆粒状の冶金グレードのケイ素ＭＧＳ（典型的には直径約４４０から約７００ミクロン）が、ロックホッパー１２５からＭＧＳ流１００を通して間欠的に添加され、５００〜６００℃の入口気流１１６と反応して、所望のトリクロロシラン製品流１０１を生成する。この製品流１０１は次にサイクロン１２７に入り、ここで使用済みの冶金グレードのケイ素の１次固体廃棄流１０２が除去される。サイクロン流出流１０５は次に第２の熱交換器１２３で冷却されて冷却流出気流１０６を生成し、これは次に第１の熱交換器１２１によってさらに冷却されて冷却流１０７を生成し、これは次に下流プロセス１２０へと続く。従来技術においては収率が時とともに低下し、このため１次廃棄流１０２も定期的に、典型的には１年ごとに、反応器全体を空にすることによってプロセスから除去されていた。操作の間の収率の損失ならびにシャットダウンに関連する時間および結果として生じる生産の損失のため、これは望ましくない。本発明のプロセスにおいては、研磨（磨砕）が行なわれ、時間とともに反応器１０２の中に蓄積する非反応性表面層が除去され、それによってこれはサイクロン廃棄流１０３の中に粉塵として除去される。磨砕機構の具体的な設計については、図２および３に関連して以下に論じる。

図２は、図１の水素化反応器１２６に対応する反応器２００部分の断面図である。図１の５００〜６００℃の入口気流１１６に対応する気流２０１は、いくらかの固体状ケイ素粒子２０２を同伴しつつ、セラミックインサート２０６を通って反応器２００の底部に位置する入口ノズル２０４に流入し、内部ジェット２０３を形成する。ジェット２０３中の気体は次に同伴された粒子２０２が反応器内に位置する粒子床２１１に衝突するまで粒子２０２を加速する。このとき急速に移動する同伴された粒子２０２と床の大部分にある比較的静止した粒子２１１との衝突によって研磨が起こる。反応器には入口気流の流路を方向付ける内部流れ分配器は何も含まれていない。気体２０５はジェット２０３から拡散し、静止した粒子床２１１を通って上向きに流れる。図示するように気体の一部は気泡２１２を形成してもよいが、これは操作に要求されてはいない。実際、床の体積の少なくとも９０％には気泡がないことが好ましい。流出気体２０８は粒子床２１１の頂部２１３を離れ、それとともにいくらかの小粉塵粒子２０９を運ぶ。小粉塵粒子のいくらかは床の上の離脱スペース２１４で脱落し（２１０）、いくらかは出口２１５を通って流出気体２０８とともに運び出される。気体と粉塵の混合流２１６である流出気体２０８は次に、図１のサイクロン１２７に対応するサイクロン２１７に入る。ここで粉塵２１８の大部分はサイクロン廃棄流１０３中に除去され、清浄化された気体は図１のサイクロン流出流１０５に対応する流れ２１９においてサイクロンの頂部から出て行く。追加の冶金グレードのケイ素２２０が、反応器２００の頂部近くの側面を通って入っていくことが示されているケイ素入口ポート２０７を通して添加される。反応器は入口ノズル２０４の中にセラミックインサート２０６を有すると記載されているが、１つまたは複数の他の入口および出口が耐摩耗性セラミック組成物でライニングされていてもよい。適当な材料としては、これだけに限らないが、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、アルミナ、ムライトまたは炭化ケイ素が挙げられる。

図３は、ＭＧＳ粒子の床３１０（図２の粒子床２１１に対応）で満たされた反応器入口３００のさらに拡大された断面図である。単一の入口３０５は、入口気流３０４（図１の５００〜６００℃の入口気流１１６に対応）を用いて粒子３１０を同伴し、それらが床２１１の大部分の中にあるゆっくり動いている粒子に衝突するまでジェット３０１（図２の内部ジェット２０３に対応）の中で加速することによって冶金用ケイ素粒子３１０を高度に磨砕するように設計されている。粒子流路３０２、３０３は、円錐壁を落下してジェット３０１に達する粒子２０２の一般的な方向を示している。入口３０５は、磨砕によって引き起こされる損耗を低減するため、入口気体３０４の速度を増大させるようにも形成されている除去可能なセラミックインサート３０６（図２のセラミックインサート２０６に対応）でライニングされている。セラミックインサート３０６および床２１１への開口部の形状を変更して、反応器２００を調整するための必要に応じて圧力低下および磨砕を改良することができる。インサートは反応器の内側に固定された保持リング３０８によって保持され、頂部および底部の可撓性高温ガスケット３０７で緩衝されている。インサートの底部はより小さな直径縮小フランジ３０９で支持されている。このフランジの内径は好ましくはセラミックインサート３０６の内径と等しい。

図３の変形を図４に示す。二元入口４０２、４０３は図３のものと同様のデザインであるが、それぞれの入口４０２、４０３は、磨砕によって引き起こされる損耗を低減するため、セラミックインサート４０６を有している。入口気流４０４、４０５は入口４０２、４０３を通って流入し、次に反応器の中心で衝突して単一の垂直ジェット４０１を形成する。各ジェットの速度の側面ベクトルは垂直ベクトルよりも速い速度で磨砕に変換される。というのは、側面ベクトルは互いに対向するのに対し、垂直ベクトルは自由運動する粒子床に衝撃を与えるからである。したがって、２つの相互作用するジェットは２つの相互作用しないジェットと同じ条件で予想されるよりもより大きな磨砕を生じる。磨砕の増大は交差する気流４０４、４０５の間の角度４０９に関連し、角度が１８０度に等しい場合に最大値に達する。与えられた磨砕は粒子２１１の反応済み表面を除去するように働き、攻撃すべき新しいケイ素表面を露出させ、これにより反応速度、したがってスループットおよびトリハロシランの収率が増大する。そうでなければ反応器中に残ることになる固体残渣は、表面積が小さい粉塵粒子として外に輸送される。床を取り出すための中央排出管４０７も示されている。

本明細書に付表として添付した表１に、プロセスの実施例の流れおよび温度を提示する。表１に示した条件に基づいて運転条件を選択して、バブリングを最小にし、収率およびスループットを最大にし、その結果として所与の反応器について所望のトリハロシランの収量を最大にすることができる。バブリングなしに起こすことができる最大速度は定義によって最小バブリング速度Ｕ_mbである。Ｕ／Ｕ_mbを１として運転することによって、バブリングなしに最大流れを得ることができる。上述のようにこれは多くの方法で計算することができるが、特に有用な式はＤａｖｉｄ ａｎｄ Ｈａｒｒｉｓｏｎ式：
Ｕ_mb＝Ｕ_mf＝０．００５５＊ε³／（１−ε）ｇＤ_p ²（ρ_p−ρ_f）／μ_f
である。
ここで
εはＵ_mbにおける空隙率、
ｇは重力の加速度、
Ｄ_pは粒子の直径、
ρ_pは粒子密度、
ρ_fは流体密度、
μ_fは流体の粘度である。

空隙率の値は粒子の形状に依存し、冶金グレードのケイ素の任意の所与の試料について測定することができる。粒子の直径は平均投影直径であり、標準的なふるい分け技術によって測定することができ、真球度について必要に応じて調整することができる。気体の粘度は温度とともに増大し、組成に依存する。これを正確に予測するいくつかの標準的な方法がある。Ｕ_mbを増大させる最も簡単な方法は、平均粒子直径Ｄ_pを増大させることである。

気体入口組成は表１の通りである。
ε（Ｕ_mbにおける空隙率）＝０．４
ｇ（重力の加速度）＝９８０ｍ／ｓ²
Ｄ_p（粒子の直径）＝計算されることになる
ρ_p（粒子密度）＝２．３３ｇ／ｃｃ
ρ_f（流体密度）＝０．０２１８ｇ／ｃｃ
μ_f（流体の粘度）＝０．０００２４ポイズ
Ｕ（最大空塔速度）＝０．１１ｍ／ｓ＝Ｕ_mb

したがって、所望の最小平均粒子寸法は４４４ミクロンである。ＭＧＳはかなり角張っているので、この粒子寸法は真球度（典型的には約０．８６である）で割ることによって調節するべきである。これより、ふるい解析で測定されるように平均粒子寸法５１６ミクロンが得られる。さらなる標準的なポピュレーションバランスの計算を行ない、反応による粒子の収縮および磨砕による寸法の減少を考慮して、反応器に供給するために必要な最小平均粒子寸法に到達することができる。供給のための正確な粒子寸法の妥当な予測が得られれば、試験を実施することができる。

公称７５０ミクロンの寸法のＭＧＳを用いて、長さ１０ｍの反応器に高さ７ｍの床を仕込んだ。表１の条件下で反応器を１２０時間運転し、冶金グレードのケイ素のバッチを１時間に１回添加して床面を維持した。運転の最後に床中のＭＧＳの試料を床から取り出して分析した。結果を以下に示す。

表２ ふるい寸法範囲内の粒子の重量％
ふるい寸法 粒子
ミクロン 重量％
０〜５０ ０．０３％
５０〜１００ ０．２４％
１００〜１５０ ０．６１％
１５０〜２００ ０．９６％
２００〜２５０ ０．９４％
２５０〜３００ ２．４４％
３００〜３５０ ５．１６％
３５０〜４００ ３．８５％
４００〜４５０ ５．４９％
４５０〜５００ ７．５３％
５００〜５５０ １０．０２％
５５０〜６００ １３．０１％
６００〜６５０ １４．８８％
６５０〜７００ １６．５２％
７００〜７５０ １５．２４％
７５０〜８００ ３．０８％
平均粒子寸法は５３８ミクロンと計算された。

本発明を好ましい実施形態と関連付けて記述したが、説明した特定の形態に本発明の範囲を限定することは意図しておらず、それどころか、添付した特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲の中に包含され得るような変形、改変、および等価物に及ぶことを意図している。

別表（１／１頁）

Claims (12)

1. 四ハロゲン化ケイ素およびケイ素からトリハロシランへの水素化のための装置であって、
   内部流れ分配器を有さず、
   １つまたは複数の気体入口と、
   １つまたは複数の固体入口と、
   １つまたは複数の固体排出管（１０２）と、
   １つまたは複数の気体／固体混合物の出口と，
   を有する容器を備え、
   複数の冶金グレードのケイ素粒子は前記容器の中に封入されている，
   ことを特徴とする装置。
2. １つまたは複数の前記気体入口を通過する気体は、前記気体中に同伴されるビーズの衝撃によって、前記冶金グレードのケイ素粒子に研磨および新しい表面の創出を引き起こす、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 少なくとも２つの気体入口と、
   前記少なくとも２つの気体入口の各々を通過する気流と、
   を有する装置であって、
   前記気流は互いに交差して前記気流中に同伴されるビーズの衝撃によって前記冶金グレードのケイ素粒子に研磨および新しい表面の創出を提供する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記冶金グレードのケイ素粒子の平均粒子寸法は、４００ミクロンより大きいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. １つまたは複数の内部加熱手段を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. １つまたは複数の前記入口および出口は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、アルミナ、ムライトまたは炭化ケイ素を含む耐摩耗性セラミックでライニングされていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 四ハロゲン化ケイ素およびケイ素からトリハロシランへの水素化のためのプロセスであって、
   少なくとも１つの入口および出口ならびに容器の内部に位置する複数のケイ素粒子を含む床を有する容器を提供するステップと、
   四ハロゲン化ケイ素と水素とを含む気体の混合物を前記床を通して前記容器に供給するステップであって、前記気体の混合物の流量および前記ケイ素粒子の平均寸法は前記床の体積の少なくとも９０％は気泡を含まないように選択されるステップと、
   を含むことを特徴とするプロセス。
8. 内部流れ分配器を有さず、
   １つまたは複数の気体入口と、
   １つまたは複数の固体入口と、
   １つまたは複数の固体排出管（１０２）と、
   １つまたは複数の気体／固体混合物の出口と、
   を有する容器を含み、
   複数の冶金グレードのケイ素粒子は前記容器の中に封入されている、四ハロゲン化ケイ素およびケイ素からトリハロシランへの水素化のためのシステムであって、
   液状の四ハロゲン化ケイ素の供給流を加熱するための第１の熱交換器であって、前記加熱された液状の四ハロゲン化ケイ素は水素と混合されて前記四ハロゲン化ケイ素の蒸発温度を低下させる第１の熱交換器、
   四ハロゲン化ケイ素と水素との前記混合物を蒸発させるための第２の熱交換器であって、熱源は前記システムの他の部品から流出する高温の気体である第２の熱交換器、
   前記蒸発した混合物の温度を５００〜６００℃の間に上昇させるための電気加熱器であって、熱は前記容器からの流出流によって提供され、前記電気加熱器から流出する前記流出流は前記第１の熱交換器に流入する前記四ハロゲン化ケイ素の供給流のための熱源を提供する電気加熱器、
   を含むことを特徴とするシステム。
9. 四ハロゲン化ケイ素からトリハロシランへの水素化のためのシステムであって、
   冶金グレードのケイ素粒子の多孔質床はその中に封入された反応容器であって、
   蒸発した四ハロゲン化ケイ素と水素との混合物は１つまたは複数の気体入口を通って前記反応器に流入する、前記反応容器の下部にある前記１つまたは複数の気体入口と、
   追加的な顆粒状の冶金グレードのケイ素粒子を前記反応器に供給するため前記反応容器の上部にある１つまたは複数の固体入口と、
   廃棄固体を除去するため下部にある１つまたは複数の排出管と、
   同伴された固体を含んでもよい流出トリハロシラン気体を取り出すため前記床の上の点にある１つまたは複数の流出ポートとを有する反応容器と、
   液状の四ハロゲン化ケイ素の供給流を加熱するための第１の熱交換器であって、前記第１の熱交換器を出た前記加熱された液状の四ハロゲン化ケイ素は水素と混合されて前記液状の四ハロゲン化ケイ素の蒸発温度を低下させる、第１の熱交換器と、
   四ハロゲン化ケイ素と水素との前記混合物を蒸発させるための蒸発器と、
   四ハロゲン化ケイ素と水素との前記蒸発した混合物の温度を４５０〜５５０℃の間に上昇させるための第２の熱交換器であって、熱は前記反応容器からの前記流出トリハロシラン気流によって提供され、前記第２の熱交換器から流出する前記流出トリハロシラン気流は前記第１の熱交換器に流入する前記四ハロゲン化ケイ素の供給流のための熱源を提供する、第２の熱交換器と、
   を含むことを特徴とするシステム。
10. 前記蒸発器のための熱源は、蒸気であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記反応器から流出する前記流出トリハロシラン気体から同伴された固体を除去するための分離器をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
12. 前記反応器に流入する四ハロゲン化ケイ素と水素との前記蒸発した混合物は顆粒状の冶金グレードのケイ素粒子を同伴し、同伴された粒子を含む前記蒸発した混合物は冶金グレードのケイ素粒子の前記床に衝突して前記ケイ素粒子の磨砕を引き起こすことを特徴とする請求項９に記載のシステム。

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