JP5688653B2

JP5688653B2 - トリブロモシランの製造方法

Info

Publication number: JP5688653B2
Application number: JP2011027034A
Authority: JP
Inventors: 雅晴中山; 和哲友野
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2031-02-10
Also published as: JP2012166965A

Description

本発明は、多結晶シリコンの製造原料として有用なトリブロモシランの製造方法に関する。

多結晶シリコンの製造原料として一般的に用いられているトリクロロシランの製法としては、例えば、金属珪素と塩化水素とを、これらからトリクロロシランを生成する触媒活性を有する触媒成分及びアルカリ金属化合物の共存下に反応させる方法が提案されている（特許文献１参照）。他方、トリブロモシランも多結晶シリコンの製造原料として使用できることは知られているが（特許文献２参照）、製造コストの観点からほとんど研究がなされていないのが現状である。

ブロモシランについては、例えば、シリコンと臭化水素を反応させてブロモシランを製造することについて報告がなされている（非特許文献１参照）。この場合、トリブロモシラン（ＳｉＨＢｒ_３）とテトラブロモシラン（ＳｉＢｒ_４）が同時に反応生成物として得られる。しかしながら、非特許文献１は、主としてテトラブロモシランを得ることを目的とするものであって、多結晶シリコンの製造原料として有用なトリブロモシランを積極的に得ようとするものではない。また、反応に関して重要な臭化水素は、白金触媒を利用して水素ガスと臭素ガスの反応（Ｈ_２＋Ｂｒ_２→２ＨＢｒ）により供給をおこなっているために、反応の最適化に必要な臭化水素の流量に関する積極的な検討は行われていない。すなわち、トリブロモシランを高選択率で得る手法は十分に明らかにされていない。

特開平１０−９５６０６号公報特開昭６３−１２９０１１号公報

W. C. Schumb and R. C. Young, "A Study of the Reaction of Hydrogen Bromide with Silicon", J. Am. Chem. Soc. 52, 1464 (1930).

本発明の課題は、多結晶シリコンの製造原料であるトリブロモシランを高い選択率で得ることができる製造方法を提供することにある。

本発明者らは、製造コストが大きな弊害となり従来あまり研究の行われていなかったトリブロモシランの製造方法に関し、製造コストの点については、多結晶シリコンの製造過程において副生する臭化水素を回収し再利用する（クローズドループプロセス）ことにより解決することができることに着目し、その製造方法について鋭意研究した結果、所定条件で製造することにより、工業的にも有利な高い選択率でトリブロモシランを製造することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、上記課題を解決するためのトリブロモシランを製造する方法は、反応温度を３８０℃〜４５０℃の範囲に調整して、臭化水素とシリコンを反応させることを特徴とする。さらには、反応温度を３８０℃〜４３０℃の範囲に調整することを特徴とする。
また、臭化水素は不活性ガスで希釈し、その総流量を、反応させるシリコン１ｇあたり２０ｍｌ／ｍｉｎ以上に調整することを特徴とする。

本発明の製造方法によれば、多結晶シリコンの製造原料であるトリブロモシランを高い選択率で得ることができる。

反応温度に対する、臭化水素の転換率及びトリブロモシラン／テトラブロモシランの選択率の結果を示す図である。臭化水素と不活性ガス（窒素ガス）の総流量に対する、臭化水素の転換率及びトリブロモシラン／テトラブロモシランの選択率の結果を示す図である。臭化水素の希釈率に対する、臭化水素の転換率及びトリブロモシラン／テトラブロモシランの選択率の結果を示す図である。

本発明のトリブロモシランの製造方法としては、シリコン及び臭化水素を３８０〜４５０℃で反応させる方法であれば特に制限されるものではなく、３８０〜４３０℃で反応させることがさらに好ましい。３８０〜４５０℃で反応させることにより、約５０％以上の高い選択率でトリブロモシランを得ることができ、３８０〜４３０℃で反応させることにより、約７０％以上の高い選択率でトリブロモシランを得ることができる。なお、臭化水素の転換率が低い場合は、反応器から導出したガスを蒸留・分離し、回収した臭化水素を再利用するプロセスを構築しておくことにより、この問題を解決することができる。したがって、工業的には高い選択率を追求することが有利となる。

本発明におけるシリコンとしては、例えば純度９８〜９９％程度の金属グレードシリコンを挙げることができ、また、半導体グレードシリコンのインゴット切削時に発生する廃シリコンのような混合物を用いることもできる。実際に反応させるシリコンの形状としては、顆粒、球体、ペレット、ハニカム等任意の形状のものを使用することができる。

本発明における反応形式としては、固定床、流動床、移動床のいずれの方式であってもよいが、シリコン及び臭化水素を効率的に接触させるべく、流動床方式であることが好ましい。すなわち、シリコン粒子が収容された縦型反応器の下部から臭化水素を導入して、シリコン粒子を流動させながら反応させることが好ましい。なお、原料シリコンは反応器に随時追装されるので、通常反応器内のシリコン量はほぼ一定に保たれている。

また、臭化水素は、希釈することなく反応器に導入してもよいが、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスで希釈させて反応器に導入することが、不活性ガスのキャリア性により反応を停滞させることなく臭化水素を効率的にシリコンに接触させて、臭化水素の転換率を向上させることができることから好ましい。例えば、臭化水素割合が、５〜３５％であることが好ましく、５〜１５％であることがより好ましい。

上記のように臭化水素は不活性ガスで希釈して反応器に導入することが好ましいが、かかる混合ガスの反応器内におけるガス流量は、反応させるシリコン１ｇあたり２０ｍｌ／ｍｉｎ以上に調整することが好ましく、８０ｍｌ／ｍｉｎ以上に調整することがより好ましい。ガス流量の上限は特に制限されないが、例えば１２０〜１５０ｍｌ／ｍｉｎ程度である。従来、ガス流量を増加させることにより、テトラブロモシランの選択率（生成比）が高くなり、トリブロモシランの選択率が低くなることが知られていたが（例えば、非特許文献１参照）、本発明においては、これとは反対の事象、すなわち、ガス流量を増加させることにより、トリブロモシランの選択率が高くなることを見いだした。これは、トリブロモシラン及びテトラブロモシランの生成が競争的な発熱反応であるところ、本発明では、非特許文献１のように臭化水素の供給量を増加させるのではなく、混合ガスとしてのガス総流量を増加させ、これにより、ブロモシランの生成熱による局所温度の上昇を抑制して、トリブロモシランが生成しやすい温度に維持し、結果として、トリブロモシランの選択率を向上させることに成功したものと考えられる。

シリコン及び臭化水素を反応させた後、主としてトリブロモシラン及びテトラブロモシランが生成するが、これらの混合物は、蒸留によりトリブロモシランを分離回収することができる。トリブロモシラン及びテトラブロモシランは常温で液体であり、塩素系に比較して沸点差も大きいため蒸留により容易に分離することができる。

このように製造されたトリブロモシランは、多結晶シリコンの原材料として有用である。このトリブロモシランを出発原料とした多結晶シリコンの析出プロセスは、従来のトリクロロシランを出発原料としたプロセスに比して、対応する各反応のギブズエネルギーが小さく、低温で操業できるという利点がある。また、トリブロモシランは、クロロシラン系に比べ、シリコンの高析出収率の達成が可能であり、また、爆発性重合体やシリコンダストの形成が少ないという利点もある。

内径２０ｍｍの石英ガラス管反応容器（縦型）に、メジアン径ｄ５０である２１０μｍの金属グレードシリコン（鉄０．２５ｗｔ％，アルミニウム０．２６ｗｔ％，カルシウム０．０３７ｗｔ％，チタン０．０２１ｗｔ％を含有する）１ｇを充填し、反応器を４００℃に保持した。続いて、臭化水素ガス（１０ｍｌ／ｍｉｎ）及び窒素ガス（３０ｍｌ／ｍｉｎ）からなる混合ガスを反応器底部から流通させシリコンと接触させた。反応系に組み込んだガスクロマトグラフで反応器出口ガスをサンプリング、分析した。反応は、混合ガスの反応器への供給を開始してから５０分後にほぼ定常状態に達した。臭化水素ガスの減少量に基づいて臭化水素の転換率（％）を決定し、トリブロモシラン及びテトラブロモシランのガスクロピークのエリア比に基づいて選択率（％）を決定した。また、反応温度を変更する以外は同様の方法でシリコン及び臭化水素の反応を実施した。

反応が定常状態に達した後の臭化水素転換率とトリブロモシラン／テトラブロモシランの選択率の結果を表１及び図１に示す。

表１及び図１から明らかなように、３８０〜４５０℃で反応させることにより、約５０％以上の高い選択率でトリブロモシランを得ることができる。また、３８０〜４３０℃で反応させることにより、約７０％以上の高い選択率でトリブロモシランを得ることができ、３８０〜４１０℃で反応させることにより、約８０％以上の高い選択率でトリブロモシランを得ることができる。なお、臭化水素を回収することで臭化水素転換率が低くても問題ないが、臭化水素転換率（収率）も考慮した場合には、３９０〜４５０℃で反応させることにより、約５０％以上の高い選択率であることに加えて、約８０％以上の高い臭化水素の転換率を実現でき、３９０〜４２０℃で反応させることにより、約７０％以上の高い選択率及び臭化水素の高転換率を実現することができる。

試験例３において、混合ガスの総流量を変更する以外は同様の方法でシリコン及び臭化水素の反応を実施した。その結果を表２及び図２に示す。

表２及び図２から明らかなように、２０ｍｌ／ｍｉｎ以上で反応させることにより、約８０％以上の高い選択率でトリブロモシランを得ることができ、８０ｍｌ／ｍｉｎ以上で反応させることにより、約９０％以上の高い選択率でトリブロモシランを得ることができる。

試験例３において、臭化水素の希釈率を変更する以外は同様の方法でシリコン及び臭化水素の反応を実施した。その結果を表３及び図３に示す。

表３及び図３に示すように、臭化水素割合５〜３５％のいずれの割合においても高い選択率でトリブロモシランを得ることができ、特に臭化水素割合が５〜１４．３％の場合、高い選択率でトリブロモシランを得ることができた。

本発明は、半導体シリコンや太陽電池用シリコン等の製造に用いられる多結晶シリコンの原料として有用なトリブロモシランの製法に関するものであり、産業上の有用性は高い。

Claims

シリコン及び臭化水素を３８０〜４５０℃で反応させるトリブロモシランの製造方法であって、
不活性ガスで希釈した臭化水素を用いることを特徴とするトリブロモシランの製造方法。
３８０〜４３０℃で反応させることを特徴とする請求項１記載のトリブロモシランの製造方法。
ガス流量を、反応させるシリコン１ｇあたり２０ｍｌ／ｍｉｎ以上に調整することを特徴とする請求項１又は２記載のトリブロモシランの製造方法。
シリコンが金属グレードシリコンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のトリブロモシランの製造方法。
シリコン及び臭化水素を反応させた後、蒸留によりトリブロモシランを分離回収することを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のトリブロモシランの製造方法。