KR101672796B1 - Method for producing high purity trichlorosilane for poly-silicon using chlorine gas or hydrogen chloride - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고순도 삼염화실란(TCS, SiHCl3)의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유동층 반응기 또는 고정층 반응기와 같은 반응기 내에서 바람직하게는 구리계 촉매의 존재 하에 사염화규소(STC, SiCl4), 금속성 실리콘(MG Si), 수소(H2) 및 염소(Cl2) 혹은 염화수소(HCl)를 반응시켜 삼염화실란을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 삼염화실란 제조 방법은 실리콘 석출과정에서 발생하는 부산물인 사염화규소 및 수소를 활용할 수 있고, 추가적으로 첨가되는 염소 등에 의해 일어나는 클로린화 반응(chlorination) 효과를 함께 얻을 수 있어 하이드로클로린 반응이 단독으로 일어나는 것보다 삼염화실란의 전환율을 증가시키는 효과가 더 높다. 본 발명에 따르면 다결정실리콘 원료인 고순도의 삼염화실란을 경제적이고 효과적으로 제조할 수 있다.The present invention relates to a process for producing high purity trichlorosilane (TCS, SiHCl 3 ), and more particularly to a process for the production of silicon tetrachloride (STC, SiCl 4 ) in a reactor such as a fluidized bed reactor or a fixed bed reactor, , Metallic silicon (MG Si), hydrogen (H 2 ) and chlorine (Cl 2 ) or hydrogen chloride (HCl) to produce trichlorosilane. The method for producing trichlorosilane of the present invention can utilize silicon tetrachloride and hydrogen, which are byproducts generated in the course of silicon precipitation, and can obtain a chlorination effect caused by additional chlorine, The effect of increasing the conversion rate of trichlorosilane is higher than that occurring. According to the present invention, high purity trichlorosilane as a raw material of polycrystalline silicon can be produced economically and effectively.

금속성 실리콘, 사염화규소, 수소, 염소, 염화수소, 삼염화실란, 다결정실리콘 Metallic silicon, silicon tetrachloride, hydrogen, chlorine, hydrogen chloride, trichlorosilane, polycrystalline silicon

Description

염소가스 혹은 염화수소를 이용하여 다결정실리콘 제조원료인 고순도의 삼염화실란을 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCING HIGH PURITY TRICHLOROSILANE FOR POLY-SILICON USING CHLORINE GAS OR HYDROGEN CHLORIDE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of producing high-purity trichlorosilane as a raw material for producing polycrystalline silicon by using chlorine gas or hydrogen chloride,

본 발명은 삼염화실란(TCS, SiHCl3)의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유동층 반응기 또는 고정층 반응기와 같은 반응기 내에서 바람직하게는 구리계 촉매의 존재 하에 사염화규소(STC, SiCl4), 금속성 실리콘 (MG Si), 수소(H2), 그리고 염소(Cl2) 혹은 염화수소(HCl)를 반응시켜 삼염화실란을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for the production of trichlorosilane (TCS, SiHCl 3 ), and more particularly to a process for the production of silicon tetrachloride (STC, SiCl 4 ) (MG Si), hydrogen (H 2 ), chlorine (Cl 2 ) or hydrogen chloride (HCl).

고순도의 삼염화실란(TCS)은 태양광 산업에 사용되는 다결정 실리콘의 제조 원료나 반도체 산업의 에픽텍셜 공정에 사용된다. 삼염화실란을 이용한 태양전지용 다결정 실리콘의 제조에는 삼염화실란 가스를 수소가스로 환원시키거나 열분해로 실리콘을 석출시키는 방법이 주로 사용된다. High purity trichlorosilane (TCS) is used in the production of polycrystalline silicon used in the photovoltaic industry or in the semiconductor industry's epicutlex process. In the production of polycrystalline silicon for solar cells using trichlorosilane, a method of reducing trichlorosilane gas with hydrogen gas or precipitating silicon by pyrolysis is mainly used.

실리콘 석출방법에는 종형(Bell jar) 반응기 또는 유동층 반응기가 대표적으로 사용된다. 종형 반응기를 이용하는 방법에는 삼염화실란과 수소 가스를 종형 반 응기에 넣고 전기를 이용하여 실리콘 막대를 고온으로 가열하여 실리콘을 석출시킨다. 유동층 반응기를 이용하는 방법에는 반응가스를 이용하여 크기가 작은 실리콘 입자를 반응기에 투입하여 유동화시키면서 가열하고, 여기에 실리콘 시드(Silicon seed) 입자를 연속 공급하는 것에 의해 실리콘이 실리콘시드 입자 표면에서 석출되어 크기가 커진 다결정 실리콘을 얻게 된다. 상기 두 가지 방법 모두, 미 반응된 삼염화실란 및 부산물로 염화수소와 사염화규소가 생성되어 배출되며, 배출된 삼염화실란은 분리하여 다시 다결정 실리콘 제조원료로 사용된다. A Bell jar reactor or a fluidized bed reactor is typically used for the silicon deposition method. In the method using a bell-shaped reactor, trichlorosilane and hydrogen gas are placed in a vertical type reactor and the silicon rod is heated to a high temperature by using electricity to precipitate silicon. In the method using a fluidized bed reactor, silicon particles having a small size are injected into a reactor by using a reaction gas, heated while being fluidized, and silicon seed particles are continuously supplied to the reactor to precipitate silicon from the surface of the silicon seed particles Thereby obtaining polycrystalline silicon having a larger size. In both of the above methods, hydrogen chloride and silicon tetrachloride are produced and discharged as unreacted trichlorosilane and by-products, and the discharged trichlorosilane is separated and used again as a raw material for producing polycrystalline silicon.

이때, 부산물인 사염화규소를 이용해서 다결정 실리콘 제조원료인 삼염화실란을 제조할 수 있어야만 실리콘 생산효율을 증대시킬 수 있고, 그 결과 다결정실리콘을 경제적으로 제조할 수 있게 되어 경쟁력을 갖출 수 있게 된다. At this time, it is necessary to be able to produce trichlorosilane, which is a raw material for producing polycrystalline silicon, by using silicon tetrachloride, which is a by-product, so that the efficiency of silicon production can be increased. As a result, polycrystalline silicon can be economically manufactured and thus a competitive power can be obtained.

따라서, 현재 삼염화실란 제조공정시 사염화실란(STC)으로부터 하이드로클로린 반응에 의해 삼염화실란을 제조하는 연구가 많이 이루지고 있다.Therefore, a lot of studies have been conducted to produce trichlorosilane from hydrochloric acid from tetrachlorosilane (STC) in the process of producing trichlorosilane.

미국 특허 제3,565,590호는 반도체급 실리콘의 석출공정 후 생성된 부산물 중 하나인 염화수소와 금속성 실리콘을 반응시켜 삼염화실란을 제조하고, 다른 부산물인 사염화실란은 버너로 가열하여 흄드(fumed) 실리카를 제조하는 방법을 개시하고 있다. U.S. Patent No. 3,565,590 discloses a method for producing trichlorosilane by reacting hydrogen chloride, which is one of the byproducts produced after semiconductor-grade silicon deposition, with metallic silicon, and another by-product, tetrachlorosilane, by heating with a burner to produce fumed silica / RTI >

그러나, 이 방법은 75% 이상의 높은 TCS 선택성과, 부산물인 사염화규소를 재활용하여 폐기물의 양을 줄일 수 있다는 장점에도 불구하고, 부산물인 사염화규소를 흄드 실리카 제조에 사용하기 때문에 다결정 실리콘의 원료인 삼염화실란의 제조에 사용하는 것에 비하여 실리콘 원료의 이용효율이 떨어진다는 단점이 있고, 나아가 부산물인 사염화규소의 처리를 위하여 별도의 흄드 실리카 제조 공정이 필요하다는 단점이 있다.However, despite the high TCS selectivity of over 75% and the advantage of recycling the by-product silicon tetrachloride to reduce the amount of waste, this method uses silicon tetrachloride, a by-product, in the manufacture of fumed silica, There is a disadvantage that the utilization efficiency of the silicon raw material is inferior to that used in the production of silane, and further, there is a disadvantage in that a separate process for producing fumed silica is required for the treatment of silicon tetrachloride as a by-product.

미국특허 제4,117,094호는 약 1300℃ 고온에서 금속성 실리콘과 사염화규소를 반응시켜 이염화실란을 형성시킨 다음, 형성된 이염화실란에 염화수소를 약 1:1의 비율로 투입한 후 온도를 약 800℃로 냉각시키는 2단계의 반응을 통해 삼염화실란을 합성하는 방법을 개시하고 있다. U.S. Patent No. 4,117,094 discloses a method in which metallic silicon is reacted with silicon tetrachloride at a temperature of about 1300 ° C to form a dichlorosilane, and hydrogen chloride is added to the formed dichlorosilane at a ratio of about 1: 1, followed by cooling to about 800 ° C Discloses a method of synthesizing trichlorosilane through a two step reaction.

그러나, 이 방법은 2단계의 반응을 필요로 하기 때문에 삼염화실란 제조공정이 복잡해지고, 또한 금속성 실리콘을 고온에서 녹여야 하기 때문에 에너지가 많이 소모된다는 단점이 있다. However, this method requires a two-step reaction, which complicates the production process of trichlorosilane and also requires a large amount of energy to be dissipated at a high temperature.

미국특허 제4,165,363호는 활성탄소 촉매 하에 사염화규소와 수소를 600~1200℃의 고온에서 반응시켜 사염화규소를 삼염화실란으로 전환하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 이 방법 역시 반응온도가 높다는 단점이 있다.U.S. Patent No. 4,165,363 discloses a method for converting silicon tetrachloride to trichlorosilane by reacting silicon tetrachloride and hydrogen at an elevated temperature of 600 to 1200 ° C under an activated carbon catalyst. However, this method also has a drawback that the reaction temperature is high.

상기한 종래 기술들과 같이 반응온도가 높으면, 에너지 소비가 많으므로 경제적으로 불리하다는 단점 이외에도, 삼염화실란 이외에 이염화실란(DCS, SiH2Cl2), 사염화규소, 고비점 물질 등 원치 않는 부산물이 생겨 삼염화실란으로의 전환율이 낮아지는 문제점도 있다.In addition to the disadvantage of economical disadvantages due to the high energy consumption, high reaction temperatures as in the conventional techniques described above cause undesired by-products such as dichlorosilane (DCS, SiH 2 Cl 2 ), silicon tetrachloride, and high boiling materials in addition to trichlorosilane There is a problem that the conversion rate to trichlorosilane is lowered.

미국 특허 제 2,595,620호는 구리 촉매 하에 사염화규소와 금속성 실리콘 및 수소 가스를 400℃에서 반응시켜 사염화규소를 삼염화실란으로 전환하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 반응온도가 400 ~ 600℃로 낮아 에너지 소모는 적지만 사 염화규소의 삼염화실란으로의 전환율이 낮고, 또한 구리 촉매를 10중량% 정도로 많이 사용해야 하는 단점이 있다.U.S. Patent No. 2,595,620 discloses a method of converting silicon tetrachloride to trichlorosilane by reacting silicon tetrachloride with metallic silicon and hydrogen gas at 400 ° C under a copper catalyst. This method has a disadvantage in that the conversion temperature of silicon tetrachloride to trichlorosilane is low and the copper catalyst is used in an amount of about 10% by weight, though the energy consumption is low because the reaction temperature is low to 400 to 600 ° C.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 다결정실리콘 석출과정에서 발생하는 부산물인 사염화규소 및 수소를 활용할 수 있고, 염소 혹은 염화수소와 금속의 실리콘이 반응하여 삼염화실란을 생성시키는 클로린화 반응을 함께 진행시킬 수 있어 하이드로클로린 반응과 비교하여 높은 삼염화실란의 전환율을 얻을 수 있으며, 또한 클로린화 반응시 발생되는 열에너지를 이용할 수 있으므로, 상대적으로 저온에서 하이드로클로린화 반응을 수행할 수 있어 다결정 실리콘의 원료인 고순도 삼염화실란의 경제적이고 효과적인 제조 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to utilize silicon tetrachloride and hydrogen as byproducts generated in the polycrystalline silicon precipitation process, The chlorination reaction can be carried out at the same time so that the conversion rate of the high temperature trichlorosilane can be obtained as compared with the hydrochlorination reaction and the thermal energy generated during the chlorination reaction can be used. Therefore, the hydrochlorination reaction can be performed at a relatively low temperature It is an object of the present invention to provide an economical and effective method for producing high purity trichlorosilane as a raw material of polycrystalline silicon.

본 발명에 따르면, 촉매의 존재 하에 사염화규소(SiCl4), 금속성 실리콘(metallurgical silicon, MG Si), 수소(H2), 및 염소(Cl2) 혹은 염화수소(HCl)를 반응시키는 것을 특징으로 하는 삼염화실란(TCS)의 제조 방법이 제공된다.According to the present invention, there is provided a process for the production of a catalyst, characterized by reacting silicon tetrachloride (SiCl 4 ), metallurgical silicon (MG Si), hydrogen (H 2 ), and chlorine (Cl 2 ) or hydrogen chloride A process for producing trichlorosilane (TCS) is provided.

사염화규소와 수소를 금속성 실리콘과 반응시켜 사염화규소를 삼염화실란으로 전환시키는 반응은 3~6 Kcal/mol의 열에너지를 필요로 하는 흡열반응이다. 반면, 염소 혹은 염화수소의 존재하에 수소를 금속성 실리콘과 반응시켜 삼염화실란을 생성하는 반응은 50 Kcal/mol의 열에너지를 방출하면서 진행되는 발열반응이다. 따라서, 본 발명에서는 금속성 실리콘, 사염화규소 및 수소를 이용하는 하이드로클 로린화 반응에 염소 혹은 염화수소를 투입함으로써 클로린화 반응에 의한 발열반응에서 발생하는 열을 즉시 흡열반응에 제공할 수 있으므로, 그 결과 우수한 열효율로 삼염화실란을 제조할 수 있다. The reaction of silicon tetrachloride and hydrogen with metallic silicon to convert silicon tetrachloride to trichlorosilane is an endothermic reaction requiring 3 to 6 Kcal / mol of thermal energy. On the other hand, the reaction in which hydrogen is reacted with metallic silicon in the presence of chlorine or hydrogen chloride to produce trichlorosilane is an exothermic reaction proceeding by emitting heat energy of 50 Kcal / mol. Therefore, in the present invention, since chlorine or hydrogen chloride is introduced into the hydrochlorination reaction using metallic silicon, silicon tetrachloride, and hydrogen, the heat generated in the exothermic reaction by the chlorination reaction can be immediately supplied to the endothermic reaction, It is possible to produce trichlorosilane with thermal efficiency.

이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 삼염화실란 제조 방법은 유동층 반응기 또는 고정층 반응기와 같은 통상의 반응기 내에서 수행되며, 유동층 반응기 내에서 수행되는 것이 보다 바람직하다.The process for preparing the trichlorosilane of the present invention is carried out in a conventional reactor such as a fluidized bed reactor or a fixed bed reactor, and is more preferably carried out in a fluidized bed reactor.

본 발명의 삼염화실란 제조 방법에 있어서, 반응은 바람직하게는 400 ~ 700 ℃, 보다 바람직하게는 450~650 ℃의 온도 조건 하에서 수행된다. 반응온도가 400 ℃ 미만이면 반응이 원활하게 진행되지 않아 사염화규소(STC)가 삼염화실란(TCS)으로 전환되는 비율이 낮고, 700 ℃ 를 초과하면 많은 에너지가 소모되고 고비점 화합물 같은 부산물이 많이 생기므로 비경제적이다.In the method for producing trichlorosilane of the present invention, the reaction is preferably carried out at a temperature of 400 to 700 ° C, more preferably 450 to 650 ° C. When the reaction temperature is lower than 400 ° C., the reaction does not proceed smoothly and the rate of conversion of silicon tetrachloride (STC) to trichlorosilane (TCS) is low. When the temperature exceeds 700 ° C., a lot of energy is consumed and many by- It is uneconomical.

또한 본 발명의 삼염화실란 제조 방법에 있어서, 반응은 바람직하게는 1 ~ 40 bar, 보다 바람직하게는 5 ~ 15 bar의 압력 조건 하에서 수행된다. 이 압력 조건이 1 bar 미만이면 원활한 반응이 진행되기 어렵고, 투입되는 STC의 TCS로의 전환이 매우 낮다. 또한 압력이 30 bar를 초과하기 위해서는 아주 특별한 반응기가 필요하며, 특수재질로 반응기를 제작해야 하기 때문에 고비용이 든다. In the method for producing trichlorosilane of the present invention, the reaction is preferably carried out under a pressure of 1 to 40 bar, more preferably 5 to 15 bar. If this pressure condition is less than 1 bar, it is difficult for the reaction to proceed smoothly and the transition of the input STC to TCS is very low. Also, in order for the pressure to exceed 30 bar, a very special reactor is required, which is expensive because the reactor must be made of a special material.

또한 본 발명의 삼염화실란 제조 방법에 있어서, 반응기 내에서 반응물의 체류시간은 3 ~ 30 초이며, 바람직한 반응시간은 5 ~ 15초 이다.Further, in the method for producing trichlorosilane of the present invention, the residence time of the reactants in the reactor is 3 to 30 seconds, and the preferable reaction time is 5 to 15 seconds.

본 발명의 삼염화실란 제조 방법에서 사용되는 촉매로는 사염화규소를 삼염 화실란으로 전환시키는 반응에 사용 가능한 촉매가 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 삼염화실란으로의 전환율 및 선택성 측면에서 바람직하게는 구리계 촉매, 그 중에서도 더욱 바람직하게는 구리(Cu) 금속, 또는 염화구리(I)(CuCl) 또는 염화구리(II)(CuCl2)와 같은 할로겐화 구리가 사용된다. 촉매의 사용량에는 특별한 제한이 없으나, 반응 및 전체 공정 효율의 측면에서 바람직하게는 반응물 총량의 0.5 ~ 5중량 %, 보다 바람직하게는 1 ~ 3중량 %가 사용된다.As the catalyst used in the process for producing trichlorosilane of the present invention, a catalyst which can be used for the reaction to convert silicon tetrachloride to trichlorosilane can be used without any particular limitation, and from the viewpoint of the conversion and selectivity into trichlorosilane, Among them, copper (Cu) metal, or copper halide such as copper (I) (CuCl) or copper (II) chloride (CuCl 2 ) is more preferably used. There is no particular limitation on the amount of the catalyst to be used, but 0.5 to 5% by weight, more preferably 1 to 3% by weight, of the total amount of the reactants is preferably used in view of the reaction and overall process efficiency.

본 발명의 삼염화실란 제조 방법에 있어서, 반응의 출발물질로서 사용되는 금속성 실리콘(Si(MG))은 이산화규소(SiO2) 원광을 탄소 등의 환원제와 반응시켜 제조된 순도 약 98 ~ 99%의 실리콘으로서, 입자 크기가 바람직하게는 20 ~ 500㎛, 보다 바람직하게는 50 ~ 250㎛인 것이 사용된다. 금속성 실리콘 입자의 크기가 20㎛ 미만이면 반응기내의 유동화로 인해 금속실리콘이 반응에 참여하지 않은 상태로 반응기 밖으로 이탈되기 쉽다. 또한 500㎛을 초과하면 효과적인 유동화가 이루어지지 않기 때문에 염소(Cl2) 투입에 의해 생성되는 반응열을 효과적으로 분산시키기 어렵다.In the method for producing trichlorosilane of the present invention, the metallic silicon (Si (MG)) used as the starting material of the reaction is a compound having a purity of about 98 to 99% prepared by reacting a silicon dioxide (SiO 2 ) As the silicone, a particle size of preferably 20 to 500 mu m, more preferably 50 to 250 mu m is used. If the size of the metallic silicon particles is less than 20 占 퐉, the metallic silicon tends to escape from the reactor without participating in the reaction due to fluidization in the reactor. On the other hand, if it exceeds 500 mu m, effective fluidization can not be performed, and it is difficult to effectively disperse the reaction heat generated by chlorine (Cl 2 ) injection.

본 발명에 있어서는, 유동화 반응기 내에 금속성 실리콘을 채워 놓고 상기 원료 가스들(사염화규소, 수소, 염소 등)을 반응기 하부에서 투입하여 반응기내에서 금속성 실리콘 입자를 유동화시키면서 반응시키므로, 금속성 실리콘은 반응기 내에서 정량 반응 대비 과량으로 존재하도록 하면 된다. In the present invention, since metallic silicon is filled in the fluidizing reactor and the raw material gases (silicon tetrachloride, hydrogen, chlorine, etc.) are injected from the lower portion of the reactor to react the metallic silicon particles while fluidizing the metallic silicon in the reactor, It may be present in excess of the quantitative reaction.

또한, 본 발명의 삼염화실란 제조 방법에 있어서, 반응의 출발물질로서 사용 되는 수소(H2)의 양은 사염화규소 1몰 당 바람직하게는 1 ~ 10몰, 보다 바람직하게는 2 ~ 4몰이다. 사염화규소 1몰 당 사용되는 수소의 양이 1몰 미만이면 STC가 TCS로 전환되는 효율이 떨어지는 문제가 있고, 10몰을 초과하면 과량의 수소를 가열하기 위해 너무 많은 에너지를 사용하여 바람직하지 않다.Further, in the method for producing trichlorosilane of the present invention, the amount of hydrogen (H 2 ) used as a starting material for the reaction is preferably 1 to 10 moles, more preferably 2 to 4 moles, per 1 mole of silicon tetrachloride. When the amount of hydrogen used per 1 mole of silicon tetrachloride is less than 1 mole, there is a problem that the efficiency of STC conversion into TCS is low. When it exceeds 10 moles, too much energy is used to heat an excessive amount of hydrogen.

또한, 본 발명의 삼염화실란 제조 방법에 있어서, 반응의 출발물질로서 사용되는 염소(Cl2) 또는 염화수소(HCl)의 양은 사염화규소 1몰 당 바람직하게는 0.025 ~ 2몰, 보다 바람직하게는 0.05 ~ 1몰이다. The amount of chlorine (Cl 2 ) or hydrogen chloride (HCl) used as a starting material in the reaction of the present invention is preferably 0.025 to 2 mol, more preferably 0.05 to 2 mol, per mol of silicon tetrachloride. 1 mole.

본 발명의 삼염화실란 제조 방법에 있어서, 반응의 출발물질인 사염화규소, 수소, 및 경우에 따라 염화수소는 외부에서 별도로 공급되는 것을 사용할 수도 있고, 다결정실리콘 제조 공정에서 부산물로서 발생하는 것을 재순환시켜 사용할 수도 있으며, 외부에서 공급되는 것과 재순환되는 것을 혼합하여 사용할 수도 있다. 그러나 염소는 반응공정 자체에서 생성되는 것이 아니라 외부에서 공급 받아 사용된다. In the method for producing trichlorosilane of the present invention, the starting materials of the reaction, silicon tetrachloride, hydrogen, and, if necessary, hydrogen chloride may be supplied separately from the outside, or may be used as a by- It may be mixed with recycled materials supplied from the outside. However, chlorine is not produced in the reaction process itself but supplied from the outside.

상기한 바와 같이 다결정실리콘 제조 공정에서 부산물로서 발생하는 사염화규소, 수소, 및 경우에 따라 염화수소를 재순환시켜 삼염화실란의 제조에 사용하면, 다결정실리콘 제조시 배출되는 폐기가스의 처리공정을 간소화 할 수 있고, 실리콘 공급원을 최대한 활용할 수 있으므로, 경제적으로 커다란 이점이 있다. As described above, when silicon tetrachloride, hydrogen and, if necessary, hydrogen chloride, which are generated as byproducts in the polycrystalline silicon production process, are recycled and used in the production of trichlorosilane, the process of treating exhaust gas in the production of polycrystalline silicon can be simplified , The silicon source can be utilized to its full advantage, which is economically advantageous.

이하에서 도 1을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIG.

도 1은, 본 발명에 따른 삼염화실란의 제조공정을 포함하는 다결정 실리콘의 제조공정의 일 구체예에 대한 개략도로서, 이 구체예에서 다결정 실리콘의 제조공정 중에 회수된 수소(H2)와 염화수소(HCl), 사염화규소는 삼염화실란의 제조공정으로 재순환된다.FIG. 1 is a schematic view of one embodiment of a process for producing polycrystalline silicon including a process for producing trichlorosilane according to the present invention, wherein hydrogen (H 2 ) and hydrogen chloride (hydrogen) recovered in the process of producing polycrystalline silicon HCl), and silicon tetrachloride is recycled to the process of preparing trichlorosilane.

도 1에 따르면, 사염화규소를 삼염화실란으로 전환하는 반응은 유동층 반응기(FBR) 내에서 수행되며, 반응의 출발물질 중 금속성 실리콘(MG Si)과 염화구리(I)와 같은 구리계 촉매의 혼합물은 외부에서 유동층 반응기(FBR) 내로 투입되고, 사염화규소(STC)와 수소(H2) 혹은 염화수소(HCl)는 다결정실리콘 제조과정에서 발생되는 배출가스로서 반응 공정 내에서 순환되어 삼염화실란제조 반응기 내로 투입된다. 염소(Cl2)는 다결정 실리콘 제조공정의 외부에서 유동층 반응기 내로 투입된다. 1, the reaction for converting silicon tetrachloride to trichlorosilane is carried out in a fluidized bed reactor (FBR), and a mixture of metallic silicon (MG Si) and a copper-based catalyst, such as copper (I) chloride, (STC), hydrogen (H 2 ), or hydrogen chloride (HCl) is introduced into the fluidized bed reactor (FBR) from the outside and is circulated in the reaction process as an exhaust gas generated during the production of polycrystalline silicon, do. Chlorine (Cl 2 ) is injected into the fluidized bed reactor from outside the polycrystalline silicon manufacturing process.

유동층 반응기 내의 온도는 400 ~ 700℃로, 압력은 1 ~ 40 bar로 유지하며, 반응물을 반응기내에서 3 ~ 30초 동안 반응시켜 삼염화실란(TCS)을 제조한다. 반응이 완료된 후 혼합물 내에는 반응 생성물인 삼염화실란 이외에도 미 반응된 수소, 염소 및 사염화규소, 부산물인 이염화실란(DCS) 및 헥사클로로디실록산, 헥사클로로디실란 등과 같은 고비점 물질(HB)이 존재하는데, 이러한 삼염화실란 이외의 물질들은 추가적인 분리 칼럼(C1 내지 C3)을 통과함으로써 제거되고, 최종적으로 다결정실리콘 제조에 사용 가능한 고순도의 삼염화실란이 얻어진다. 분리 컬럼 C1에서 회수된 수소 와 분리 칼럼 C2에서 회수된 사염화규소는 유동층 반응기로 재순환되고, 분리 칼럼 C3에서 회수된 사염화규소는 분리 컬럼 C2로 재 투입된다. 이렇게 얻어진 고순도의 삼염화실란은 종형 반응기에 투입되고, 여기에서 수소와 반응하여 다결정실리콘이 제조된다. 종형 반응기에서 배출되는 가스에는 사염화규소, 삼염화실란, 염화수소 및 수소가 함유되어 있으며, 이 배출 가스는 분리 컬럼 C4에서 각각의 구성성분들로 분리되어 사염화규소 및 삼염화실란은 분리 컬럼 C2로 재 투입되고, 수소는 종형 반응기로 재순환되며, 염화수소는 고순도로 가스로서 분리하여 판매하거나, 다른 목적으로 사용된다.The temperature in the fluidized bed reactor is maintained at 400 to 700 ° C and the pressure is maintained at 1 to 40 bar. The reaction product is reacted in the reactor for 3 to 30 seconds to prepare trichlorosilane (TCS). After the reaction is completed, in addition to the reaction product, trichlorosilane, unreacted hydrogen, chlorine and silicon tetrachloride, a byproduct dichlorosilane (DCS) and a high boiling point material (HB) such as hexachlorodisiloxane and hexachlorodisilane are present in the mixture Substances other than the trichlorosilane are removed by passing through additional separation columns (C1 to C3), and a high purity trichlorosilane is finally obtained which can be used for the production of polycrystalline silicon. The hydrogen recovered in the separation column C1 and the silicon tetrachloride recovered in the separation column C2 are recycled to the fluidized bed reactor and the silicon tetrachloride recovered in the separation column C3 is reintroduced into the separation column C2. The high purity trichlorosilane thus obtained is introduced into a bell-shaped reactor, where it reacts with hydrogen to produce polycrystalline silicon. The gas discharged from the bell-shaped reactor contains silicon tetrachloride, trichlorosilane, hydrogen chloride, and hydrogen. The exhaust gas is separated into individual components in the separation column C4, and silicon tetrachloride and trichlorosilane are re-introduced into the separation column C2 , Hydrogen is recycled to the bell-shaped reactor, and hydrogen chloride is separated and sold as gas at high purity or used for other purposes.

본 발명에 따르면 실리콘 석출과정에서 발생하는 부산물인 사염화규소와 수소를 활용할 수 있고, 상대적으로 저온에서 반응을 수행할 수 있으며, 또한 염소의 추가 투입으로 인해 클로린반응에 의해 발생되는 열을 효과적으로 이용할 수 있으므로, 다결정 실리콘의 원료인 고순도의 삼염화실란을 경제적이고 효과적으로 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to utilize silicon tetrachloride and hydrogen, which are byproducts generated in the silicon precipitation process, to perform the reaction at a relatively low temperature and to effectively utilize the heat generated by the chlorine reaction due to the addition of chlorine Therefore, a high purity trichlorosilane as a raw material of polycrystalline silicon can be produced economically and effectively.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 보다 상세히 설명하나, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

실시예 1~6Examples 1 to 6

촉매로서 염화구리(Ⅰ)(CuCl) 0.25 ~ 2.5g(반응물 총 중량의 0.5 ~ 5중량%) 및 반응물질로서 입자 크기가 53 ~ 212㎛인 금속성 실리콘 50g을 길이 23cm의 SUS 316 반응기에 넣고, 질소 가스를 흘려 금속성 실리콘과 반응기 내의 수분을 제거하였다. 다음으로, 반응기 온도를 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 유지하며 사염화규 소, 수소 및 염소를 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 몰비로 투입하고, 반응기내에서 3 ~ 30초 동안 반응시켰다. 반응기 내의 압력은 약 10 bar를 유지하였다. 사염화규소, 수소 및 염소는 450℃로 유지된 예열기로 예열한 후에 반응기로 투입함으로써 투입시 반응기 온도가 급격히 떨어지는 것을 방지하였으며, 사염화규소의 투입에는 정량펌프를 이용하였고, 수소와 염소의 투입에는 질량유량 조절장치(Mass Flow Controller, MFC)를 이용하였다. 0.25 to 2.5 g of copper (I) (CuCl) as a catalyst (0.5 to 5 wt% of the total weight of the reactants) and 50 g of metallic silicon having a particle size of 53 to 212 μm as a reactant were placed in a SUS 316 reactor having a length of 23 cm, Nitrogen gas was flowed to remove metallic silicon and moisture in the reactor. Next, the temperature of the reactor was maintained as shown in Table 1, and silicon tetrachloride, hydrogen, and chlorine were charged in the molar ratios shown in Table 1 below, and reacted for 3 to 30 seconds in the reactor. The pressure in the reactor was maintained at about 10 bar. Silicon tetrachloride, hydrogen, and chlorine were preheated in a preheater maintained at 450 ° C and then introduced into the reactor to prevent the reactor temperature from dropping sharply. The dosing of silicon tetrachloride was carried out using a metering pump. Mass flow controller (MFC) was used.

반응 완료 후 결과 혼합물은 반응기와 온라인(On-line)으로 연결된 기체크로마토그래피(Gas Chromatography)를 통해서 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.After completion of the reaction, the resultant mixture was analyzed by gas chromatography connected to the reactor on-line, and the results are shown in Table 1 below.

Figure 112009069082468-pat00001
Figure 112009069082468-pat00001

실시예 7~14Examples 7 to 14

촉매로서 염화구리(I)(CuCl)을 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 사용하고, 반응기 온도를 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 유지하며 사염화규소, 수소 및 염소를 하기 표 2에 나타낸 바와 같은 몰비로 투입한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 반응을 수행하여 삼염화실란을 제조하였다.(I) (CuCl) were used as catalysts as shown in the following Table 2, and the temperature of the reactor was maintained as shown in Table 2, and silicon tetrachloride, hydrogen and chlorine were added in the molar ratios shown in Table 2 The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 to prepare trichlorosilane.

그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The results are shown in Table 2 below.

Figure 112009069082468-pat00002
Figure 112009069082468-pat00002

비교예 1~2Comparative Examples 1 to 2

염소를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 반응을 수행하여 삼염화실란을 제조하였다. 반응기 온도는 하기 표 3에 나타낸 바와 같이 유지하였다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that chlorine was not used to prepare trichlorosilane. The reactor temperature was maintained as shown in Table 3 below.

그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The results are shown in Table 3 below.

Figure 112009069082468-pat00003
Figure 112009069082468-pat00003

비교예 3~6Comparative Examples 3 to 6

염소를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 2와 같은 방법으로 반응을 수행하여 삼염화실란을 제조하였다. 반응기 온도는 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 유지하였으며, 촉매로서 염화구리(I)(CuCl)은 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 사용하였다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 2, except that chlorine was not used, to prepare trichlorosilane. The reactor temperature was maintained as shown in Table 4 below and copper (I) chloride (CuCl) was used as catalyst as shown in Table 4 below.

그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.The results are shown in Table 4 below.

Figure 112009069082468-pat00004
Figure 112009069082468-pat00004

상기 표 1 내지 4에 나타난 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예들의 경우 반응 결과 혼합물 중의 이염화실란과 고비점 물질의 양은 대응 비교예 1 내지 6과 비교하여 거의 차이가 없으나, 삼염화실란의 양은 유의한 수준으로 증가하였다. As can be seen from the results shown in Tables 1 to 4, in the case of the embodiments of the present invention, the amount of the dichlorosilane and the high-boiling substance in the mixture is substantially the same as that of the corresponding Comparative Examples 1 to 6, Of the total population increased to a significant level.

도 1은 다결정실리콘 제조공정 중에 발생되는 수소(H2) 및 염화수소(HCl)와 사염화규소를 회수하여 삼염화실란의 제조공정에 투입하고, 염소(Cl2)를 외부에서 추가적으로 투입하여 삼염화실란의 제조 효율을 높이는 반응시스템의 구성을 보여주는 것으로, 본 발명에 따른 삼염화실란의 제조공정을 포함하는 다결정실리콘 제조공정의 일 구체예에 대한 개략도이다.1 is manufactured of a further input to trichlorosilane hydrogen (H 2) and hydrogen chloride (HCl) and the number of silicon tetrachloride were charged into a manufacturing process of trichlorosilane, and chlorine (Cl 2) generated in a polycrystalline silicon manufacturing process outside the FIG. 3 is a schematic view showing one embodiment of a polycrystalline silicon manufacturing process including a manufacturing process of trichlorosilane according to the present invention, showing the structure of a reaction system for increasing efficiency.

[도면에 나타낸 부호의 설명][Description of reference numerals shown in the drawings]

MG Si: 금속성 실리콘(metallurgical silicon)MG Si: Metallurgical silicon

STC: 사염화규소(silicon tetrachloride)STC: silicon tetrachloride

DCS: 이염화실란(dichlorosilane)DCS: dichlorosilane

TCS: 삼염화실란(trichlorosilane)TCS: trichlorosilane

HB: 고비점 물질(High boiler)HB: High boiler material

Poly Si: 다결정실리콘(polycrystalline silicon)Poly Si: polycrystalline silicon

FBR: 유동층 반응기(Fluidized Bed Reactor)FBR: Fluidized Bed Reactor

C1 ~ C4: 분리칼럼C1 to C4: separation column

BJR: 종형 반응기(Bell Jar Reactor)BJR: Bell Jar Reactor

Claims (7)

유동층 반응기 내에서, 반응물 총 중량의 1~2.5중량%에 해당하는 CuCl 촉매의 존재하에 사염화규소, 금속성 실리콘, 수소, 및 염소를, 사염화규소 1몰당 수소 2몰 및 염소 0.025~0.075몰의 비로 사용하여, 3~30초간 반응시키는 것을 특징으로 하는 삼염화실란의 제조 방법.In a fluid bed reactor, silicon tetrachloride, metallic silicon, hydrogen, and chlorine are used in a ratio of 2 moles of hydrogen per mole of silicon tetrachloride and 0.025 to 0.075 moles of chlorine in the presence of a CuCl catalyst corresponding to 1 to 2.5 wt% And the reaction is carried out for 3 to 30 seconds. 제1항에 있어서, 반응은 400~700℃의 온도 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 삼염화실란의 제조 방법.The process for producing trichlorosilane according to claim 1, wherein the reaction is carried out at a temperature of 400 to 700 ° C. 제1항에 있어서, 반응은 1 ~ 40 bar 압력 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 삼염화실란의 제조 방법.The process for producing trichlorosilane according to claim 1, wherein the reaction is carried out under a pressure of 1 to 40 bar. 삭제delete 제1항에 있어서, 사염화규소 및 수소로는 하이드로클로린 공정과 다결정실리콘 제조 공정에서 부산물로서 발생하여 재순환된 것이 사용되는 것을 특징으로 하는 삼염화실란의 제조 방법.The process for producing trichlorosilane according to claim 1, wherein silicon tetrachloride and hydrogen are generated as a by-product in the hydrochlorination process and the polycrystalline silicon production process and recycled. 삭제delete 삭제delete
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