KR20110119479A - 사염화규소를 이용한 삼염화실란 제조시 불순물을 제거하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사염화규소를 이용한 삼염화실란의 제조시 발생하는 불순물을 제거하는 방법으로서, 불순물을 반응기 내 일정 온도 하에서 염화나트륨과 반응시켜 액체화된 화합물을 형성하는 단계 및 제거 노즐을 통해 일정한 노즐 온도 하에서 액체화된 화합물을 제거하는 단계를 포함하는 불순물 제거 방법에 관한 것이다.

Description

사염화규소를 이용한 삼염화실란 제조시 불순물을 제거하는 방법{A method for removing impurities in preparation of trichlorosilane by using silicon tetrachloride}

본 발명은 사염화규소를 이용한 삼염화실란의 제조시 발생하는 불순물을 제거하는 방법으로서, 불순물을 반응기 내 일정 온도 하에서 염화나트륨과 반응시켜 액체화된 화합물을 형성하는 단계 및 제거 노즐을 통해 일정한 노즐 온도 하에서 액체화된 화합물을 제거하는 단계를 포함하는 불순물 제거 방법을 제공한다.

고순도의 다결정 규소의 제조는 삼염화실란의 분해를 통해서 얻어진다. 이러한 삼염화실란은 일차적으로 유동화 반응기에서 저순도의 다결정 규소를 염화수소와 반응시켜 제조되며, 이 과정에서 발생한 사염화규소는 다시 다른 유동화 반응기를 거쳐서 삼염화실란으로 제조된다.

사염화규소를 이용하여 제조된 삼염화실란으로 고순도의 다결정 규소를 제조함에 있어서, 핵심적인 문제는 다량의 불순물들을 효과적으로 제거하여 삼염화실란을 고순도화 하는 것이고, 그러한 불순물들은 사염화규소에서 삼염화실란으로 제조되는 과정에서 사용되는 저순도 다결정 규소 내 규소 외의 성분, 예를 들어 철, 알루미늄, 티타늄, 보론, 포스포러스 등으로부터 비롯된다.

이들은 삼염화실란 제조시 함께 불순물화하여 공정장치들에 문제를 야기할 수 있다.

상기 불순물로서 대표적인 것은 알루미늄 화합물로, 더 상세하게는 삼염화알루미늄이다. 삼염화알루미늄의 경우, 178 ℃에서 승화되기 때문에 178 ℃이하에서는 고체상으로 존재한다. 따라서 공정 온도가 178 ℃이하가 되었을 경우, 삼염화알루미늄은 배관이나 열교환기에 고체로서 존재하면서 막힘 현상을 발생시킬 가능성이 크다. 이러한, 삼염화알루미늄의 제거에는 증류 장치가 이용되어 왔다. 하지만, 삼염화실란 제조시에 발생하는 불순물 중, 삼염화알루미늄의 비율이 크기 때문에, 증류장치를 이용하여 제거하는 경우, 증류탑에 높은 부하를 발생시키고 증류탑의 효율을 감소시키는 문제를 야기하게 된다.

삼염화실란의 불순물을 제거하는 방법으로서, 일반적으로는 디페닐티오카르바존 및 트리페닐클로로메탄 등을 첨가하여, 불순물을 높은 끓는점을 갖는 착물 거대분자로 형성시켜, 이를 증류탑을 통해 제거하는 방법이 있다. (PCT/IT2005/000662) 하지만 이러한 불순물 제거 방법 역시, 다량의 불순물 화합물이 발생하였을 경우에는 증류탑에 과도한 부담을 주기 때문에 적절하지 않다. 또한 착물 거대분자를 형성하기 위해 첨가되는 디페닐티오카르바존 및 트리페닐클로로 메탄 등, 그 자체로 인한 고순도 삼염화실란의 오염 가능성도 크다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은 사염화규소를 이용한 삼염화실란의 제조시, 발생하는 불순물을 염화나트륨과 반응시켜 액체화된 화합물로 형성시킴으로써 불순물을 제거하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은, 사염화규소를 이용한 삼염화실란의 제조시 발생하는 불순물을 제거하는 방법으로서, 불순물을 반응기 내 일정 온도 하에서 염화나트륨과 반응시켜 액체화된 화합물을 형성하는 단계 및 제거 노즐을 통해 일정한 노즐 온도 하에서 액체화된 화합물을 제거하는 단계를 포함하는 불순물 제거 방법을 제공한다.

본 발명의 일구체예로서, 상기한 불순물은 알루미늄 화합물인 것을 특징으로 하는 불순물 제거 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일구체예로서, 상기한 불순물은 삼염화알루미늄 불순물인 것을 특징으로 하는 불순물 제거 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일구체예로서, 반응기 내 일정 온도는 150 내지 350 ℃인 것을 특징으로 하는 불순물 제거 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일구체예로서, 일정한 노즐 온도는 150 내지 400 ℃인 것을 특징으로 하는 불순물 제거 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방법을 사용하면, 불순물에 의한 공정 장치의 막힘 현상을 방지할 수 있고, 기존의 불순물 제거를 위하여 증류탑을 이용하는 방법의 문제점이었던 증류탑의 과도한 부하로 인한 낮은 불순물 제거 효율성을 극복할 수 있다.

도 1은 사염화규소를 이용하여 삼염화실란을 제조하는 유동화반응기 및 함께 발생하는 불순물을 제거하는 장치에 대한 개략도이다.

사염화규소를 삼염화실란으로 변환하는 반응은 하기와 같다.

SiCl₄ + H₂ -> HSiCl₃ + HCl

3HCl + Si -> HSiCl₃ + H₂

상기 반응에서, 사염화규소를 삼염화실란으로 변환할 때 사용하는 저순도 다결정 규소의 표 1과 같은 규소 외 성분들에 의해 삼염화실란 제조시, 알루미늄 화합물 및 기타 금속화합물이 불순물로서 생성된다.

표 1. 저순도 다결정 규소의 규소 외 성분

생성된 불순물들은 반응기 내 일정 온도 하에서 염화나트륨과 반응하여 액체화된 화합물을 형성하고 제거 노즐을 통해 일정한 노즐 온도 하에서 제거된다.

도 1을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

유동화반응기 (3) 내부에 저순도 규소(2)를 채워넣고 500 내지 1000℃ 사이에서 사염화규소와 수소를 유입구(1)를 통해 투입한다. 투입한 사염화규소와 수소는 저순도 규소(2)와 반응하여 삼염화실란 및 불순물들을 동시에 생성하게 된다.

유동화반응기에서 발생된 생성물들을 불순물 제거 반응기(8)와 연결된 배관(4)을 통하여 불순물 제거 반응기(8)로 투입한다. 불순물 제거 반응기(8)에는 염화나트륨(6)이 채워져 있고, 유동화반응기에서 발생된 생성물 중 불순물들은 염화나트륨과 반응하여 액체화된 화합물을 형성한다. 이 때, 불순물 제거 반응기의 온도는 150 내지 350℃ 사이를 유지해야 한다. 150℃ 보다 낮으면 제거된 불순물이 고체화 되어 제거하기 힘들고 350 ℃보다 높으면 기화되어 삼염화실란에 불순물이 포함되어 이송된다.

액체화된 화합물은 제거 노즐(7)을 통하여 배출된다. 이 때, 노즐의 온도는 150 내지 400℃ 사이를 유지해야 한다. 150℃ 보다 낮으면 불순물이 고체화되어 노즐을 막게 되고 400 ℃보다 높으면 기화되어 불순물의 배출이 어렵게 된다.

불순물이 제거된 고순도의 삼염화실란은 배출 노즐(5)를 통하여 배출된다. 한편, 소비된 염화나트륨은 유입 노즐(9)을 통하여 지속적으로 보충해주는 것이 필요하다.

상술한 바와 같이 사염화규소를 이용한 삼염화실란 제조시 발생하는 불순물을 염화나트륨을 사용하여 액체화된 화합물로 변화시킴으로써 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다.

이하 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

선행적으로, 유동화반응기에 저순도 규소 290 g을 채워넣은 후 300 ℃ ~ 400 ℃ 사이에서 염화수소를 불어넣어 삼염화실란과 사염화규소를 발생시키고, 이 때 발생한 사염화규소는 수소와 혼합하여 상기 유동화반응기와는 다른 유동화반응기에 투입한다.

투입된 사염화규소 및 수소 혼합물은 유동화반응기에 미리 채워진 저순도 규소 350g과 반응하여 삼염화실란 및 불순물을 발생시킨다. 생성된 삼염화실란과 불순물은 염화나트륨이 채워진 불순물 제거 반응기를 통과시켜 불순물을 제거하고 불순물이 제거된 유출물을 ICP-MS 분석을 통해 확인하였다.

비교예 1

실시예 1과 동일한 조건으로 진행하되, 생성된 삼염화실란과 불순물을 불순물 제거 반응기를 통과과정 없이 ICP-MS 분석을 통해 확인하였다.

실시예 2

본 실시예는 고순도 삼염화실란을 이용한 고순도 실리콘 제조 반응기에서 발생한 부산물인 사염화규소를 이용한다. 고순도 실리콘 제조 반응기에서 발생한 사염화규소를 수소와 함께 유동화반응기에 투입하여 실시예 1과 동일한 조건으로 삼염화실란 및 불순물을 제조한 후, 이를 염화나트륨이 채워진 불순물 제거 반응기를 통과시켜 불순물을 제거하고 불순물이 제거된 유출물을 ICP-MS 분석을 통해 확인하였다.

비교예 2

실시예 2와 동일한 조건으로 발생된 사염화 규소를 유동화 반응기에 투입하여 비교예 1과 동일한 조건으로 삼염화실란을 제조하여 분석하였다.

표 2. 실시예 및 비교예의 ICP-MS 분석 결과 (단위: ppb)

상기 표 2는 실시예 및 비교예의 ICP-MS 분석 결과이다. 실시예 1, 2의 경우 비교예 1, 2에 비하여 불순물의 함량이 크게 감소하였음을 알 수 있다.

1. 유입구
2. 저순도 규소
3. 유동화 반응기
4. 불순물 제거 반응기로의 연결 배관
5. 배출 노즐
6. 염화나트륨
7. 제거 노즐
8. 불순물 제거 반응기
9. 염화나트륨 유입 노즐

Claims (5)

1. 사염화규소를 이용한 삼염화실란의 제조시 발생하는 불순물을 제거하는 방법으로서, 불순물을 반응기 내 일정 온도 하에서 염화나트륨과 반응시켜 액체화된 화합물을 형성하는 단계 및 제거 노즐을 통해 일정한 노즐 온도 하에서 액체화된 화합물을 제거하는 단계를 포함하는 불순물 제거 방법.
2. 제 1항에 있어, 불순물은 알루미늄 화합물인 것을 특징으로 하는 불순물 제거 방법.
3. 제 1항에 있어, 불순물은 삼염화알루미늄 불순물이고 액체화된 화합물은 사염화알루미늄 화합물인 것을 특징으로 하는 불순물 제거 방법.
4. 제 1항에 있어, 반응기 내 일정 온도는 150 내지 350 ℃인 것을 특징으로 하는 불순물 제거 방법.
5. 제 1항에 있어, 일정한 노즐 온도는 150 내지 400 ℃인 것을 특징으로 하는 불순물 제거 방법.
   
   

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