KR20140006835A - Methods and systems for producing silane - Google Patents
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Abstract
반응성 성분을 재생시키기 위해 전기분해를 사용하는 실란의 제조 방법 및 시스템이 기재되어 있다. 상기 방법 및 시스템은 할로겐, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및/또는 수소에 대하여 실질적으로 폐루프일 수 있다.Described are methods and systems for the production of silanes using electrolysis to regenerate reactive components. The method and system may be substantially closed loop for halogen, alkali metal or alkaline earth metal and / or hydrogen.
Description
본 개시내용의 분야는 실란의 제조 방법, 특히 반응성 성분을 재생시키기 위해 전기분해의 사용을 포함하는 방법에 관한 것이다. 일부 특정 실시양태는 실란의 제조가 할로겐 및/또는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속에 대하여 실질적으로 "폐루프(closed-loop)"인 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The field of the present disclosure relates to methods of making silanes, particularly those involving the use of electrolysis to regenerate reactive components. Some specific embodiments relate to a method wherein the preparation of the silane is substantially "closed-loop" to halogen and / or alkali or alkaline earth metals.
실란은 수많은 공업적 용도를 갖는 다목적 화합물이다. 반도체 산업에서, 실란은 반도체 웨이퍼 상에 에피택셜(epitaxial) 실리콘 층의 퇴적 및 다결정질 실리콘의 제조를 위해 이용될 수 있다. 다결정질 실리콘은 유동상(fluidized bed) 반응기에서의 실란의 실리콘 입자상으로 열분해에 의해 제조될 수 있는, 예를 들어 집적 회로 및 광전지 (즉, 태양 전지)를 비롯한 여러 상품의 제조에 사용되는 필수적인 원료이다.Silanes are multipurpose compounds with numerous industrial uses. In the semiconductor industry, silanes can be used for the deposition of epitaxial silicon layers on semiconductor wafers and for the production of polycrystalline silicon. Polycrystalline silicon is an essential raw material used in the manufacture of various commodities including, for example, integrated circuits and photovoltaic cells (i.e. solar cells), which can be produced by pyrolysis into silicon particles of silane in a fluidized bed reactor. to be.
실란은 모든 관련있고 부합되는 목적을 위해 본원에 참고로 포함되는 미국 특허 제4,632,816호에 개시된 바와 같이, 실리콘 테트라플루오라이드와, 나트륨 알루미늄 테트라하이드라이드와 같은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 알루미늄 하이드라이드의 반응에 의해 제조할 수 있다. 상기 방법은 고에너지 효율을 특징으로 하지만; 출발 물질 비용이 이러한 시스템의 경제에 불리하게 영향을 줄 수 있다.Silanes are incorporated into the reaction of silicon tetrafluoride with alkali or alkaline earth metal aluminum hydrides, such as sodium aluminum tetrahydride, as disclosed in US Pat. No. 4,632,816, which is incorporated herein by reference for all relevant and consistent purposes. It can manufacture. The method is characterized by high energy efficiency; Starting material costs can adversely affect the economy of these systems.
별법으로, 실란은 모든 관련있고 부합되는 목적을 위해 본원에 포함되는 문헌 [Mueller et al. in "Development and Economic Evaluation of a Reactive Distillation Process for Silane Production," Distillation and Adsorption: Integrated Processes, 2002]에 개시된 바와 같이, 야금용 실리콘이 수소 및 실리콘 테트라클로라이드와 반응하여 트리클로로실란을 생성하는 소위 "유니언 카바이드 공정(Union Carbide Process)"으로 제조할 수 있다. 트리클로로실란은 후속적으로 일련의 불균화 및 증류 단계를 거쳐 실란 최종 생성물을 제조한다. 상기 방법은 초기 설비 비용 뿐만 아니라, 운전 비용을 증가시키는 다수의 대량 재순환 스트림을 필요로 한다.Alternatively, silanes are incorporated herein by Mueller et al. For all relevant and consistent purposes. in "Development and Economic Evaluation of a Reactive Distillation Process for Silane Production," Distillation and Adsorption: Integrated Processes, 2002, the so-called "metallurgical silicon reacts with hydrogen and silicon tetrachloride to produce trichlorosilane. Union Carbide Process ". Trichlorosilane is subsequently subjected to a series of disproportionation and distillation steps to produce the silane final product. The method requires not only initial plant costs, but also a large number of large recycle streams that increase operating costs.
따라서, 실란을 제조하기 위한 경제적인 방법 및 제조 방법에서 사용되는 특정 물질에 대하여 폐루프인 방법이 계속해서 요구되고 있다. 또한, 실질적인 폐루프 시스템을 포함하는 그러한 방법을 수행하기 위한 시스템도 요구되고 있다.Therefore, there is a continuing need for methods that are closed loops for economical methods for producing silanes and for certain materials used in the production methods. There is also a need for a system for performing such a method that includes a substantially closed loop system.
본 개시내용의 한 측면은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염 공급원으로부터 실란을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염이 전기분해되어 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 것을 포함한다. 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 수소와 접촉하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성한다. 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 함유하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스가 할로겐 가스와 (1) 실리콘 테트라할라이드를 생성하는 실리콘 및 (2) 할로겐화 수소를 생성하는 수소 중 1종 이상의 접촉에 의해 생성되고, 여기서 할로겐화 수소는 실리콘과 추가로 접촉하여 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 함유하는 혼합물을 생성한다. 할로겐화된 공급물 가스는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 염을 생성한다.One aspect of the disclosure relates to a method of making silane from an alkali metal or alkaline earth metal halide salt source. The method includes the alkali metal or alkaline earth metal halide salt being electrolyzed to produce metallic alkali or alkaline earth metal and halogen gas. Metallic alkali or alkaline earth metals are contacted with hydrogen to produce alkali or alkaline earth metal hydrides. Halogenated silicon feed gas containing at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalides, trihalosilanes, dihalosilanes and monohalosilanes produces halogen gases and (1) silicon tetrahalides. And (2) at least one contact of hydrogen to produce hydrogen halide, where the hydrogen halide is further contacted with silicon to produce a mixture containing silicon tetrahalide and trihalosilane. The halogenated feed gas is contacted with an alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal hydride salts.
본 개시내용의 또 다른 측면은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속에 대한 실질적인 폐루프 시스템에서의 실란의 제조 방법에 관한 것이다. 할로겐화된 실리콘 공급물 가스는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성한다. 할라이드 염은 전기분해되어 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성한다. 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 수소와 접촉하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성한다. 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 수소의 접촉에 의해 생성된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스와 접촉하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성한다.Another aspect of the disclosure relates to a method of making silane in a substantially closed loop system for alkali metals or alkaline earth metals. The halogenated silicon feed gas is contacted with an alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal halide salts. Halide salts are electrolyzed to produce metallic alkali or alkaline earth metals and halogen gases. Metallic alkali or alkaline earth metals are contacted with hydrogen to produce alkali or alkaline earth metal hydrides. Alkali or alkaline earth metal hydrides produced by the contact of metallic alkali or alkaline earth metals and hydrogen are contacted with the halogenated silicon feed gas to produce silane and alkali or alkaline earth metal halide salts.
본 개시내용의 또 다른 측면은 할로겐에 대한 실질적인 폐루프 시스템에서의 실란의 제조 방법에 관한 것이다. 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 함유하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성한다. 할라이드 염은 전기분해되어 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성한다. 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 함유하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스가 할로겐 가스와 (1) 실리콘 테트라할라이드를 생성하는 실리콘 및 (2) 할로겐화 수소를 생성하는 수소 중 1종 이상의 접촉에 의해 생성되고, 여기서 할로겐화 수소는 실리콘과 추가로 접촉하여 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 포함하는 혼합물을 생성한다. 할로겐화된 실리콘 공급물 가스는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성한다.Another aspect of the disclosure relates to a method of making silane in a substantially closed loop system for halogen. Halogenated silicon feed gases containing one or more halosilanes selected from the group consisting of silicon tetrahalides, trihalosilanes, dihalosilanes and monohalosilanes are contacted with alkali metal or alkaline earth metal hydrides to give silane and alkali Produces metal or alkaline earth metal halide salts. Halide salts are electrolyzed to produce metallic alkali or alkaline earth metals and halogen gases. Halogenated silicon feed gas containing at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalides, trihalosilanes, dihalosilanes and monohalosilanes produces halogen gases and (1) silicon tetrahalides. And (2) at least one contact of hydrogen to produce hydrogen halide, where the hydrogen halide is further contacted with silicon to produce a mixture comprising silicon tetrahalide and trihalosilane. The halogenated silicon feed gas is contacted with an alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal halide salts.
본 개시내용의 또 다른 측면에서, 다결정질 실리콘의 폐루프 제조 방법은 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 함유하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스가 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 것을 포함한다. 실란은 열분해되어 다결정질 실리콘 및 수소를 생성한다. 할라이드 염은 전기분해되어 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성한다. 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 함유하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스가 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드의 전기분해에 의해 생성된 할로겐 가스와 (1) 실리콘 테트라할라이드를 생성하는 실리콘 및 (2) 할로겐화 수소를 생성하는 수소 중 1종 이상의 접촉에 의해 생성되고, 여기서 할로겐화 수소는 실리콘과 추가로 접촉하여 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 함유하는 혼합물을 생성한다. 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 실란의 열분해로부터 생성된 수소와 접촉하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성한다. 할로겐 가스 또는 할로겐화 수소와 실리콘의 접촉에 의해 생성된 할로겐화된 실리콘 공급물 가스는 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 수소의 접촉에 의해 생성된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성한다.In another aspect of the present disclosure, a method for making a closed loop of polycrystalline silicon is halogenated containing at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalide, trihalosilane, dihalosilane and monohalosilane. The silicon feed gas is contacted with an alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and an alkali metal or alkaline earth metal halide salt. Silanes are pyrolyzed to produce polycrystalline silicon and hydrogen. Halide salts are electrolyzed to produce metallic alkali or alkaline earth metals and halogen gases. Halogenated silicon feed gas containing at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalides, trihalosilanes, dihalosilanes and monohalosilanes is produced by the electrolysis of alkali or alkaline earth metal halides. Produced by contact of at least one of halogen gas with (1) silicon to produce silicon tetrahalide and (2) hydrogen to produce hydrogen halide, wherein the hydrogen halide is further contacted with silicon to form silicon tetrahalide and trihalo A mixture containing silane is produced. Metallic alkali or alkaline earth metals are contacted with hydrogen generated from pyrolysis of silanes to produce alkali or alkaline earth metal hydrides. The halogenated silicon feed gas produced by the contact of halogen gas or hydrogen halide with silicon is brought into contact with the alkali metal or alkaline earth metal hydride produced by the contact of metallic alkali metal or alkaline earth metal with hydrogen to form silane and alkali metal or alkali. Produces earth metal halide salts.
본 개시내용의 또 다른 측면에서, 실질적인 폐루프 방법으로 실란을 제조하는 시스템은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염이 전기분해되어 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 용기를 포함한다. 상기 시스템은 실리콘과 (1) 용기로부터 방출된 할로겐 가스 및 (2) 용기로부터 방출된 할로겐 가스와 수소의 접촉에 의해 생성된 할로겐화 수소 중 1종 이상의 반응에 의해 (1) 실리콘 테트라할라이드 및 (2) 트리할로실란 중 1종 이상을 생성하는 할로겐화 반응기를 포함한다. 상기 시스템은 용기로부터 방출된 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 수소가 반응하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 하이드라이드 반응기를 포함한다. 상기 시스템은 (1) 실리콘 테트라할라이드 및 (2) 트리할로실란 중 1종 이상이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 반응하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 실란 반응기를 포함한다.In another aspect of the present disclosure, a system for producing silanes in a substantially closed loop method includes a vessel wherein an alkali metal or alkaline earth metal halide salt is electrolyzed to produce metallic alkali metal or alkaline earth metal and halogen gas. The system comprises (1) silicon tetrahalide and (2) by reaction of at least one of silicon with (1) halogen gas released from the vessel and (2) hydrogen halide generated by contact of hydrogen with halogen gas emitted from the vessel. ) Halogenated reactors producing at least one of trihalosilanes. The system includes a hydride reactor in which hydrogen reacts with a metallic alkali or alkaline earth metal released from the vessel to produce an alkali or alkaline earth metal hydride. The system includes a silane reactor in which at least one of (1) silicon tetrahalide and (2) trihalosilane reacts with an alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal halide salts.
본 개시내용의 상기에 언급된 측면과 관련하여 명시된 특징이 다양하게 개선된다. 추가 특징이 또한 본 개시내용의 상기에 언급된 측면에 포함될 수 있다. 이러한 개선 및 추가 특징은 개별적으로 또는 임의로 조합되어 존재할 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 예시된 실시양태 중 어느 하나와 관련하여 하기에 논의된 다양한 특징이 본 개시내용의 상기에 기재된 측면 중 어느 하나에 단독으로 또는 임의로 조합되어 포함될 수 있다.The specified features in connection with the above-mentioned aspects of the present disclosure are variously improved. Additional features can also be included in the aforementioned aspects of the disclosure. These improvements and additional features may be present individually or in any combination. For example, various features discussed below in connection with any of the illustrated embodiments of the present disclosure may be included alone or in any combination in any of the aspects described above of the present disclosure.
도 1은 본 개시내용의 실시양태에 따른, 할라이드 염의 전기분해를 포함하는 실란 제조 시스템의 개략도이고;
도 2는 할라이드 염의 전기분해에 적합한 다운스 셀(Down's cell)의 단면도이고;
도 3은 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 함유하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 제조 시스템의 개략도이고;
도 4는 본 개시내용의 실시양태에 따른, 실란을 제조하는 실질적인 폐루프 시스템의 개략도이고;
도 5는 본 개시내용의 실시양태에 따른, 다결정질 실리콘을 제조하는 실질적인 폐루프 시스템의 개략도이다.
상응하는 참조 부호는 도면 전체에서 상응하는 부재를 나타낸다.1 is a schematic diagram of a silane preparation system comprising electrolysis of a halide salt, in accordance with an embodiment of the present disclosure;
2 is a cross-sectional view of a Down's cell suitable for the electrolysis of halide salts;
3 is a schematic diagram of a halogenated silicon feed gas preparation system containing silicon tetrahalide and trihalosilane;
4 is a schematic diagram of a substantially closed loop system for making silanes, in accordance with embodiments of the present disclosure;
5 is a schematic diagram of a substantially closed loop system for producing polycrystalline silicon, in accordance with embodiments of the present disclosure.
Corresponding reference characters indicate corresponding parts throughout the drawings.
본 개시내용의 실시양태의 방법은 실란 제조 방법에서 전기분해를 사용하여 반응성 성분을 재생시킨다. 전기분해는 실란 제조 방법이 임의적으로 시스템에서 사용되는 특정 화합물, 예컨대 할로겐 (예를 들어, 염소) 및/또는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 (예를 들어, 나트륨)에 대하여 실질적으로 폐루프 시스템이 되도록 한다. 본원에서 사용된 표현 "실질적으로 폐루프 방법" 또는 "실질적으로 폐루프 시스템"은 그 화합물에 대하여 시스템 또는 방법이 폐루프인 화합물이 불순물로서가 아니라면 시스템 또는 방법으로 회수되지 않고, 또한 불순물로서 시스템에서 유실된 화합물의 양을 보충하는 것 (예를 들어, 보충되는 화합물의 양은 하기에 더욱 자세히 설명된 바와 같이, 시스템 내에서 순환하는 전체의 약 5% 미만임) 이외의 목적으로는 시스템 또는 방법에 공급되지 않는 방법 또는 시스템을 말한다.The method of embodiments of the present disclosure uses electrolysis in the silane manufacturing process to regenerate the reactive components. Electrolysis allows the silane manufacturing method to be a substantially closed loop system, optionally for certain compounds used in the system, such as halogens (eg chlorine) and / or alkali or alkaline earth metals (eg sodium). . As used herein, the expression “substantially closed loop method” or “substantially closed loop system” is not recovered by the system or method unless the compound or system in which the system or method is a closed loop is an impurity for the compound, and is also an impurity system. The system or method for purposes other than supplementing the amount of the compound lost (e.g., the amount of the compound to be supplemented is less than about 5% of the total circulating in the system, as described in more detail below). Refers to a method or system that is not supplied to.
본 개시내용의 하나 이상의 실시양태에서, 실란은 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염의 전기분해에 의해 제조된다. 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 수소와 반응하여 하이드라이드를 생성하고, 할로겐 가스는 실리콘 (또한 일부 실시양태에서는, 추가적으로 수소)과 반응하여 실리콘 테트라할라이드 및, 일부 실시양태에서는 트리할로실란을 함유하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 생성한다. 공급물 가스는 반응하여 실란 및 할라이드 염을 생성한다. 방법이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스 중 1종 이상에 대하여 실질적으로 폐루프인 실시양태에서, 할라이드 염 부산물은 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 할라이드 염의 전기분해에 의해 재순환한다.In one or more embodiments of the present disclosure, the silane is prepared by electrolysis of an alkali metal or alkaline earth metal halide salt that produces a metallic alkali metal or alkaline earth metal and a halogen gas. The metallic alkali or alkaline earth metal reacts with hydrogen to produce hydrides, and the halogen gas reacts with silicon (also in some embodiments, additionally hydrogen) to contain silicon tetrahalides and, in some embodiments, trihalosilanes. Produces a halogenated silicon feed gas. The feed gas reacts to produce silane and halide salts. In embodiments where the process is substantially closed loop for at least one of alkali metal or alkaline earth metal and halogen gas, the halide salt by-product is recycled by electrolysis of the halide salt to produce metallic alkali metal or alkaline earth metal and halogen gas.
실란을Silane 제조하기 위한 전기분해의 사용 Use of electrolysis to manufacture
여기서 도 1을 참조하면, 할라이드 염 (3)이 용기 (4)에 도입되고, 여기서 할라이드 염이 전기분해되어 할로겐 가스 (예를 들어, Cl2) 및 금속 (예를 들어, 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속)을 생성한다. 본원에서 사용된 "할라이드 염"은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐을 함유한다. 할라이드 염은 MXy의 화학식을 가질 수 있고, 여기서 M은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, X는 할로겐이고, y는 M이 알칼리 금속일 경우에는 1이고, M이 알칼리 토금속일 경우에는 2이다. 할라이드 염의 (또한 하기에 기재된 특정 실시양태에서는 폐루프 시스템 내에서 재순환하는) 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 바륨, 칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 할로겐은 불소, 염소, 브롬, 요오드 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 염화나트륨의 광범위한 이용가능성과, 염화나트륨이 다른 할라이드 염에 비해 그의 구성 부분 (예를 들어, 클로라이드 가스 및 나트륨 금속)으로 보다 용이하게 분리될 수 있다는 점을 고려하면, 나트륨이 바람직한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고 클로라이드가 바람직한 할로겐이다. 이와 관련하여, 특히 하기에 기재된 바와 같이 실란의 제조 방법 및 시스템이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속에 대하여 폐루프인 실시양태에서, 임의의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 사용될 수 있고, 또한 임의의 할로겐이 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.Referring here to FIG. 1,
할라이드 염이 전기분해되는, 한 적합한 용기 (4)는 다운스 셀(Downs cell)이다. 다운스 셀의 예가 도 2에 도시되어 있고, 일반적으로 부호 "20"으로 언급된다. 다운스 셀 (20)은 그 안에 1종 이상의 할라이드 염 (15)을 포함하고 애노드 (anode; 14) 및 캐소드 (cathode; 16)를 함유한다. 애노드 (14)는, 예를 들어 탄소 (예를 들어, 흑연)로 구성될 수 있고, 캐소드 (16)는, 예를 들어 강철 또는 철로 구성될 수 있다. 애노드 (14)에서, 염소 이온이 산화되어 할로겐 가스 (예를 들어, Cl2)를 형성한다. 캐소드 (16)에서, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온이 환원되어 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 형성한다. 이와 관련하여, 본원에서 사용된 용어 "금속성"은 산화수가 0인 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 말하는 것임을 알아야 한다. 형성된 할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 분리기 (19)에 의해 나눠진다. 분리기 (19)는 강철 또는 철로 만들어진 스크린(screen) 또는 거즈(gauze)일 수 있다. 이와 관련하여, 다운스 셀 이외의 전기분해 셀, 예컨대 모든 관련있고 부합되는 목적을 위해 본원에 참고로 포함되는 미국 특허 제5,904,821호에 개시된 전기분해 셀이 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.One
생성된 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 할라이드 염보다 농도가 낮고, 이는 셀에서 그러한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 상승하게 한다. 할로겐 가스 또한 상승하고, 할로겐 가스 (18)와 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 (17)이 둘다 다운스 셀로부터 제거된다. 제2 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염을 다운스 셀에 첨가하여, 공융 혼합물을 형성하고 전기분해되는 할라이드 염의 융점을 억제(suppress)하여 할라이드 염을 용융시키고/용융시키거나 할라이드 염을 용융된 상태로 유지하는 에너지 비용을 줄일 수 있다. 예를 들어, 염화나트륨이 다운스 셀 (20)에서 전기분해될 경우에, 일정량의 염화칼슘, 염화알루미늄 또는 탄산나트륨을 첨가하여 염화나트륨의 융점을 억제할 수 있다. 예를 들어, 염화나트륨 단독의 융점이 801℃인 것에 반해, 염화칼슘 53.2 몰% 및 염화나트륨 46.8 몰%를 함유하는 혼합물은 494℃의 융점을 가지며, 탄산나트륨 23.1 몰% 및 염화나트륨 76.9 몰%를 함유하는 예시 혼합물은 634℃의 융점을 갖는다. 바람직하게는, 제2 염의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 할라이드 염의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 동일하거나, 할라이드 염의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 환원에 영향을 주지 않도록 할라이드 염의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속보다 약한 산화제이다.The resulting metallic alkali or alkaline earth metal is lower in concentration than the halide salt, which causes such alkali or alkaline earth metal to rise in the cell. Halogen gas also rises, and both
다시 도 1을 참조하면, 할로겐 가스 (18)가 할로겐화 반응기 (8)에 도입되고, 여기서 할로겐 가스가 실리콘 (6)과 접촉하여 실리콘 테트라할라이드 (예를 들어, SiCl4)를 함유하는 할로겐화된 공급물 가스 (21)를 생성한다. 상기 반응은 하기와 같이 설명된다.Referring again to FIG. 1, a
Si + 2X2 → SiX4 (1)Si + 2X 2 → SiX 4 (1)
실리콘 (6)의 공급원은 야금용 실리콘일 수 있지만; 실리콘의 다른 공급원, 예컨대 모래 (즉, SiO2), 석영, 수석, 규조토, 규산염 광물, 플루오로실리케이트 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 이와 관련하여, 본원에서 사용된 바와 같이, 2종 이상의 반응성 화합물의 "접촉"은 일반적으로 성분의 반응을 초래하고, 용어 "접촉" 및 "반응"은 이들 용어의 파생어인 것처럼 같은 뜻을 가지며, 이들 용어 및 이들의 파생어는 제한적인 의미로 간주되어서는 안된다는 것을 알아야 한다.The source of
실리콘과의 직접 반응에 대한 별법으로서 도 3에 도시된 바와 같이, 할로겐 가스 (18)는 할로겐화 수소 버너(burner) (25) (동의어로 할로겐화 수소 "오븐" 또는 "노(furnace)")에서 수소 (28)와 반응하여 할로겐화 수소 (26; HX)를 형성할 수 있다. 할로겐화 수소 (26)는 할로겐화 반응기 (8)에서 하기에 나타낸 반응에 따라 실리콘 (6)과 반응하여 트리할로실란 및 실리콘 테트라할라이드를 함유하는, 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21')를 형성할 수 있다.As shown in FIG. 3 as an alternative to direct reaction with silicon,
Si + 3HX → SiHX3 + H2 (2) Si + 3HX → SiHX 3 + H 2 (2)
Si + 4HX → SiX4 + 2H2 (3)Si + 4HX → SiX 4 + 2H 2 (3)
할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21') 중의 실리콘 테트라할라이드 대 트리할로실란의 몰비는 달라질 수 있고, 다양한 실시양태에서 약 1:7 내지 약 1:2 또는 약 1:6 내지 약 1:3일 수 있다. 이와 관련하여, 실리콘 (6)과 할로겐화 수소 (26)의 반응은 또한 비제한적으로 일정량의 디할로실란 및/또는 모노할로실란을 생성할 수 있다는 것을 알아야 한다.The molar ratio of silicon tetrahalide to trihalosilane in the halogenated silicon feed gas 21 'may vary, and in various embodiments is about 1: 7 to about 1: 2 or about 1: 6 to about 1: 3 days Can be. In this regard, it should be appreciated that the reaction of
특정 실시양태에서, 할로겐 가스 (18)가 수소 (28)와 반응하여 할로겐화 수소를 형성한 후에 실리콘과 반응하여 트리할로실란 및 실리콘 테트라할라이드를 포함하는 혼합물을 형성하는 것 (도 3)이 실리콘의 직접적인 할로겐화 (도 1)에 비해 바람직한데, 그 이유는 하기 반응 5-6ii에 나타낸 바와 같이 실리콘 테트라할라이드보다 트리할로실란으로부터 실란을 제조하는 것이 하이드라이드를 적게 사용하기 때문이다. 추가로, 직접적인 할로겐화 반응은 할로겐화 수소와 실리콘의 반응보다 높은 온도를 요구할 수 있고 제어하기가 더 어려울 수 있다.In certain embodiments,
수소 (28)의 공급원은 수소 공급물 (31)과 관련하여 하기에 기재된 공급원으로부터 선택될 수 있다. 임의로, 수소 (28)의 공급원은 할로겐화된 공급물 가스 (21')와 함께 재순환하는 수소 또는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21')로부터 분리된 수소일 수 있다. 수소는 증기-액체 분리기 (도시되지 않음)의 사용으로 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21')로부터 분리될 수 있다. 이러한 증기-액체 분리기의 예에는 유입되는 가스의 압력 및/또는 온도가 감소하여, 저비점 가스 (예를 들어, 실리콘 테트라할라이드 및/또는 트리할로실란)가 응축되어 고비점 가스 (예를 들어, 수소)로부터 분리되도록 하는 용기가 포함된다. 적합한 용기에는 당업계에서 일반적으로 "녹아웃 드럼(knock-out drum)"이라 하는 용기가 포함된다. 임의로, 용기는 가스의 분리를 촉진하도록 냉각될 수 있다. 별법으로, 수소는 하나 이상의 증류 컬럼에 의해 분리될 수 있다.The source of
도 3에 도시된 바와 같이 할로겐화 수소 버너에서의 수소와 할로겐의 반응 후에, 할로겐화 반응기에서 할로겐화 수소와 실리콘의 반응이 이어지는 것에 대한 별법으로서, 수소 가스, 할로겐 가스 및 실리콘이 한 용기에서 반응하여 트리할로실란 및 실리콘 테트라할라이드를 포함하는 혼합물을 생성할 수 있다. 이와 관련하여, 할로겐화 수소의 제조가 일반적으로 무수성 할로겐화 수소 가스와 관련하여 설명되었지만, 일부 실시양태에서 당업자에게 공지된 방법으로 실리콘과 반응하여 트리할로실란 및 실리콘 테트라할라이드를 포함하는 혼합물을 생성할 수 있는 수성 할로겐화 수소 및 특히 수성 HF가 생성될 수 있다는 것을 알아야 한다. 추가로 이와 관련하여, 할로겐화 수소와 실리콘의 반응 생성물이 트리할로실란 및 실리콘 테트라할라이드를 포함하는 혼합물로서 기재되었지만, 반응 파라미터는 실리콘 테트라할라이드 및 단지 미량의 트리할로실란 (예를 들어, 약 5 부피% 미만 또는 약 1 부피% 미만)을 생성하거나 또는 미량의 실리콘 테트라할라이드 (예를 들어, 약 5 부피% 미만 또는 약 1 부피% 미만)와 함께 트리할로실란을 생성하도록 제어될 수 있다는 것을 알아야 한다.As an alternative to the subsequent reaction of hydrogen halide and silicon in a halogenation reactor, following the reaction of hydrogen and halogen in a hydrogen halide burner as shown in FIG. It is possible to produce a mixture comprising rosilane and silicon tetrahalide. In this regard, although the preparation of hydrogen halides has been generally described in connection with anhydrous hydrogen halide gas, in some embodiments it reacts with silicon in a manner known to those skilled in the art to produce a mixture comprising trihalosilane and silicon tetrahalide. It should be noted that aqueous hydrogen halide and especially aqueous HF can be produced. Further in this regard, although the reaction product of hydrogen halide and silicon has been described as a mixture comprising trihalosilane and silicon tetrahalide, the reaction parameters are limited to silicon tetrahalide and only trace amounts of trihalosilane (eg, about Control to produce less than 5% by volume or less than about 1% by volume) or trihalosilane with trace amounts of silicon tetrahalide (eg, less than about 5% by volume or less than about 1% by volume). You should know that
할로겐화 반응기 (8)는 실리콘이 유입되는 가스 (예를 들어, 할로겐 (18) (도 1) 또는 할로겐화 수소 (26) (도 3))에 부유하는 유동상으로서 작동할 수 있다. 할로겐화 반응기 (8)는, 특히 불소가 할로겐으로서 선택될 경우에 실온 (예를 들어, 약 20℃)에서 작동할 수 있다. 보다 일반적으로, 반응기는 약 20℃ 이상, 약 75℃ 이상, 약 150℃ 이상, 약 250℃ 이상, 약 500℃ 이상, 약 750℃ 이상, 약 1000℃ 이상 또는 약 1150℃ 이상 (예를 들어, 약 20℃ 내지 약 1200℃, 약 250℃ 내지 약 1200℃ 또는 약 500℃ 내지 약 1200℃)의 온도에서 작동할 수 있다. 반응기 (8)는 약 1 bar 이상, 약 3 bar 이상 또는 약 6 bar 이상 (예를 들어, 약 1 bar 내지 약 8 bar 또는 약 3 bar 내지 약 8 bar)의 압력에서 작동할 수 있다.The
이와 관련하여, 도 1에 도시된 할로겐화된 실리콘 공급물 스트림 (21) 및 도 3에 도시된 할로겐화된 실리콘 공급물 스트림 (21')은 실리콘 테트라할라이드 또는 트리할로실란 이외의 할로실란, 예컨대 일정량의 모노할로실란 및/또는 디할로실란을 함유할 수 있다는 것을 알아야 한다. 추가로, 할로겐화된 실리콘 공급물 스트림 (21) 또는 할로겐화된 실리콘 공급물 스트림 (21')은 불균화 시스템 (도시되지 않음)에 도입되어 일정량의 트리할로실란, 디할로실란 및/또는 모노할로실란을 생성할 수 있다. 본원에서 사용된 "할로겐화된 실리콘 공급물 가스"는 임의의 양의 1종 이상의 할로실란 (즉, 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 또는 모노할로실란)을 함유하는 임의의 가스를 포함하고, 불균화 시스템에 도입되지 않은 가스 및 불균화 시스템에 도입된 가스를 둘다 포함한다는 것을 알아야 한다.In this regard, the halogenated
다시 도 1을 참조하면, 할로겐화된 실리콘 공급물 스트림 (21) (또는 도 3에서처럼 할로겐화된 실리콘 공급물 스트림 (21'))이 실란 반응기 (30)에 도입되어 실란 (35)을 제조한다. 실란 반응기 (30)에 도입되기 전에, 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21) (또는 실리콘 테트라할라이드와 트리할로실란을 둘다 함유하는 공급물 가스 (21'))는 불순물, 예컨대 알루미늄 할라이드 또는 철 할라이드 (예를 들어, 할라이드가 염소일 경우에는 AlCl3 및/또는 FeCl3) 및/또는 실리콘 중합체 (예를 들어, 할라이드가 염소일 경우에는 SinClm 중합체)를 제거하기 위해 정제될 수 있다. 이러한 불순물은 가스를 냉각시켜 불순물을 시스템으로부터 석출시킴으로써 제거할 수 있다. 석출된 불순물은 가스를 미립자 분리기, 예컨대 백 필터(bag filter) 또는 사이클론 분리기(cyclonic separator)로 도입함으로써 제거할 수 있다. 불순물 (예를 들어, 금속 할라이드 및/또는 실리콘 중합체)을 석출시키기 위해, 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21) (또는 실리콘 테트라할라이드 및/또는 트리할로실란 혼합물 (21'))는 약 200℃ 미만, 또는 다른 실시양태에서처럼 약 175℃ 미만, 약 150℃ 미만 또는 약 125℃ 미만 (예를 들어, 약 100℃ 내지 약 200℃ 또는 약 125℃ 내지 약 175℃)의 온도로 냉각될 수 있다. 가스는 열교환 장치 및/또는 냉각 장치에서 냉각수 또는 냉각 오일과 열교환함으로써 냉각될 수 있다. 불순물 제거 후에, 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21) (또는 실리콘 테트라할라이드 및/또는 트리할로실란 혼합물 (21'))는 10 부피% 미만의 불순물 (즉, 할로실란 이외의 화합물) 또는 약 5 부피% 미만, 약 1 부피% 미만, 약 0.1 부피% 미만 또는 약 0.01 부피% 미만의 불순물 (예를 들어, 0.001 부피% 내지 약 10 부피% 또는 약 0.001 부피% 내지 약 1 부피%)을 함유할 수 있다.Referring again to FIG. 1, halogenated silicon feed stream 21 (or halogenated
전기분해 생성물로서 생성된 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 (17)은 하이드라이드 반응기 (9)에 도입된다. 일정량의 수소 (31)가 또한 하이드라이드 반응기 (9)에 도입된다. 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 수소 사이의 반응은 하기 반응으로 나타낸 바와 같이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 (32)를 생성한다.The metallic alkali or
(2/y)M + H2 → (2/y)MHy (4)(2 / y) M + H 2 → (2 / y) MH y (4)
상기 반응식에서, y는 M이 알칼리 금속일 경우에는 1이고, M이 알칼리 토금속일 경우에는 2이다. 예를 들어, M이 Na일 경우에는 반응이 하기와 같이 진행된다.In the above scheme, y is 1 when M is an alkali metal, and 2 when M is an alkaline earth metal. For example, when M is Na, the reaction proceeds as follows.
2Na + H2 → 2NaH (4i)2Na + H 2 → 2NaH (4i)
M이 Ca일 경우에는, 반응이 하기와 같이 진행된다.When M is Ca, the reaction proceeds as follows.
Ca + H2 → CaH2 (4ii)Ca + H 2 → CaH 2 (4ii)
반응 4는 하이드라이드 반응기 (9)에서 용매의 존재하에 발생할 수 있다. 적합한 용매에는 다양한 탄화수소 화합물, 예컨대 톨루엔, 디메틸 에테르, 디글림(diglyme) 및 NaAlCl4와 같은 이온성 액체가 포함된다. NaAlCl4가 사용되는 실시양태에서, 하이드라이드 반응기 (9)는 전극을 포함할 수 있다. 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드의 공급량이 고갈되면, 나트륨 (NaAlCl4로부터의 일정량의 Na 포함)과 H2가 반응하도록 전극에 에너지가 공급되고 하이드라이드 화합물을 재생시킬 수 있다. NaAlCl4가 용매로서 사용되는 실시양태에서, 다른 이온성 화합물이 첨가되어 공융 혼합물을 형성할 수 있고, 이는 모든 관련있고 부합되는 목적을 위해 본원에 포함되는 미국 특허 제6,482,381호에 개시되어 있다.
하이드라이드 반응기 (9)는 교반형 탱크 반응기일 수 있고, 여기에 일정량의 용매 (도시되지 않음) 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 (17)이 첨가된다. 수소 (31)는 반응 혼합물을 통해 기포를 형성하여 배치식(batch) 또는 반연속식 또는 연속식 공정으로 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 (32)를 형성할 수 있다. 수소 (31)의 적합한 공급원은 시판되는 수소 또는 다른 공정 스트림으로부터 수득된 수소를 포함한다. 예를 들어, 수소는 할로겐화 수소가 실리콘과 반응하는 실시양태에서 트리할로실란 및 실리콘 테트라할라이드 혼합물 (21')로부터 분리될 수 있다 (예를 들어, 상기에 기재된 증기-액체 분리기). 선택적으로 또는 추가적으로, 다결정질 실리콘의 하류 제조 동안에 실란으로부터 방출된 수소가 사용될 수 있다. 반응기 (9)에 첨가되는 용매, 수소 (31) 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 (17)의 양은 반응기 (9)에서의 하이드라이드 대 용매 양의 중량비가 약 1:20 이상, 또한 다른 실시양태에서는 약 1:10 이상, 약 1:5 이상, 약 1:3 이상, 약 2:3 이상 또는 약 1:1 이상 (예를 들어, 약 1:20 내지 약 1:1 또는 약 1:10 내지 약 2:3)일 수 있도록 선택될 수 있다.The
하나 이상의 실시양태에서, 반응기 (9)에서의 반응 혼합물은, 예를 들어 하나 이상의 임펠러(impeller)를 갖는 하나 이상의 비교적 고속 교반 혼합기를 사용하여 잘 혼합된다. 비교적 고속 교반은 수소 용해 속도를 최대화하도록 수소가 반응 혼합물 전체에 잘 분산되도록 하고, 또한 액체 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 용해된 수소와의 반응에 연속적으로 이용가능하도록 임의의 고체 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속으로부터 전단한다(shear). 이와 관련하여 특정 이론에 구애됨이 없이, 하이드라이드 반응기에서의 물질 전달은 액체 횡방향 저항에 좌우되고, 부피측정(volumetric) 가스-액체 물질 전달 계수 (KLaG)는 약 100 내지 약 1000000 s-1, 보다 전형적으로는 약 1,000 내지 약 10,000 s-1인 것으로 예상된다. 특정 부피측정 가스-액체 물질 전달 계수 (KLaG)는 반응기 (9)에서 사용하기 위해 선택된 특정 하이드라이드 및 용매에 따라 달라질 수 있다는 것을 주목해야 한다. 상기 값은 당업자라면 공지된 방법론에 따라 용이하게 결정할 수 있다 (예를 들어, 시간의 함수로서 수소 이용량 측정).In one or more embodiments, the reaction mixture in
본 개시내용의 다수의 실시양태에서, 하이드라이드 반응기 (9)는 고압 조건, 예컨대 약 50 bar 이상, 약 125 bar 이상, 약 200 bar 이상, 약 275 bar 이상 또는 약 350 bar 이상 (예를 들어, 약 50 bar 내지 약 350 bar 또는 약 50 bar 내지 약 200 bar)의 압력하에 작동한다. 하이드라이드 반응기 (9)는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드의 열분해보다 낮은 온도, 예컨대 약 160℃ 미만, 약 145℃ 미만 또는 약 130℃ 미만 (예를 들어, 약 120℃ 내지 약 160℃)의 온도에서 작동할 수 있다.In many embodiments of the present disclosure, the
알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 (32)는 전형적으로 유기 용매에서 고체이다. 용매에 현탁된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 (32)를 함유하는 슬러리가 실란 반응기 (30)에 도입되어 실란 (35)을 제조할 수 있다. 이와 관련하여, 본 개시내용의 다른 특정 실시양태에서, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 (32)가 보다 소량의 용매를 함유하는 고체 또는 케이크(caked) 고체로서 실란 반응기 (30)에 도입될 수 있다는 것을 알아야 한다. 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 원심분리 또는 여과 또는 당업자가 이용가능한 임의의 다른 적합한 방법으로 용매로부터 분리될 수 있다. 이와 관련하여, 유기 용매 이외의 용매 (예를 들어, NaAlCl4)가 비제한적으로 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.Alkali metal or alkaline
상기에 기재된 바와 같이, 수소화된 실리콘 공급물 가스 (21) (또는 도 3에서처럼 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 포함하는 혼합물 (21'))로부터의 실리콘 테트라할라이드 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 (32)가 실란 반응기 (30)에 도입되어 하기에 나타낸 반응에 따라 실란 (35) 및 할라이드 염 (37)을 생성한다.As described above, silicon tetrahalides and alkali metal or alkaline earth metal hydrides from hydrogenated silicon feed gas 21 (or
(4/y)MHy + SiX4 → (4/y)MXy + SiH4 (5)(4 / y) MH y + SiX 4 → (4 / y) MX y + SiH 4 (5)
3MHy + ySiHX3 → 3MXy + ySiH4 (6)3MH y + ySiHX 3 → 3MX y + ySiH 4 (6)
상기 반응식에서, y는 M이 알칼리 금속일 경우에는 1이고, M이 알칼리 토금속일 경우에는 2이다. 예를 들어, M이 Na이고 X가 Cl일 경우에는, 반응이 하기와 같이 진행된다.In the above scheme, y is 1 when M is an alkali metal, and 2 when M is an alkaline earth metal. For example, when M is Na and X is Cl, the reaction proceeds as follows.
4NaH + SiCl4 → 4NaCl + SiH4 (5i)4NaH + SiCl 4 → 4NaCl + SiH 4 (5i)
3NaH + SiHCl3 → 3NaCl + SiH4 (6i)3NaH + SiHCl 3 → 3NaCl + SiH 4 (6i)
M이 Ba이고 X가 Cl일 경우에는, 반응이 하기와 같이 진행된다.When M is Ba and X is Cl, the reaction proceeds as follows.
2BaH2 + SiCl4 → 2BaCl2 + SiH4 (5ii)2BaH 2 + SiCl 4 → 2BaCl 2 + SiH 4 (5ii)
3BaH2 + 2SiHCl3 → 3BaCl2 + 2SiH4 (6ii)3BaH 2 + 2SiHCl 3 → 3BaCl 2 + 2SiH 4 (6ii)
실란 반응기 (30)는 교반형 탱크 반응기 (예를 들어, 임펠러 교반형)일 수 있다. 반응기 (30)에 첨가되는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 (32)는 그것이 생성된 (예를 들어, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 수소의 반응에 의해) 일정량의 용매 (예를 들어, 톨루엔)에 현탁될 수 있다. 실리콘 테트라할라이드 및/또는 트리할로실란 (31)은 하이드라이드 슬러리를 통해, 또한 바람직하게는 역류 관계로 기포를 형성할 수 있다. 반응기 (30)에 첨가되는 하이드라이드 (32) 대 반응기에 첨가되는 용매 양의 중량비는 약 1:20 이상, 또한 다른 실시양태에서는 약 1:10 이상 또는 약 1:5 이상 (예를 들어, 약 1:20 내지 약 1:5 또는 약 1:20 내지 약 2:10)일 수 있다. 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21) (도 1)로부터의 실리콘 테트라할라이드 또는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21') (도 3)로부터의 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란은 하이드라이드 (32)에 대한 실질적인 화학량론적 비율로 첨가될 수 있고, 그러한 몰비는 상기 반응 5 내지 6ii에 나타나 있다.The
일정량의 촉매, 예컨대 트리에틸 알루미늄, 다양한 루이스산 또는 미량 알칼리 금속 (예를 들어, 금속 클로라이드와 같은 불순물 루이스산)이 반응기 (30)에 첨가될 수 있다. 이러한 촉매는 반응 5 및 6이 충분한 전환을 달성하는 온도를 낮추고 시스템으로의 입열량을 감소시킬 수 있다. 촉매가 사용되지 않는 실시양태에서, 반응기 (30)는 약 120℃ 이상 (예를 들어, 약 120℃ 내지 약 225℃ 또는 약 140℃ 내지 약 200℃)의 온도에서 작동할 수 있지만; 촉매가 사용되는 실시양태에서는 반응기 (30)가 약 30℃ 이상 (예를 들어, 약 30℃ 내지 약 125℃, 약 40℃ 내지 약 100℃ 또는 약 40℃ 내지 약 80℃)의 비교적 저온에서 작동할 수 있다. 반응기 (30)에 첨가된 물질의 평균 체류 시간은 약 5분 내지 약 60분일 수 있다.An amount of catalyst such as triethyl aluminum, various Lewis acids or trace alkali metals (eg impurity Lewis acids such as metal chlorides) can be added to the
실란 가스 (35)는 비교적 순수할 수 있다 (예를 들어, 실란 이외의 화합물을 약 5 부피% 미만 또는 약 2 부피% 미만으로 함유함). 실란 가스 (35)가 반응기 (30)로부터 제거된 후에, 실란 가스 (35)는 추가 가공에 적용될 수 있다. 예를 들어, 실란 (35)은 모든 관련있고 부합되는 목적을 위해 각각 본원에 참고로 포함되는 미국 특허 제5,211,931호, 미국 특허 제4,554,141호 또는 미국 특허 제5,206,004호에 개시된 바와 같이 불순물을 제거하기 위한 하나 이상의 증류 컬럼 및/또는 분자체(molecular sieve)에 도입되거나 당업자가 이용가능한 다른 공지된 방법으로 정제될 수 있다 (예를 들어, 붕소 할라이드 또는 인 할라이드와 같은 화합물을 제거하기 위해).
실란 가스 (35)는 다결정질 실리콘 (예를 들어, 과립형 또는 덩어리형 다결정질 실리콘)의 제조에 사용될 수 있거나 또는 실리콘 웨이퍼 상의 하나 이상의 에피택셜 층을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 실란 가스는 당업자가 인지하고 있는바와 같이 사용 전에 저장 및/또는 수송될 수 있다.
알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 할로겐화된 실리콘 공급물 가스 (21) (또는 트리할로실란 및 실리콘 테트라할라이드를 포함하는 혼합물 (21')) 중의 실리콘 테트라할라이드의 반응은 부산물로서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염 (37)을 생성한다. 할라이드 염 (37)은 용매가 사용되는 실시양태에서 용매 (예를 들어, 톨루엔)에 용해되고, 또한 보다 전형적으로 현탁될 수 있다. 할라이드 염 (37)은 용매로부터 분리하여 시판할 수 있거나, 하기에 추가로 기재된 바와 같이 재순환 사용할 수 있다.The reaction of the alkali metal or alkaline earth metal hydride with silicon tetrahalide in the halogenated silicon feed gas 21 (or the mixture 21 'comprising trihalosilane and silicon tetrahalide) is an alkali metal or alkaline earth metal as a by-product. To produce a halide salt (37).
실란의Silane 실질적인 substantial 폐루프Closed loop 제조 방법 Manufacturing method
상기에 기재된 방법은 실란의 실질적인 폐루프 제조 방법에 포함될 수 있다. 상기 방법은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및/또는 할로겐에 대하여 폐루프일 수 있다. 여기서 도 4를 참조하면, 할라이드 염 (37)이 분리기 (40)의 사용으로 용매로부터 분리될 수 있다. 분리기 (40)는 증발기일 수 있거나, 또는 결정화 장치, 여과기 및/또는 중력-기반 분리기 (예를 들어, 원심분리기)를 비롯한 다른 적합한 설비가 증발기와 함께 또는 증발기 대신에 사용될 수 있다. 적합한 증발기에는 와이프-필름 증발기(wiped-film evaporator)가 포함된다. 분리 후에, 건조된 할라이드 염을 가열하여 (예를 들어, 500℃까지) 미량의 용매를 제거할 수 있다.The method described above can be included in a method for producing substantially closed loops of silane. The method may be a closed loop for alkali metal or alkaline earth metal and / or halogen. Referring here to FIG. 4, the
용매 (43)는 응축되어 하이드라이드 반응기 (9) 및/또는 실란 반응기 (30)에 재도입될 수 있다. 분리된 할라이드 염 (3)은 전기분해를 위한 공급물 (3)로서 사용되어, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및/또는 할라이드가 시스템을 통해 실질적으로 재순환한다.The solvent 43 may be condensed and reintroduced into the
이와 관련하여, 도 4에 도시된 실질적인 폐루프 방법은 도 3에서처럼 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 함유하는 가스 (21')를 생성하는 할로겐화 수소 버너 (25)를 포함하도록 변경될 수 있다는 것을 알아야 한다.In this regard, the substantial closed loop method shown in FIG. 4 can be modified to include a
도 4에 도시된 바와 같이, 방법은 시스템이 주입 스트림 (6, 31) 어디에서도 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 또는 할로겐 (즉, 단독으로 또는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 또는 할로겐 함유 화합물로서)을 포함하지 않고, 또한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐이 배출 스트림 (35)으로 제거되지 않는다는 점에서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐에 대하여 실질적으로 폐루프이다. 이와 관련하여, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및/또는 할로겐이 불순물로서 시스템으로부터 제거될 수 있거나 퍼지(purge) 스트림에 포함될 수 있고, 보충 스트림으로서 시스템 또는 방법에 공급될 수 있다는 것을 알아야 한다. 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및/또는 할로겐의 임의의 보충은 각각의 요소를 함유하는 화합물의 시스템으로의 첨가에 의해, 또한 특정 실시양태에서는 각각의 하이드라이드 염 자체에 의해 달성될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 시스템에 보충되는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및/또는 할로겐 가스 (알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염으로서 첨가될 수 있음)의 양은 시스템 내의 전체 순환량의 약 5% 미만이고, 또한 다른 실시양태에서는 시스템 내의 전체 순환량의 약 2% 미만이다 (예를 들어, 약 0.5% 내지 약 5%).As shown in FIG. 4, the process does not include alkali metal or alkaline earth metal or halogens (ie, alone or as alkali metal or alkaline earth metal or halogen containing compounds) anywhere in the
본 개시내용의 일부 실시양태에서, 시스템 및 방법은 수소에 대하여 실질적으로 폐루프일 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 실란 반응기 (30)에서 나오는 실란 (35)은, 바람직하게는 미량 실란, 탄소 화합물, 미량 금속 및 임의의 도판트(dopant) 붕소, 인 또는 알루미늄 화합물을 제거하기 위한 정제 (예를 들어, 극저온 활성탄 흡착제에 의한 정제) 후에 다결정질 반응기 (50)에 도입될 수 있다. 다결정질 반응기 (50)는 유동상 (예를 들어, 과립형 다결정질 실리콘 제조) 또는 지멘스(Siemens) 반응기 (예를 들어, 덩어리형 다결정질 실리콘 제조)일 수 있거나, 다결정질 실리콘 제조에 적합한 임의의 다른 반응기 설계를 포함할 수 있다. 실란은 하기 반응에 따라 열분해되어 다결정질 실리콘을 제조한다.In some embodiments of the present disclosure, the systems and methods can be substantially closed loop for hydrogen. For example, as shown in FIG. 5, the
SiH4 → Si + 2H2 (7)SiH 4 → Si + 2H 2 (7)
실란은 다결정질 반응기 (50)에 첨가되기 전에 추가 가공, 예컨대 상기에 기재된 바와 같이 다양한 정제 단계를 진행할 수 있다. 반응기 (50)의 반응 생성물은 다결정질 실리콘 (52) 및 수소 (31)를 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 수소 (31)는 하이드라이드 반응기 (9)에 도입된다. 수소 (31)는 하이드라이드 반응기 (9)에 도입되기 전에 실리콘 분진의 분리 및 정제 (예를 들어, 증류)에 의해 추가로 가공될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시스템으로의 유일한 투입은 실리콘 (6)이고, 유일한 배출은 다결정질 실리콘 (52)이다. 시스템은 수소가 유일하게 불순물로서 또는 퍼지 스트림 (도시되지 않음)으로서 제거되고, 또한 유일하게 보충 스트림 (도시되지 않음)으로서 첨가된다는 점에서 수소에 대하여 실질적으로 폐루프이다.The silane may be subjected to further processing, such as various purification steps as described above, before being added to the
실란의Silane 실질적인 substantial 폐루프Closed loop 제조 시스템 Manufacturing system
본 발명의 방법은 실란을 제조하기 위한 시스템, 예컨대 도 1-도 5에 예시된 시스템 중 어느 하나에서 수행할 수 있다. 시스템은 할로겐, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 수소 중 1종 이상에 대하여 실질적으로 폐루프일 수 있다.The method of the invention can be carried out in any of the systems for producing silanes, such as the systems illustrated in FIGS. The system may be substantially closed loop for at least one of halogen, alkali metal or alkaline earth metal and hydrogen.
도 1을 참조하면, 시스템은 할라이드 염이 전기분해되어 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 용기 (4) (예를 들어, 다운스 셀)를 포함할 수 있다. 할로겐 가스는 운반 장치에 의해 (1) 수소와 반응하여 할로겐화 수소를 생성하는 할로겐화 수소 버너 (25) (도 3) 및 (2) 실리콘 (운반 장치에 의해 실리콘 저장소로부터 할로겐화 반응기 (8)로 운반됨)과 반응하여 실리콘 테트라할라이드를 생성하는 할로겐화 반응기 (8) 중 적어도 하나에 운반된다. 할로겐 가스가 반응하여 할로겐화 수소를 생성하는 실시양태에서, 할로겐화 수소는 이어서 운반 장치에 의해 할로겐화 반응기 (8)로 운반되어 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 포함하는 혼합물을 생성할 수 있다. 생성된 임의의 실리콘 테트라할라이드 및/또는 트리할로실란 가스는 운반 장치에 의해 실란 반응기 (30)로 운반된다.Referring to FIG. 1, the system may include a vessel 4 (eg, a downs cell) in which the halide salt is electrolyzed to produce metallic alkali or alkaline earth metals and halogen gas. Halogen gas is carried by a conveying device to (1) hydrogen halide burners 25 (FIG. 3) and (2) silicon (which is conveyed from the silicon reservoir by the conveying device to the halogenation reactor 8) ) And is delivered to at least one of the
시스템은 또한 하이드라이드 반응기 (9) (예를 들어, 교반형 탱크 반응기)를 포함한다. 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 운반 장치에 의해 용기로부터 하이드라이드 반응기 (9)로 운반된다. 수소 가스가 또한 운반 장치에 의해 하이드라이드 반응기 (9)로 운반되어 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 반응하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성한다. 시스템은 하이드라이드 (존재한다면, 임의의 용매)가 운반 장치에 의해 운반되는 실란 반응기 (30) (예를 들어, 교반형 탱크 반응기)를 포함한다. 하이드라이드는 실란 반응기 (30)에서, 임의로 용매의 존재하에 실리콘 테트라할라이드 및/또는 트리할로실란 가스와 반응하여 할라이드 염을 형성한다.The system also includes a hydride reactor 9 (eg, a stirred tank reactor). Metallic alkali or alkaline earth metals are conveyed from the vessel to the
다양한 실시양태에서 도 4에 도시된 바와 같이, 용매 및 할라이드 염은 운반 장치에 의해 용매를 할라이드 염으로부터 분리하기 위한 분리기 (40)로 운반될 수 있다. 용매는 운반 장치에 의해 하이드라이드 반응기 (9)로 운반될 수 있고, 할라이드 염은 운반 장치에 의해 재순환하여 할로겐 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속에 대하여 실질적인 폐루프 시스템을 완성할 수 있도록 용기 (4) (예를 들어, 다운스 셀)로 운반될 수 있다.In various embodiments, as shown in FIG. 4, the solvent and halide salt can be conveyed to
다수의 추가 실시양태에서, 시스템은 또한 지멘스형 반응기 또는 유동상 반응기일 수 있는 다결정질 반응기 (50)를 포함한다. 실란은 실란 반응기 (30)로부터 다결정질 반응기 (50)로 운반 장치에 의해 운반되어 수소 및 다결정질 실리콘을 제조한다. 수소를 재순환시켜 수소에 대하여 실질적인 폐루프 시스템을 완성할 수 있도록 수소는 운반 장치에 의해 다결정질 반응기 (50)로부터 하이드라이드 반응기 (9)로 운반될 수 있다.In many further embodiments, the system also includes a
적합한 운반 장치는 통상적이며 당업계에 널리 공지된 것이다. 가스의 전달에 적합한 운반 장치에는, 예를 들어 압축기 또는 송풍기가 포함되고, 고체의 전달에 적합한 운반 장치에는, 예를 들어 드래그(drag), 스크류(screw), 벨트(belt) 및 공기식 컨베이어가 포함된다. 이와 관련하여, 본원에서 "운반 장치"라는 표현의 사용은 시스템의 한 유닛에서 또 다른 유닛으로의 직접직인 전달을 의미하려는 것이 아니라, 단지 물질이 임의의 개수의 간접적인 전달 부재 및/또는 메카니즘에 의해 한 유닛에서 또 다른 유닛으로 전달되는 것을 의미함을 알아야 한다. 예를 들어, 한 유닛으로부터의 물질이 추가 가공 유닛 (예를 들어, 정제 유닛 또는 연속식 또는 배치식 공정 사이에 완충제를 제공하기 위해 사용되는 저장 유닛)으로 운반된 후에, 제2 유닛으로 운반될 수 있다. 상기 예에서, 중간 가공 설비 자체를 포함하는 각각의 운반 유닛이 "운반 장치"인 것으로 간주될 수 있고, "운반 장치"라는 표현은 제한적인 의미로 간주되어서는 안된다.Suitable conveying devices are conventional and are well known in the art. Transport devices suitable for the delivery of gases include, for example, compressors or blowers, and transport devices suitable for delivery of solids, for example, include drags, screws, belts and pneumatic conveyors. Included. In this regard, the use of the expression "carrying device" herein is not intended to mean direct delivery from one unit of the system to another, but merely that the substance is directed to any number of indirect delivery members and / or mechanisms. It is to be understood that this means passing from one unit to another unit. For example, material from one unit may be delivered to a second processing unit (eg, a purification unit or a storage unit used to provide buffer between continuous or batch processes) and then to a second unit. Can be. In the above example, each conveying unit including the intermediate processing facility itself may be considered to be a "carrying device" and the expression "carrying device" should not be considered in a limiting sense.
바람직하게는, 실란의 제조 시스템에서 이용되는 모든 설비는 시스템 내에서 사용되고 생성되는 화합물에 대한 노출을 포함하는 환경에서 내부식성이다. 적합한 구성 재료는 통상적이며 본 개시내용의 분야에서 널리 공지된 것이고, 예를 들어 탄소강, 스테인리스강, 모넬(MONEL) 합금, 인코넬(INCONEL) 합금, 하스텔로이(HASTELLOY) 합금, 니켈 및 비금속성 물질, 예컨대 석영 (즉, 유리), 및 플루오르화된 중합체, 예컨대 테플론(TEFLON), 켈프(KEL-F), 바이톤(VITON), 칼리즈(KALREZ) 및 아프라스(AFLAS)가 포함된다.Preferably, all equipment used in the silane production system is corrosion resistant in an environment that includes exposure to the compounds used and produced in the system. Suitable constituent materials are conventional and well known in the art, for example, carbon steel, stainless steel, MONEL alloys, INCONEL alloys, HASTELLOY alloys, nickel and nonmetallic materials, for example, it includes quartz (i.e., glass), and fluorinated polymers such as TEFLON (TEFLON), kelp (KEL-F), Viton (VITON), knife grease (KALREZ) and ill Ras (AFLAS).
본 개시내용의 범주로부터 이탈함이 없이, 상기에 기재된 방법 및 시스템이 언급된 유닛 (예를 들어, 반응기 및/또는 분리 유닛) 중 어느 하나를 초과하여 포함할 수 있고, 또한 여러 개의 유닛이 연속적으로 또한/또는 동시에 작동할 수 있다는 것을 알아야 한다. 추가로 이와 관련하여, 기재된 방법 및 시스템이 예시적이며, 또한 방법 및 시스템이 비제한적으로 추가 기능을 수행하는 추가 유닛을 포함할 수 있다는 것을 알아야 한다.Without departing from the scope of the present disclosure, the methods and systems described above may include more than any of the mentioned units (eg, reactors and / or separation units), and several units may be continuous It should be appreciated that it may also work in conjunction with and / or simultaneously. Further in this regard, it should be understood that the methods and systems described are exemplary and that the methods and systems may include additional units that perform additional functions without limitation.
본 개시내용 또는 그의 바람직한 실시양태(들)의 요소를 도입할 때, 관사 "하나의", "한", "그" 및 "상기"는 하나 이상의 요소가 존재한다는 것을 의미하고자 한다. "포함하는", "비롯한" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적인 것이며 나열된 요소 이외의 추가 요소가 존재할 수도 있다는 것을 의미하고자 한다.When introducing elements of the present disclosure or preferred embodiment (s) thereof, the articles "a", "an", "the" and "the" are intended to mean that one or more elements are present. The terms "comprising", "including" and "having" are intended to be inclusive and mean that there may be additional elements other than the listed elements.
본 개시내용의 범주로부터 이탈함이 없이 상기 장치 및 방법에 다양한 변화가 있을 수 있기 때문에, 상기 상세한 설명에 포함되었고 첨부된 도면에 도시된 모든 사항은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 해석하고자 한다.As various changes may be made in the above apparatus and methods without departing from the scope of the disclosure, it is intended that all matter contained in the above description and shown in the accompanying drawings shall be interpreted as illustrative and not in a limiting sense.
Claims (95)
알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 전기분해하여 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 단계;
상기 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 수소와 접촉하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 단계;
상기 할로겐 가스와
(1) 실리콘 테트라할라이드를 생성하는 실리콘; 및
(2) 할로겐화 수소를 생성하는 수소 - 상기 할로겐화 수소는 실리콘과 추가로 접촉하여 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 포함하는 혼합물을 생성함 -
중 1종 이상의 접촉에 의해 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 포함하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 생성하는 단계; 및
상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 염을 생성하는 단계 - 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스는 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스와 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드의 접촉 전에 불균화 시스템으로 도입됨 -
를 포함하는 방법.A process for preparing silanes from a source of alkali metal or alkaline earth metal halide salts,
Electrolyzing the alkali metal or alkaline earth metal halide salt to produce metallic alkali metal or alkaline earth metal and halogen gas;
Contacting the metallic alkali metal or alkaline earth metal with hydrogen to produce an alkali metal or alkaline earth metal hydride;
With the halogen gas
(1) silicon to produce silicon tetrahalides; And
(2) hydrogen to produce hydrogen halides, wherein the hydrogen halides are further contacted with silicon to produce a mixture comprising silicon tetrahalide and trihalosilane;
Contacting at least one of the following to produce a halogenated silicon feed gas comprising at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalide, trihalosilane, dihalosilane and monohalosilane; And
Contacting the halogenated silicon feed gas with the alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal hydride salts, wherein the halogenated silicon feed gas is combined with the halogenated silicon feed gas. Introduced into the disproportionation system prior to contacting the alkali metal or alkaline earth metal hydride-
≪ / RTI >
알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 전기분해하여 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 단계;
상기 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 용매 중에서 수소와 접촉하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 단계;
상기 할로겐 가스와
(1) 실리콘 테트라할라이드를 생성하는 실리콘; 및
(2) 할로겐화 수소를 생성하는 수소 - 상기 할로겐화 수소는 실리콘과 추가로 접촉하여 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 포함하는 혼합물을 생성함 -
중 1종 이상의 접촉에 의해 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 포함하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 생성하는 단계; 및
상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드 염을 생성하는 단계
를 포함하는 방법.A process for preparing silanes from a source of alkali metal or alkaline earth metal halide salts,
Electrolyzing the alkali metal or alkaline earth metal halide salt to produce metallic alkali metal or alkaline earth metal and halogen gas;
Contacting the metallic alkali metal or alkaline earth metal with hydrogen in a solvent to produce an alkali metal or alkaline earth metal hydride;
With the halogen gas
(1) silicon to produce silicon tetrahalides; And
(2) hydrogen to produce hydrogen halides, wherein the hydrogen halides are further contacted with silicon to produce a mixture comprising silicon tetrahalide and trihalosilane;
Contacting at least one of the following to produce a halogenated silicon feed gas comprising at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalide, trihalosilane, dihalosilane and monohalosilane; And
Contacting the halogenated silicon feed gas with the alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal hydride salts
≪ / RTI >
상기 염을 캐소드(cathode), 상기 캐소드 내에 배치된 애노드(anode), 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치된 분리기를 포함하는 용기에 도입하고;
전류를 상기 캐소드 및 애노드에 적용하여 할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 생성하고;
할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 상기 용기로부터 방출시킴으로써 전기분해되는 것인 방법.The halide salt of claim 1, wherein the halide salt is
Introducing the salt into a vessel comprising a cathode, an anode disposed within the cathode, and a separator disposed between the cathode and the anode;
Current is applied to the cathode and the anode to produce a halogen gas and a metallic alkali or alkaline earth metal;
Electrolysis by releasing halogen gas and metallic alkali metal or alkaline earth metal from the vessel.
할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 단계 - 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스는 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스와 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드의 접촉 전에 불균화 시스템에 도입됨 - ;
상기 할라이드 염을 전기분해하여 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 단계;
상기 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 수소와 접촉시켜 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 단계; 및
상기 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 수소의 접촉에 의해 생성된 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 단계
를 포함하는 방법. A process for producing silanes in a substantially closed loop system for alkali or alkaline earth metals,
Contacting a halogenated silicon feed gas with an alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce a silane and an alkali or alkaline earth metal halide salt, wherein the halogenated silicon feed gas comprises the halogenated silicon feed gas and the alkali metal Or introduced into the disproportionation system prior to contacting the alkaline earth metal hydride;
Electrolyzing the halide salt to produce metallic alkali or alkaline earth metals and halogen gas;
Contacting the metallic alkali metal or alkaline earth metal with hydrogen to produce an alkali metal or alkaline earth metal hydride; And
Contacting said alkali metal or alkaline earth metal hydride produced by contacting said metallic alkali metal or alkaline earth metal with hydrogen to said halogenated silicon feed gas to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal halide salts
≪ / RTI >
할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 단계;
상기 할라이드 염을 전기분해하여 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 단계;
상기 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 용매 중에서 수소와 접촉시켜 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 단계; 및
상기 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 수소의 접촉에 의해 생성된 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 단계
를 포함하는 방법. A process for producing silanes in a substantially closed loop system for alkali or alkaline earth metals,
Contacting the halogenated silicon feed gas with an alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and an alkali metal or alkaline earth metal halide salt;
Electrolyzing the halide salt to produce metallic alkali or alkaline earth metals and halogen gas;
Contacting the metallic alkali metal or alkaline earth metal with hydrogen in a solvent to produce an alkali metal or alkaline earth metal hydride; And
Contacting said alkali metal or alkaline earth metal hydride produced by contacting said metallic alkali metal or alkaline earth metal with hydrogen to said halogenated silicon feed gas to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal halide salts
≪ / RTI >
상기 염을 캐소드, 상기 캐소드 내에 배치된 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치된 분리기를 포함하는 용기에 도입하고;
전류를 상기 캐소드 및 애노드에 적용하여 할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 생성하고;
할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 상기 용기로부터 방출시킴으로써 전기분해되는 것인 방법.29. The halide salt of any of claims 19-28, wherein the halide salt is
Introducing the salt into a vessel comprising a cathode, an anode disposed within the cathode, and a separator disposed between the cathode and the anode;
Current is applied to the cathode and the anode to produce a halogen gas and a metallic alkali or alkaline earth metal;
Electrolysis by releasing halogen gas and metallic alkali metal or alkaline earth metal from the vessel.
실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 포함하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 단계;
상기 할라이드 염을 전기분해하여 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 단계;
상기 할로겐 가스와
(1) 실리콘 테트라할라이드를 생성하는 실리콘; 및
(2) 할로겐화 수소를 생성하는 수소 - 상기 할로겐화 수소는 실리콘과 추가로 접촉하여 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 포함하는 혼합물을 생성함 -
중 1종 이상의 접촉에 의해 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 포함하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 생성하는 단계; 및
상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 단계 - 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스는 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스와 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드의 접촉 전에 불균화 시스템에 도입됨 -
를 포함하는 방법. A process for producing silanes in a substantially closed loop system for halogens,
Halogenated silicon feed gas comprising at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalides, trihalosilanes, dihalosilanes and monohalosilanes is contacted with alkali metal or alkaline earth metal hydrides to give silane and alkali Producing a metal or alkaline earth metal halide salt;
Electrolyzing the halide salt to produce metallic alkali or alkaline earth metals and halogen gas;
With the halogen gas
(1) silicon to produce silicon tetrahalides; And
(2) hydrogen to produce hydrogen halides, wherein the hydrogen halides are further contacted with silicon to produce a mixture comprising silicon tetrahalide and trihalosilane;
Contacting at least one of the following to produce a halogenated silicon feed gas comprising at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalide, trihalosilane, dihalosilane and monohalosilane; And
Contacting the halogenated silicon feed gas with an alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal halide salts, wherein the halogenated silicon feed gas comprises the halogenated silicon feed gas and the alkali Introduced into the disproportionation system before contact with the metal or alkaline earth metal hydride-
≪ / RTI >
상기 염을 캐소드, 상기 캐소드 내에 배치된 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치된 분리기를 포함하는 용기에 도입하고;
전류를 상기 캐소드 및 애노드에 적용하여 할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 생성하고;
할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 상기 용기로부터 방출시킴으로써 전기분해되는 것인 방법.The halide salt of any one of claims 36-38, wherein the halide salt is
Introducing the salt into a vessel comprising a cathode, an anode disposed within the cathode, and a separator disposed between the cathode and the anode;
Current is applied to the cathode and the anode to produce a halogen gas and a metallic alkali or alkaline earth metal;
Electrolysis by releasing halogen gas and metallic alkali metal or alkaline earth metal from the vessel.
실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 포함하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 단계;
실란이 열분해되어 다결정질 실리콘 및 수소를 생성하는 단계;
상기 할라이드 염을 전기분해하여 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 단계;
상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드의 전기분해에 의해 생성된 상기 할로겐 가스와
(1) 실리콘 테트라할라이드를 생성하는 실리콘; 및
(2) 할로겐화 수소를 생성하는 수소 - 상기 할로겐화 수소는 실리콘과 추가로 접촉하여 실리콘 테트라할라이드 및 트리할로실란을 포함하는 혼합물을 생성함 -
중 1종 이상의 접촉에 의해 실리콘 테트라할라이드, 트리할로실란, 디할로실란 및 모노할로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 할로실란을 포함하는 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 생성하는 단계;
상기 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 실란의 열분해로부터 생성된 수소와 접촉시켜 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 단계; 및
할로겐 가스 또는 할로겐화 수소와 실리콘의 접촉에 의해 생성된 상기 할로겐화된 실리콘 공급물 가스를 상기 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 수소의 접촉에 의해 생성된 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 접촉시켜 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 단계
를 포함하는 폐루프 제조 방법. As a closed loop manufacturing method of polycrystalline silicon,
Halogenated silicon feed gas comprising at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalides, trihalosilanes, dihalosilanes and monohalosilanes is contacted with alkali metal or alkaline earth metal hydrides to give silane and alkali Producing a metal or alkaline earth metal halide salt;
Pyrolysis of the silane to produce polycrystalline silicon and hydrogen;
Electrolyzing the halide salt to produce metallic alkali or alkaline earth metals and halogen gas;
The halogen gas generated by electrolysis of the alkali metal or alkaline earth metal halide
(1) silicon to produce silicon tetrahalides; And
(2) hydrogen to produce hydrogen halides, wherein the hydrogen halides are further contacted with silicon to produce a mixture comprising silicon tetrahalide and trihalosilane;
Contacting at least one of the following to produce a halogenated silicon feed gas comprising at least one halosilane selected from the group consisting of silicon tetrahalide, trihalosilane, dihalosilane and monohalosilane;
Contacting the metallic alkali metal or alkaline earth metal with hydrogen generated from pyrolysis of silane to produce an alkali metal or alkaline earth metal hydride; And
The halogenated silicon feed gas produced by the contact of halogen gas or hydrogen halide with silicon is brought into contact with the alkali metal or alkaline earth metal hydride produced by the contact of hydrogen with the metallic alkali or alkaline earth metal to form silane and alkali. Producing a metal or alkaline earth metal halide salt
Closed loop manufacturing method comprising a.
상기 염을 캐소드, 상기 캐소드 내에 배치된 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치된 분리기를 포함하는 용기에 도입하고;
전류를 상기 캐소드 및 애노드에 적용하여 할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 생성하고;
할로겐 가스 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 상기 용기로부터 방출시킴으로써 전기분해되는 것인 폐루프 제조 방법.58. The halide salt of any one of claims 47-57, wherein the halide salt is
Introducing the salt into a vessel comprising a cathode, an anode disposed within the cathode, and a separator disposed between the cathode and the anode;
Current is applied to the cathode and the anode to produce a halogen gas and a metallic alkali or alkaline earth metal;
A process for producing a closed loop, wherein said gas is electrolyzed by releasing halogen gas and metallic alkali metal or alkaline earth metal from said vessel.
알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 전기분해하여 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 용기;
실리콘과
(1) 상기 용기로부터 방출된 할로겐 가스; 및
(2) 상기 용기로부터 방출된 할로겐 가스와 수소의 접촉에 의해 생성된 할로겐화 수소
중 1종 이상의 반응에 의해
(1) 실리콘 테트라할라이드, 및
(2) 트리할로실란
중 1종 이상을 생성하는 할로겐화 반응기;
상기 용기로부터 방출된 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 수소가 반응하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 하이드라이드 반응기 - 상기 하이드라이드 반응기는 수소가 용매 및 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 함유하는 반응 혼합물을 통해 기포를 형성하여 상기 용매에 현탁된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 교반형 탱크 반응기임 - ; 및
(1) 실리콘 테트라할라이드 및 (2) 트리할로실란 중 1종 이상이 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 반응하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 실란 반응기
를 포함하는 시스템.A system for producing silanes in a substantially closed loop method,
A vessel for electrolyzing an alkali metal or alkaline earth metal halide salt to produce a metallic alkali metal or alkaline earth metal and a halogen gas;
With silicone
(1) halogen gas released from the vessel; And
(2) hydrogen halides produced by contact of hydrogen with halogen gas emitted from the vessel;
By at least one reaction
(1) silicon tetrahalide, and
(2) trihalosilane
Halogenated reactors producing at least one of;
A hydride reactor wherein hydrogen reacts with a metallic alkali metal or alkaline earth metal discharged from the vessel to produce an alkali metal or alkaline earth metal hydride, wherein the hydride reactor is a reaction mixture in which hydrogen contains a solvent and a metallic alkali metal or alkaline earth metal A stirred tank reactor for generating bubbles through and producing alkali or alkaline earth metal hydrides suspended in the solvent; And
A silane reactor in which at least one of (1) silicon tetrahalide and (2) trihalosilane reacts with the alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal halide salts.
/ RTI >
알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 전기분해하여 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 및 할로겐 가스를 생성하는 용기;
실리콘과
(1) 상기 용기로부터 방출된 할로겐 가스; 및
(2) 상기 용기로부터 방출된 할로겐 가스와 수소의 접촉에 의해 생성된 할로겐화 수소
중 1종 이상의 반응에 의해
(1) 실리콘 테트라할라이드, 및
(2) 트리할로실란
중 1종 이상을 생성하는 할로겐화 반응기;
(1) 실리콘 테트라할라이드 및 (2) 트리할로실란 중 1종 이상으로부터 모노할로실란 또는 디할로실란을 생성하는 불균화 시스템;
상기 용기로부터 방출된 금속성 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 수소와 반응하여 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드를 생성하는 하이드라이드 반응기; 및
(1) 실리콘 테트라할라이드 및 (2) 트리할로실란 중 1종 이상이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 하이드라이드와 반응하여 실란 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할라이드 염을 생성하는 실란 반응기
를 포함하는 시스템. A system for producing silanes in a substantially closed loop method,
A vessel for electrolyzing an alkali metal or alkaline earth metal halide salt to produce a metallic alkali metal or alkaline earth metal and a halogen gas;
With silicone
(1) halogen gas released from the vessel; And
(2) hydrogen halides produced by contact of hydrogen with halogen gas emitted from the vessel;
By at least one reaction
(1) silicon tetrahalide, and
(2) trihalosilane
Halogenated reactors producing at least one of;
Disproportionation systems for producing monohalosilanes or dihalosilanes from at least one of (1) silicon tetrahalide and (2) trihalosilane;
A hydride reactor in which the metallic alkali metal or alkaline earth metal released from the vessel reacts with hydrogen to produce an alkali metal or alkaline earth metal hydride; And
Silane reactor in which at least one of (1) silicon tetrahalide and (2) trihalosilane reacts with alkali metal or alkaline earth metal hydride to produce silane and alkali metal or alkaline earth metal halide salts
/ RTI >
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