KR20140079711A - 실리콘 테트라클로라이드를 트리클로로실란으로 변환하는 방법 - Google Patents

실리콘 테트라클로라이드를 트리클로로실란으로 변환하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도가 1000-1600 ℃인 반응기의 반응 영역으로 STC 및 수소를 포함하는 반응 기체를 도입함으로써, STC를 TCS로 변환하는 방법에 관한 것으로서, 상기 반응 영역은 상기 반응 영역 외부에 위치하는 히터에 의해 가열되고, 형성되는 TCS를 포함하는 생성 기체는 그 후 0.1-35 ms 이내에 700-900 ℃의 온도로 냉각되고, 상기 반응 기체는 향류로 작동하는 열 교환기에 의해 상기 생성 기체에 의해 가열되고, 상기 반응기 및 상기 열교환기는 단일의 기밀 컴포넌트(gas-tight component)를 형성하고, 상기 컴포넌트는 탄화 규소, 질화 규소, 흑연, 탄화 규소-코팅된 흑연 및 석영 유리로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 세라믹 물질로 구성되는, 방법에 관한 것이다.

Description

실리콘 테트라클로라이드를 트리클로로실란으로 변환하는 방법{PROCESS FOR CONVERTING SILICON TETRACHLORIDE TO TRICHLOROSILANE}
본 발명은 실리콘 테트라클로라이드를 트리클로로실란으로 변환하는 방법을 제공한다.
트리클로로실란(TCS)은 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)의 제조에 사용된다.
TCS는 일반적으로 금속(metallurgical) 실리콘 및 염화수소로부터 유동층 공정으로 제조된다. 고순도 TCS를 얻기 위하여, 증류를 수반한다. 이러한 제조 공정에 있어서, 실리콘 테트라클로라이드(STC)가 또한 부산물로 얻어질 수 있다.
다량의 STC는 다결정 실리콘의 증착 공정에서 얻어진다.
다결정 실리콘은, 예를 들면 지멘스(Siemens) 공정에 의해 제조된다. 이 공정은 반응기 내에서 가열된 가느다란 막대 상에 다결정 실리콘을 증착시키는 것을 포함한다. 실리콘 함유 성분으로서 사용되는 공정 기체(process gas)는, 수소의 존재 하에, TCS와 같은 할로실란이다. TCS를 증착된 실리콘으로 변환(불균화, disproportionation)하는 공정에서 다량의 STC가 생성된다.
예를 들면, 연소실 내의 고온에서 수소 및 산소와의 반응에 의해, STC로부터 미세하게 분쇄된 실리카를 생성할 수 있다.
그러나, STC의 사용에 있어서 최대의 경제적 이익은 TCS로의 변환이다. 이러한 변환은 STC와 수소의 반응으로 TCS 및 염화수소를 생성함으로써 이루어진다. 이 공정에 따르면 증착 과정에서 형성된 STC 부산물로부터 다시 TCS를 생성할 수 있고, 실리콘 원소를 생성하기 위해 TCS를 증착 공정에 반송할 수도 있다.
변환 공정으로 두 개의 공정이 알려져 있다: 저온 변환이라고 불리는 제 1의 공정은 하나 이상의 촉매의 존재 하에서 수행된다. 그러나, 촉매(예를 들면, 구리)의 존재는 TCS 및 그것으로부터 증착된 실리콘의 순도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 고온 변환이라고 불리는 제 2의 공정은 흡열 공정이고, 이 경우 생성물의 형성은 한계 평형(equilibrium-limited)을 이룬다. 유의미한 TCS 생성에 도달하기 위해서는, 반응기에 매우 높은 온도(≥900 ℃)를 적용해야 한다.
US 3933985 A는 900 ℃ 내지 1200 ℃의 범위의 온도에서, 수소(H2):사염화규소(SiCl4)의 몰 비율을 1:1 내지 3:1로 하여, 수소와 STC를 반응시켜 TCS를 제조하는 반응에 대하여 개시하고 있다. 그러나 단지 12-13 %의 수득률이 얻어졌다.
에너지-절약을 이유로, 반응의 반응물(STC 및 수소)은, 일반적으로 반응기로부터의 뜨거운 오프가스(생성물 및 잔류 반응물, 즉 본질적으로 TCS, 염화수소, STC 및 수소)의 도움으로 흔히 가열된다.
DE 30 24 320 C2는, 예를 들면 열 교환기 유닛을 사용하여, STC를 TCS로 변환하기 위한 장치에 대해 개시하고 있다. 열 교환기는, 예를 들면 생성 기체를 위한 기체 출구로서 작용하는, 전기적으로 가열되지 않은 한 세트의 흑연 튜브로 구성될 수 있고, 반응 기체는 이 튜브들의 외측 주위로 향류(countercurrent)한다.
US 4217334 A는 900-1200 ℃의 온도 범위 내에서, 수소를 이용하여 STC를 TCS로 수소화하는 방법을 개시한다. 높은 H2:STC 몰 비율(50:1까지) 및 300 ℃ 아래의 뜨거운 생성 기체의 액체 급랭(quenching) 덕분에, 현저하게 높은 TCS 수득률(H2:STC 몰 비율 = 5:1에서, 약 35 %까지)이 얻어졌다. 그러나, 반응 기체 중의 수소 함량이 현저하게 높고, 액체를 이용한 급랭을 채용하는 단점들로 인하여, 공정의 에너지 소비가 크게 증가하고, 특히 방출되는 에너지를 이용하지 않고 냉각이 이루어지기 때문에, 그로 인한 비용이 증가한다.
WO 2008/146741 A1은 STC를 환원시킴으로써 TCS를 제조하는 공정을 개시한다. 이 공정은 두 개의 반응 단계로 분리된다. 제 1의 단계는 1000-1900 ℃의 최초 온도 범위 내에서 실행된다. 제 1의 반응 단계는 1 초 이내에 반응 기체를 950 ℃ 이하로 냉각시키는 단계를 수반한다. 제 2의 반응 단계에서는, 600 ℃ 미만의 온도로 냉각이 이루어지기 전에, 0.01-5 초 동안 600-950 ℃에서 온도가 유지된다.
US 8168152 B2는 마찬가지로 STC의 TCS로의 수소화 반응에 있어서 다단계 냉각 공정을 개시한다. 반응 온도는 1000-1900 ℃이다. 냉각에 의해 냉각의 개시로부터 10 밀리초(㎳) 이내에 600 ℃ 이상의 온도에, 2 초 이내에 500 ℃ 이하의 온도에 도달된다. US 8168152 B2는, 형성되는 고차(high-order) 실란을 분해하고 그리하여 폴리머의 형성을 방지하기 위하여, 냉각 공정 중에 보류 단계(hold step), 즉 10-5000 ㎳의 기간 동안 500-950 ℃ 범위에서 온도가 유지되도록 하는 단계의 필요성에 대해 개시하고 있다.
EP 2 088 124 A1은 높은 변환율이 900-1900 ℃의 온도에서 STC와 H2의 반응에 의해 얻어지는 반응 기체 혼합물의 급속한 냉각에 의해 달성된다고 개시하고 있다. 그러나, 높은 냉각 속도는 800-300 ℃로 급랭에 의해 달성된다. 이러한 상대적으로 낮은 온도에서만, 냉각 과정에서 방출되는 에너지가 반응물로 전달된다.
EP 2 085 359 A1은 STC와 수소가 800 ℃보다 높은 온도에서 반응하는 공정을 개시하고 있다. 생성 기체는 1 초 이내에 냉각 기체에 의해 650 ℃ 이하의 온도 T로 냉각(급랭)된다. 높은 수득률은, 액체 또는 기체를 이용하여 반응 기체를 급랭시킴으로써 얻어진다. 그러나, 이때 제거되는 에너지는 경제적으로 실행 가능한 방식으로 활용될 수 없다.
DE 3024319 A1은 마찬가지로 900-1300 ℃의 고온 반응기 내에서 STC의 수소화 반응에 의해 TCS를 제조하기 위한 연속 공정에 관한 것이다. 그러나, 이 공정에서 반응기 내에서의 반응 시간은 200-2 초이다.
US 8197784 B2는 TCS를 제조하는 방법으로서, 초임계 압력에서 STC- 및 H2- 함유 기체의 반응에 의해 이루어지는 방법에 대해 개시하고 있다. 이 경우, 반응 기체는 200-0.05 초 동안 반응 영역에 머무른 후, 200-0.05 초 이내에 300 ℃로 냉각된다.
US 2008/0112875 A1은 700-1500 ℃의 반응 온도에서 STC의 수소화 반응에 의한 TCS 제조 방법을 개시하는데, 생성 혼합물은
τ = Axexp (-BxTCool/1000) [㎳] (여기서 A = 4000; 6 ≤ B ≤ 50 및 100 ℃ ≤ TCool ≤ 900 ℃)
의 반응 기체의 체류 시간 이내에 열 교환기에 의해 냉각 온도(TCool)로 냉각되고, 열 교환기를 이용하여 제거된 에너지는 반응 기체를 가열하는 데 사용된다. 반응기 내의 반응 기체의 체류 시간은 τ ≤ 0.5 초이다.
그러나 US 2008/0112875 A1에 따른 방법에서, 수득률 및 그로 인한 경제적인 실현 가능성에 있어 뜻밖의 공정상 손실이 있을 수 있음이 밝혀졌다.
이러한 문제를 회피하고자 하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 목적은, 온도가 1000-1600 ℃인 반응기의 반응 영역으로 STC 및 수소를 포함하는 반응 기체를 도입함으로써, STC를 TCS로 변환하는 방법으로서, 상기 반응 영역은 상기 반응 영역 외부에 위치하는 히터에 의해 가열되고, 형성되는 TCS를 포함하는 생성 기체는 0.1-35 ms 이내에 700-900 ℃의 온도로 냉각되고, 상기 반응 기체는 향류로 작동하는 열 교환기에 의해 상기 생성 기체에 의해 가열되고, 상기 반응기 및 상기 열 교환기는 단일의 기밀 컴포넌트(gas-tight component)를 형성하고, 상기 컴포넌트는 탄화 규소, 질화 규소, 흑연, 탄화 규소-코팅된 흑연 및 석영 유리로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 세라믹 물질로 구성되는, 방법에 의해 달성된다.
상기 방법은 반응 기체가 1000-1600 ℃의 높은 온도에서 단지 매우 짧게 머무르는 반응 영역으로 반응 기체를 도입하는 것을 포함한다. 이 반응 영역의 하류에서는, 열 평형이 고정되는 극히 높은 냉각 속도로, 상기 기체의 온도는 열 교환에 의해 매우 급속하게 저하되고, 냉각에 의해 방출되는 에너지는 상기 반응 기체로 전달된다.
본 명세서에서, 상기 기체의 반응 및 열 교환은 탄화 규소, 질화 규소, 흑연, 탄화 규소-코팅된 흑연 및 석영 유리로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 세라믹 물질로 구성되는 단일의 일체형 장치 내에서 이루어진다. 상기 장치는 기밀(gas-tight)이다. 종래에는, 반응기 및 열 교환기가 두 개의 컴포넌트로 되어 있고, 두 개의 컴포넌트 사이에 씨일(seal)을 사용할 필요가 있었다. 본 발명자들은 경제적 실현 가능성 측면에서 관찰되는 손실이 누출에 기인한 것임을 인식하였다. 이러한 누출은 결함 있는 씨일에 의한 것으로, 높은 온도 범위에서 특히 민감한 것으로 나타났다.
본 발명은 반응 영역을 가진 반응기 및 열 교환기가 단일의 기밀 컴포넌트로 되어있기 때문에, 열 교환기와 반응기 사이에 더 이상 어떤 씨일도 필요하지 않다는 사실에 의해서 이 문제를 해결한다. 반응기 및 열 교환기는 소결(sintering)에 의해 복수의 부분들(parts)로부터 조립될 수 있다. 그러나, 각각의 부분들이 나사, 볼트 또는 클램프와 같은, 씨일을 필요로 하는 조립 보조기에 의해 서로 고정되어 있지 않은 점에서, 그 부분들은 단일 컴포넌트를 형성한다.
상기 장치는 채널 또는 모세관을 포함하는데, 모세관 또는 채널 중 하나의 부분에는 생성 기체만이 흐르고 다른 부분에는 반응 기체만이 흐른다. 상기 모세관은 또한 쉘(shell) 및 튜브 열 교환기의 형태로 배치될 수 있다. 이 경우, 기체 스트림은 상기 튜브(모세관)을 통과하여 흐르는 반면 다른 기체 스트림은 상기 튜브 주위로 흐른다.
상기 방법은 또한 높은 냉각 속도를 달성할 수 있다. 이는 상기 반응기의 길이에 따라 장치의 채널 깊이를 변화시킴으로써 바람직하게 수행된다. 이 경우, 특히 높은 에너지 전달이 필요한 영역에서는, 낮은 유압(hydraulic) 직경(예를 들면 < 0.5 ㎜)을 가지는 채널이 사용되고, 반면 다른 영역에서는 채널의 유압 직경이 이보다 더 클 수 있다. 이는 상기 반응기의 감소된 배압과 함께 신속한 냉각을 이루어낸다.
상기 반응기 중의 상기 반응 영역은 외부로부터 가열된다. 이를 위하여, 히터는 상기 반응 영역 외부에 제공된다. 따라서, 가열 요소는 반응 매질에 노출되지 않는다. 이는, 결과적으로 반응 매질의 수명이 증가하기 때문에 특히 유용하다. 이것은 상기 방법을 보다 경제적으로 실행 가능하게 한다. 당업자에게 알려져 있는 모든 가열 방법이 사용될 수 있기는 하지만, 복사(radiation)에 의해 열이 전달되는, 전기 가열이 특히 바람직하다.
상기 장치 (반응기 + 열 교환기) 중의 반응 영역은 외부로부터 가열되는 영역 및 반응 기체에 대하여 병류(cocurrent), 횡류(cross-current) 또는 향류(countercurrent)로 실행되지 않는 영역을 의미하는 것으로 이해된다.
반응 온도는 1000-1600 ℃이다.
반응 온도의 측정은, 상기 컴포넌트의 최대 표면 온도로서 결정되고, 바람직하게는 고온계(pyrometer)에 의한 측정에 의해 결정된다.
예를 들면, 루마센스 테크놀로지(Lumasense Technologies)사의 IGA 140-TV 타입의 고온계가 이 목적에 적합하다.
바람직하게는 최고온(hottest) 지점에서 표면/용적 > 500 m-1인, 상기 장치의 높은 표면 대 용적 비율 덕분에, 표면 온도는 이 지점의 기체 온도에 해당하고, 간단한 방법으로 직접 측정을 할 수는 없을 것이다.
상기 기체는 반응 영역에서 바람직하게는 0.1 ㎳ ≤ τ ≤ 250 ㎳의 짧은 유체역학적(hydrodynamic) 체류 시간을 가지고, 보다 바람직하게는 0.2 ㎳ ≤ τ ≤ 100 ㎳, 보다 더 바람직하게는 0.5 ㎳ ≤ τ ≤ 20 ㎳, 가장 바람직하게는 1 ㎳ ≤ τ ≤ 10 ㎳의 유체역학적 체류 시간을 가진다.
상기 유체역학적 체류 시간은 당업자에게 알려져 있는 하기 공식에 의해 계산된다:
Figure pat00001
여기서
Figure pat00002
: 반응기 용적 또는 반응 영역의 용적,
Figure pat00003
: 반응 조건(p, T) 하의 기체의 체적 유량(volume flow rate)
상기 반응 영역의 하류에서, 상기 기체는 0.1-35 ㎳ 이내에 700-900 ℃의 온도로 급속히 냉각된다.
바람직하게는, 700-900 ℃의 온도로 선택된 냉각 시간은 하기 공식에 의해 계산된다:
τ = Axexp (-BxTCool/1000) [㎳] (여기서 A = 4000; 700 ℃ ≤ TCool ≤ 900 ℃)
여기서 냉각 온도에 따라 다음과 같이 B에 적용된다:
TCool = 700 ℃: 15.1 ≥ B ≥ 6.75, 바람직하게는 TCool = 700: 11.8 ≥ B ≥ 7.72; 보다 바람직하게는 TCool = 700: 10.86 ≥ B ≥ 8.56;
TCool = 800 ℃: 13.25 ≥ B ≥ 5.92, 바람직하게는 TCool = 800: 10.37 ≥ B ≥ 6.75; 보다 바람직하게는 TCool = 800: 9.5 ≥ B ≥ 7.49;
TCool = 900 ℃: 11.8 ≥ B ≥ 5.25, 바람직하게는 TCool = 900: 9.21 ≥ B ≥ 6; 보다 바람직하게는 TCool = 900: 8.45 ≥ B ≥ 6.66.
700 ℃, 800 ℃, 900 ℃의 특정된 온도 사이의 냉각 온도의 경우, B의 값은 보간(interpolation)되는 것이 바람직하다.
바람직하기로는 반응기 출구에서의 압력에 따라, 반응기 출구에서의 게이지 압력이 0.1 bar인 경우 0.1-10 ㎳ 이내에, 반응기 출구에서의 게이지 압력이 5 bar인 경우 0.1-20 ㎳ 이내에, 반응기 출구에서의 게이지 압력이 10 bar인 경우 0.1-35 ㎳ 이내에, 700 ℃의 온도로의 냉각이 이루어진다.
700 ℃의 온도로의 최대 냉각 시간은, 반응기 출구에서의 압력이 0.1 bar 내지 5 bar인 경우 10-20 ㎳가 되어야 하며, 이 압력 범위 내에서 선형으로 증가하여야 한다.
700 ℃의 온도로의 최대 냉각 시간은, 반응기 출구에서의 압력이 5 bar 내지 10 bar인 경우 20-35 ㎳가 되어야 하며, 이 압력 범위 내에서 선형으로 증가하여야 한다.
냉각은 보류 단계(hold step) 없이 실시된다. 냉각은 직접적으로, 지속적으로 및 급속하게 실시될 수 있다.
바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 0.1 bar인 경우, 1-7 ㎳ 이내에 700 ℃의 온도로 냉각되도록 하는 것이다. 특히 바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 0.1 bar인 경우, 냉각 시간은 1.5-5 ㎳, 매우 특히 바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 0.1 bar인 경우, 냉각 시간은 2-4 ㎳이다.
바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 5 bar인 경우, 1-18 ㎳ 이내에 700 ℃의 온도로 냉각되도록 하는 것이다. 특히 바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 5 bar인 경우, 냉각 시간은 1.5-10 ㎳, 매우 특히 바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 5 bar인 경우, 냉각 시간은 2-6 ㎳이다.
바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 10 bar인 경우, 1-33 ㎳ 이내에 700 ℃의 온도로 냉각되도록 하는 것이다. 특히 바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 10 bar인 경우, 냉각 시간이 1.5-20 ㎳, 매우 특히 바람직하기로는 반응기 출구에서의 게이지 압력이 10 bar인 경우, 냉각 시간은 2-10 ㎳이다.
냉각 과정에서 제거되는 에너지는 유입되는 반응물 스트림의 가열에 활용된다.
700 ℃의 온도로 냉각된 후, 후속 냉각은 훨씬 더 천천히 이루어질 수 있다. 이는 바람직하다. 왜냐하면 계속되는 급속 냉각은 더 이상의 수득률 증가를 이룰 수 없다는 것이 밝혀졌기 때문이다.
높은 냉각 속도는 상기 장치의 특정 구성에 의해 가능하게 된다:
상기 열 교환기의 효율은 바람직하게는 상기 반응기의 길이에 따라 달라지고, 이것은 상기 반응기의 길이에 따라, 유체역학의 특징적인 길이, 즉 유압 직경을 변화시킴으로써 이상적으로 정해진다.
그 결과, 바람직하기로는 압력 강하는 700 ℃ 미만의 더 낮은 온도 범위 내에서 단면(cross-section) 확대에 의해 더 낮아지고, 700 ℃의 이상의 높은 온도 범위 내에서 높은 열 교환 효율이 구현된다.
따라서, 상기 방법의 바람직한 실시예에서, 일반적인 구조의 크기 (또는 특징적인 길이)는 상기 반응기의 길이에 따라 달라진다. 바람직한 실시예에서, 채널 깊이 및 장치 내 채널의 수는 반응기의 길이에 따라 달라진다.
상기 채널은 임의의 바람직한 단면, 특히 원형, 사각형, 마름모형, 삼각형, U자형, W자형 등을 가질 수 있다.
상기 방법의 더 바람직한 실시예에서, 웹(web) 구조 또는 이와 유사한 구조가 제공되는데, 이것들은 열 전달 분야의 당업자에게 알려져 있고, 동등한 효과를 나타낸다. 이 실시예에서, 바람직하기로는 웹과 자유 흐름 단면(free flow cross section) 사이의 거리는 상기 반응기의 길이에 따라 달라진다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 직사각형 단면을 가진 채널이 사용된다.
바람직하게는, 특히 높은 에너지 전달을 요구하는 영역에서, 낮은 유압 직경을 가지는 채널이 사용되는 반면, 다른 영역에서는 채널의 유압 직경이 더 클 수 있다. 여기서 유압 직경은 당업자에게 알려진 하기 공식에 의해 계산된다:
Figure pat00004
여기서
Figure pat00005
: 채널의 단면적 및 U: 채널의 원주
특히 높은 에너지 전달을 가지는 영역에서 채널의 유압 직경은 바람직하게는 0.05 ㎜ ≤ dh < 1 ㎜, 보다 바람직하게는 0.25 ㎜ ≤ dh ≤ 0.75 ㎜, 및 가장 바람직하게는 0.4 ㎜ ≤ dh ≤ 0.6 ㎜이다.
또한 반응 기체의 추가 냉각은 방출되는 에너지를 이용하여, 온도 프로필 중에 보류 단계 없이 진행된다.
상기 장치(반응 영역 + 열 교환)의 총 체류 시간은 바람직하게는 10 ㎳ ≤ τ ≤ 400 ㎳, 보다 바람직하게는 20 ㎳ ≤ τ ≤ 200 ㎳, 특히 바람직하게는 40 ㎳ ≤ τ ≤ 110 ㎳이다.
낮은 체류 시간은 작동 신뢰성(operational reliability)의 관점에서 특히 유리하다.
전체 장치는 매우 공간-절약적이고 컴팩트한 방식으로 구성될 수 있고, 세라믹 구조의 총 길이는 ≤ 1500 ㎜, 바람직하게는 < 1000 ㎜, 보다 바람직하게는 ≤ 600 ㎜이다.
씨일이 없는 부분에서, 상기 장치는 반응 기체와 생성 기체 사이에 열 교환이 일어나는 영역과 반응 영역을 결합시킨다. 이들 두 영역은 씨일 없이 외부에 대해 기밀 방식으로 하나의 컴포넌트로 결합된다.
또한, 반응 공간으로부터 떨어져, 반응 기체 및 생성 기체에 대한 기체 도관들은 기밀 방식에서 서로 분리되어 있고, 그 결과 반응 기체로부터 생성 기체로의 누출로 수득률이 감소하는 것은 확실하게 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 500 ℃보다 높은 온도 범위에서는 씨일을 사용할 필요가 없으며, 그 결과 상기 반응기의 수명이 더 길어질 수 있으며, 또한 작동 신뢰성이 증가한다.
컴포넌트 (또는 유닛)들은 서로 결합될 수 있고, 그 결과 생산 능력은 유닛의 병렬 연결을 통해 바람직하게 조절될 수 있다.
도 1은, 개략적인 형태로, 반응기 유닛의 병렬 연결이 어떻게 구성될 수 있는지 도시한 것이다.
(1)은 반응 기체의 통로를 나타낸다.
(2)는 생성 기체의 통로를 나타낸다.
(3)은 연결된 반응기 유닛 (단일의, 기밀 컴포넌트) 중의 하나를 나타낸다.
(4)는 반응기 유닛 사이의 씨일을 나타낸다.
도 2는, 개략적인 형태로, 병렬 연결이 어떻게 가열되는지 도시한 것이다.
도 2는 발명의 컴포넌트들의 조합에 있어서 바람직한 구현예를 개시한다.
(1)은 반응 기체의 통로를 나타내고; (2)는 생성 기체의 통로를 나타낸다.
(3)은 연결된 반응기 유닛(단일의, 기밀 컴포넌트) 중의 하나를 나타낸다.
이 유닛들은 예를 들면, 씨일 (4)에 의해 결합될 수 있다. 이 경우, 씨일은 바람직하게는 냉각 영역 즉, 가열되지 않은 영역에서 사용된다. 가열되지 않은 영역의 온도는, 예를 들면, 500 ℃ 이하일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 가열 (5)는 상기 반응 영역으로 제한되고, 1000-1600 ℃로 상기 반응 영역을 가열한다. 가열은 저면으로부터 또는 최상부로부터(도 2에서는 저면으로부터 가열됨) 이루어질 수 있다.
이때 당업자에게 알려져 있는 모든 가열 수단을 채택하는 것이 가능하고, 바람직하게는 전기적인 가열 및 복사에 의한 열 전달이지만 이들로 제한되지는 않는다.
바람직하기로는 반응 영역만을 가열하고, 상기 컴포넌트의 나머지 부분은 열적으로 단열시킨다(영역 (6) 참조).
개별 반응기 유닛 (3)들의 조합은 바람직하게는 컴포넌트들이 서로 기밀 방식으로 연결되도록 구성되어야 한다; 이것은 당업자에게 공지된 방법에 의해 이루어질 수 있다(예를 들면, 컴포넌트의 적절한 장력을 가지는 씨일을 이용함).
전술한 상기 장치의 실시예들은 또한 상승된 압력 하의 상기 장치의 작동을 허용한다.
예를 들면, 상기 반응기는 상기 반응기 출구에서의 상기 생성 기체의 게이지 압력이 0-10 bar, 바람직하게는 2-6 bar, 보다 바람직하게는 3-5 bar인 압력에서 작동할 수 있다. 이는 대량 처리량 및 그로 인한 경제적 실행 가능성이 더욱 증가하는 이점을 가진다.
상기 반응기 입구에서의 압력은 처리량에 의존한다.
또한, 수소 및 STC 뿐만 아니라, 추가 성분, 특히 염화수소, 탄화수소, 하이드로클로로실란, 올리고클로로실란, 수소화된 올리고클로로실란, 유기클로로실란, 및 실록산 및 유기실록산도 반응 기체 중에 존재할 수 있다.
실시예
실험은 완전히 탄화규소로 구성된 장치에서 수행되었다.
STC 676 mL/h 및 수소 264 ℓ(STP)/h (ℓ(STP): 표준 리터)의 혼합물이 도입되었다.
최소 유체역학적 직경은 0.4 ㎜이었다.
상기 반응기는 오븐에서 전기적으로 가열되었고, 고온에서의 열 입력은 복사에 의해 주로 이루어졌다.
반응 온도의 측정은 고온 측정법에 의해 상기 장치의 최대 표면 온도로서 결정되었다.
고온 측정법에 의해 결정되는 데이터는, 상기 반응 영역에 인접하여 직접적으로 장착된 타입 B의 열전대(thermocouple)에 의한 측정에 부합한다.
유체역학적 체류 시간은 (p,T)로 정해지는 조건 하에서 체적 유량에 대한 반응기 용적의 비로부터 계산된다.
상기 반응 영역에서의 체류 시간은 2.8 (1000 ℃) 내지 1.6 (1500 ℃) ㎳이다.
표 1은 5 개의 실험 결과를 나타낸다.
각각의 경우에, H2 및 STC의 질량 유량, 및 온도, 체류 시간(RT), 압력 및 변환율(C rate)이 기록되었다.
측정은 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃, 1400 ℃, 및 1500 ℃에서 이루어졌다.
실험 질량 유량 온도 [℃] RT
[㎳]		 압력 [bar] C rate [wt.에 의한 %]
H2 [ℓ(STP)/h] SiCl4 [mL/h] 용광로 용광로 모니터 고온계 온도 <　700 ℃까지 차이 1 2 3 4 5 6
1 264 676 1500 1500 1494 4.3 3.9 25.3 25.8 25.6 25.8
2 264 676 1400 1392 1391 3.1 3.6 25.6 25.1 24.8
3 264 676 1200 1185 1204 2.8 3.1 23.6 23.6 23.2 23.2 23.1 23.5
4 264 676 1100 1073 1127 2.5 2.9 17.9 17.9 17.9 18.0 18.1
5 264 676 1000 971 1039 2.3 2.7 2.5 2.7 3.3 3.7 4.7 4.9

Claims (10)

  1. 온도가 1000-1600 ℃인 반응기의 반응 영역으로 실리콘 테트라클로라이드(STC) 및 수소를 포함하는 반응 기체를 도입함으로써, STC를 트리클로로실란(TCS)으로 변환하는 방법으로서,
    상기 반응 영역은 상기 반응 영역 외부에 위치하는 히터에 의해 가열되고, 형성되는 TCS를 포함하는 생성 기체는 0.1-35 ms 이내에 700-900 ℃의 온도로 냉각되고,
    상기 반응 기체는 향류(countercurrent)로 작동하는 열 교환기에 의해 상기 생성 기체에 의해 가열되고,
    상기 반응기 및 상기 열 교환기는 단일의 기밀 컴포넌트(gas-tight component)를 형성하고,
    상기 컴포넌트는 탄화 규소, 질화 규소, 흑연, 탄화 규소-코팅된 흑연 및 석영 유리로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 세라믹 물질로 구성되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 영역에서 반응 기체의 유체역학적 체류 시간이 0.1-250 ㎳, 바람직하게는 0.2-100 ㎳, 보다 바람직하게는 0.5-20 ㎳, 가장 바람직하게는 1-10 ㎳인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반응기 및 상기 열 교환기에서 총 체류 시간이 10-400 ㎳, 바람직하게는 20-200 ㎳, 보다 바람직하게는 40-110 ㎳인, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생성 기체의 냉각이 보류 단계(hold step) 없이 실시되는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생성 기체는 반응기 출구에서의 압력에 따라, 반응기 출구에서의 게이지 압력이 0.1 bar인 경우 0.1-10 ㎳ 이내에, 반응기 출구에서의 게이지 압력이 5 bar인 경우 0.1-20 ㎳ 이내에, 반응기 출구에서 게이지 압력이 10 bar인 경우 0.1-35 ㎳ 이내에, 700 ℃의 온도로 냉각되는, 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응기와 열 교환기로 형성된 상기 단일 컴포넌트는 채널들을 포함하며,
    오직 상기 생성 기체 또는 오직 상기 반응 기체가 상기 채널의 일부를 통해 흐르고,
    상기 채널의 깊이 및 상기 채널의 수가 상기 단일 컴포넌트의 길이에 따라 달라지고,
    상기 채널의 유압(hydraulic) 직경이 0.05-1 ㎜, 바람직하게는 0.25-0.75 ㎜, 보다 바람직하게는 0.4-0.6 ㎜인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 컴포넌트의 길이가 1500 ㎜ 이하, 바람직하게는 1000 ㎜ 이하, 보다 바람직하게는 600 ㎜ 이하인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기는, 기체 용적에 대한 교환 면적의 비가 > 500 m-1인, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기는, 상기 반응기 출구에서의 상기 생성 기체의 게이지 압력이 0-10 bar, 바람직하게는 2-6 bar, 보다 바람직하게는 3-5 bar인 압력에서 작동하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 및 상기 열 교환기에 의해 각각 형성된 복수의 단일 기밀 컴포넌트가 서로 연결되고, 상기 반응 및 생성 기체에 대한 공통의 통로가 제공되는, 방법.
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