TWI477447B - 透過單矽烷之熱裂解製造二矽烷之方法及裝置 - Google Patents

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Description

透過單矽烷之熱裂解製造二矽烷之方法及裝置
本發明關於透過單矽烷之熱裂解製造二矽烷之一種方法及一種裝置，尤其關於透過在特定溫度、壓力及氣體空間速度下單矽烷之熱裂解而經濟地製造高價的二矽烷之一種方法及一種裝置。
矽基半導體元件係被用於現代生活中不可或缺之多類產品中，包含電腦、行動電話、智慧型手機、汽車、冰箱、通訊裝置及軍事與航太產業。
單矽烷係被用於在一半導體製程中形成一多晶矽薄膜及太陽能電池之一非晶矽薄膜。隨著半導體元件之積合度逐漸增加以及所謂的線寬逐漸減少，其係變得難以用單矽烷製造矽薄膜。相反地，據悉，矽薄膜可用二矽烷或高級矽烷在較低溫下或在相同溫度下以達到約20倍之較高速度來形成，因為分解溫度係低於單矽烷之分解溫度。再者，以此方式而長出之矽薄膜則據悉具有優異的電阻。因此，隨著半導體元件之線寬變得越窄，二矽烷之需求係逐漸增加。然而，相較於矽烷，每單位重之二矽烷多花費數百倍之成本。因此，能夠以大規模來生產具商業價值之二矽烷的程序將提供矽烷之生產者經濟優勢、擴展二矽烷之應用以及降低利用二矽烷製程之半導體組件與元件之價格。
目前，用於二矽烷之製造之幾種技術係可取得。因為低競爭力，過去作為用於製造單矽烷之程序的矽化鎂之水解作用係不再被用於製造單矽 烷。雖然二矽烷係作為副產物而被製出，但因為伴隨大量之矽烷，此程序係不適用於二矽烷之大規模生產。二矽烷係亦利用一還原劑，例如氫化鋁鋰(LiAlH4 )，由在一溶劑中之六氯二矽烷或六乙氧基二矽烷所製備。雖然二矽烷之產率高，但因為起始材料，六氯二矽烷及該還原劑昂貴，此程序並未被用於商業用途，且其係難以分離作為副產物而製出之有機矽化合物。製造二矽烷之另一方法為放電方法。雖然據悉二矽烷可以80%或更高之高產率來獲得，但因為商業規模之製造裝置之開發上之困難，此方法已不在商業上實施。另一方法係利用一催化劑，由單矽烷來製造二矽烷。舉例而言，單矽烷係與氧化鋁催化劑或混合之氧化物催化劑在50-400℃下接觸。雖然二矽烷之產率係相對地高，但此方法需要長的反應時間且反應速率係未如催化反應般高。此外，除非反應條件被適當地控制，否則單矽烷可能在具有大表面積之催化劑之表面上被過量地分解，導致聚矽烷粉末之產生。此基於熱裂解之方法亦著重在最小化固體顆粒之生成。
上述方法著重在以較少單矽烷之浪費，由單矽烷而得高級矽烷的製備。然而，該等方法並不適用於最大化由相對上不昂貴的單矽烷而得之高價的高級矽烷的製造。為了二矽烷及高級矽烷之大規模生產，需要經濟地有效製備方法。
本發明係針對於提供透過在400-460℃、3-5bar及60-500hr-1 下單矽烷之熱裂解來經濟地且有效率地製造高價的二矽烷之一種方法及一種裝置。
在一廣義態樣中，本發明提供一種透過單矽烷之熱裂解製造二 矽烷之裝置，包含：一單矽烷熱裂解單元，其中熱裂解發生於400-460℃之一熱裂解溫度、3-5bar之一熱裂解壓力及60-500hr-1 之一熱裂解空間速度；一固體顆粒移除單元，其包含一金屬過濾器及一陶瓷支撐物，該金屬過濾器從在該熱裂解單元中生成之固體顆粒之中移除直徑超過0.1μm之顆粒，該陶瓷支撐物係被提供在該金屬過濾器之後且移除直徑0.1μm或更小之顆粒；一凝結單元，其液化並收集未反應之單矽烷及從已移除固體顆粒的一氣體中排除氫氣而作為熱裂解產物之二矽烷與Si3 -Si7 高級矽烷；一第一分離單元，其從被液化且未反應之單矽烷、二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷之一混合物中分離單矽烷；以及一第二分離單元，其從已移除單矽烷之混合物中分離二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷。
在本發明之一示例性實施例中，該凝結可藉由液態氮而實現。
在本發明之一示例性實施例中，該分離可基於沸點而實現。
在本發明之一示例性實施例中，該裝置可更包含一熱交換單元，該熱交換單元控制在該熱裂解單元中生成之一氣體之溫度。
在本發明之一示例性實施例中，該裝置可更包含一儲存槽，該儲存槽儲存二矽烷。
在另一廣義態樣中，本發明提供一種製造二矽烷之方法，包含：在400-460℃之一熱裂解溫度、3-5bar之一熱裂解壓力及60-500hr-1 之一熱裂解空間速度下熱裂解單矽烷； 利用一金屬過濾器從於熱裂解期間生成之一氣體中之固體顆粒之中移除直徑超過0.1μm之固體顆粒且利用一陶瓷支撐物移除直徑0.1μm或更小之顆粒；液化並收集未反應之單矽烷及從已移除固體顆粒的氣體中排除氫氣而作為熱裂解產物之二矽烷與Si3 -Si7 高級矽烷；從被液化且未反應之單矽烷、二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷之一混合物中分離單矽烷；以及從已移除單矽烷之混合物中分離二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷。
依據本發明，透過單矽烷之熱裂解來製造二矽烷之方法及裝置能夠經濟且有效率地透過單矽烷之熱裂解來製造高附加價值之二矽烷。
100‧‧‧單矽烷熱裂解單元
101‧‧‧氣體流
150‧‧‧熱交換單元
151‧‧‧氣體流
200‧‧‧固體顆粒移除單元
201‧‧‧氣體流
300‧‧‧凝結單元
301‧‧‧氣體流
302‧‧‧液化氣體
400‧‧‧第一分離單元
401‧‧‧單矽烷
402‧‧‧液體
500‧‧‧第二分離單元
501‧‧‧氣體流
502‧‧‧氣體流
503‧‧‧氣體流
600‧‧‧儲存槽
700‧‧‧爐
800‧‧‧反應器
900‧‧‧金屬過濾器
1000‧‧‧大孔洞陶瓷支撐物
第1圖及第2圖係以圖式表示依據本發明之示例性實施例之製造二矽烷之方法。
第3圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之空間速度而定之單矽烷之消耗量。
第4圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之空間速度而定之二矽烷之製造量。
第5圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之空間速度而定之固體顆粒之生成量。
第6圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之空間速度而定之供應至反應器中之單矽烷之量。
第7圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之溫度而定之供應至反應器單矽烷之量。
第8圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之溫度而定之單矽烷之消耗量。
第9圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之溫度而定之二矽烷之製造量。
第10圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之溫度而定之固體顆粒之生成量。
第11圖及第12圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之溫度而定之單矽烷轉化率、二矽烷選擇率及二矽烷產率。
第13圖及第14圖表示依據本發明之示例性實施例依製造二矽烷之方法中之空間速度而定之單矽烷轉化率、二矽烷選擇率及二矽烷產率。
第15圖表示依據本發明之示例性實施例在製造二矽烷之方法中於熱裂解期間所生成之固體顆粒之SEM照片。
第16圖表示依據本發明之示例性實施例在製造二矽烷之方法中於熱裂解期間所生成之固體顆粒之顆粒尺寸分布。
第17圖表示依據本發明之示例性實施例之製造二矽烷之裝置之固體顆粒移除單元，其係包含爐700、反應器800、金屬過濾器900及大孔洞陶瓷支撐物100。
第18圖表示依據本發明之示例性實施例在製造二矽烷之方法中陶瓷支撐物之孔隙率之改變。
以下，本發明之示例性實施例將被詳細地說明，以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者能容易地實施本發明。
本發明提供一種透過單矽烷之熱裂解製造二矽烷之裝置，包含：一單矽烷熱裂解單元100，其中熱裂解發生於400-460℃之一熱裂解溫度、3-5bar之一熱裂解壓力及60-500hr-1 之一熱裂解空間速度；一固體顆粒移除單元200，其包含一金屬過濾器及一陶瓷支撐物，該金屬過濾器從在該熱裂解單元中生成之固體顆粒之中移除直徑超過0.1μm之顆粒，該陶瓷支撐物係被提供在該金屬過濾器之後且移除直徑0.1μm或更小之顆粒；一凝結單元300，其液化並收集未反應之單矽烷，並從已移除固體顆粒的一氣體中排除氫氣而作為熱裂解產物之二矽烷與Si3 -Si7 高級矽烷；一第一分離單元400，其從被液化且未反應之單矽烷、二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷之一混合物中分離單矽烷；以及一第二分離單元500，其從已移除單矽烷之混合物中分離二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷。
本發明係針對高級矽烷，特別是二矽烷，之製備。二矽烷係主要被用於形成半導體製程中之薄膜。尤其，其被用於在20-nm規格之製程中沈積多晶矽(poly-Si)於一快閃記憶體之一控制閘之下，以確保與氧化物/氮化物/氧化物(ONO)結構之接觸並減低電阻，藉此增進元件表現。在未來的半導體產業中，半導體製程係被預期將前進至次20-nm規格，例如10-nm規格製程。此外，為了產能之提升，能夠製造二矽烷之技術係為半導體產業所需要，而二矽烷係使次20-nm規格製程有高產量。因為獲得高級矽烷之條件係因物種而異，本發明著重在二矽烷之經濟製造及提供以高產率製造二矽烷之方法。
依據本發明之示例性實施例之製造二矽烷之方法係以圖式表示於第1圖中。
該單矽烷熱裂解單元熱裂解單矽烷。供應至該熱裂解單元之單矽烷補充被熱裂解之單矽烷且係在被熱裂解及未反應之單矽烷被分離之後被循環。該熱裂解單元可為由一個或多個管所組成之管式反應器，但並不限於此。
單矽烷之熱裂解產物包含未反應之單矽烷(沸點=-112℃)、二矽烷(沸點=-14℃)、包含三矽烷(沸點=53℃)之Si3 -Si7 高級矽烷、氫氣(沸點=-253℃)及尺寸介於次微米至數百微米之固體顆粒。單矽烷之轉化率及產物之分布係藉由包含反應溫度、反應壓力及滯留時間之熱裂解反應器之操作參數而被影響。
在本發明中，高級矽烷意指排除單矽烷及二矽烷之Si3 -Si7 矽烷。
固體顆粒為生成於熱裂解期間尺寸介於次微米至數百微米之固體顆粒。
透過單矽烷之熱裂解製造二矽烷之機制係表示如下。
[總反應]
2SiH4 Si2 H6 +H2 (△H°=12kJ/mol)
[矽烷之逐步分解]
SiH4 → SiH2 +H2
SiH4 +SiH2 Si2 H6 → SiH2 SiH2 +H2
SiH2 +Si2 H6 Si3 H8 → SiH3 SiH+SiH4
SiH2 +Si3 H8 Si4 H10 ,...
[固體顆粒之生成]
SiH4 →Sin H2n+2 →Sin Han →固體顆粒(氣懸粒子)，(a2)
如機制中所載，1mol之單矽烷(SiH4 )係被熱裂解以產生1mol 之H2 及作為反應物種之1mol之SiH2 (亞矽基)。1mol之SiH2 (亞矽基)係與1mol之SiH4 結合以產生作為中間產物之二矽烷(Si2 H6 )。接著，高級矽烷係透過連鎖反應而被聚合且其與未飽和之氫化矽以產生固體顆粒。
因為打斷Si-H鍵所需要之能量係低於打斷Si-Si鍵所必需之能量，氫氣從單矽烷被釋放以形成飽和或不飽和矽之反應係在熱力學上較透過聚合反應形成之高級矽烷之反應更有利。
本發明提供400-460℃之一熱裂解溫度、3-5bar之一熱裂解壓力及60-500hr-1 之一熱裂解空間速度以作為熱裂解單矽烷及解決熱力學問題之最適化條件。在此溫度、壓力及空間速度之條件下，優異的單矽烷轉化率、二矽烷選擇率及二矽烷產率係可被獲得。
具體而言，在該熱裂解單元中，熱裂解可發生在400-460℃。若反應溫度係低於400℃，單矽烷轉化率及二矽烷之產量係非常低。再者，若反應溫度係高於460℃，固體顆粒係過量地被生成。反應溫度可藉由電加熱該熱裂解單元或藉由任何其他習知方法而維持。
具體而言，在該熱裂解單元中之熱裂解壓力可為3-5bar。依據本發明之發明人所進行之研究，較佳係為單矽烷熱裂解壓力被維持在3-5bar之計示壓力(gauge pressure)。尤其，當考量在反應後之分離及純化期間之壓力降時，3-5bar之壓力係較佳。若壓力係低於3bar，單矽烷轉化率係過低。再者，若其超過5bar，因為過多的氫氣係被製出，二矽烷之生產可能有負面的影響。
舉例而言，依據本發明之發明人所進行之研究，當反應壓力以計示壓力表示為5bar時，最高的二矽烷產率係在440℃之反應溫度下達成，而，在高於460℃下，二矽烷之生產減少且固體顆粒及氫氣之生成迅速地增加。
在本發明中，該熱裂解單元之熱裂解氣體空間速度可為60-500hr-1 。該氣體空間速度(SV)意指在反應器之入口所測得之每小時進入熱裂解反應器之單矽烷之量除以反應器之體積。若空間速度係藉由增加單矽烷之進料量而增加，固體顆粒之生成係降低但二矽烷之生產並未顯著增加而將被回收之未反應單矽烷之量則大幅增加。因此，反應器之體積應該要非常大。
換言之，本發明之熱裂解單元係在考量二矽烷之製造量、固體顆粒之生成、未反應之單矽烷之回收量或其類似者之下而被決定。在本發明中，單矽烷係在400-460℃之一熱裂解溫度、3-5bar之一熱裂解壓力及60-500hr-1 之一熱裂解空間速度的條件下被熱裂解以製造固體顆粒、二矽烷及高級矽烷。因此，由於為了最大化二矽烷之生產，固體顆粒係無可避免地被生成，故必須在熱裂解之後有效移除固態顆粒。
若該熱裂解單元係在固體顆粒未被生成之條件下操作，由固態顆粒所致之單矽烷之消耗及程序問題，例如管線阻塞，可被最小化。然而，考量二矽烷之價格係高於單矽烷之價格數百倍，縱使固態顆粒被生成，在二矽烷之生產被最大化之條件下操作該熱裂解單元係最有效且經濟的。在本發明之溫度、壓力及空間速度之條件下，單矽烷係以生成固態顆粒之狀態而最經濟地被熱裂解。
如第2圖所示，製造本發明之二矽烷之裝置可更包含一熱交換單元150，該熱交換單元150控制在該熱裂解單元100中產生之氣體之溫度。具體而言，冷卻可在產物從該熱交換器單元150流至該固體顆粒移除單元200之前被執行。
該固體顆粒移除單元200用於移除在該熱裂解單元100中生成 之固體顆粒。固體顆粒之有效移除防止由固體顆粒在後續程序中所造成之程序問題。此外，殘留在最終二矽烷產物中之次微米顆粒可能導致在使用二矽烷氣體之半導體製程中的問題。
如第15圖所示，本發明之發明人已確認出在單矽烷之熱裂解期間所生成之約1%之固態顆粒，其尺寸介於數十至數百奈米。所生成之固態顆粒之顆粒尺寸分布係表示於第16圖及表1與表2中。因為矽烷之熱裂解係藉由上述之連鎖反應而發生，固體顆粒係在該程序期間被生成。因為作為雜質之固體顆粒可能導致降低二矽烷產率及程序問題，為了二矽烷之品質控制，固體顆粒需要被移除。
因此，依據本發明之方法包含利用一固體顆粒移除單元200來移除所生成之固體顆粒，該固體顆粒移除單元包含一金屬過濾器900及一陶瓷支撐物1000，該金屬過濾器900從在該熱裂解單元中生成之固體顆粒之中移除 直徑超過0.1μm之顆粒，該陶瓷支撐物係被提供在該金屬過濾器之後且移除直徑0.1μm或更小之顆粒(見第17圖)。換言之，在本發明中之固體顆粒之移除以兩階段發生。直徑超過0.1μm之顆粒首先係藉由該金屬過濾器900而被移除，且接著直徑0.1μm或更小之顆粒係藉由裝設在該金屬過濾器900之後的陶瓷支撐物1000而被移除。因此，多種尺寸之固體顆粒可被分離且有效地防止被包含於最終產物中。
該固體顆粒移除單元200僅移除被包含於從該熱裂解單元100之出口所排出之一氣體流101中之固體顆粒並使其他氣體產物通過。來自該氣體流之固體顆粒之移除係可藉由任何習知方法來達成而不特別限制。舉例而言，旋風分離器、金屬過濾器等係可被用於捕捉固體顆粒。然而，因為利用一般商業上可取得之金屬過濾器係難以移除尺寸0.1μm或更小之顆粒，由具有經控制之孔洞尺寸之一陶瓷支撐物所組成之一收集器係可被裝設在該金屬過濾器之後以移除尺寸0.1μm或更小之顆粒。利用能定期地再利用之一過濾器可具經濟性。此外，舉例而言，固體顆粒可藉由使包含固體顆粒之氣體通過一洗滌塔而被移除，該洗滌塔噴灑能溶解固體顆粒之純水或一水性溶液。在此態樣中，一吸附塔係可被裝設以移除溶解固體顆粒之水或水性溶液。
該陶瓷支撐物為具有經控制之孔洞尺寸之大孔洞(macroporous)陶瓷支撐物1000。本發明之陶瓷支撐物具有沈積在尺寸1μm或更小之孔洞上之細微固體顆粒且因此具有多種孔洞尺寸。該陶瓷支撐物之空隙率之改變係如第18圖所示。換言之，難以被分離之尺寸0.1μm或更小之固體顆粒係可利用該大孔洞陶瓷支撐物而有效地被分離。
該凝結單元300用於液化並收集未反應之單矽烷及從已移除固 體顆粒的氣體中排除氫氣而作為熱裂解產物之二矽烷與Si3 -Si7 高級矽烷。從移除固體顆粒之固體顆粒移除單元200所排出之一氣體流201包含未反應之單矽烷、氫氣、二矽烷及高級矽烷。其係被傳送至該凝結單元300藉以液化該氣體並排除氫氣。
具體而言，液化(凝結)係可利用液態氮(沸點=-196℃)而被實現。然而，任何習知的液化方法係可被採用而並不限於此。未液化之氫氣與微量氧氣以及包含於該氣體中之單矽烷係可作為一氣體流301而被排出並傳送至一焚化爐。
該第一分離單元400從被液化且未反應之單矽烷、二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷之一混合物中分離單矽烷。藉由該凝結單元所收集之一液化氣體302係被傳送至該第一分離單元400。該第一分離單元400可基於單矽烷與高級矽烷在物理性質上之差異來分離單矽烷401及包含二矽烷及高級矽烷之一液體402。具體而言，單矽烷及包含二矽烷之高級矽烷可基於沸點上之差異而被分離，但並不限於此。為何氫氣、矽烷及包含二矽烷之高級矽烷係並未基於沸點藉由該凝結單元300同時地被分離，而是利用該第一分離單元之原因係由於包含在單矽烷之流中之二矽烷之量可能因為包含在該氣體中之二矽烷之量相較於單矽烷係相對上甚小而增加。
接著，已移除單矽烷之混合物係通過該第二分離單元，該第二分離單元分離包含於該混合物中之二矽烷與高級矽烷。該第二分離單元500可基於沸點上之差異而從三矽烷或高級矽烷分離二矽烷。舉例而言，該第二分離單元500可將該混合物分離成三氣體流501、502、503。換言之，如第1圖所見，殘留在高級矽烷402中之微量單矽烷係可作為一氣體流501而被排出且液化之 三矽烷或高級矽烷係可作為一氣體流502而被收集且係可在通過一蒸餾塔後被分離或丟棄。
依據本發明之製造二矽烷之裝置可更包含一儲存槽，該儲存槽儲存二矽烷。具體而言，從該第二分離單元排出之二矽烷503可在被填入至一鋼瓶之前被傳送至並儲存於維持在低溫之一儲存槽600中。
本發明更包含製造二矽烷之方法，包含：在400-460℃之一熱裂解溫度、3-5bar之一熱裂解壓力及60-500hr-1 之一熱裂解空間速度下熱裂解單矽烷；利用一金屬過濾器從於熱裂解期間生成之一氣體中之固體顆粒之中移除直徑超過0.1μm之固體顆粒，並利用一陶瓷支撐物移除直徑0.1μm或更小之顆粒；液化並收集未反應之單矽烷及從已移除固體顆粒的氣體中排除氫氣而作為熱裂解產物之二矽烷與Si3 -Si7 高級矽烷；從被液化且未反應之單矽烷、二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷之一混合物中分離單矽烷；以及從已移除單矽烷之混合物中分離二矽烷及Si3 -Si7 高級矽烷。
依據本發明，透過單矽烷之熱裂解而得之具高純度之高價的二矽烷之製造可被最大化。本發明使得難以以高產率製造之二矽烷之製備能夠經濟且有效並在特定溫度、壓力及空間速度之條件下具最大化之產率。
以下，本發明將透過範例而被詳細地描述。然而，以下之範例僅用於闡述之目的且其將顯然為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知悉本發明之範疇係不限於該等範例。
[範例1]依空間速度及溫度而定之單矽烷轉化率、二矽烷產率及固體顆粒生成量
單矽烷係被供應至由藉由一電爐加熱之可獨立控制的3階段所 組成之一直立SUS管式反應器(內徑1.09cm，長度50cm)中。在該反應器內之壓力維持在5bar，當改變反應溫度及空間速度時量測單矽烷轉化率、二矽烷產率及固體顆粒生成量。第3-6圖表示利用規模放大至體積250L之一反應器連續操作330天之預期結果。
第3圖表示反應溫度在410℃、420℃及430℃下依空間速度而定之單矽烷之消耗量。其係可看出單矽烷之消耗量對溫度之改變係較對空間速度之改變而言更敏感。
第4圖表示由消耗之單矽烷所製得之二矽烷之製造量。當空間速度從60改變至500時，二矽烷製造量亦並未顯著改變，但在相同空間速度下隨著溫度而顯著改變。在430℃下，當空間速度從60改變至125時，二矽烷製造量增加，但當空間速度進一步增加時減少。
第5圖表示固體顆粒之生成量。當空間速度增加時，固體顆粒生成量趨向減少，而在較高的反應溫度下，固體顆粒生成量隨著空間速度之改變係較大。
第6圖表示依空間速度而定被供應至該反應器中之單矽烷之量。如第3圖所示之排除單矽烷之消耗量的單矽烷之量係作為未轉化之單矽烷而被補充並接著再次被供應至該反應器中。因此，被供應至該反應器中之單矽烷之量與空間速度成比例地增加，而其導致增加的投資成本，因為在以下程序中所處理之未反應單矽烷之量增加。
[範例2]依壓力及溫度而定之單矽烷轉化率、二矽烷產率及固體顆粒生成量
隨著反應溫度而變化之單矽烷進料量、單矽烷消耗量、二矽烷 製造量及固體顆粒生成量係於如範例1之相同反應器中在一固定的空間速度(SV=109hr-1 )及1bar、3bar及5bar之反應器壓力下被觀察。
由第7圖可見，被供應至該反應器中之單矽烷之量係每年約310噸而與反應溫度無關。
由第8圖可見，單矽烷消耗量，即單矽烷轉化率，於相同反應壓力隨著反應器溫度增加而增加。再者，如圖所見，單矽烷消耗量於相同反應溫度隨著反應壓力增加而增加。
第9圖表示依反應溫度而定之二矽烷之製造量。如圖所見，二矽烷製造量於不同反應壓力下表現出不同行為。當反應壓力為1bar時，二矽烷製造量隨著反應溫度增加而一致地增加。在3bar下，二矽烷製造量增加，直到反應溫度增加至400-450℃，接著下降。在5bar下，二矽烷製造量在440℃下係最高。
第10圖表示於各反應器溫度下依反應溫度而定之固體顆粒之生成量。如圖所見，固體顆粒生成量緩慢地增加，直到反應溫度增加至440℃，接著在較高溫下迅速地下降。因此，此係被認為，在第4圖中所觀察到之高於440℃單矽烷之消耗量之迅速增加主要係由於固體顆粒之生成所造成，而非二矽烷之製造。
表3概述當空間速度為109hr-1 時依反應壓力而定之二矽烷製造量、固體顆粒生成量及利潤[二矽烷製造量(ton/yr)×二矽烷價格($/ton)-矽烷消耗量(ton/yr)×矽烷價格($/ton)]之變化。單矽烷價格及二矽烷價格係各別地被假設為$55.7/kg及$5,000/kg。
【表3】
由表3可見，可觀的固體顆粒之量之生成係無可避免的，以確保具經濟規模之二矽烷製造量。當空間速度為109hr-1 時，利潤係可於該反應器在5bar及440℃下操作時以相對較少之固體顆粒之生成而被最大化。
[測試範例1]依反應溫度而定之單矽烷轉化率、二矽烷選擇率及二矽烷產率
依反應溫度而定之單矽烷轉化率、二矽烷選擇率及二矽烷產率係利用製造本發明之二矽烷之裝置在一固定的空間速度(109hr-1 )下被量測。結果係被表示於第11圖及第12圖中。
由第11圖及第12圖可見，當溫度從460℃降低至400℃時，單矽烷轉化率逐漸地減少並趨近於0。同時，當溫度從400℃增加至460℃時，二矽烷選擇率逐漸地減少並變得過低。當溫度係在400-460℃之範圍中且其中單矽烷轉化率與二矽烷選擇率兩者係在較佳水平時，一良好的二矽烷產率係可被實現。二矽烷產率在約440-450℃下係最高並在較高或較低溫度下逐漸地減少。由此可知，於400-460℃之熱裂解溫度為二矽烷之製造中之關鍵因素。
[測試範例2]依空間速度而定之單矽烷轉化率、二矽烷選擇率 及二矽烷產率
依空間速度而定之單矽烷轉化率、二矽烷選擇率及二矽烷產率係利用製造本發明之二矽烷之裝置在一固定的反應壓力(5bar)下被量測。結果係被表示於第13圖及第14圖中。由第13圖及第14圖可見，當空間速度從60hr-1 增加至500hr-1 時，單矽烷轉化率逐漸地減少並趨近於0。同時，當空間速度從500hr-1 降低至60hr-1 時，二矽烷選擇率逐漸地減少。當空間速度在60-500hr-1 之範圍中且其中單矽烷轉化率與二矽烷選擇率兩者係在較佳水平時，一良好的二矽烷產率係可被實現。由此可知，於60-500hr-1 之空間速度為二矽烷之製造中之關鍵因素。
100‧‧‧單矽烷熱裂解單元
101‧‧‧氣體流
200‧‧‧固體顆粒移除單元
201‧‧‧氣體流
300‧‧‧凝結單元
301‧‧‧氣體流
302‧‧‧液化氣體
400‧‧‧第一分離單元
401‧‧‧單矽烷
402‧‧‧液體
500‧‧‧第二分離單元
501‧‧‧氣體流
502‧‧‧氣體流
503‧‧‧氣體流
600‧‧‧儲存槽

Claims (9)

  1. 一種透過單矽烷之熱裂解製造二矽烷之裝置，包含：一單矽烷熱裂解單元，具400-460℃之一熱裂解溫度、3-5bar之一熱裂解壓力及60-500hr-1之一熱裂解氣體空間速度；一固體顆粒移除單元，其包含一金屬過濾器及一陶瓷支撐物，該金屬過濾器從在該熱裂解單元中生成之固體顆粒之中移除直徑超過0.1μ m之顆粒，該陶瓷支撐物係被提供在該金屬過濾器之後且移除直徑0.1μ m或更小之顆粒；一凝結單元，其液化並收集未反應之單矽烷，並從已移除固體顆粒的一氣體中排除氫氣而作為熱裂解產物之二矽烷與Si3-Si7高級矽烷；一第一分離單元，其從被液化且未反應之單矽烷、二矽烷及Si3-Si7高級矽烷之一混合物中分離單矽烷；以及一第二分離單元，其從已移除單矽烷之混合物中分離二矽烷及Si3-Si7高級矽烷。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製造二矽烷之裝置，其中該凝結係藉由液態氮而實現。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製造二矽烷之裝置，其中該分離係基於沸點而實現。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製造二矽烷之裝置，其更包含一熱交換單元，該熱交換單元控制在該熱裂解單元中生成之一氣體之溫度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製造二矽烷之裝置，其更包含一儲存槽，該儲存槽儲存二矽烷。
  6. 一種製造二矽烷之方法，包含：在400-460℃之一熱裂解溫度、3-5bar之一熱裂解壓力及60-500hr-1之一熱裂解空間速度下熱裂解單矽烷；利用一金屬過濾器從於熱裂解期間生成之一氣體中之固體顆粒之中移除直徑超過0.1μ m之固體顆粒且利用一陶瓷支撐物移除直徑0.1μ m或更小之顆粒；液化並收集未反應之單矽烷，並從已移除固體顆粒的氣體中排除氫氣而作為熱裂解產物之二矽烷與Si3-Si7高級矽烷；從被液化且未反應之單矽烷、二矽烷及Si3-Si7高級矽烷之一混合物中分離單矽烷；以及從已移除單矽烷之混合物中分離二矽烷及Si3-Si7高級矽烷。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之製造二矽烷之方法，其中該凝結係藉由液態氮而實現。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之製造二矽烷之方法，其中該分離係基於沸點而實現。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之製造二矽烷之方法，其更包含透過熱交換來控制產生於單矽烷之熱裂解後之一氣體之溫度。
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