WO2010016133A1 - カーボン製反応装置 - Google Patents

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峯登 小林
孝夫 竹内
裕介 和久田
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Definitions

  • the present invention relates to a carbon reaction apparatus for efficiently reacting chlorosilane and hydrogen, and a method for reacting chlorosilane and hydrogen efficiently and with high work efficiency using the reaction apparatus.
  • Chlorosilane is expected to increase in demand as a raw material for high-purity silicon used in elements such as semiconductors and solar cells, and there has been a demand for efficient production of these.
  • reaction apparatus in which a packing member is arranged inside the reaction vessel.
  • the filling member increases the heat transfer efficiency with respect to the mixed gas supplied into the reaction apparatus, and disturbs the straight flow of the mixed gas to cause turbulence in the gas flow, thereby effectively mixing and reacting the gas. It is possible to ensure a longer gas residence time in
  • the filling member is made of carbon
  • the structure of the filling member mainly composed of carbon is reduced or reduced by hydrogen supplied into the reactor or water generated by hydrogen combustion, as shown below. It becomes brittle.
  • SiC silicon carbide
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a carbon reactor capable of achieving a high reaction efficiency without incurring a reduction in work efficiency due to chemical deterioration of members or clogging of vent holes.
  • the purpose is to do.
  • the present inventors have improved the reaction efficiency by filling the reaction region with a carbon filling member having a silicon carbide coating on the surface, and in the reactor.
  • the present inventors have found that chemical erosion due to the reactive substances present can be prevented, and thus adhesion of reaction byproducts to the carbon filler can be prevented.
  • the present invention is a carbon reactor for reacting chlorosilane and hydrogen in a gas phase at high temperature, and a gas passage that disturbs the flow of a mixed gas composed of chlorosilane and hydrogen inside a reaction vessel of the reactor.
  • the carbon filling member is formed, and the surface of the carbon filling member is coated with a silicon carbide coating.
  • the carbon filling member means a member that is disposed in the gas flow passage in the reaction apparatus and causes a disturbance in the gas flow.
  • a molded packing such as a Raschig ring or a wrestling ring, a perforated plate, Any structure such as a baffle plate may be used.
  • the arrangement method may be any arrangement that can cause disturbance in the flow of chlorosilane and hydrogen gas.
  • the carbon filling member is composed of a plurality of partition plates that divide the interior of the carbon reaction apparatus into a plurality of small chambers, and the partition plate is formed with a plurality of vent holes penetrating the partition plate.
  • the position, number, size, and the like of the vent holes can be set arbitrarily, but it is preferable to set the gas components so that the gas components can be reliably mixed and the residence time can be secured longer.
  • a silicon carbide film of the carbon filling member by a CVD method and to set the thickness of the film to 10 to 500 ⁇ m. Since the silicon carbide coating has a very high resistance to chemical degradation, chemical erosion of the carbon structure can be prevented. Therefore, according to this carbon reaction apparatus, the surface of the carbon filling member can be protected from corrosion.
  • the carbon filling member is made of graphite.
  • the reaction vessel constituting the carbon reaction apparatus is configured such that a plurality of carbon substantially cylindrical bodies are arranged substantially coaxially with their end portions butted together, and the butted end portions are fastened with a carbon ring from the outer periphery. .
  • the carbon reaction apparatus according to the present invention as a carbon reaction apparatus for reacting chlorosilane with hydrogen, chemical erosion of the carbon filling member can be prevented and adhesion of reaction byproducts to the carbon filling member can be prevented. Can be prevented. Therefore, the frequency of replacing the carbon reactor parts is reduced, and the working efficiency of the reactor can be improved.
  • reaction device 2 reaction vessel 3: filling member 4: substantially cylindrical body 5: ring 6: reaction vessel canopy portion 7: reaction vessel bottom plate portion 8: introduction port 9: extraction port 10: extraction tube 11: support rod 12 : Vent hole 13: Fixing hole 14: Male thread part 15: Female thread part
  • FIG. 1 schematically shows a carbon reaction apparatus 1 of the present embodiment.
  • the carbon reaction apparatus 1 of the illustrated embodiment is mainly composed of a reaction vessel 2 that forms an enclosure of the carbon reaction apparatus 1 and a carbon filling member 3 disposed inside the reaction container 2.
  • the reaction vessel 2 is configured by coupling a plurality of substantially cylindrical bodies 4 to each other.
  • the substantially cylindrical body 4 is made of carbon, more preferably made of graphite, and the inner peripheral surface and / or the outer peripheral surface thereof are preferably treated with a silicon carbide coating.
  • a substantially cylindrical carbon substantially cylindrical body 4 having no shoulders or protrusions is used, and the plurality of carbon substantially cylindrical bodies are used.
  • the end portions of the bodies 4 are butted substantially coaxially and vertically, and the connecting portions of the carbon substantially cylindrical bodies 4 are fastened using a carbon ring 5 from the outer peripheral side.
  • the substantially cylindrical body 4 disposed at the upper end is closed at the upper end side to form the canopy portion 6 of the reaction vessel 2, and the substantially cylindrical body 4 disposed at the lower end is closed at the lower end side to form the bottom plate portion 7 of the reaction vessel 2. It is configured.
  • a source gas inlet 8 is formed at the center of the bottom plate portion 7, and a gas outlet 9 after reaction is formed on the side wall of the substantially cylindrical body 4 on the upper side far from the inlet 8.
  • the extraction pipe 10 is connected to the extraction outlet 9. Inside the reaction vessel 2, a plurality of carbon filling members 3 are arranged in a state of being fixed to the support rod 11.
  • the support rod 11 is not particularly limited, but is preferably made of the same material as that of the carbon filling member 3 and the reaction vessel 2 in order to avoid reaction with the supplied mixed gas. It is preferable that the silicon carbide coating is made of carbon, more preferably graphite.
  • the carbon reaction apparatus 1 is disposed in an outer cylinder provided with a plurality of elongated heaters extending in the vertical direction, and the outer wall of the reaction apparatus 1 is heated by the heater, whereby tetrachlorosilane introduced from the introduction port.
  • the hydrogen gas is reacted at a high temperature of about 800 ° C. to about 1300 ° C., and is extracted from the reaction outlet 9 in the form of a reaction product gas containing trichlorosilane.
  • the carbon filling member 3 of the present embodiment has a disk shape as shown in FIG. 2, and a member provided with a plurality of vent holes 12 at an arbitrary position of the disk is used. Each carbon filling member 3 is provided with a fixing hole 13 for fixing the carbon filling member 3 to the support rod 11 at a corresponding position.
  • the outer diameter of the carbon filling member 3 depends on the inner dimension of the reaction vessel 2 in which it is loaded. That is, the outer diameter of the carbon filling member 3 is naturally smaller than the inner diameter of the substantially cylindrical body 4 constituting the reaction vessel 2, but the outer periphery of the carbon filling member 3 and the inner wall of the substantially cylindrical body 4 It is preferable to design so that there is no large gap between the carbon filling member 3 and the inner wall of the reaction vessel 2 so that the mixed gas does not easily go straight between. Specifically, the gap between the loaded carbon filling member 3 and the inner wall of the reaction vessel 2 is preferably 7/1000 or less of the inner diameter of the reaction vessel 2.
  • the thickness of the carbon filling member 3 is typically 0.5 to 20 cm in order to maintain the strength of the carbon filling member 3 and to avoid peeling of the silicon carbide coating described later on the surface thereof. Preferably it is 1.5 cm to 15 cm.
  • the material constituting the carbon filling member 3 is a graphite material because of its excellent thermal shock resistance, particularly high strength due to the fine particle structure, and characteristics such as thermal expansion are the same in any direction. Therefore, it is preferable to use isotropic high-purity graphite having excellent heat resistance and corrosion resistance.
  • the carbon filling member 3 is provided with a vent hole 12 for disturbing the flow of the mixed gas.
  • the size of the vent hole 12 is not particularly limited as long as the mixed gas can pass through, but it should be 15/1000 or more of the inner diameter of the reaction vessel 2 so as not to be immediately clogged even if some by-products such as silicon carbide adhere. Is preferred. Moreover, it is preferable to set it as 30/1000 or less of the internal diameter of the reaction container 2 so that the flow of mixed gas can be controlled effectively.
  • the position where the vent hole 12 is provided is not particularly limited, but it is preferably arranged so as to prevent the gas from going straight when the carbon filling member 3 is loaded into the reaction vessel 2.
  • chlorosilane and hydrogen are appropriately mixed in the reaction apparatus 1 and a sufficient time for the mixed gas to stay in the reaction apparatus 1 can be secured.
  • the silicon carbide film formed on the surface of the carbon filling member 3 is not particularly limited, but can typically be formed by a CVD method.
  • a method using a mixed gas of a halogenated silicon compound such as tetrachlorosilane or trichlorosilane and a hydrocarbon compound such as methane or propane for example, a method using a mixed gas of a halogenated silicon compound such as tetrachlorosilane or trichlorosilane and a hydrocarbon compound such as methane or propane.
  • a halogenated silicon halide compound such as methyltrichlorosilane, triphenylchlorosilane, methyldichlorosilane, dimethyldichlorosilane, and trimethylchlorosilane with hydrogen.
  • a method of depositing silicon carbide can be used.
  • the thickness of the silicon carbide coating is preferably 10 to 500 ⁇ m, more preferably 30 to 300 ⁇ m. If the thickness of the silicon carbide coating is 10 ⁇ m or more, corrosion of the carbon filling member 3 caused by hydrogen, water, methane, etc. present in the reactor 1 can be sufficiently suppressed, and if the thickness is 500 ⁇ m or less, the silicon carbide coating Neither cracking nor cracking of the carbon filling member 3 is promoted.
  • the formed silicon carbide coating is a dense and uniform pinhole-free coating and is excellent in chemical stability. Therefore, chlorosilane and hydrogen are added in the reactor 1 loaded with the carbon filler 3 coated with the silicon carbide coating. Even if the reaction with is carried out, the surface is not corroded. In addition, since hydrocarbon-based reactants such as methane, which have been generated by the surface of the carbon filling member 3 and the like being chemically eroded in the past, are not generated in the reactor 1, the hydrocarbon-based reactant and chlorosilane The clogging of the air holes 12 caused by the silicon carbide produced by the above reaction adhering to the surface of the carbon filling member 3 can be suppressed. Therefore, if the reaction of chlorosilane and hydrogen is performed using the carbon reaction apparatus 1 according to the present invention, the frequency of repairing equipment can be reduced, and the work efficiency can be further improved.
  • the substantially cylindrical body 4 of the present embodiment has a substantially cylindrical shape in which male screw portions 14 are formed on the outer periphery of the upper and lower ends, and is used in the conventional carbon reactor 1. Unlike the cylindrical body, no shoulder or protrusion is formed at the upper or lower end. Therefore, it has an extremely simple shape without large unevenness, and the thickness can be made substantially uniform over the entire length direction, so that it has excellent resistance to physical impact and thermal impact. Moreover, since it is not the structure which fits the edge part of one carbon substantially cylindrical body in the connection part to the edge part of the other carbon substantially cylindrical body, provisionally the thermal expansion coefficient of each carbon substantially cylindrical body 4 Even if they are different, cracks and cracks are unlikely to occur at the connecting portion. Therefore, by using such a carbon substantially cylindrical body 4 in combination with the carbon filling member 3 having excellent corrosion resistance, the frequency of repairing the equipment is greatly reduced, and the work efficiency is remarkably improved. Is possible.
  • the thickness of the carbon substantially cylindrical body 4 is typically 0.5 to 20 cm, preferably 1.5 cm, in order to maintain strength and to avoid peeling of the silicon carbide coating described later on the surface. It is preferable to set it to ⁇ 15 cm.
  • a male thread portion 14 for screwing the carbon substantially cylindrical body 4 to the carbon ring 5 is formed on the upper end outer peripheral surface and the lower end outer peripheral surface of the carbon substantially cylindrical body 4.
  • the formation width of the male threaded portion 14 on the upper peripheral surface and the lower peripheral surface is not particularly limited, but in order to ensure screw fastening with the carbon ring 5, the substantially cylindrical body 4 made of carbon.
  • the cylindrical height is preferably 8/100 or more, more preferably 9/100 or more.
  • the winding direction, the number of threads, the shape of the thread, the diameter, and the pitch of the male screw portion 14 to be formed are not particularly limited.
  • the material constituting the substantially cylindrical body 4 made of carbon a graphite material having excellent airtightness is preferable.
  • the fine particle structure has high strength, and the characteristics such as thermal expansion are the same in any direction. Therefore, it is preferable to use isotropic high-purity graphite that is excellent in heat resistance and corrosion resistance.
  • the carbon substantially cylindrical body 4 is preferably formed with a silicon carbide coating on the surface thereof in order to prevent chemical erosion of the carbon structure.
  • a silicon carbide film by the CVD method and to set the thickness of the film to 10 to 500 ⁇ m.
  • the carbon ring 5 of the present embodiment is a substantially cylindrical ring in which a female screw portion 15 is formed on the inner peripheral surface.
  • the carbon substantially cylindrical body 4 has a very simple shape without large irregularities, and the wall thickness is almost uniform over the width direction, so it has excellent resistance to physical and thermal shocks. Have.
  • the inner diameter of the carbon ring 5 is carbon.
  • the outer diameter of the substantially cylindrical body 4 is substantially the same.
  • the thickness of the carbon ring 5 in the radial direction is typically 0.5 to 20 cm, preferably 1 to maintain strength and avoid peeling of the silicon carbide coating described later on the surface. It is preferably 5 cm to 15 cm.
  • the vertical width of the carbon ring 5 must be surely screwed with the upper end of one carbon substantially cylindrical body 4 and the lower end of the other carbon substantially cylindrical body 4 to be connected.
  • the vertical width of the carbon ring 5 may be 10/100 or more and 1/2 or less, more preferably 12/100 or more and 1/2 or less, of the cylindrical height of the carbon substantially cylindrical body 4. preferable.
  • the winding direction, the number of threads, the shape of the thread groove, the diameter, and the pitch of the female screw portion 15 formed on the inner peripheral surface of the carbon ring 5 are the same as those of the butted end portions of the two carbon substantially cylindrical bodies 4 to be connected. It must correspond to the threads formed on the outer peripheral surface.
  • the material constituting the carbon ring 5 is preferably the same as the material constituting the carbon substantially cylindrical body 4 so that the coefficient of thermal expansion is not extremely different from that of the carbon substantially cylindrical body 4.
  • the carbon ring 5 is preferably formed with a silicon carbide coating on its surface in order to prevent chemical erosion of the carbon structure.
  • a silicon carbide film by the CVD method and to set the thickness of the film to 10 to 500 ⁇ m.
  • an appropriate seal such as a cement material is previously attached to the upper and outer peripheral surfaces of the carbon substantially cylindrical body 4 or the inner peripheral surface of the carbon ring 5. It is preferable to apply the material.
  • the joints of both members may be closed with a sealing material.
  • the shape of the carbon filling member is a flat plate, but any shape can be used as long as the heat transfer efficiency to the mixed gas is high and the mixed gas is prevented from going straight in the carbon reaction vessel. It may be.
  • the carbon filling member has a chip shape or block shape (small lump shape)
  • the above-described implementation is performed by loading a sufficient amount of carbon filling member into the reaction vessel to restrict the gas flow. The same effect as the form can be obtained.
  • Example 1 A disk made of isotropic graphite, having a diameter of 24.7 cm and a thickness of 1.3 cm, is formed with five fixing holes for fixing the disk to the support rod at a position 12.5 cm from the center, A plurality of carbon filling members in which a plurality of air holes having a diameter of 0.5 cm were formed at arbitrary positions on the disk were manufactured.
  • the carbon filling members were respectively placed in a CVD reactor, and the interior was replaced with argon gas, and then heated to 1200 ° C.
  • a silicon carbide film having a thickness of 200 ⁇ m is formed on the entire surface of the carbon filling member including the inner surface of the vent hole by introducing a mixed gas (molar ratio 1: 5) of trichloromethylsilane and hydrogen into the CVD reactor and by CVD. Formed.
  • substantially cylindrical carbon cylinder made of isotropic graphite having an inner diameter of 25 cm, a thickness of 2.7 cm, and a height of 28 cm, and has an external thread on the outer peripheral surface extending 9 cm from the upper end and the outer peripheral surface extending 9 cm from the lower end.
  • a plurality of substantially cylindrical carbon bodies each having a portion and having a silicon carbide film having a thickness of 200 ⁇ m formed on the entire surface were prepared.
  • a male screw portion is provided on the outer peripheral surface of the connection side end, A silicon carbide coating was formed on the entire surface.
  • a plurality of carbon rings each having a female screw portion screwed with the male screw portion were prepared, and a silicon carbide coating was applied to the entire surface in the same manner as the carbon filling member.
  • a reaction device having a height of 160 cm was constituted by using these carbon filling member, carbon substantially cylindrical body, and carbon ring, and piping and a heating device were set in the reaction device to prepare a reaction furnace.
  • Example 1 In Example 1, except that a silicon carbide film is not formed on the surface of the carbon filling member by the CVD method, a carbon reaction device is similarly manufactured and used, and the reaction device is disassembled to remove the surface of the carbon filling member. When observed, the surface was severely corroded and the vents were blocked.

Abstract

　本発明は、クロロシランと水素とを高温下で気相反応させるためのカーボン製反応装置であって、当該反応装置の反応容器内部に、クロロシランと水素とからなる混合ガスの流れを乱すガス通路を形成するカーボン製充填部材が配設され、前記カーボン製充填部材の表面が炭化ケイ素被膜でコーティングされていることを特徴とするカーボン製反応装置に関する。

Description

カーボン製反応装置
　本発明は、クロロシランと水素とを効率的に反応させるためのカーボン製反応装置並びに当該反応装置を用いてクロロシランと水素とを効率的かつ高い作業能率で反応させる方法に関する。
　クロロシランは、半導体や太陽電池等の素子に使用される高純度シリコンの原料として益々需要の増加が見込まれており、従来からこれらを効率良く製造することが要望されている。
　その製法の一部として、例えば、テトラクロロシラン（SiCl4）と水素（H2）とを接触させることによるトリクロロシラン（SiHCl3）の生成がある。
SiCl4＋H2→SiHCl3＋HCl
　この反応は、ガス化したテトラクロロシランと水素との混合ガスを８００℃～１３００℃に加熱したカーボン製反応容器等において行われる（特許文献１）。
特開平９－１５７０７３
　上記反応の転換効率を向上させるために、反応容器の内側に充填部材を配置した反応装置を用いることが考えられる。
　充填部材は、反応装置内に供給された混合ガスに対する伝熱効率を高めると共に、混合ガスの直進を妨げることによってガス流に乱れを生じさせてガスを効果的に混合して反応させ、また反応装置におけるガスの滞留時間をより長く確保することを可能にする。
　しかしながら、充填部材を例えばカーボン製とすると、反応装置内に供給される水素や、水素の燃焼により生成する水によって、以下に示すように、カーボンを主材料とする充填部材の組織は減肉または脆化されてしまう。
C＋2H2→CH4
C＋H2O→H2＋CO
C＋2H2O→2H2＋CO2
　さらに、メタンのような副産物は、供給されるクロロシランと反応して以下に示すように炭化ケイ素（SiC）を生成し、生成された炭化ケイ素が充填部材の表面に付着して、混合ガスの通路である通気孔を閉塞することがある。
C＋2H2→CH4
CH4＋SiCl4→SiC＋4HCl
　かくして、部材の腐食や通気孔の閉塞の問題を惹起させないで反応効率を高めることが求められていた。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、部材の化学的劣化や通気孔の目詰まりによる作業能率の低下を招くことなく、高い反応効率を達成することができるカーボン製反応装置を提供することを目的としている。
　本発明者等は、前記課題を解決する方法を鋭意検討した結果、表面に炭化ケイ素被膜を施したカーボン製充填部材を反応領域に充填することにより、反応効率を向上させると共に、反応装置内に存在する反応性物質による化学的浸食を防止し、かくして、カーボン製充填部材に対する反応副産物の付着を防止できることを見出し本発明に至った。
　すなわち本発明は、クロロシランと水素とを高温下で気相反応させるためのカーボン製反応装置であって、当該反応装置の反応容器内部に、クロロシランと水素とからなる混合ガスの流れを乱すガス通路を形成するカーボン製充填部材が配設され、前記カーボン製充填部材の表面が炭化ケイ素被膜でコーティングされていることを特徴としている。
　ここで、カーボン製充填部材とは、反応装置内のガス流の通路に配されてガス流に乱れを生じさせる部材を意味し、例えば、ラシヒリング、レシングリング等の成型充填物、多孔板、邪魔板等、如何なる構造のものでも構わない。配置方法も充填部材の種類によって様々な態様が可能であり、要は、クロロシランと水素ガスの流れに乱れを生じさせることができる配置であればよい。
　かかるカーボン製反応装置によれば、高い反応効率を達成することができる上、炭化ケイ素被膜が水素や水等の反応物質による化学的分解に対して極めて高い耐性を有するため、カーボン組織の化学的浸食を防止できる。従って、反応装置内にメタン等の炭化水素系反応物質が生成されず、カーボン製充填部材の表面に付着し得る炭化ケイ素の発生を抑制することができ、作業能率を向上させることができる。
　カーボン製充填部材としては、カーボン製反応装置の内部を複数の小室に区切る複数の仕切り板から構成され、該仕切り板には、該仕切り板を貫通する複数の通気孔が形成されていることが好ましい。
この場合に、通気孔を設ける位置、個数、大きさ等は、任意に設定可能であるが、確実にガス成分を混合し、かつ、滞留時間をより長く確保できるように設定することが好ましい。
　また、カーボン製充填部材の炭化ケイ素被膜をＣＶＤ法により形成すること、並びに、被膜の厚みを１０～５００μｍとすることが好適である。
　炭化ケイ素被膜は化学的分解に対して極めて高い耐性を有するため、カーボン組織の化学的浸食を防止できる。従って、かかるカーボン製反応装置によれば、カーボン製充填部材の表面を腐食から保護することができる。
　さらに、耐熱衝撃性に優れていることから、カーボン製充填部材が黒鉛製であることが好適である。
　また、カーボン製反応装置を構成する反応容器が、複数のカーボン製略円筒体が端部同士を突き合わせて略同軸に配され、突き合わせ端部が外周からカーボン製リングで締結されてなることが好ましい。
　かかる反応容器によれば、連結部において一方のカーボン製略円筒体の端部が他方のカーボン製略円筒体の端部に嵌合していないため、仮に個々のカーボン製略円筒体の熱膨張係数が相違したとしても、高温環境下で使用した際に連結部に割れやひび割れを引き起こすことがないため、設備の修繕頻度を低減し、作業能率をさらに向上させることが可能である。
　クロロシランと水素とを反応させるためのカーボン製反応装置として、本発明に係る上記カーボン製反応装置を用いることにより、カーボン製充填部材の化学的浸食を防止でき、カーボン製充填部材に対する反応副産物の付着を防止することができる。そのため、カーボン製反応装置の部品を交換する頻度が低減され、反応炉の作業能率を改善することができる。
　本発明によれば、カーボン製充填部材の化学的浸食を防止でき、カーボン製充填部材に対する反応副産物の付着を防止することができる。そのため、反応装置の構成部材を交換する頻度が低減され、反応炉の作業能率を改善することができる。
本発明によるカーボン製反応装置の一実施態様を示す概略縦断面図である。 本発明に使用されるカーボン製充填部材の一実施態様を示す概略平面図である。 本発明に使用されるカーボン製略円筒体の一実施態様を示す概略斜視図である。 本発明に使用されるカーボン製リングの一実施態様を示す概略斜視図である。
符号の説明
１：反応装置
２：反応容器
３：充填部材
４：略円筒体
５：リング
６：反応容器天蓋部
７：反応容器底板部
８：導入口
９：抜出口
１０：抜出管
１１：支持棒
１２：通気孔
１３：固定孔
１４：雄ネジ部
１５：雌ネジ部
　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
　図１は、本実施形態のカーボン製反応装置１を概略的に示したものである。
　図示実施形態のカーボン製反応装置１は、主に、カーボン製反応装置１の外囲部を形成する反応容器２と、その内部に配置されるカーボン製充填部材３から構成される。
反応容器２は、複数の略円筒体４を互いに結合して構成されている。略円筒体４はカーボン製、さらに好適には黒鉛製であり、その内周面および／または外周面が炭化ケイ素被膜処理されていることが好ましい。略円筒体４同士の結合方法としては、ネジ結合や接着等があるが、略円筒体４同士の間には気密性を維持するためにシール材（図示せず）が配置される。本実施形態では、設備の修繕頻度を低減し、作業能率をさらに向上させる観点から、肩部や突出部を有しない略円筒状のカーボン製略円筒体４を用い、当該複数のカーボン製略円筒体４の端部同士を突き合わせて略同軸に上下に配し、このカーボン製略円筒体４同士の連結部を外周側からカーボン製リング５を用いて締結する構成としている。このような構成とすることにより、連結部において一方のカーボン製略円筒体４の端部が他方のカーボン製略円筒体４の端部に嵌合していないため、仮に個々のカーボン製略円筒体４の熱膨張係数が相違したとしても連結部に割れやひび割れが発生しにくくなる。
上端に配された略円筒体４は、上端側が閉塞されて反応容器２の天蓋部６とされ、下端に配された略円筒体４は、下端側が閉塞されて反応容器２の底板部７が構成されている。また、その底板部７の中央部に原料ガスの導入口８が形成されると共に、該導入口８から遠い上方側の略円筒体４の側壁には、反応後のガスの抜出口９が形成され、該抜出口９に抜出管１０が接続されている。
　反応容器２の内部には、複数枚のカーボン製充填部材３が支持棒１１に固定された状態で配置されている。支持棒１１は、特に限定されるものではないが、供給される混合ガスとの反応を避けるために、カーボン製充填部材３および反応容器２と同一の材質からなることが好ましく、特に、表面に炭化ケイ素被膜が処理されたカーボン製、さらに好適には黒鉛製であることが好ましい。
　このカーボン製反応装置１を、上下方向に延びる複数の長尺のヒータを内部に備える外筒内に配置し、ヒータで反応装置１の外壁を加熱することにより、導入口から導入されるテトラクロロシランおよび水素ガスが約８００℃から約１３００℃の高温で反応させられ、反応抜出口９からトリクロロシランを含む反応生成物ガスの形態で抜き出される構成とされている。
＜カーボン製充填部材＞
　本実施形態のカーボン製充填部材３は、図２に示すように円盤状であり、この円盤の任意の位置に複数の通気孔１２を設けたものを用いる。各カーボン製充填部材３には、対応する位置に当該カーボン製充填部材３を支持棒１１に固定するための固定孔１３が設けられている。
　カーボン製充填部材３の外径寸法は、それを装填する反応容器２の内部寸法に依存する。すなわち、カーボン製充填部材３の外径は反応容器２を構成する略円筒体４の内径よりも小さいことはもちろんであるが、カーボン製充填部材３の外周部と略円筒体４の内壁との間を混合ガスが容易に直進してしまわないよう、カーボン製充填部材３と反応容器２の内壁との間に大きな隙間ができないように設計することが好ましい。具体的には、装填したカーボン製充填部材３と反応容器２の内壁との間の隙間が、反応容器２の内径の７／１０００以下となることが好ましい。
　カーボン製充填部材３の厚みは、カーボン製充填部材３の強度を保持するため、並びに、その表面に施す後記の炭化ケイ素被膜の剥離を避けるために、典型的には、０．５～２０ｃｍ、好ましくは１．５ｃｍ～１５ｃｍとする。
　カーボン製充填部材３を構成する材質としては、耐熱衝撃性に優れている点から黒鉛材、特に、微粒子構造のため強度が高く、熱膨張等の特性がどの方向に対しても同一であることから耐熱性および耐食性にも優れている等方性高純度黒鉛を用いることが好ましい。
　カーボン製充填部材３には、混合ガスの流れを乱すための通気孔１２が設けられている。通気孔１２の大きさは、混合ガスが通ることができれば特に限定されないが、炭化ケイ素等の副生物が多少付着したとしても直ちに閉塞されないよう、反応容器２の内径の１５／１０００以上とすることが好ましい。また、混合ガスの流れを効果的に制御できるよう、反応容器２の内径の３０／１０００以下とすることが好ましい。
　通気孔１２を設ける位置は、特に制限されるものではないが、カーボン製充填部材３を反応容器２内に装填した際に、ガスの直進を妨げるように配置されていることが好ましい。このように配置することによって、反応装置１内においてクロロシランと水素とが適宜混ぜ合わせられると共に、混合ガスが反応装置１内に滞留する時間を十分に確保することができる。
＜表面処理＞
　カーボン製充填部材３の表面に形成される炭化ケイ素被膜は、特に制限はないが、典型的にはＣＶＤ法により形成することができる。
　ＣＶＤ法によりカーボン製充填部材３の表面に炭化ケイ素被膜を形成するには、例えば、テトラクロロシラン又はトリクロロシランのようなハロゲン化ケイ素化合物とメタンやプロパンなどの炭化水素化合物との混合ガスを用いる方法、またはメチルトリクロロシラン、トリフェニルクロロシラン、メチルジクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、トリメチルクロロシランのような炭化水素基を有するハロゲン化ケイ素化合物を水素で熱分解しながら、加熱されたカーボン製充填部材３の表面に炭化ケイ素を堆積させる方法を用いることができる。
　炭化ケイ素被膜の厚みは、１０～５００μｍとすることが好ましく、３０～３００μｍであればさらに好ましい。炭化ケイ素被膜の厚みが１０μｍ以上であれば、反応装置１内に存在する水素、水、メタン等によるカーボン製充填部材３の腐食を十分に抑制でき、また、５００μｍ以下であれば、炭化ケイ素被膜のひび割れやカーボン製充填部材３の割れが助長されることもない。
　形成された炭化ケイ素被膜は、緻密均質なピンホールのない被膜であり、化学安定性に優れているため、炭化ケイ素被膜を施したカーボン製充填部材３を装填した反応装置１中でクロロシランと水素との反応を行っても、表面が腐食されることがない。また、従来、カーボン製充填部材３等の表面が化学的浸食を受けることによって発生していたメタン等の炭化水素系反応物質が反応装置１内に生成されないため、炭化水素系反応物質とクロロシランとの反応により生じる炭化ケイ素がカーボン製充填部材３の表面に付着することによって生じていた通気孔１２の目詰まりを抑制することができる。従って、本発明に係るカーボン製反応装置１を用いてクロロシランと水素との反応を行えば、設備の修繕頻度を低減でき、作業能率をさらに向上させることができる。
＜カーボン製略円筒体＞
　本実施形態のカーボン製略円筒体４は、図３に示すように、上下の端部外周に雄ネジ部１４が形成された略円筒状であり、従来のカーボン製反応装置１に用いられていた円筒体のように上端もしくは下端に肩部や突出部が形成されていない。そのため、大きな凹凸のない極めて単純な形状であるとともに、肉厚をその長さ方向全体にわたってほぼ均一とすることができることから、物理的衝撃や熱的衝撃に対して優れた耐性を有する。また、連結部において一方のカーボン製略円筒体の端部を他方のカーボン製略円筒体の端部に嵌合させる構成となっていないため、仮に個々のカーボン製略円筒体４の熱膨張係数が相違したとしても連結部に割れやひび割れが発生しにくい。従って、このようなカーボン製略円筒体４を、腐食耐性に優れた上記カーボン製充填部材３と組み合わせて使用することにより、設備の修繕頻度を格段に低減し、作業能率を顕著に向上させることが可能である。
　カーボン製略円筒体４の厚みは、強度を保持するため、並びに、その表面に施す後記の炭化ケイ素被膜の剥離を避けるために、典型的には、０．５～２０ｃｍ、好ましくは１．５ｃｍ～１５ｃｍとするのが好ましい。
　カーボン製略円筒体４の上端外周面および下端外周面には、それぞれカーボン製略円筒体４をカーボン製リング５に螺合させるための雄ネジ部１４が形成されている。
　上端外周面および下端外周面における雄ネジ部１４の形成幅は、特に限定されるものではないが、カーボン製リング５との螺合締結を確実なものとするために、カーボン製略円筒体４の円筒高さの８／１００以上、さらには９／１００以上とするのが好ましい。
　形成する雄ネジ部１４の巻きの方向、条数、ネジ山の形状、径およびピッチは、特に限定されるものではない。
　また、カーボン製略円筒体４を構成する材質としては、気密性に優れた黒鉛材が好ましく、特に、微粒子構造のため強度が高く、熱膨張等の特性がどの方向に対しても同一であることから耐熱性および耐食性にも優れている等方性高純度黒鉛を用いることが好ましい。
　カーボン製略円筒体４は、カーボン組織の化学的浸食を防ぐため、その表面に炭化ケイ素被膜を形成することが好ましい。特に、上記カーボン製充填部材３と同様に、炭化ケイ素被膜をＣＶＤ法により形成すること、並びに、被膜の厚みを１０～５００μｍとすることが好適である。
＜カーボン製リング＞
　本実施形態のカーボン製リング５は、図４に示すように、内周面に雌ネジ部１５が形成された略円筒状のリングである。上記カーボン製略円筒体４と同様に、大きな凹凸のない極めて単純な形状であるとともに、肉厚もその幅方向にわたってほぼ均一であることから、物理的衝撃や熱衝撃に対して優れた耐性を有する。
　カーボン製リング５は、その内周面に形成した雌ネジ部１５により上記カーボン製略円筒体４の上端外周面または下端外周面の雄ネジ部１４に螺合する必要性から、その内径はカーボン製略円筒体４の外径とほぼ同一とされる。
　カーボン製リング５の径方向の厚みは、強度を保持するため、並びに、その表面に施す後記の炭化ケイ素被膜の剥離を避けるために、典型的には、０．５～２０ｃｍ、好ましくは１．５ｃｍ～１５ｃｍとするのが好ましい。
　カーボン製リング５の上下方向の幅は、連結される一方のカーボン製略円筒体４の上端および他方のカーボン製略円筒体４の下端に確実に螺合するものでなければならない。典型的には、カーボン製略円筒体４とカーボン製リング５とを螺合させた場合に、一方のカーボン製略円筒体４がカーボン製リング５の幅の半分までしか螺入できないことを考慮して、カーボン製リング５の上下方向の幅は、カーボン製略円筒体４の円筒高さの１０／１００以上かつ１／２以下、さらには１２／１００以上かつ１／２以下とすることが好ましい。
　カーボン製リング５の内周面に形成される雌ネジ部１５の巻きの方向、条数、ネジ溝の形状、径およびピッチは、連結される両カーボン製略円筒体４の突き合わせ端部の各外周面に形成されたネジ山に対応するものでなければならない。
　また、カーボン製リング５を構成する材質は、熱膨張率において上記カーボン製略円筒体４と極端に相違しないよう、カーボン製略円筒体４を構成する材質と同一であることが好ましい。
　カーボン製リング５は、カーボン組織の化学的浸食を防ぐため、その表面に炭化ケイ素被膜を形成することが好ましい。特に、上記カーボン製充填部材３と同様に、炭化ケイ素被膜をＣＶＤ法により形成すること、並びに、被膜の厚みを１０～５００μｍとすることが好適である。
＜反応容器の組み立て＞
　上記カーボン製略円筒体４をカーボン製リング５を用いて連結するには、第一のカーボン製略円筒体４の上端にカーボン製リング５を嵌め合わせ、第一のカーボン製略円筒体４の上端がカーボン製リング５の幅の半分に達するまで螺入させ、さらに当該カーボン製リング５の開放端側に第二のカーボン製略円筒体４の下端を嵌め合わせ、当該第二のカーボン製略円筒体４の下端が前記第一のカーボン製略円筒体４の上端に当接するまで当該第二のカーボン製略円筒体４を前記カーボン製リング５に螺入させる。以上の作業を、所望の大きさの反応容器２が得られるまで、順次繰り返す。
　このとき、カーボン製略円筒体４を気密に連結するために、予めカーボン製略円筒体４の上端外周面および下端外周面またはカーボン製リング５の内周面に、セメント材等の適切なシール材を塗布しておくことが好ましい。あるいは、カーボン製略円筒体４とカーボン製リング５とを螺合させた後に、両部材の目地をシール材で塞いでもよい。
　以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
　例えば、上記実施の形態ではカーボン製充填部材の形状を平板状としたが、混合ガスへの伝熱効率が高く、混合ガスのカーボン製反応容器内における直進を妨げるものであれば、どのような形状であってもよい。例えば、カーボン製充填部材がチップ状またはブロック状等の（小塊状）であっても、ガスの流れを制限するのに十分量のカーボン製充填部材を反応容器内に装填することにより、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
　以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例１ 
　等方性黒鉛からなる直径２４．７ｃｍ、厚さ１．３ｃｍの円盤であって、中心から１２．５ｃｍの位置に当該円盤を支持棒に固定するための５つの固定孔が形成され、さらに、この円盤の任意の位置に径が０．５ｃｍの通気孔が複数形成されているカーボン製充填部材を複数枚製造した。
　次いで、これらのカーボン製充填部材の表面に炭化ケイ素被膜を形成するために、カーボン製充填部材を、それぞれＣＶＤ反応装置内に設置し、内部をアルゴンガスで置換したのち、１２００℃に加熱した。ＣＶＤ反応装置内にトリクロロメチルシランと水素の混合ガス（モル比１：５）を導入し、ＣＶＤ法により、通気孔の内側表面を含むカーボン製充填部材の全表面に２００μｍの厚みの炭化ケイ素被膜を形成した。
　次に、上記と同様に炭化ケイ素被膜を施した長さ１６０ｃｍの等方性黒鉛からなる５本の支持棒を準備し、当該支持棒にカーボン製充填部材を２．５ｃｍの間隔を空けて固定した。
　一方、内径２５ｃｍ、厚さ２．７ｃｍ、高さ２８ｃｍの等方性黒鉛からなる直円筒状のカーボン製略円筒体であって、上端から９ｃｍにわたる外周面および下端から９ｃｍにわたる外周面に雄ネジ部が設けられ、全表面に２００μｍの厚みの炭化ケイ素被膜が形成されているカーボン製略円筒体を複数準備した。また、反応容器の天蓋部を構成する上端側略円筒体、並びに反応容器の底板部を構成する下端側略円筒体についても同様に、連結側の端部外周面に雄ネジ部を設け、表面全体に炭化ケイ素被膜を形成した。
　次に、内径３０．４ｃｍ、上下方向（軸線方向）の幅２０ｃｍ、径方向の厚み１０ｃｍの等方性黒鉛からなるカーボン製リングであって、内周面に前記カーボン製略円筒体に形成された雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成されたカーボン製リングを複数準備し、上記カーボン製充填部材と同様にその全表面に炭化ケイ素被膜を施した。
　これらのカーボン製充填部材、カーボン製略円筒体およびカーボン製リングを用いて高さ１６０ｃｍの反応装置を構成し、この反応装置に配管及び加熱装置等をセットして反応炉として整えた。
　この反応炉にテトラクロロシランと水素（モル＝１：１）の混合ガスを供給し、常圧、反応温度１１００℃で反応を行い、トリクロロシランを生成した。
　反応炉を連続的に２０００時間運転した後、反応装置を解体してカーボン製充填部材の表面を観察した。本実施例では、カーボン製充填部材の表面に顕著な腐食及び通気孔の目詰まりは観察されなかった。
比較例１
　実施例１において、ＣＶＤ法によりカーボン製充填部材の表面に炭化ケイ素被膜を形成しないこと以外は、同様にカーボン製反応装置を製造・使用し、反応装置を解体してカーボン製充填部材の表面を観察したところ、表面の腐食がひどく、通気孔の閉塞が認められた。
　＜実験の考察＞
　以上の比較実験から明らかなように、炭化ケイ素被膜処理によりカーボン製充填剤の表面腐食が抑制され、通気孔の目詰まりを防止することが可能である。
　以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

Claims (7)

  1. 　クロロシランと水素とを高温下で気相反応させるためのカーボン製反応装置であって、
    　当該反応装置の反応容器内部に、クロロシランと水素とからなる混合ガスの流れを乱すガス通路を形成するカーボン製充填部材が配設され、
    　前記カーボン製充填部材の表面が炭化ケイ素被膜でコーティングされている
    ことを特徴とするカーボン製反応装置。
  2. 　前記カーボン製充填部材が、カーボン製反応装置の内部を複数の小室に区切る複数の仕切り板から構成され、該仕切り板には、該仕切り板を貫通する複数の通気孔が形成されていることを特徴とする、請求項１記載のカーボン製反応装置。
  3. 　前記カーボン製充填部材の炭化ケイ素被膜がＣＶＤ法により形成されたことを特徴とする、請求項１記載のカーボン製反応装置。
  4. 　前記カーボン製充填部材の炭化ケイ素被膜が１０～５００μｍの厚みを有することを特徴とする、請求項１記載のカーボン製反応装置。
  5. 　前記カーボン製充填部材が黒鉛製であることを特徴とする、請求項１記載のカーボン製反応装置。
  6. 　前記反応容器が、複数のカーボン製略円筒体が端部同士を突き合わせて略同軸に配され、突き合わせ端部が外周からカーボン製リングで締結されてなることを特徴とする、請求項１記載のカーボン製反応装置。
  7. 　請求項１記載のカーボン製反応装置を用いることを特徴とする、クロロシランと水素とを反応させる方法。
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