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三氯烷制造装置以及三氯硅烷的制造方法

阅读:567发布:2020-05-08

专利汇可以提供三氯烷制造装置以及三氯硅烷的制造方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 的目的为防止由在 过滤器 元件(80)部分产生的 盐酸 所引起的 腐蚀 及 应 力 腐蚀 破裂。三氯 硅 烷制造装置(1)包括生成三氯硅烷的反应装置(2)、以及去除反应残渣的过滤器装置(3),并且所述过滤器装置(3)具备由 耐腐蚀性 材料构成的过滤器元件。,下面是三氯烷制造装置以及三氯硅烷的制造方法专利的具体信息内容。

1.一种三氯烷制造装置,具备:
反应装置,其使用金属硅粉体来生成三氯硅烷;以及
过滤器装置,其从通过所述反应装置而生成的包含三氯硅烷及反应残渣的反应生成物中去除所述反应残渣;
其特征在于,
所述过滤器装置具备由耐腐蚀性材料构成的过滤器元件。
2.根据权利要求1所述的三氯硅烷制造装置,其特征在于,
所述耐腐蚀性材料包含1重量%以上的钼。
3.根据权利要求1或2所述的三氯硅烷制造装置,其特征在于,
所述耐腐蚀性材料为铬镍合金625或哈氏合金。
4.一种三氯硅烷的制造方法,其特征在于,
具有使用根据权利要求1至3中任一项所述的三氯硅烷制造装置来制造三氯硅烷的步骤。

说明书全文

三氯烷制造装置以及三氯硅烷的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种三氯硅烷制造装置以及三氯硅烷的制造方法。

背景技术

[0002] 高纯度的三氯硅烷(TCS、SiHCl3)用于制造作为半导体及太阳电池的材料来使用的多晶硅。三氯硅烷例如是经过以下的反应路径而获得。首先,使金属硅粉体(Si)与氯化氢(HCl)反应。在此情况下,作为主反应,如式(1)所示生成三氯硅烷,但作为副反应,如式(2)所示产生四氯硅烷(STC、SiCl4)。四氯硅烷被回收后再利用,如式(3)所示转化为三氯硅烷。另外,还存在不使用氯化氢,而通过式(3)的反应来制造三氯硅烷的情况。
[0003] Si+3HCl→SiHCl3+H2   (1)
[0004] Si+4HCl→SiCl4+2H2   (2)
[0005] 3SiCl4+2H2+Si→4SiHCl3   (3)
[0006] 从进行所述反应的反应装置中回收的反应生成物中,含有包含三氯硅烷、低沸点硅烷及四氯硅烷等的氯硅烷化合物,因此为了获得高纯度的三氯硅烷气体,需要将反应生成物纯化。但是,反应生成物中还包含未反应的金属硅粉体。因此,在从反应装置向其下游的纯化装置中直接供给反应生成物的情况下,会在纯化装置中产生由金属硅粉体所引起的侵蚀(erosion)及堵塞。此未反应的金属硅粉体能够通过在反应装置与纯化装置之间设置过滤器装置而去除。
[0007] 在此,由于金属硅粉体为极硬的物质,故而认为过滤器装置的磨损成为问题。专利文献1中公开了一种三氯硅烷的制造装置,其所包括的固气分离装置设置有作为耐磨损性材料的金属制的烧结过滤器元件。
[0008] 现有技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1:中国实用新型公告第201643908号说明书

发明内容

[0011] 发明所要解决的问题
[0012] 然而,为了防止过滤器装置的损伤,本发明人独立地发现所述现有技术存在改善的余地。
[0013] 本发明的一形态是鉴于所述问题点而形成,其目的为防止三氯硅烷制造装置中的由腐蚀及应所引起的腐蚀破裂(以下称为“应力腐蚀破裂”)。
[0014] 解决问题的技术手段
[0015] 为了解决所述问题,本发明人进行深入研究,结果发现,通过对过滤器元件使用耐腐蚀性材料,能够抑制过滤器元件的腐蚀、以及应力腐蚀破裂的发生。即,本发明包含以下的构成。
[0016] 一种三氯硅烷制造装置,包括:反应装置,使用金属硅粉体来生成三氯硅烷;以及过滤器装置,从通过所述反应装置而生成的包含三氯硅烷及反应残渣的反应生成物中去除所述反应残渣;其特征在于,所述过滤器装置具备由耐腐蚀性材料构成的过滤器元件。
[0017] 发明的效果
[0018] 依据本发明的一实施方式,能够抑制由在过滤器元件部分产生的盐酸所引起的腐蚀及应力腐蚀破裂。附图说明
[0019] 图1是本发明的一实施方式涉及的三氯硅烷制造装置的示意图。

具体实施方式

[0020] 以下,对本发明的实施方式进行详细说明。此外,本说明书中只要未特别说明,则表示数值范围的“A~B”是指“A以上(包含A且大于A)B以下(包含B且小于B)”。
[0021] [1.本发明的概要说明]
[0022] 本发明人进行深入研究,结果获知上述现有技术中存在以下的问题点。在专利文献1所公开的具备金属烧结过滤器元件的三氯硅烷制造装置中,除了在过滤器装置的过滤器元件部分中由金属硅粉体的接触引起磨损以外,还新发现产生以下的(i)至(iii)的问题。(i)在定期检查等中将过滤器装置打开时,在过滤器元件附近产生由空气中的分所形成的盐酸环境。(ii)由于所产生的盐酸环境,在过滤器元件部分进行腐蚀,并且若继续使用过滤器装置,则对腐蚀的部位施加应力,产生破裂的问题。(iii)尤其是过滤器元件由于为细网眼的结构,故而三氯硅烷及四氯硅烷容易残留,在定期检查等时的开放时,所述(i)及(ii)的问题变得明显。
[0023] 迄今为止,对本领域技术人员而言,关于过滤器元件部分的劣化,尤其担忧由于与所述金属硅粉体接触而引起的磨损,但由于开放时的腐蚀而产生应力腐蚀破裂的问题是出乎意料的。本发明人惊讶地独立发现,过滤器元件部分的耐腐蚀性很重要。
[0024] 因此,本发明的一实施方式的三氯硅烷制造装置解决所述现有技术的问题点,过滤器元件具备耐腐蚀性。以下进行详细说明。
[0025] [2.三氯硅烷制造装置以及三氯硅烷的制造方法]
[0026] 本发明的一实施方式的三氯硅烷制造装置具备:反应装置,其使用金属硅粉体来生成三氯硅烷;以及过滤器装置,其从利用所述反应装置而生成的包含三氯硅烷及反应残渣的反应生成物中去除所述反应残渣;并且所述过滤器装置具备由耐腐蚀性材料构成的过滤器元件。另外,本发明的一实施方式的三氯硅烷的制造方法的特征在于,具有使用所述制造装置来制造三氯硅烷的步骤。
[0027] <2-1.反应装置>
[0028] 本发明的一实施方式所使用的反应装置若为使用金属硅粉体来合成包含三氯硅烷的反应生成物的装置,则无任何限制,可以是公知的装置。反应装置例如可列举流化床式反应装置。通过使用流化床式反应装置,能连续地供给金属硅粉体及氯化氢,来连续地合成三氯硅烷。此外,以下,作为流化床式反应装置的一例,图1中列举使金属硅粉体与氯化氢气体进行反应而合成三氯硅烷的装置来加以说明,但除此以外,还可使用使金属硅粉体与四氯硅烷进行反应来合成三氯硅烷的装置。
[0029] 图1所示的三氯硅烷制造装置1中,反应装置2包括:反应容器10、分散板20及热介质管30。反应装置2中,向反应容器10的内部供给金属硅粉体,从形成于反应容器10的底部的气体供给口101,向反应容器10的内部供给与金属硅粉体进行反应的氯化氢气体。分散板20设置于反应容器10的气体供给口101之上,使供给至反应容器10的内部的氯化氢气体分散。
[0030] 反应装置2使反应容器10的内部的金属硅粉体,一边随着氯化氢气体流动一边反应(以下,将发生此反应的部位称为流化层40)。从反应容器10的反应生成物出口102取出通过金属硅粉体与氯化氢气体的反应而合成的包含三氯硅烷及反应残渣的反应生成物。另外,在反应容器10的内部,使加热介质流通的热介质管30沿着上下方向(与重力平行的方向)而设置。通过使加热介质在热介质管30中流通,将由金属硅粉体与氯化氢气体的反应而引起的反应热去除。
[0031] 对反应容器10所具有的形状(换言之,反应容器10所具有的侧壁的形状)并无特别限定。例如,反应容器10中包围流化层40的侧壁可以是反应容器10的与高度方向正交的横截面的截面积固定的形状(未图示),也可以是朝向上方增大的锥形形状(图1)。例如,在从气体供给口至流动层的上表面为止的高度的至少80%以上的范围内,侧壁也可以是反应容器的与高度方向正交的横截面的截面积朝向上方增大的锥形形状。从不仅能够降低侵蚀的险,而且能够防止局部的温度上升的观点出发,反应容器10所具有的形状优选为锥形形状。
[0032] 此外,关于至反应装置2为止的金属硅粉体及氯化氢的流动,例如记载于日本公开专利公报“日本专利特开2011-184242号公报”中,因此省略记载。另外,关于使用原料,并无特别限制,能使用公知的原料,合成条件也只要是公知的条件即可使用,并无特别限制。
[0033] 本说明书中,“金属硅粉体”,是指包含冶金制金属硅、硅、或多晶硅等金属状态的硅元素的固体物质,可无任何限制地使用公知的物质。另外,这些金属硅粉体中还可包含铁化合物等杂质,对其成分及含量并无特别限制。涉及的金属硅粉体通常是以平均粒径为150μm~350μm左右的微细粉末的形态来使用。
[0034] 作为所述反应中使用的氯化氢,能够使用可从工业上获取的多种氯化氢。
[0035] 只要能够以达到可形成流动层的流量的速度来供给金属硅粉体及氯化氢,则金属硅粉体及氯化氢的供给量并无特别限制。
[0036] 所述反应中的反应温度是考虑到反应装置的材质及能力、以及所使用的催化剂等来适当决定,通常设定为200℃~500℃、特别是250℃~400℃的范围。
[0037] <2-2.过滤器装置>
[0038] 过滤器装置是用来从包含三氯硅烷及反应残渣的反应生成物中,去除包含未反应的金属硅粉体的反应残渣的装置。过滤器装置包括形成有细孔的过滤器元件。由此,过滤器装置将反应生成物分离为能够通过所述细孔的成分、以及无法通过所述细孔的成分(反应残渣)。
[0039] 作为过滤器装置的一例,列举图1所示的过滤器装置3为例来进行详细说明。过滤器装置3包括:下部过滤器容器50、上部过滤器容器60、分隔板70以及过滤器元件80。
[0040] 下部过滤器容器50的底部为锥状且主体部为圆筒状,具备过滤器装置入口103以及残渣回收口105。上部过滤器容器60具备过滤器装置出口104。在过滤器装置3中,从过滤器装置入口103依次供给在反应装置2中合成的反应生成物。所供给的反应生成物利用过滤器元件80来分离,从过滤器装置出口104以及残渣回收口105排出。下部过滤器容器50及上部过滤器容器60被设置为可开闭。
[0041] 分隔板70将过滤器装置3的内部分割为两部分:设置有过滤器装置入口103的一侧(以下称为过滤器装置入口侧)的空间以及设置有过滤器装置出口104的一侧(以下称为过滤器装置出口侧)的空间。例如,分隔板70可设置于下部过滤器容器50与上部过滤器容器60的边界。另外,在分隔板70中,开有用于保持过滤器元件80的孔,对此孔的形状、大小、数量及位置并无限制。
[0042] 过滤器元件80具有形成有微细的细孔的圆柱形。过滤器元件80是以保持于分隔板70的孔中的方式设置于过滤器装置3。过滤器元件80通过细孔,将过滤器装置入口侧的空间与过滤器装置出口侧的空间相连,以使气体能够流通。从过滤器装置入口103供给的反应生成物中,能够通过过滤器元件80的细孔的成分(以下称为气体成分)从过滤器装置出口104排出。由于对过滤器装置3中逐次供给反应生成物,故而过滤器装置入口侧成为正压,过滤器装置出口侧成为低于入口的压力,气体成分自动地排出。
[0043] 另一方面,比过滤器元件80的细孔的孔径大的尺寸的反应生成物无法通过过滤器元件80的细孔,因此滞留于过滤器装置3的过滤器装置入口侧。
[0044] 若继续进行从反应生成物中去除反应残渣,则反应残渣附着在过滤器元件80的细孔内。由此,由过滤器元件80引起的压力损失变大。因此,优选为进行如下的反洗涤作业:定期将过滤器切换为预备过滤器,从过滤器装置出口侧喷射对反应生成物不会造成不良影响的气体(包含N2气、H2气、或Ar气等),将存在于过滤器元件80细孔内的反应生成物吹回至过滤器装置入口侧。另外,由于反应残渣滞留于过滤器装置3内部,反应残渣的去除效率下降,因此优选为定期地从残渣回收口105回收反应残渣。此外,作为回收的方法,优选为进行如下的排出作业:利用N2气、H2气或Ar气等,将该过滤器容器加压至一定的压力,排出至以较位于残渣回收口105的下游的该过滤器低的压力来保持的其他容器中。此外,排出作业优选为将两容器在不同的压下加以保持后,将连接的配管的迅速打开,利用两容器的压力差来排出。
[0045] 除此以外,还存在如下情况:为了确认过滤器元件80的状态,或者为了对过滤器装置3进行检查,而将过滤器装置3的下部过滤器容器50以及上部过滤器容器60分离,由此将过滤器装置3暴露于大气中。在暴露于大气中之前,以所述方式通过反洗涤作业及排出作业,使滞留于过滤器元件80的细孔中的反应生成物掉落而排出,由于细孔为细网眼的结构,故而反应生成物的一部分残留于细孔内。残留的反应生成物由于包含三氯硅烷等,故而当暴露于大气中时,通过大气中的水分与残留的反应生成物进行反应而在过滤器元件80近旁产生高浓度的盐酸,过滤器元件80容易腐蚀。
[0046] 因此,过滤器元件80由耐腐蚀性材料构成。在本说明书中,所谓“耐腐蚀性材料”,是指依据JIS G0576“不锈的应力腐蚀破裂试验方法”或JIS Z 2291“金属材料的高温气体腐蚀试验方法”,被认为与不锈钢相比而言应力腐蚀破裂优异的材料、或者被认为高温下的耐酸化性极其优异的材料。另外,本说明书中,所谓部件“由耐腐蚀性材料构成”,包括:在部件上被覆耐腐蚀性材料、部件是由耐腐蚀性材料来锻造铸造等。
[0047] 过滤器元件80所使用的耐腐蚀性材料为以镍作为必需成分,优选包含所述镍以及选自由铬、铁、钨、铌、钽及钼所组成的组群中的任一种以上。耐腐蚀性材料100重量%中的镍的含量优选为20重量%~80重量%,更优选为50重量%~75重量%。另外,铬的含量优选为10重量%~25重量%,更优选为14重量%~23重量%。铁的含量优选为2重量%~30重量%,更优选为3重量%~8重量%。钨的含量优选为0重量%~5重量%,更优选为0重量%~4重量%。铌的含量优选为0重量%~5重量%,更优选为0重量%~4重量%。钽的含量优选为0重量%~5重量%,更优选为0重量%~4重量%。钼的含量优选为1重量%以上,更优选为5重量%~20重量%。此种耐腐蚀性材料的具体例可列举:铬镍铁合金(Inconel)600、铬镍铁合金625、铬镍铁合金825、哈氏合金(Hastelloy)C22、哈氏合金C276以及NAS254N等。
[0048] 其中,通过使用含有钼的耐腐蚀性材料来作为过滤器元件80,不仅能够抑制腐蚀及应力腐蚀破裂,而且能够抑制晶界腐蚀(腐蚀沿着晶粒边界而进行的腐蚀)。因此,更优选为使用含有钼的耐腐蚀性材料。含有钼的耐腐蚀性材料可列举:铬镍铁合金625、铬镍铁合金825、哈氏合金C22、哈氏合金C276以及NAS254N等。
[0049] 本发明并不限定于所述的各实施方式,可在权利要求所示的范围内加以多种变更,将不同的实施方式中分别公开的技术手段适当组合而获得的实施方式也包含于本发明的技术范围内。
[0050] 实施例
[0051] 以下,示出实施例,对本发明的方法进行更具体的说明,但本发明并不限定于这些实施例。
[0052] 使用图1所示的过滤器装置3,对从图1所示的三氯硅烷制造装置1中排出的反应生成物进行处理。
[0053] 反应生成物是温度约200℃且包含以下的气体组成及粉尘(dust)成分的物质。
[0054] ·气体组成:3重量%的H2、17重量%的TCS、80重量%的STC、以及微量成分(AlCl3,高沸点成分等)
[0055] ·粉尘成分:Si、与Si的金属间化合物、SiC、Al、Ca熔渣、AlCl3、CaCl2、以及FeCl2等。
[0056] 表1示出过滤器元件80的材质、材质的耐腐蚀性的评价、以及实际运转后的应力腐蚀破裂的有无。另外,表2中示出作为过滤器元件80来使用的材质的组成。
[0057] 作为过滤器元件80,使用包含No.1~No.5所示的材质且形成有微细的细孔的圆柱形(3mm厚,外径60φ×全长1300mm)的过滤器元件。将此过滤器元件实际运用309天,确认应力腐蚀破裂的发生的有无。
[0058] 应力腐蚀破裂仅在SUS316L中产生,所述SUS316L在JIS G0576以及JIS Z 2291中的任一试验方法中均不显示耐腐蚀性。
[0059] 另外,使用未发生应力腐蚀破裂的过滤器元件中的No.4及No.5,进而进行了3年实际运转,但未发生应力腐蚀破裂。
[0060] [表1]
[0061] 编号 过滤器元件材质 JIS G 0576 JIS Z 2291 应力腐蚀破裂1 SUS316L - - 有
2 NAS254N 耐腐蚀性材料 耐腐蚀性材料 无
3 铬镍铁合金1825 耐腐蚀性材料 耐腐蚀性材料 无
4 铬镍铁合金1625 耐腐蚀性材料 耐腐蚀性材料 无
5 哈氏合金C-276 耐腐蚀性材料 耐腐蚀性材料 无
[0062] [表2]
[0063]   C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu FeSUS316L 0.014 0.70 1.24 0.034 0.002 12.10 17.22 2.04 - 剩余
NAS254N 0.01 0.46 0.35 0.017 0.001 24.94 22.98 5.74 0.08 剩余
铬镍铁合金1825 0.04 0.26 0.46 - 0.001 42.45 22.68 2.71 1.87 28.60铬镍铁合金1625 0.01 0.11 0.07 0.08 <0.001 60.64 21.98 9.03 - 4.20哈氏合金C-276 <0.01 0.05 0.49 0.011 0.001 56.47 15.93 16.01 - 5.83[0064] 此外,表2的数值的单位为重量%。
[0065] (总结)
[0066] 经确认,通过使用耐腐蚀性材料来作为过滤器元件80,能够抑制过滤器元件的腐蚀、以及应力腐蚀破裂的发生。
[0067] 本发明的一形态的三氯硅烷制造装置中,包括:反应装置,使用金属硅粉体来生成三氯硅烷;以及过滤器装置,从利用所述反应装置而生成的包含三氯硅烷及反应残渣的反应生成物中去除所述反应残渣;并且所述过滤器装置具备由耐腐蚀性材料构成的过滤器元件。
[0068] 另外,本发明的一形态的三氯硅烷制造装置中,所述耐腐蚀性材料优选为包含1重量%以上的钼。
[0069] 另外,本发明的一形态的三氯硅烷制造装置中,所述耐腐蚀性材料优选为铬镍铁合金625或者哈氏合金。
[0070] 另外,本发明的一形态的三氯硅烷制造方法中,优选为包括如下步骤:使用本发明的一形态的三氯硅烷制造装置的任一项所记载的三氯硅烷制造装置,来制造三氯硅烷。
[0071] 工业可利用性
[0072] 本发明能够用于制造三氯硅烷。
[0073] 附图标记说明
[0074] 1:三氯硅烷制造装置
[0075] 2:反应装置
[0076] 3:过滤器装置
[0077] 10:反应容器
[0078] 20:分散板
[0079] 30:热介质管
[0080] 40:流化层
[0081] 50:下部过滤器容器
[0082] 60:上部过滤器容器
[0083] 70:分隔板
[0084] 80:过滤器元件
[0085] 101:气体供给口
[0086] 102:反应生成物出口
[0087] 103:过滤器装置入口
[0088] 104:过滤器装置出口
[0089] 105:残渣回收口
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