[发明专利]用于制备硅烷的方法和系统

说明书

背景技术

本公开内容的领域涉及制备硅烷的方法，特别是包括使用电解以使反应性组分再生的方法。一些特定实施方案涉及其中硅烷的制备是关于卤素和/或碱或碱土金属的基本“闭环”的方法。

硅烷是具有许多工业用途的多用途化合物。在半导体工业中，硅烷可用于使外延硅层沉积于半导体晶片上并用于制备多晶硅。多晶硅为用于生产许多商品(包括例如集成电路和光伏(即太阳能)电池)的重要原料，其可通过在流化床反应器中使硅烷热分解成硅颗粒而制备。

硅烷可通过使四氟化硅与碱或碱土金属铝氢化物如四氢化铝钠反应而制备，如美国专利No.4,632,816所公开的，通过引用将其并入本文中以用于所有相关和一致目的。该方法的特征在于高能量效率；然而，原料成本可能不利地影响该系统的经济性。

或者，硅烷可通过所谓的“Union Carbide Process”制备，其中使冶金级硅与氢气和四氯化硅反应以产生三氯硅烷，如Müller等人在“Development and Economic Evaluation of a Reactive Distillation Process for Silane Production”，Distillation and Adsorption：Integrated Processes，2002中所述，通过引用将其并入本文中以用于所有相关和一致目的。随后使三氯硅烷通过一系列歧化和蒸馏步骤以产生硅烷最终产物。该方法需要大量再循环料流，这提高了初始设备成本以及操作成本。

因此，仍需要制备硅烷的方法和为关于制备方法中所用某些材料为闭环的方法。还需要用于进行这类方法的系统，包括基本闭环系统。

发明概述

本公开内容一方面涉及由碱或碱土金属卤化物盐的来源制备硅烷的方法。该方法包括将碱或碱土金属卤化物盐电解以产生金属碱或碱土金属和卤素气体。使金属碱或碱土金属与氢气接触以产生碱或碱土金属氢化物。含有至少一种选自四卤化硅、三卤硅烷、二卤硅烷和一卤硅烷的卤代硅烷的卤化硅进料气体通过使卤素气体与至少一种如下组分接触而制备：(1)与硅接触以产生四卤化硅，和(2)与氢气接触以产生卤化氢，其中使卤化氢与硅进一步接触以产生含有四卤化硅和三卤硅烷的混合物。使卤化进料气体与碱或碱土金属氢化物接触以产生硅烷和碱或碱土金属氢化物盐。

本公开内容的另一方面涉及在关于碱或碱土金属的基本闭环系统中制备硅烷的方法。使卤化硅进料气体与碱或碱土金属氢化物接触以产生硅烷和碱或碱土金属卤化物盐。将卤化物盐电解以产生金属碱或碱土金属和卤素气体。使金属碱或碱土金属与氢气接触以产生碱或碱土金属氢化物。使通过金属碱或碱土金属与氢气接触而产生的碱或碱土金属氢化物与卤化硅进料气体接触以产生硅烷和碱或碱土金属卤化物盐。

本公开内容的又一方面涉及在关于卤素的基本闭环系统中制备硅烷的方法。使含有至少一种选自四卤化硅、三卤硅烷、二卤硅烷和一卤硅烷的卤代硅烷的卤化硅进料气体与碱或碱土金属氢化物接触以产生硅烷和碱或碱土金属卤化物盐。将卤化物盐电解以产生金属碱或碱土金属和卤素气体。包含至少一种选自四卤化硅、三卤硅烷、二卤硅烷和一卤硅烷的卤代硅烷的卤化硅进料气体通过使卤素气体与至少一种如下组分接触而制备：(1)与硅接触以产生四卤化硅，和(2)与氢气接触以产生卤化氢，其中使卤化氢与硅进一步接触以产生包含四卤化硅和三卤硅烷的混合物。使卤化硅进料气体与碱或碱土金属氢化物接触以产生硅烷和碱或碱土金属卤化物盐。

在本公开内容的另一方面中，用于制备多晶硅的闭环方法包括使含有至少一种选自四卤化硅、三卤硅烷、二卤硅烷和一卤硅烷的卤代硅烷的卤化硅进料气体与碱或碱土金属氢化物接触以产生硅烷和碱或碱土金属卤化物盐。硅烷热分解以产生多晶硅和氢气。卤化物盐电解以产生金属碱或碱土金属和卤素气体。包含至少一种选自四卤化硅、三卤硅烷、二卤硅烷和一卤硅烷的卤代硅烷的卤化硅进料气体通过使通过碱或碱土金属卤化物电解产生的卤素气体与至少一种如下组分接触而制备：(1)与硅接触以产生四卤化硅，和(2)与氢气接触以产生卤化氢，其中使卤化氢与硅进一步接触以产生包含四卤化硅和三卤硅烷的混合物。使金属碱或碱土金属与由硅烷热分解产生的氢气接触以产生碱或碱土金属氢化物。使通过卤素气体或卤化氢与硅接触而产生的卤化硅进料气体与通过金属碱或碱土金属与氢气接触而产生的碱或碱土金属氢化物接触以产生硅烷和碱或碱土金属卤化物盐。