[发明专利]用于将四氯化硅转化为三氯硅烷的方法及装置

说明书

技术领域

本发明提供了一种用于将四氯化硅转化为三氯硅烷的方法及装置。

背景技术

使用三氯硅烷来生产多晶硅。

通常在流化床工艺（过程，process）中由冶金硅和氯化氢制备三氯硅烷。为了获得高纯度的三氯硅烷，通常随后是蒸馏。这也提供四氯化硅作为副产物。

大部分四氯化硅是在多晶硅的沉积期间获得的。例如，借助于西门子法（平炉法，Siemens process）获得多晶硅。这涉及在反应器中的经加热的细棒上沉积硅。用作含硅组份的过程气体（process gas）是在氢气存在下的卤代硅烷，如三氯硅烷。三氯硅烷转化成沉积硅（歧化反应）时产生大量的四氯化硅。

例如，在高温下可以使用四氯化硅在燃烧室中与氢气和氧气反应以产生精细二氧化硅。

然而，针对四氯化硅的最大经济利益的应用是将其转化为三氯硅烷。这通过使四氯化硅与氢气反应以产生三氯硅烷和氯化氢来实现。这使得能够由在沉积物中形成的副产物四氯化硅获得三氯硅烷，并且将该三氯硅烷给料返回至该沉积过程以获得元素硅。

通常，产生三氯硅烷的四氯化硅与氢气的转化发生在高温下的反应器中，在至少600°C下，理想的是在至少850°C下（高温转化）。

出于对节省能源的考虑，通常借助于反应器的热废气（反应物的产物和残余物，即主要是三氯硅烷、氯化氢、四氯化硅、和氢气）来加热反应中的反应物（四氯化硅和氢气）。

专利DE 30 24 320 C2要求保护一种利用热交换器单元将四氯化硅转化为三氯硅烷的相应装置。例如，该热交换器单元可以由充当气体出口的一组未经电加热的石墨管组成，其通过对流原理使石墨管周围的新鲜气体流至外部。

用于四氯化硅与氢气的氢化的反应器必须能够经受高温和诸如氯硅烷和氯化氢气体物质（该物质在氢化过程期间形成）的腐蚀性。因此，通常在反应器的内部使用碳基材料（碳类材料，carbon-based material），包括碳、石墨、碳化纤维复合材料等。

DE 195 02 550 A1公开了一种用于四氯化硅的氢化的方法，其中该方法包括在高于600°C的温度下的反应器中使氢气与四氯化硅接触，该反应器包括具有反应容器位于其中的压力壳（加压壳体，pressurizable shell），该反应容器形成用于使氢气与四氯化硅接触的基本封闭的内部室（空腔，chamber），其中外部室设置在压力壳与反应容器之间，该外部室具有位于其中且接近于该壳的碳隔离层或石墨隔离层，以及在隔离层和反应容器之间的一个或多个加热元件，其中将具有摩尔比大于3.5的氯比硅的气体或者气体混合物给料至外部室。

给料至外部室的气体可以是四氯化硅或者含有三氯硅烷、二氯硅烷或者氯硅烷的四氯化硅的混合物。给料至外部室的气体混合物还可以包括氯气、氯化氢或其混合物，以及包括选自四氯化硅、三氯硅烷、二氯硅烷和氯硅烷的组中的一种或多种硅烷。

在高温下，石墨与氢气反应产生甲烷（=甲烷化）。这导致反应器中的结构性损坏并且最终导致反应器停止运行并降低使用寿命。由于需要替换损坏的部件并需要安装新部件，这也与相当高水平的财政投资相关。

特别是在加热器中发生甲烷化，该加热器与氢气和四氯化硅直接接触。另外，特别是在相对高的温度范围内，特别是在废气区，对流热交换器也可能被产生甲烷的氢气与石墨的反应损坏。尤其是，由石墨制造的加热元件表现出最大的腐蚀倾向，由于氢气（混有四氯化硅）在此接触非常热的表面。加热器的损坏很可能导致转化反应器的停止运行，由于该加热器是作为电阻加热器而设计的。

由于石墨的多孔性，其可透过氢气与四氯化硅，因此氢气和四氯化硅可以在热交换器中从反应物一侧扩散至产物一侧。由于并不能将全部的反应物完全引导通过该转化器，因此这也降低了整个过程的选择性。

扩散至产物一侧的反应物流不能到达反应区，其结果是不发生四氯化硅至三氯硅烷的转化。另外，稀释了来自反应区的产物流，这是不利的。

如果继续DE 195 02 550 A1的流程，该加热元件不与热氢气接触。因此在该区域中可能不存在腐蚀。可以避免在反应区之外的氢气损坏效应。

然而，通过引入的氢气可能腐蚀形成内部区以及限定外部区的管，从长远来看这也导致反应器的停止运行。

此外，已经发现在二氯硅烷存在下，在这两个管中存在硅的沉积。这导致热量转移的劣化。为了弥补该劣化，需要进一步提高热量输出，这将对热量平衡产生不良影响。