[发明专利]将四氯化硅氢化成为三氯硅烷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及将四氯化硅（STC）氢化成为三氯硅烷（TCS）的方法。

背景技术

三氯硅烷通常是在流化床法中由冶金硅和氯化氢制得的。为了获得高纯度的三氯硅烷，随后进行蒸馏。在此还产生四氯化硅作为副产物。

在沉积多晶硅时产生绝大多数量的四氯化硅。多晶硅例如是通过西门子法获得的。在此，硅在反应器中在加热的细棒上沉积。在存在氢的情况下，用作含硅组分的工艺气体是卤硅烷，如三氯硅烷。在三氯硅烷反应（歧化）生成沉积的硅时，产生大量的四氯化硅。

由四氯化硅例如通过与氢和氧的反应在高温下在燃烧室内可以产生高度分散的二氧化硅。

但是，四氯化硅的在经济上令人感兴趣的应用是氢化成为三氯硅烷。这是通过四氯化硅与氢生成三氯硅烷和氯化氢的反应进行的。由此可以由在沉积期间产生的副产物四氯化硅生成三氯硅烷，并将该三氯硅烷又送入沉积过程，以产生元素硅。

利用氢将四氯化硅氢化成为三氯硅烷的过程通常是在反应器中在高温下，在至少600℃下，理想地在至少850℃下进行的（高温转化）。

为了达到所述的高温，需要由极耐热的材料制成的加热元件。为此使用含碳材料，例如石墨。如下文中所示，在对利用含碳的加热元件进行加热的含氢的气体进行高温处理时是特别成问题的，这在现有技术中已经被人注意到。

除了在现有技术中已述及的问题，还会产生新的问题，该问题特别是在反应器运行比较长的时间的情况下出现。因此，可以观察到，加热元件的电阻随着时间的推移而连续地升高。因为应该提供所期望的保持不变的电功率，该电阻升高现象对于加热元件的电力供应提出了额外的技术要求。因此，更加有利的是，避免或者至少减少加热元件电阻升高的问题。

US 4,536,642 A公开了一种用于高温处理气体的设备，其由绝热外壳构成，该绝热外壳具有气体入口和气体出口以及设置在这些开口之间的通过直接流通电流加热的惰性电阻加热元件。该加热元件由石墨组成。额外地，可以将由未加热的气体排出装置构成的热交换单元装配入该外壳中，因为借助该反应器的热的废气加热该反应的起始反应物这出于节约能源的原因是有意义的。热的废气包括产物和未反应的起始反应物。

此类设备还特别适合于将STC氢化成为TCS。

因为要求高的热稳定性，所用的加热元件由适当的材料制成。出于热稳定性的原因，石墨在理论上是特别合适的，但是所含的碳与流入的氢在该温度下反应生成甲烷。

例如US 7,442,824 B2建议，在使氯硅烷氢化之前对加热元件的表面于原位涂覆碳化硅，由此减少这些组件的甲烷化现象。该涂覆碳化硅的步骤在至少1000℃的温度下进行。

尽管如此，经涂覆的石墨部件还是会发生甲烷化现象，并且仍旧总是观察到与此相关的腐蚀现象。H₂/STC混合物与加热元件中所包含的碳生成其他含碳化合物如甲基三氯硅烷和甲基二氯硅烷的反应还会造成加热元件中的结构缺陷，导致反应器故障，因而缩短反应器的寿命。

因为有缺陷的部件必须更换，因为重新购买所需的替换部件以及安装费用，这意味着额外的相当高的财务成本。

尤其是在与氢和STC直接接触的加热元件上发生甲烷化现象。

这由于更多地产生剥落物和破碎物而更加明显，它们落在反应器底部，在此在最不利的情况下例如导致接地，并由此导致加热元件故障。

US 7,998,428 B2公开了一种用于将起始反应气体四氯化硅和氢送入反应空间内以获得包含三氯硅烷和氯化氢的产物气体的设备。该设备将反应空间和加热元件设置在一个送入氩气的容器中。因此，该反应空间和加热元件位于处于压力下的装有氩气的外部容器中。因此可以避免工艺气体发生泄漏。因此还可以实现加热元件不被氢侵蚀的效果。

但是缺点在于，反应空间和加热元件彼此分离，因此需要加热元件更高的温度。这又会损害电线套管。

此外，加热空间必须具有对外部更强的绝缘，这会增大设备的直径。

同样需要复杂地调节压力，因此无法将氢注入加热空间内。

DE 199 49 936 A1描述了一种用于对由石墨材料和碳材料制成的组件在其在氢气氛中在高于400℃的温度下使用时加以保持的方法，其特征在于，取决于温度和压力以氢和甲烷之间化学计量平衡的比例将甲烷混入该氢气氛。

虽然该额外地引入甲烷的操作原则上适合于保护加热元件和热交换器，但是在将STC氢化成为TCS的过程中会导致更多地形成非期望的反应产物（甲基氯硅烷和烃类），这导致为了从氯硅烷分离出而进行的相当复杂的蒸馏过程。