[发明专利]制备三氯硅烷的方法

说明书

本发明涉及通过在流化床反应器中还原四氯硅烷来制备三氯硅烷的方法。

四氯硅烷是一种特别是在热分解三氯硅烷而使高纯硅沉积中形成的化合物。它也是在制备三氯硅烷中产生的一种副产物，所述的三氯硅烷是使氯化氢和硅在流化床反应器中反应来制得的。大量的工业生产的四氯硅烷是用来还原成三氯硅烷，以制备高纯硅。根据US-4,526,769，上述方法是在流化床反应器中进行的，其中，应用了下述可逆反应平衡式：

该专利公开披露了四氯硅烷的转化率特别是反应温度，四氯硅烷与氢的比例以及氯化铜催化剂存在的函数。

本发明的目的是改进上述方法并提高转化率。

上述目的是通过在流化床反应器中还原四氯硅烷来制备三氯硅烷的方法而实现的，该方法包括：

a)在反应器中建立一个硅颗粒的流化床；

b)将微波辐射直接导入反应器中，对硅颗粒进行加热，使其温度达到300-1100℃；

c)使含有四氯硅烷和氢的反应气通过流化床，使反应气与硅颗粒反应，形成含有三氯硅烷的产物气，和

d)由反应器中取出产物气。

以此方法制备三氯硅烷，可增高转化率，并降低能量消耗。而且不必使用会污染产物的氯化铜催化剂。

节约能量主要是由于微波辐射直接与硅颗粒相互作用，并将它们加热至反应温度，而这中间没有反应器壁的妨碍，并且反应气是一同被加热的。这还可节省反应器材料，这样，就有可能达到更长的使用寿命，或者是降低对反应器材料之耐腐蚀性方面的严格要求。

流化床是通过迫使反应气或，合适的话，惰性气体或氢气由硅颗粒床的底部引入反应器中来建立的。用微波辐射使硅颗粒的温度升至反应温度。如果合适的话，可通过预先加热穿过硅颗粒床的气体来加速该方法。当硅颗粒的温度达到300-1100℃，优选500-700℃之必须的反应温度时，转化反应开始进行，然后使20-50℃的反应气穿过该床。

用于加热之微波辐射的频率是500-5000MHz，优选1000-1500MHz。被引入反应器中的硅颗粒的平均粒径是50-5000μm，特别优选500-3000μm。

反应气包含四氯硅烷和氢气以及，如果合适的话，载体气体，该载体气体不参与反应，如氮气或氩气。反应气中四氯硅烷与氢气的摩尔比是3∶1-1∶10，优选3∶2-5∶3。在反应中，四氯硅烷并未完全转化，因此，除所需的三氯硅烷外，离开反应器的产物气还含有反应气的化合物。因此，必须由产物气中分离三氯硅烷，并将残余气体循环回反应器作为反应气。

由于在上述的反应平衡中，在还原四氯硅烷时要消耗硅，所以必须连续地或分批地补偿硅消耗。优选的是，作为与反应相关的硅消耗的函数，向反应器中连续地送入硅颗粒。由产物气分离出的三氯硅烷优选用于高纯硅的制备，该制备特别优选用Siemens法或最先公开于US-4,900,411中的方法来完成。

上述本专利以及用来制备多晶硅的US-5,382,412中所示的装置一般可用于完成本发明的方法。因此，参见上述文献。明显的是，根据本领域熟练人员的常规技能，可使这些装置适用于本发明的要求。这包括，例如，需要一种由反应器中取出硅颗粒的装置。将反应器中容纳硅颗粒床的下部设计成圆锥形锥体，已被证明是有利的。

相反地，本发明还可用来由制备多晶硅的装置中清除不需要的硅沉积。在此情况下，就不需要流化床，这是因为沉积物代替了硅颗粒，并供应反应过程所需的硅。