JP5637018B2

JP5637018B2 - トリクロロシラン製造装置

Info

Publication number: JP5637018B2
Application number: JP2011049223A
Authority: JP
Inventors: 政美三宅; 一樹水嶋; 斎木　渉; 渉斎木; 村上　直也; 直也村上
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: JP2011207746A; US20110215084A1; US9468042B2; CN102190304A; CN102190304B

Description

本発明は、テトラクロロシランをトリクロロシランに転換するトリクロロシラン製造装置に関する。

シリコン（Ｓｉ：珪素）を製造するための原料として使用されるトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）は、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ₄：四塩化珪素）を水素と反応させて転換することで製造することができる。
すなわち、シリコンは、以下の反応式（１）（２）によるトリクロロシランの還元反応と熱分解反応で生成される。トリクロロシランは、以下の反応式（３）による転換反応で生成される。
ＳｉＨＣｌ₃＋Ｈ₂ → Ｓｉ＋３ＨＣｌ・・・（１）
４ＳｉＨＣｌ₃ → Ｓｉ＋３ＳｉＣｌ₄＋２Ｈ₂ ・・・（２）
ＳｉＣｌ₄＋Ｈ₂ → ＳｉＨＣｌ₃＋ＨＣｌ・・・（３）

トリクロロシランを製造する装置として、例えば特許文献１，２には、反応室が、同心配置の２つの管によって形成された外室と内室とをもった二重室設計とされ、この反応室の外側の周りに発熱体を配置した反応容器が提案されている。この反応容器では、炭素等で形成された発熱体が通電により発熱して反応室内を外側から加熱することで、反応室内のガスを反応させている。

特許文献３には、複数本の管状のヒータが反応室内に配置され、反応室内およびヒータ内でガスが直接加熱される構造の装置が開示されている。

特許第３７８１４３９号公報特開２００４−２６２７５３号公報特公昭６０−４９０２１号公報

トリクロロシランの製造装置においては、高い熱効率で反応室内を加熱することが求められる。
しかしながら、特許文献１，２記載の構造であると、反応室の外部に配した発熱体により反応室内を加熱するが、発熱体から半径方向外方に放射される輻射熱を有効に利用できず、熱効率が低いという不都合がある。

また、特許文献３のように反応室内部にヒータを設置する場合、ヒータ設置部分には通電のための電極等の機構が必要であり、これら機構を絶縁、冷却するための構造や、反応室の貫通部のシール構造等が必要となる。そのため、ヒータ設置部分は各機構が密接した複雑な構造となり、大容量化のためにヒータの設置数が多くなる程に、組み立て、点検等の作業性が悪くなるという問題がある。

トリクロロシランの製造装置では、一般的に、高温での不純物の発生防止のため、炭化珪素のコーティングが施されたカーボン部材が反応容器やヒータに使用される。また、トリクロロシランの製造装置においては、高い熱効率で反応室内をトリクロロシランの反応温度に効果的に加熱することが求められているが、一方でヒータが高温になり過ぎると、ヒータ表面の炭化珪素のコーティングを損傷してカーボンの露出を招き、カーボンから不純物が発生する恐れがあるため、ヒータ表面の最高温度を制限値以下に保ちながら、高温領域を増加させる必要がある。

特許文献３記載の構造の場合、高温状態のガスが流れる筒状ヒータの内面は高温となり易く、この部分の温度を制限値以下に保つためにヒータの出力を落とす必要があり、装置全体の温度が下がり効率的でない。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、反応室内のヒータ表面の最高温度を抑制するとともに、反応室内の伝熱面積を大きくし、供給ガスを高い熱効率で加熱することができる構造を簡略化した組み立て及び点検等の作業性に優れたトリクロロシラン製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、テトラクロロシランと水素とを含む原料ガスからトリクロロシランを製造する装置であって、前記原料ガスを供給されてトリクロロシランと塩化水素とを含む反応ガスを生成する反応室と、前記反応室内に上下方向に沿って設けられた発熱部を備え、前記原料ガスを加熱する複数のヒータと、これらヒータの基端部に接続された複数の電極と、前記反応室内の空間に立設され前記ヒータの発熱部同士間に設置される輻射板とが備えられている。

このトリクロロシラン製造装置によれば、ヒータを反応室内に設置することにより、ヒータの熱がその周囲を流通する原料ガスに直接伝わるので、原料ガスを高い熱効率で加熱することができる。また、反応室内にヒータを設置するので、反応室を大型化しても、その必要個所にヒータを設置することができる。

さらに、本発明のトリクロロシラン製造装置においては、輻射板がヒータの発熱部間に設置される。
ヒータ同士が対面する各ヒータの面は、ヒータが発熱面でない面と対面する場合に比べて輻射により奪われる熱が少なくなるので高温となる。そのため、ヒータ同士が直接対面しないように輻射板を配置すれば、ヒータ表面の最高温度を下げることができる。

輻射板はヒータからの輻射熱を受けて加熱されることにより高温となり、原料ガスを効率的に加熱することができるとともに、さらにその熱を周囲に輻射することにより反応室内の壁面を加熱することができる。これにより、反応室内の高温度となる伝熱面積を増加させることができるので、高い熱効率で原料ガスを加熱することができる。

また、輻射板により原料ガスが加熱されるので、この輻射板を適宜数設置することによりヒータの設置数を少なくすることが可能になる。輻射板には通電のための電極等の構造を必要としないため、反応室の床等の構造を簡略化して、組み立て、点検等の作業性に優れたトリクロロシラン製造装置を実現できる。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置において、前記複数のヒータは、前記反応室内に同心円状に２列以上設置されており、前記輻射板は、各ヒータ列同士間に挟まれて設置されているとよい。

ヒータを、電極を介して反応室の周方向にリング状に複数個直列に連結してこれを複数列配置し、これら複数のヒータ列の間に、各ヒータ列同士の対面を遮るように輻射板を挟むことにより、両側に配置されたヒータの熱を受けた輻射板の輻射熱によって効率的に反応室内を加熱することができ、ヒータ表面の最高温度を下げることができる。

また、対向配置されたヒータと輻射板とに沿って原料ガスが流れることになり、ヒータ及び輻射板からの熱が原料ガスに直接伝わって原料ガスが高い熱効率で加熱され、トリクロロシランへの転換率を向上させることができる。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置において、前記反応室の下部に連通して前記反応室内に前記原料ガスを導入する導入口が設けられるとともに、前記ヒータと前記電極との接続箇所が前記反応室の前記下部に配置されているとよい。

ヒータを反応室内に設置したことにより、ヒータの熱がその周囲に流通する原料ガスに直接伝わり、原料ガスを高い熱効率で加熱することができるが、この場合、電極も反応室内に設置されるため、反応室の下部に設置されたヒータと電極との接続箇所の周辺が原料ガスに晒されることになる。このため、その接続箇所から不純物が発生するおそれがある。さらに、電極は反応室外で電源と接続されるため何らかの方法で冷却する必要があるとともに、底板との間の絶縁やシール等の機構も必要となる。

本発明のトリクロロシランの製造装置においては、原料ガスの導入口を反応室の下部又は底部に配置し、ヒータと電極との接続部を反応室の下部に配置したことから、ガス導入口から導入される比較的低温の原料ガスが接続部に接触して接続部の温度上昇が抑えられ、不純物の発生を防止することができ、接続部における冷却機構等の設計が容易となる。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置において、前記輻射板は、前記各ヒータの周囲を囲んで配置される輻射筒であるとよい。

そして、前記反応室の下部を通じて前記反応室内に前記原料ガスを導入する複数の導入口が間隔をおいて設けられており、前記輻射筒には前記導入口に向けた開口部が設けられているとよい。この場合、開口部は、輻射筒に貫通して設けてもよい。

各ヒータの周囲を囲む複数の輻射筒が設けられており、輻射筒に設けられた開口部から原料ガスが誘導されることにより、ヒータと輻射筒との一組で形成される上下方向に連通した空間を通って原料ガスが流通する。このように、原料ガスは、発熱部及び輻射筒の内側に沿って流れることになり、高温部からの熱が原料ガスに直接伝わって、原料ガスが高い熱効率で加熱され、トリクロロシランへの転換率を向上させることができる。また、輻射板を筒状にしたことにより、各ヒータ同士の対面を完全に遮ることができ、ヒータ表面の最高温度を下げることができる。

本発明に係るトリクロロシラン製造装置によれば、ヒータを反応室の中に設置したことにより、ヒータの熱を原料ガスに直接伝え、原料ガスを高い熱効率で加熱できるので、トリクロロシランへの転換率をより向上させることができる。また、ヒータを囲むように輻射板を設けたことにより、ヒータ表面の最高温度を抑制するとともに、ヒータ及び輻射板の表面温度の高温領域を増加させることにより高い反応効率を得ることができる。また、電極の不要な輻射板を用いて効率よく加熱可能な構造を採用したことにより、ヒータ設置部の構造簡略化を可能とし、装置の組み立て及び点検等の作業性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態のトリクロロシラン製造装置を示す縦断面図である。図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。ヒータを示す側面図である。輻射板を示す側面図である。ヒータにおける仮想発熱面を示す斜視図である。ヒータおよび輻射板の配置例を示す横断面図である。ヒータおよび輻射板の他の配置例を示す横断面図である。ヒータおよび輻射板のさらに別の配置例を示す横断面図である。本発明の第２実施形態のトリクロロシラン製造装置を示す断面図である。第２実施形態のヒータ及び輻射筒を説明する斜視図である。

以下、本発明に係るトリクロロシラン製造装置の一実施形態について説明する。
本実施形態のトリクロロシラン製造装置１００は、テトラクロロシランと水素とを含む原料ガスを加熱して、転換反応によりトリクロロシランと塩化水素等とを含む反応ガスを生成し、トリクロロシランを製造する装置であって、図１に示すように、原料ガスを供給される反応容器１０と、この反応容器１０の中に備えられて原料ガスを加熱する複数のヒータ２０と、これらヒータ２０の下端に接続された複数の電極２３とを備えている。反応容器１０は断熱容器３０を備えており、ヒータ２０による熱が反応容器１０から放出されることによる加熱効率の低下が防止されている。

反応容器１０は、略筒状の壁体１１と、この壁体１１の上端を閉じる天板１２と、壁体１１の下端を閉じる底板１３とを備えている。
壁体１１は、それぞれ同心状に設けられた略筒状の内側壁体１１Ａと外側壁体１１Ｂとを備えている。これら内側壁体１１Ａと外側壁体１１Ｂとの間には、円筒状の空間（円筒状流路１１ａ）が形成されている。外側壁体１１Ｂの下端部は底板１３に接続して閉塞されている。一方、内側壁体１１Ａは下端が底板１３上に接するように設置されている。この底板１３との接合部近傍に、内側壁体１１Ａを貫通して円筒状流路１１ａと内側壁体１１Ａの内部空間とを連通させる複数個のガス導入口１１ｂが形成されている。これらガス導入口１１ｂは、ガスの偏流が発生しないように、周方向に略等間隔（本実施形態では４５°間隔）に設けられる。

この壁体１１において、円筒状流路１１ａの上部に接続する環状流路１１ｃが設けられている。この環状流路１１ｃの上部に、原料ガス供給管１４が接続されている。壁体１１の上端を閉じる天板１２の中央を貫通するように、反応ガスを装置外に導出するガス導出口１５が設けられ、このガス導出口１５に、上方に延びる導出管１６が設けられている。

反応容器１０の底板１３は、外側壁体１１Ｂの下端に接続されて壁体１１の下端を閉じている。図２に示すように、この底板１３に対して、複数のヒータ２０及び輻射板２４が同心状の多重に円を描くように立設されている。

反応容器１０の天板１２は、壁体１１の上端に接続されて壁体１１の上端を閉じている。この天板１２，壁体１１（内側壁体１１Ａ）、および底板１３によって囲まれて複数のヒータ２０及び輻射板２４が立設している空間が、このトリクロロシラン製造装置１００における反応室１０１である。

この反応室１０１内で原料ガスを加熱する複数のヒータ２０は、電極２３から通電されて抵抗発熱する板状の発熱部２１と、抵抗発熱量が小さく発熱部２１を保持する基端部２２とで構成される。発熱部２１は、図３に示すように、上方に延びる逆Ｕ字板状に構成され、その両端が基端部２２を介して電極２３に接続されている。電極２３及びヒータ２０はカーボン製であり、その表面が炭化珪素により被覆されているが、これらの接続面には通電のためコーティングが施されていない。

各電極２３は、反応室１０１の底板１３を貫通して設けられ、隣接するヒータ２０同士を電気的に接続している。これにより、複数個（たとえば４個）のヒータ２０が直列に接続されている。これら直列接続されたヒータ２０が並列に接続されて電力を供給されることにより、各発熱部２１が抵抗発熱して、反応室１０１内の原料ガスを加熱することができる。

輻射板２４は、図４に示すように、ヒータ２０の発熱部２１と同じ高さの平板で形成されている。輻射板２４はカーボン製とされており、表面に炭化珪素のコーティングが施されている。

このように形成されたヒータ２０及び輻射板２４は、反応室１０１内に、図２に示すように、四重の同心円を描くように配列されている。最内周の列ｐ１及び列ｐ３は、複数の輻射板２４で構成されている。列ｐ１，ｐ３に挟まれる列ｐ２及び最外周の列ｐ４は、複数のヒータ２０で構成される。

逆Ｕ字状に構成された発熱部２１について、図５に示すようにヒータ２０の仮想発熱面Ａを想定すると、各ヒータ２０の仮想発熱面Ａ同士が直接対面しないように輻射板２４をヒータ２０の間に挟んで配置することにより、これらの輻射板２４が発熱部２１からの熱を受けて加熱され、発熱部２１の表面の過熱が抑制されるとともに、反応室１０１内の伝熱面積が増加し、原料ガスを効率的に加熱することができる。

本実施形態では、各輻射板２４は、各ヒータ２０の仮想発熱面Ａ間に設置されている。このように、輻射板２４は、仮想発熱面Ａ同士が対面しないヒータ２０間、換言すると、略同一面上に並んで隣接する各ヒータ２０間を遮るように設置されている必要はない。

ヒータ２０の基端部２２の上端位置には、ガス導入流路１１ｂの上方に配置される分散板４０が略水平に設けられている。分散板４０は、反応室１０１内における各ヒータ２０及び輻射板２４の配置位置に応じた分散流路４０ａを有している。このように配置された分散板４０によって、反応室１０１は、電極２３とヒータ２０とを接続する基端部２２を収容し原料ガスが導入される低温の下部１０１Ａと、ヒータ２０の発熱部２１を収容し原料ガスを加熱する高温の上部１０１Ｂとに隔てられる。

以上のように構成されたトリクロロシラン製造装置１００において、原料ガス供給管１４から反応容器１０に供給された原料ガスは、環状流路１１ｃに充満した後、円筒状流路１１ａに導入され、ガス導入口１１ｂを通じて反応室１０１の下部１０１Ａへ導入される。

反応室１０１に導入された原料ガスは、たとえば４００℃〜７００℃であり、流通抵抗により分散板４０の下方（下部１０１Ａ）に充満して、分散流路４０ａを通過して分散板４０の上方（上部１０１Ｂ）に分散供給され、ヒータ２０によって加熱される。

このとき、ヒータ２０の発熱部２１同士が直接対面しないように設けられた輻射板２４が発熱部２１の熱を受けて高温に加熱されるので、原料ガスは、この輻射板２４によっても加熱される。したがって、輻射板２４の効果により、原料ガスを有効に加熱することができる。

加熱された原料ガスの転換反応により生成された反応ガスは、たとえば８００℃〜１１００℃であり、ガス導出口１５を通じてこのトリクロロシラン製造装置１００から取り出される。

以上説明したように、このトリクロロシラン製造装置１００によれば、複数のヒータ２０及び輻射板２４を反応室１０１の中に設置することにより、ヒータ２０表面の過熱が抑制されるとともに、反応室１０１内の高温に加熱される伝熱面積が増加し、その周囲を流通する原料ガスに直接伝わるので、原料ガスを高い熱効率で加熱することができる。

なお、電極２３も反応室１０１内に設置されるため、反応室１０１の下部１０１Ａに設置された電極２３とヒータ２０との接続箇所の周辺も原料ガスに晒されることになる。このため、炭化ケイ素被覆のない接続箇所から不純物が発生するおそれがあるが、このトリクロロシラン装置１００においては、原料ガスの導入口１１ｂを反応室１０１の下部１０１Ａに設けたことから、比較的低温の原料ガスを接続箇所に接触させることができ、接続箇所の温度上昇が抑えられ、不純物の発生を防止することができる。

また、各ヒータ２０間に設けられた輻射板２４には通電のための構造を必要としないため、反応室１０１底部（すなわち底板１３）の構造の簡略化が可能である。これにより、装置自体が組み立て、点検等の作業性に優れた装置が実現されている。

図６に、ヒータ２０および輻射板２４の他の配置例を示す。この例では、ｐ２列およびｐ４列におけるヒータ２０間に輻射板２４が配置されている。つまり、周方向に隣接する各ヒータ２０間および径方向に隣接する各ヒータ２０間に輻射板２４が配置されている。

図７に、ヒータ２０および輻射板２４のさらに別の配置例を示す。この例では、ｐ２列の各ヒータ２０間およびｐ１列、ｐ３列に輻射板２４が配置されている。

図８に、ヒータ２０および輻射板２４のさらに別の配置例を示す。この例では、ｐ４列の各ヒータ２０間が狭く個数が多いとともに、ｐ４列の各ヒータ２０間に輻射板２４が配置されている。

図９及び図１０は本発明の第２実施形態を示している。第１実施形態は、同心円状に設置されたヒータ２０の間にヒータ２０同士の発熱部２１が直接対面しないように輻射板２４を挟んで、ヒータ２０を輻射板２４で囲む構成とされていたが、第２実施形態は、各ヒータ２０の周囲を筒状の輻射板である輻射筒２５で囲む構成とされている。この輻射筒２５は、図１０に示すように、底板１３上に載置され、ネジ２５ｂによって底板１３に固定されている。

反応室１０１の壁体１１の下部には、図９に示すように、周方向に間隔をおいて原料ガスを導入するガス導入口１１ｂが設けられている。このガス導入口１１ｂから原料ガスをヒータ２０に対して効率よく供給できるように、輻射筒２５の基端部には、反応室１０１のガス導入口１１ｂ方向に向けた開口部２５ａが設けられている。この場合、開口部２５ａは、ガス導入口１１ｂ側だけに設けてもよいし、ガス導入口１１ｂ側から反対側に貫通して設けてもよい。この場合、輻射筒２５により、原料ガスをヒータ２０に沿って誘導し、高い熱効率で加熱できるので、分散板４０を省略することが可能である。

反応室１０１内に設けられた各ヒータ２０の周囲を囲む複数の輻射筒２５により、輻射筒２５基端部の開口部２５ａから原料ガスを誘導し、ヒータ２０と輻射筒２５との一組で形成される上下方向に連通した空間を通って原料ガスが流通する。このように、ヒータ２０の発熱部２１及び輻射筒２５の内側に沿って原料ガスが流れるので、高温に加熱された発熱部２１及び輻射筒２５からの熱が原料ガスに直接伝わって、原料ガスが高い熱効率で加熱され、トリクロロシランへの転換率を向上させることができる。

なお、輻射筒２５の外側を流通する原料ガスも、輻射筒２５の外側壁面及び輻射筒２５からの輻射熱により加熱された反応室１０１の内側壁体１１Ａにより加熱される。
その他の構成は、第１実施形態のものと同じであり、共通部分に同一符号を付して説明を省略する。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
たとえば、反応室１０１の下部１０１Ａに電極２３を設けてヒータ２０を接続するとともに、反応室１０１の下部１０１Ａから原料ガスを供給する構成としたが、反応室の上方に電極を設け、反応室の上部から原料ガスを供給する構成としてもよい。この場合、ヒータは上部から下方へ延びるように発熱部を設ける構成とし、輻射筒の上部に開口部を設けることで、本発明の実施形態と同様の効果を得ることができる。

１０反応容器
１１壁体
１１ａ円筒状流路
１１ｂガス導入口
１１ｃ環状流路
１１Ａ内側壁体
１１Ｂ外側壁体
１２天板
１３底板
１４原料ガス供給管
１５ガス導出口
１６導出管
２０ヒータ
２１発熱部
２２基端部
２３電極
２４輻射板
２５輻射筒
２５ａ開口部
２５ｂネジ
３０断熱容器
４０分散板
４０ａ分散流路
１００トリクロロシラン製造装置
１０１反応室
１０１Ａ下部
１０１Ｂ上部
Ａ仮想発熱面

Claims

テトラクロロシランと水素とを含む原料ガスからトリクロロシランを製造する装置であって、
前記原料ガスを供給されてトリクロロシランと塩化水素とを含む反応ガスを生成する反応室と、
前記反応室内に上下方向に沿って設けられた発熱部を備え、前記原料ガスを加熱する複数のヒータと、
これらヒータの基端部に接続された複数の電極と、
前記反応室内の空間に立設され前記ヒータの発熱部同士間に設置される輻射板とが備えられていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
前記複数のヒータは、前記反応室内に同心円状に２列以上設置されており、前記輻射板は、各ヒータ列同士間に挟まれて設置されることを特徴とする請求項１記載のトリクロロシラン製造装置。
前記反応室の下部に連通して前記反応室内に前記原料ガスを導入する導入口が設けられるとともに、
前記ヒータと前記電極との接続箇所が前記反応室の前記下部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトリクロロシラン製造装置。
前記輻射板は、前記各ヒータの周囲を囲んで配置される輻射筒であることを特徴とする請求項１記載のトリクロロシラン製造装置。
前記反応室の下部を通じて前記反応室内に前記原料ガスを導入する複数の導入口が間隔をおいて設けられており、前記輻射筒には前記導入口方向に向けた開口部が設けられることを特徴とする請求項４記載のトリクロロシラン製造装置。