[发明专利]制造硅烷和氢卤硅烷的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本发明是2011年12月16日提交的美国申请13/328,820号的部分继续申请，其全文通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及制造硅烷和通式H_ySiX_4-y(y＝1、2或3)的氢卤硅烷的系统和反应蒸馏法。

背景技术

硅烷(SiH₄)、氯硅烷(H₃SiCl)和二氯硅烷(H₂SiCl₂)是用于制造基于高纯度结晶硅的电子器件的有用化学品。使这些载硅气体热分解以形成高纯度硅材料。高纯度硅烷的制造目前在工业规模上通过在图1中大体显示且由US4,676,967通常描述的方法实施，其中首先冶金级硅通过氢气与四氯化硅的反应来气化以形成含有挥发性三氯硅烷的混合物：

2H₂+3SiCl₄+Si→4HSiCl₃  (1)。

随后，在第二步骤中，三氯硅烷在一系列蒸馏分离和催化再分配反应中转化成高纯度的硅烷产物，其还生成作为副产物的四氯化硅。该四氯化硅再循环到第一步骤。

4HSiCl₃→3SiCl₄+SiH₄  (2)。

硅烷随后以多种方式中的任一种热解以形成超纯硅，且如果该方法紧密耦合，则将副产物氢气再循环到第一步骤。

总体上，该方法的特征在于在原料使用方面是高效的。然而，该方法的特征还在于相当复杂且使用许多蒸馏塔，其中一些必须在高压下操作以实现所期望的结果。在US3,968,399中已经描述硅烷可以在单一步骤方法中由三氯硅烷直接生成，其中固态再分配催化剂还在分级蒸馏塔中充当接触表面。虽然在该专利中没有如此提名，但该方法是“反应蒸馏”方法的必要实施方式，因为化学反应和蒸馏分离在同一设备中进行。

然而，在组合蒸馏分离和催化再分配反应时存在多个必须解决的实际约束。首先，蒸馏的动力学，即蒸气和液体将相互作用以形成平衡混合物，相当迅速，大约为一秒的若干分之几，而即使有显著有效的催化剂，再分配反应的化学动力学也被测量到在数分钟内达到平衡。因此，提出了如何确定致力于反应区的体积的量，从而相对于气-液接触面积的量或蒸馏分离等级提供对于该反应足够的时空、催化剂的量等的问题。在固体催化剂的情况下，该问题变得更加复杂，因为该催化剂的活性随着时间逐渐改变，减慢该动力学且因此改变基于初始动力学速率仔细想出的设计。其次，粒子的固定床可以由于颠簸固体或较小催化剂粒子的迁移而随时间发展出流制约。对于实际装置操作，必须解决该增加的流制约。第三，化学反应以有利的动力学表现且不产生不期望的副反应的温度范围相当窄。在共存的蒸馏操作的情况下，操作压力和组成制约着催化剂的定位。在US3,968,399中，例如，硅烷的生产率非常低，因为反应蒸馏操作在低于环境温度进行。而US4,676,967在所选择的温度操作再分配反应以使化学反应速率最大化且因此使所需要的催化剂的体积最小化。因为在蒸馏操作内且与蒸馏操作相关的温度是气/液组成以及整体系统压力的函数，所以对该化学反应的温度约束转化成对于系统操作压力以及使化学试剂与催化剂接触的位置的限制。增加加热器或冷却器以在试剂流穿过催化剂床之前调节试剂流且随后在反应器产物回到蒸馏环境之前逆转热效应对该方法强加了能源增加和复杂性麻烦。第四，因为任何蒸馏分离都必定散发热能，所以相对于在低于环境或甚至深冷温度下散发能量，大大优选将能量散发到经济上可用的环境空气或可用的冷却水。该温度约束进一步限制在反应蒸馏系统中的操作压力和组成。