[发明专利]用于制备八氯三硅烷的方法和装置

说明书

本发明涉及通过对单体氯代硅烷施以热等离子体而由氯代硅烷制备高纯和超高纯八氯三硅烷的方法和装置。

现有技术公开了许多制备氯代多硅烷的方法。例如，DE 10 2006 034 061公开了四氯化硅与氢的反应以制备多硅烷。由于在氢存在下反应，制成的多硅烷含氢。为了能使该装置保持连续运行，相对于氢过量添加四氯硅烷。此外，所公开的装置具有复杂结构并且只能制备多硅烷混合物。只有通过多个反应器和高频发生器的串联才能实现多硅烷的提高的分子量。在经过各串联的等离子体反应器后，各等离子体反应器后的多硅烷的分子量提高。所公开的方法局限于制备可转化成气相而不分解的化合物。

EP 1 264 798 A1公开了多晶硅制备中的包含六氯二硅烷的副产物的后处理方法。

US 4,542,002和WO 2009/143823 A2也公开了由四氯化硅和氢制备氯代多硅烷的等离子体化学法。由于该制备，获得含氢的氯代多硅烷。根据WO 2009/143823 A2，获得含氢的高分子量氯代多硅烷的混合物。在进一步使用前必须以昂贵和不便的方式通过在减压下蒸馏除去氯代多硅烷中存在的四氯化硅。现有技术中的一个特定缺点是需要在气态氢存在下制备氯代多硅烷。因此，对材料和该装置的安全性提出非常高的安全措施要求。

本发明针对的问题在于提供经济可行的制备八氯三硅烷，尤其是高纯至超高纯八氯三硅烷的方法，其优选在进一步使用，如沉积半导体质量的硅层之前不再需要提纯。此外，该方法应具有高收率和特别高的方法产物纯度的特点。针对的另一问题在于能够免去使用氢。同样还不需要在其直接制备过程中将八氯三硅烷转化成气相，从而减少分解产物的形成。另一要求是在其制备过程中直接制备基本不含单体氯代硅烷的八氯三硅烷。针对的另一问题在于提供用于制备八氯三硅烷的价廉、构造简单并容易运行的装置。特定的焦点在于将有助于氯代硅烷污染的内表面积减至最小。此外，该装置应该几乎不需要垂直空间。

通过根据权利要求1的方法、可根据权利要求15获得的八氯三硅烷和通过根据权利要求14的装置解决所述问题。

已经发现，令人惊讶地，单体氯代硅烷——任选与六氯二硅烷混合——在热等离子体，即在热平衡下的等离子体中可以以良好收率转化成八氯三硅烷，根据本发明转化成高纯至超高纯八氯三硅烷。可存在大于或等于85重量%的直接八氯三硅烷方法产物，并且这与具有至少两个硅原子的氯代多硅烷混合存在，相加为100重量%。可用的氯代多硅烷尤其是六氯二硅烷、十氯四硅烷、十二氯五硅烷和/或它们的结构异构体。特别令人惊讶的是，可以在热等离子体中在基本不使用氢气的情况下由单体氯代硅烷，例如优选四氯硅烷、或包含四氯硅烷（STC）和三氯硅烷（TCS）的混合物或TCS、STC和/或二氯硅烷的混合物制备八氯三硅烷。尤其通过包含布置在两个塔之间的气体放电反应器的本发明的装置实现本发明的方法的特定经济优点。一般而言，通过该方法也可以在包含气体放电反应器和布置在下游的塔的装置中制备品质较低的八氯三硅烷。

本发明的装置包括等离子体反应器，即气体放电反应器以及两个专用的反应性蒸馏塔。优选地，如图3中所示，塔之一和气体放电反应器具有专用的再循环线路以使未转化的通式I的单体氯代硅烷再经过气体放电反应器。根据本发明制备的八氯三硅烷优选就本领域中常规的检出限而言不含氢原子和/或不具有含氢原子的单体氯代硅烷和/或氯代多硅烷。

当其氢原子含量低于1x10^-3重量%，尤其低于1x10^-4重量%，更优选低于1x10^-6重量%直至检出限（这目前为1x10^-10重量%）时，八氯三硅烷被视为不含氢。本发明还提供具有低于1x10^-3重量%，优选低于1x10^-6重量%直至上述检出限的氢原子含量的八氯三硅烷。测定氢原子含量的优选方法是¹H NMR波谱法、CHN分析，优选与ICP-MS联用以测定下文给出的元素的总杂质状况。

本发明的方法的一个特别大的优点是制成的八氯三硅烷直接（即不经进一步提纯）可以用于沉积具有太阳能硅质量或甚至半导体质量的高纯硅层。

本发明因此提供制备八氯三硅烷的方法和可通过这种方法获得的八氯三硅烷，其尤其具有大于或等于80重量%的八氯三硅烷含量和小于或等于1重量ppm，优选小于或等于100重量ppb的钛含量，其中对包含至少一种通式I的单体氯代硅烷的氯代硅烷

H_xSiCl_4-x (I)