[发明专利]一氯硅烷、其制备方法和装置

说明书

本发明涉及通过在催化剂存在下甲硅烷和二氯硅烷反应制备一氯硅烷的方法。在本发明方法中，通过甲硅烷与二氯硅烷的对称歧化反应形成一氯硅烷。本发明进一步涉及制备的一氯硅烷的用途以及实施所述方法的装置。

无机Si化合物例如四氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷和甲硅烷用于例如在半导体工业中以及近来也在太阳能工业中用于高纯Si层的沉积。因此也已知用于上述化合物的工业制法。一个例外是一氯硅烷，在该情况下迄今没有已知方法能够以工业用量和所需要的高纯度来提供。为此，迄今还没有将H₃SiCl用于硅的沉积，例如沉积为硅棒(大体积硅)或硅层。

此外，氯化的H硅烷例如三氯硅烷是用于制备含有有机基团的Si化合物，例如三甲基硅烷[HSi(CH₃)₃](一种对于半导体工业重要的物质)的有价值的起始化合物。从一氯硅烷开始制备有机官能硅化合物的可比方法由于一氯硅烷的获得性不足而未知。

GB 761205公开了一种将三氯硅烷催化歧化制备二氯硅烷的方法。一氯硅烷只能作为三氯硅烷歧化反应的副产物以很少的量获得。

WO 2006/029930 A1描述了可以通过歧化反应从三氯硅烷形成的仅仅作为中间体的一氯硅烷。

DE 3711444 A1公开了通过三氯硅烷的歧化反应制备二氯硅烷的方法，其中气态二氯硅烷在10℃至所得反应混合物的沸点之间范围的温度下从反应器中取出并分离，其中存在的三氯硅烷被冷凝和再循环到反应器中，并从反应器中部分取出液体反应相和分离成四氯硅烷和将被再循环到反应器中的三氯硅烷。

如所示，一氯硅烷迄今不能通过歧化反应途径从TCS经济地获得。

因此，本发明的任务是以工业规模获得纯的一氯硅烷。特别地，本发明的任务是提供一种制备一氯硅烷的方法，其中以工业规模、纯的形式和相比于所有原料(Edukte)显著的量形成一氯硅烷。一个具体的任务是在工业上以高纯形式获得一氯硅烷并开发一种有针对地制备一氯硅烷的工业方法。所述制备一氯硅烷的方法也应该是经济的。另一任务是提供用于经济地实施所述方法的装置。所获得的一氯硅烷的具体优点是在后面的硅沉积中所述装置或装置部件显著较低地暴露于氯化物。此外，与所述更高度氯化的硅烷相比，沉积过程中的能耗较低和基于Si含量的运输重量较少。

这些任务如独立权利要求中所述得以实现，在从属权利要求和说明书中详细地显示了优选的实施方案。

非常令人意外地发现，可以在根据反应方程1的催化对称歧化反应方法中从一氯硅烷(SiH₄)和二氯硅烷(H₂SiCl₂)连续地获得一氯硅烷，

优选地，以每个工艺步骤显著地大于5mol%，优选地5-10mol%范围的量形成一氯硅烷，基于两种原料甲硅烷和二甲硅烷的摩尔用量(100mol%)计。根据本发明，将甲硅烷和二氯硅烷以确定的摩尔比，特别是15:1-6:1，具体地13:1-8:1的比例供应到所述方法中。特别优选在所述方法中使用92mol%甲硅烷和8mol%二氯硅烷，其中波动范围基于100%计为+/-5%，优选+/-2%。当形成的一氯硅烷(MCS)在反应后被分离和具有确定组成的剩余的甲硅烷和二氯硅烷重新返回到工艺阶段或送到随后的工艺阶段时，甲硅烷的收率可以提高到超过12mol%，特别是15mol%，基于使用的原料计。以确定的比例将从粗产物分离出的甲硅烷和二氯硅烷循环使得能够实现一氯硅烷最高的收率(mol%)。根据本发明，将甲硅烷和/或二氯硅烷以确定的比例供应到所述方法中，该比例在下面总是为mol:mol，特别是比例为13:1-8:1。根据本发明甲硅烷和二氯硅烷进行对称歧化反应形成一氯硅烷的优点是不需要分离副产物。因此，甲硅烷(沸点：-111.9℃)、一氯硅烷(沸点: -30.4℃)和二氯硅烷(沸点: 8.3℃)的分离可以在低温下以极低的能耗实施。

在本发明方法的特别优选的变型方案中，在甲硅烷和二氯硅烷的反应中基本上可以抑制形成三氯硅烷和/或四氯硅烷，特别是当甲硅烷和二氯硅烷以确定的摩尔比例在催化剂存在下反应时，尤其是当它们作为原料以确定的比例供应时。进一步优选的是甲硅烷和二氯硅烷以确定的比例相互反应，其中主要发生对称歧化反应，例如在15:1-6:1 (MS:DCS)的范围。在本发明方法中，在总的粗产物中，以小于30% (GC)的比例形成三氯硅烷(TCS)和/或以4.0%的比例形成四氯硅烷(TCS)，优选地TCS的比例为<5%至0.01%，特别优选小于4%，小于3%，小于2%，更优选小于1.5%。