[发明专利]改进的尾气回收方法和系统

说明书

发明领域

本发明一般地涉及化学方法和系统，并且更具体地涉及产生三氯甲硅烷的化学方法和系统以由此提供经济地获得可用于制造光伏发电、半导体和集成电路的多晶硅。

背景

包含三氯甲硅烷(TCS)、四氯化硅(STC)、二氯甲硅烷(DCS)、氯化氢(HCl)和氢气(H₂)的气体流是工业上称为西门子(Siemens)方法的化学气相沉积(CVD)方法的副产物，借此将DCS和/或TCS转化为多晶硅。该气体流通常被多种名称命名，包括尾气、尾气流体、排出气体、排出气体流和过程排出气体流。将该气体流的组分回收和分离，然后或者直接用作Siemens方法的原料，或者转化为能充当用于Siemens方法的原料的物质。例如，能回收排出气体中的DCS和TCS并直接再循环至CVD反应器用于增加过程产率。例如，一旦分离，如此回收的TCS和DCS通常与加热介质(例如，蒸汽)一起或者通过与热CVD排出气体热交换而汽化，并且与再循环氢气混合。此时，然后将这些共同供给至CVD反应器。作为另一实例，能将尾气中的STC转化为TCS，其任选地在补充纯化后，可被类似地再循环至CVD反应器用于增加产率。作为其他实例，来自尾气的HCl回收能用于将冶金硅转化为TCS，用于转化为CVD反应器中的多晶硅。因此，本领域已知，分离和储存来自Siemens方法的尾气组分(DCS、TCS、STC、HCl、H₂等)用于这类用途。通常，该过程排出气体的回收和再循环方法需要高资本成本、高运行成本和高维护成本。

概述

在一个实施方案中，本公开提供了显著简化的系统和方法，其用于替代当前可用于多晶硅和相关制造过程的复杂的排出气体回收(VGR)系统，由此将资本投资和运行成本降低多达80％。在该实施方案中，通过两种方法实现系统和方法简化：(1)显著减少或消除来自排出气体流的HCl，和(2)将多个工艺步骤合并为一个简单的单元操作。更具体地，可通过使用原位HCl反应技术从排出气体流中去除HCl。所述方法包括在HCl转化器反应器中在约30℃至700℃的温度下使包含氯化氢和(即，至少一种)由通式H_aSiCl_4-a(其中a＝1至3)描述的氢氯硅烷的排出气体与氯化催化剂接触，由此实现硅结合的氢被氯取代以形成更多高度氯化的硅烷。然后，将产生的贫HCl气体用作用于其他系统和方法的原料。例如，可使产生的贫HCl气体进行分离过程，由此气体中的氢气大量地从气体形式的氯硅烷中分离。合适的分离方法包括吸收柱和冷冻冷凝器系统。不论如何实现分离，将氯硅烷引导至蒸馏装置，由此从STC中分离TCS/DCS。如本文使用的，“TCS/DCS”等是指指定物质的混合物，在该情况下是指TCS和DCS。

更具体地，在一个实施方案中本公开提供了VGR方法，其包括：

a)将包含氢气、氢氯硅烷和盐酸的排出气体引导至包含金属催化剂的HCl转化器反应器，并且使排出气体与金属催化剂接触以提供贫HCl的产物气体，即，包含比排出气体中存在的盐酸少的盐酸，然后从反应器中去除产物气体，其中在整个本公开的该步骤的任选实施方案中，产物气体具有小于0.1wt％，或小于0.5wt％，或小于1wt％的盐酸；

b)分离产物气体的组分以提供富含氢气的第一部分和富含氯硅烷的第二部分；和

c)将第二部分引导至蒸馏装置，以将第二部分分离为富含TCS/DCS的第三部分和富含STC的第四部分。如本文和整个本公开使用的，与富含指定组分或多个组分的部分具有与从其中获得该部分的起始原料相比更大重量比的指定组分或多个组分。

例如，在一个实施方案中，本公开提供了VGR方法，其包括：

a)将包含氢气、氢氯硅烷和盐酸的排出气体引导至包含金属催化剂的HCl转化器反应器，并且使排出气体与金属催化剂接触以提供贫HCl的产物气体，即，包含比排出气体中存在的盐酸少的盐酸，然后从反应器中去除产物气体；

b)将来自步骤a)的产物气体引导至吸收柱的底部，将包含TCS和STC的至少一种的回流引导至吸收柱的顶部，从吸收柱的底部取出包含TCS和STC的液体底流形式的第二部分，和从吸收器的顶部取出包含氢气和TCS和STC之一或二者的气体流形式的第一部分；和

c)将来自步骤b)的第二部分/液体底流引导至TCS/STC蒸馏装置以产生富含三氯甲硅烷和二氯硅烷的第三部分，和富含四氯化硅的第四部分。

作为另一实例，在一个实施方案中本公开提供了VGR方法，其包括：