[发明专利]生产氯硅烷的方法

说明书

本发明涉及在流化床反应器中通过使含氢和四氯化硅的反应气体与含硅和催化剂的颗粒接触物质反应来制备氯硅烷的方法，其中氯硅烷的通式为H_nSiCl_4‑n和/或H_mCl_6‑mSi₂，其中n＝1至4且m＝0至4，其特征在于，反应器设计由指数K1描述、接触物质的构成由指数K2描述、反应条件由指数K3描述，其中K1的值是1至20，K2的值是0.001至200，以及K3的值是0.5至10000。

本发明涉及在流化床反应器中通过使含氢和四氯化硅的反应气体与含硅和催化剂的颗粒接触物质反应来制备氯硅烷的方法，其中所述氯硅烷的通式为H_nSiCl_4-n和/或H_mCl_6-mSi₂，其中n＝1至4且m＝0至4，其特征在于，反应器设计由指数K1描述，接触物质的构成由指数K2描述，反应条件由指数K3描述，其中K1的值是1至20，K2的值是0.001至200，以及K3的值是0.5至10000。

作为制造芯片或太阳能电池的原材料的多晶硅的生产通常通过其挥发性卤素化合物，特别是三氯硅烷(TCS,HSiCl₃)的分解来实现。

可以通过西门子法以棒的形式生产多晶体硅(polysilicon)，其中将多晶硅沉积在反应器中的加热的细丝棒上。TCS和氢气的混合物通常用作工艺气体。或者，可以在流化床反应器中生产多晶硅颗粒。这包括使用气流在流化床中流化硅颗粒，其中通过加热设备将所述流化床加热至高温。添加含硅反应气体例如TCS导致在热颗粒表面发生热解反应，从而导致颗粒直径增大。

基本上可以通过三种方法进行氯硅烷，尤其是TCS的生产，这些方法基于以下反应(参见WO2010/028878A1和WO2016/198264A1)：

(1)Si+3HCl--SiHCl₃+H₂+副产物

(2)Si+3SiCl₄+2H₂--4SiHCl₃+副产物

(3)SiCl₄+H₂--SiHCl₃+HCl+副产物

产生的副产物可包括其他卤代硅烷，例如一氯硅烷(H₃SiCl)、二氯硅烷(H₂SiCl₂)、四氯化硅(STC,SiCl₄)以及乙硅烷和低聚硅烷。杂质例如烃、有机氯硅烷和金属氯化物也可能是副产物的成分。因此，高纯度TCS的生产通常包括随后的蒸馏。

根据反应(1)的氢氯化(HC)使得可以通过在流化床反应器中添加氯化氢(HCl)而由冶金硅(Si_mg)生产氯硅烷，其中反应放热地进行。这通常提供TCS和STC为主要产品。

生产氯硅烷，特别是TCS的另一种选择是在催化剂存在或不存在下在气相中热转化STC和氢气。

根据反应(2)的低温转化(LTC)是弱吸热过程，并且通常在催化剂(例如含铜催化剂或催化剂混合物)的存在下进行。LTC可以在Si_mg存在下在流化床反应器中在0.5至5MPa的压力下和在400℃至700℃的温度下进行。通常，使用Si_mg和/或通过向反应气体中加入HCl，可以实现非催化反应模式。然而，与催化的变体相比，可能导致其他产物分布和/或可能实现更低的TCS选择性。

根据反应(3)的高温转化(HTC)是吸热过程。该方法通常在反应器中在高压下600℃至1200℃的温度下进行。