(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）トリクロロシランの生成、
（２）副生成物として四塩化ケイ素を含有するモノシラン含有反応混合物を与えるために区分（１）で生成されたトリクロロシランの不均化によるモノシランの生成、および
（３）こうして生成されたモノシランのシリコンおよび水素への熱的分解
の区分を有する高純度シリコンの製造方法であって、
前記区分（１）において、第１の反応器内での少なくとも１つの塩化水素処理工程でトリクロロシランを生成させるためにシリコンが塩化水素と反応され、且つ、それに並行して第２の反応器内での少なくとも１つの変換工程でトリクロロシラン含有反応混合物を与えるために副生成物として得られた四塩化ケイ素がシリコンおよび水素と反応されることを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
前記区分（１）が、少なくとも１つの塩化水素処理工程および／又は少なくとも１つの変換工程からのトリクロロシラン含有反応混合物が増加される少なくとも１つの精製工程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの精製工程が、少なくとも１つの乾式精製工程および／又は少なくとも１つの湿式精製工程を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの塩化水素処理工程および少なくとも１つの変換工程からの精製された反応混合物が、混合されそして少なくとも１つの共通回収容器に移されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの塩化水素処理工程および少なくとも１つの変換工程からの反応混合物の混合比が、１：１０〜１０：１の範囲の値に設定されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
区分（１）が、前記少なくとも１つの塩化水素処理工程および／又は前記少なくとも１つの変換工程からのトリクロロシラン含有反応混合物が少なくとも部分的にその成分に分離される、少なくとも１つの熱的分離工程を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの熱的分離工程で分離された四塩化ケイ素が、区分（１）における少なくとも１つの変換工程に供給されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの塩化水素処理工程が、３２０℃〜４００℃の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの塩化水素処理工程が、２バール〜１２バールの範囲の圧力で行われることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの塩化水素処理工程で反応されたシリコンが、粉末として用いられることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの変換工程が、４５０℃〜６５０℃の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの変換工程が、８〜１５気圧の範囲の圧力で行われることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの変換工程で反応されたシリコンが、粉末として用いられることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
鉄含有シリコンが、前記少なくとも１つの変換工程において反応されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記区分（２）におけるトリクロロシランの不均化が、非平衡条件下に行われることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記不均化が、固体有機触媒上で行われることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記固体有機触媒が、３価および４価のアミンの官能基を有する弱塩基性、マクロ多孔性陰イオン交換樹脂であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
区分（１）において生成されたトリクロロシランの不均化が、少なくとも１つの不均化反応器で行われることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記不均化が、６０℃〜１２０℃の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記不均化が、２〜１０気圧の範囲の圧力で行われることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
区分（２）が、前記不均化で得られた前記モノシラン含有反応混合物が少なくとも部分的にその成分に分離される少なくとも１つの熱的分離工程を有することを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記反応混合物の分離で得られたモノクロロシラン、ジクロロシランおよびトリクロロシランが、新たな反応のために前記少なくとも１つの不均化反応器に供給されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
区分（３）における前記モノシランの熱的分解が、前記モノシランが８００℃〜１４５０℃の表面温度に加熱された少なくとも１つの支持材と接触される少なくとも１つの分解反応器で行われることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記モノシランが、キャリアガスとの混合物として少なくとも１つの分解反応器に供給されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記混合物中のモノシランの割合が、０．５モル％〜１５モル％の範囲の値に設定されていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記混合物が、前記少なくとも１つの分解反応器中を循環されることを特徴とする請求項２４又は２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記混合物の循環が、強制的対流の条件下に行われることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記混合物の少なくとも一部が、前記少なくとも１つの分解反応器を通った後に回路から分かれそして区分（１）に再循環されることを特徴とする請求項２４〜２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
トリクロロシランを生成するための生成装置（１）、装置（１）において生成されたトリクロロシランの不均化によりモノシランを生成するためのさらなる装置（２）および生成されたモノシランのシリコンおよび水素への熱的分解のための装置（３）を有する高純度シリコンの製造設備であって、装置（１）が、
・トリクロロシラン含有反応混合物を与えるためにシリコンが塩化水素と反応し得る少なくとも１つの塩化水素処理反応器、
・トリクロロシラン含有反応混合物を与えるために四塩化ケイ素がシリコンおよび水素と反応し得る少なくとも１つの変換反応器、
・生成されたトリクロロシラン含有反応混合物が混合され且つ貯蔵され得る少なくとも１つの回収容器および
・トリクロロシラン含有反応混合物が少なくとも部分的にその成分に分離され得る少なくとも１つの分離装置を有し、装置（２）が、
・装置（１）からのトリクロロシランが触媒条件下に四塩化ケイ素およびモノシラン含有反応混合物に変換され得る少なくとも１つの不均化反応器および
・クロロシランがモノシラン含有反応混合物から分離され得る少なくとも１つの分離装置を有し、装置（３）が、
・装置（２）からのモノシランが８００℃〜１４５０℃の表面温度に加熱された少なくとも１つの支持材と接触し得る少なくとも１つの分解反応器
を有し、且つ装置（２）が、装置（２）において得られた四塩化ケイ素が装置（１）における少なくとも１つの変換反応器に供給され得る少なくとも１つの戻り配管を通って装置（１）に接続されている、請求項１〜２８のいずれか１項に記載の方法により高純度シリコンを製造するための、前記設備。
【請求項３０】
装置（１）における前記少なくとも１つの分離装置が、前記装置（１）における少なくとも１つの分離装置において分離された四塩化ケイ素が装置（１）における少なくとも１つの変換反応器に供給できるように、少なくとも１つの戻り配管を通って装置（１）における少なくとも１つの変換反応器に接続されていることを特徴とする請求項２９に記載の設備。
【請求項３１】
装置（２）における前記少なくとも１つの分離装置が、装置（２）における前記少なくとも１つの分離装置で分離されたクロロシランが新たな反応のために少なくとも１つの不均化反応器に供給できるように、少なくとも１つの戻り配管を通って装置（２）における前記少なくとも１つの不均化反応器に接続されていることを特徴とする請求項２９又は３０に記載の設備。
【請求項３２】
装置（３）における前記少なくとも１つの分解反応器が、少なくとも１つの戻り配管を通って装置（１）に接続されていることを特徴とする請求項２９〜３１のいずれか１項に記載の設備。
【請求項３３】
装置（１）における前記少なくとも１つの分離装置および／又は装置（２）における少なくとも１つの分離装置が、少なくとも１つの精留塔を有することを特徴とする請求項２９〜３２のいずれか１項に記載の設備。
【請求項３４】
前記不均化反応器が、少なくとも１つのカラムであることを特徴とする請求項２９〜３３のいずれか１項に記載の設備。
【請求項３５】
装置（３）が、モノシランとキャリアガスとの混合物が少なくとも１つの分解反応器を循環し得る方法で構成されていることを特徴とする請求項２９〜３３のいずれか１項に記載の設備。
【請求項３６】
装置（３）が、回路における強制対流が達成され得る手段による少なくとも１つの送風機を有することを特徴とする請求項３５に記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度シリコンを製造するための多段法およびその方法を実施し得る製造設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
高純度シリコンは、通常は比較的高い比率の不純物を有し得る金属シリコンから多段法で製造される。精製効率を高め且つエネルギー原単位を低減させるために、金属シリコンは、例えばトリハロシラン化され、続いて高純度シリコンを与えるために熱的に分解され得る。そのような方法は、例えばドイツ特許第２９１９０８６号から公知である。例えばドイツ特許第３３１１６５０号に記載されている他の方法では、熱的分解は、例えばトリハロシランではなく、特にクロロシランの不均化によって得ることができるモノシラン（ＳｉＨ４）から出発する。所要のクロロシランは、ドイツ特許第３３１１６５０号に記載されているように、金属シリコン、四塩化ケイ素および水素の４００℃〜６００℃での反応により得られる。
【０００３】
従来のすべての方法は、金属シリコンを高純度シリコンに変換するための全工程のためのエネルギー消費が非常に高く、特に近年高純度シリコンの価格を引き続き高い水準にしてきたというデメリットを有している。加えて、公知の方法の多くは、副生成物の形成とその再使用およびさらなる使用の観点から最適化されていないというデメリットを有している。公知の方法は経済的および環境保護の配慮の両方の観点から、特にこの点の観点から多くの改善を必要としている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、前述の問題に関して最も厳しい要件にも合致する高純度シリコンの製造に対する最適な工業的解決策を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、（１）トリクロロシランの生成、
（２）副生成物として四塩化ケイ素を含有するモノシラン含有反応混合物を与えるために区分（１）で生成されたトリクロロシランの不均化によるモノシランの生成、および
（３）こうして生成されたモノシランのシリコンおよび水素への熱的分解
の区分を有する高純度シリコンの製造方法であって、
前記区分（１）において、第１の反応器内での少なくとも１つの塩化水素処理工程でトリクロロシランを生成させるためにシリコンが塩化水素と反応され、且つ、それに並行して第２の反応器内での少なくとも１つの変換工程でトリクロロシラン含有反応混合物を与えるために副生成物として得られた四塩化ケイ素がシリコンおよび水素と反応されることを特徴とする、前記方法、および
トリクロロシランを生成するための生成装置（１）、装置（１）において生成されたトリクロロシランの不均化によりモノシランを生成するためのさらなる装置（２）および生成されたモノシランのシリコンおよび水素への熱的分解のための装置（３）を有する高純度シリコンの製造設備であって、装置（１）が、
・トリクロロシラン含有反応混合物を与えるためにシリコンが塩化水素と反応し得る少なくとも１つの塩化水素処理反応器、
・トリクロロシラン含有反応混合物を与えるために四塩化ケイ素がシリコンおよび水素と反応し得る少なくとも１つの変換反応器、
・生成されたトリクロロシラン含有反応混合物が混合され且つ貯蔵され得る少なくとも１つの回収容器および
・トリクロロシラン含有反応混合物が少なくとも部分的にその成分に分離され得る少なくとも１つの分離装置
を有し、装置（２）が、
・装置（１）からのトリクロロシランが触媒条件下に四塩化ケイ素およびモノシラン含有反応混合物に変換され得る少なくとも１つの不均化反応器および
・クロロシランがモノシラン含有反応混合物から分離され得る少なくとも１つの分離装置
を有し、装置（３）が、
・装置（１）からのモノシランが８００℃〜１４５０℃の表面温度に加熱された少なくとも１つの支持材と接触し得る少なくとも１つの分解反応器
を有し、且つ装置（２）が、装置（２）において得られた四塩化ケイ素が装置（１）における少なくとも１つの変換反応器に供給され得る少なくとも１つの戻り配管を通って装置（１）に接続されている、前記の方法により高純度シリコンを製造するための、前記設備によって達成される。
本発明の方法の好適な態様は請求項２〜２８に見出し得る。本発明の設備の好適な態様は請求項３０〜３６において規定されている。全ての請求項の表現は参照によって本明細書の記述に組み込まれる。
【０００６】
高純度シリコンを製造するための本発明の方法は、基本的に３つの区分、すなわち、トリクロロシランが生成される区分（１）、区分（１）で生成されたトリクロロシランが不均化される区分（２）および区分（２）で生成されたモノシランが熱的分解によってシリコンおよび水素に変換される区分（３）に分けることができる。
【０００７】
本願の目的にとって、高純度シリコンは、特に、例えば太陽電池又はマイクロチップ用に半導体産業でさらに直接的に加工され得るシリコンである。他方、塩化水素処理工程で用いられるシリコンは、好適には高レベルの不純物をなお有している金属（粗製）シリコンである。
【０００８】
本発明による方法は、区分（１）が、互いに並行して進み且つそれぞれでトリクロロシラン含有反応混合物が得られる少なくとも２つの工程を含むことに特に特徴とする。区分（１）は、第一にシリコンが塩化水素と反応する少なくとも１つの塩化水素処理工程および第二に四塩化ケイ素がシリコンおよび水素と反応する少なくとも１つの変換工程を含む。また、前記変換工程は、塩化水素処理、すなわち、四塩化ケイ素の変換でもある塩化水素処理とは異なり用いられたシリコンの塩化水素処理を有する。変換工程で用いられる四塩化ケイ素は、少なくとも部分的に区分（２）に由来する。区分（１）で生成されたトリクロロシランの不均化によって得られたモノシラン含有反応混合物は、常に除去可能な割合の四塩化ケイ素を副生成物として含有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、高純度シリコンを製造するための本発明の方法の実施態様のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の方法は、塩化水素を用いる塩化水素処理工程を有することによってドイツ特許第３３１１６５０号に記載された方法とは区別される。この方法は、ドイツ特許第３３１１６５０号ではエネルギー低効率で且つ処理困難と記載されている。
【００１１】
本発明の方法の個々の区分（１）〜（３）は、以下に詳細に述べる。
【００１２】
記述の少なくとも１つの塩化水素処理工程および少なくとも１つの変換工程に加えて、本発明方法の区分（１）は、好適にはこれらの工程で得られたトリクロロシラン含有反応混合物が特にさまざまな副生成物がなくて増やされる少なくとも１つの精製工程をさらに有する。前記の少なくとも１つの精製工程は、好適には少なくとも１つの乾式精製工程および／又は少なくとも１つの湿式精製工程を有する。
【００１３】
少なくとも１つの乾式精製工程において、反応混合物のうちの固体の、粗い粒子状成分が好適には第１段階で分離される。この目的のために乾式精製工程は１つ以上のサイクロンを有し得る。第２段階では、微粉化した懸濁粒子がろ過によって反応混合物から除かれる。この目的のために適したサイクロンおよびフィルターは当業者にとって公知である。
【００１４】
上記の精製工程は、好適には１７０℃〜２２０℃、特に１９０℃〜２００℃の範囲の温度で行われる。
【００１５】
また、前記少なくとも１つの湿式精製工程は、好適には２つの工程を有する。それゆえ、第１段階において精製されるべき反応混合物の予冷を行う（ただし、反応混合物の全部の凝縮をもたらさないで）ことが特に有利であることが見出された。そのような予冷は、例えば適したガス洗浄器、例えばベンチュリ洗浄器を用いて達成され得る。次いで、第２段階において、不純物、例えば塩化水素および水素が反応混合物から、例えばさらにベンチュリ洗浄器を用いて分離され得る。
【００１６】
本発明の方法の好適な態様において、少なくとも１つの塩化水素処理工程および少なくとも１つの変換工程からの精製反応混合物は、混合物が化学的平衡になるまでしばらく貯蔵される回収容器にそれぞれ移される。その後、これらは混合状態で一緒に増やされ得る。また、特に好適な態様において、少なくとも１つの塩化水素処理工程および少なくとも１つの変換工程からの反応混合物は、少なくとも１つの共通の回収容器に移す前に混合され得る。
【００１７】
好適には、１０％〜５０％又は１：１０〜１０：１の範囲の混合比が、少なくとも１つの塩化水素処理工程および少なくとも１つの変換工程からの反応混合物の混合において順守される。少なくとも１つの変換工程からの反応混合物の容積比は、特に好適には混合後に５０％〜９５％、特に７５％〜９５％の範囲である。
【００１８】
上記の工程は別として、区分（１）は、好適には少なくとも１つの塩化水素処理工程および／又は少なくとも１つの変換工程からのトリクロロシラン含有反応混合物が少なくとも部分的にその成分に分けられる少なくとも１つの熱的分離工程を含む。前記少なくとも１つの熱的分離工程は、さまざまな工程からのトリクロロシラン含有反応混合物が必ずしも別々に増やされる必要がないように、好適には少なくとも１つの精製工程の下流に位置される。前記少なくとも１つの熱的分離工程は、特に好適には回収容器中の精製反応混合物の前記貯蔵後に行われる。
【００１９】
トリクロロシランを除いて、少なくとも１つの塩化水素処理工程および／又は少なくとも１つの変換工程からの反応混合物は、通常モノクロロシラン、ジクロロシランおよび、特にテトラクロロシランを含む。後者は、特に区分（１）において、少なくとも１つの熱的分離工程で容易に分離され得る。しかしながら、それは、分離後廃棄されないで、特に少なくとも１つの変換工程に導入することによって、区分（１）でむしろ再使用される。
【００２０】
請求項１における金属シリコンの塩化水素処理は、好適には３２０℃〜４００℃の範囲の温度で行われる。この範囲内では、３５０℃〜３７０℃の温度がさらに好適である。
【００２１】
区分（１）における塩化水素処理での圧力は、好適には２気圧（２工業気圧：２ｋｇｆ／ｃｍ２）〜１２気圧の範囲の値に設定される。
【００２２】
好適には、０．４ｍｍ〜３．３ｍｍの範囲の直径、特に０．５ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲の直径を有する微細シリコン粒子が、塩化水素処理における出発原料として特に好適に用いられる。
【００２３】
区分（１）における四塩化ケイ素の変換は、好適には４５０℃〜６５０℃の範囲の温度で行われる。この範囲内では、５００℃〜６００℃の温度がさらに好適である。
【００２４】
区分（１）における変換での圧力は、好適には８気圧〜１５気圧の範囲の値に設定される。
【００２５】
好適には、粉状シリコン、特に０．４ｍｍ〜２．０ｍｍ、特に０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲の直径を有するシリコン粒子が、区分（１）における変換での四塩化ケイ素への出発原料として加えられる。
【００２６】
好適な態様において、区分（１）における四塩化ケイ素の変換が触媒条件下で行われる。可能性のある触媒は、特に鉄および／又は銅含有触媒であり、後者を用いる選択が与えられる。適した触媒は、特に金属鉄（例えば、鉄粉末の形状で）でありそして金属銅がより良い（例えば、銅粉末又は銅薄片の形状で）。これは、変換工程において必要である金属シリコンと予め混合され得て、いくつかのケースで非常に有益であることが見出されている。
【００２７】
区分（２）におけるトリクロロシランの不均化は、通常は四塩化ケイ素だけでなく副生成物としてモノクロロシランおよびジクロロシランを与える。本発明の方法のうち区分（２）におけるトリクロロシランの不均化自体は、好適には液体と気体の出発材料、生成物およびさらに加わる可能性のある材料、例えば触媒からなる不均一系で行われる。そのような系は、例えばドイツ特許第２５０７８６４号に記載されている。気相は主としてクロロシラン蒸気と凝縮性でない（工程条件下）モノシランを含む。これは系の上部のさらに比較的軽相とともに連続的に蓄積し、一方で四塩化ケイ素のような重い相は連続的に降下する。それゆえに、区分（２）におけるトリクロロシランの不均化は、好適には非平衡条件下に行われる。
【００２８】
上記のように、不均化において形成される四塩化ケイ素は、好適には少なくとも部分的に区分（１）に、特に区分（１）における変換工程に再循環され、次いでシリコンおよび水素と反応され得る。
【００２９】
不均化反応は、特に好適には固体上の触媒反応である。従って、この場合には固体の、有機触媒上で不均化を行う選択がなされる。好適な態様において、前記触媒は、弱塩基性の、アミノ基、特に第３級アミノ基又はジメタルアミノ基を有するマクロ多孔性陰イオン交換樹脂である。
【００３０】
区分（１）で生成されるトリクロロシランの不均化は、好適には少なくとも１つの不均化反応器内で、特に好適には少なくとも５０％、特に７５〜８５％の程度まで前記の固体の有機触媒で充填されている少なくとも１つのカラムで行われる。前記少なくとも１つの不均化反応器の下方部分にとって、触媒としてマクロ多孔性の、フェニルピリジンに基づく強塩基性陰イオン交換樹脂で少なくとも部分的に充填されていることが特に有利であることが見出された。
【００３１】
トリクロロシランの不均化にとって、少なくとも１つの不均化反応器で問題なく進み得るためには、不均化反応器に固定された触媒が実質的に水を含まない形態で用いられることが非常に重要である。触媒中のほんのわずかな水でも触媒上のトリクロロシランの加水分解をもたらし得て、回りまわって後の腐食および塩化水素のような加水分解生成物による塩基性触媒機能の中性化そして恐らく触媒毒化のような問題を引き起こす。それゆえ、本発明により特に好適には、少なくとも１つの不均化反応器で用いられる前に、触媒はアルコール、特にエタノールおよび／又はメタノールと接触される。アルコールは、その後、排気および／又は不活性ガスからなる手段によって除去され得る。存在する残余の水が存在しても、この方法で触媒から除かれる。
【００３２】
トリクロロシランの不均化は、好適には６０℃〜１２０℃の範囲の温度で行われる。好適には、少なくとも１つの不均化反応器で、特に少なくとも１つの不均化カラムでは、温度傾斜が設定される。少なくとも１つの不均化反応器内では、好適には温度傾斜は１０℃／ｍ（反応器の高さに基づく）であるべきである。
【００３３】
また、区分（１）における少なくとも１つの変換工程および少なくとも１つの塩化水素処理工程のように、区分（２）におけるトリクロロシランの不均化は、好適には高圧で、特に２気圧〜１０気圧の範囲の圧力で行われる。
【００３４】
不均化を除き、区分（２）は、好適には不均化で得られたモノシラン含有反応混合物が少なくとも部分的にその成分に分けられる少なくとも１つの熱的分離工程をさらに含む。また、得られる成分は、モノシランと、特に複数のクロロシラン、特にモノクロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシランおよび恐らく四塩化ケイ素である。後者は、不均化で直接的に形成される四塩化ケイ素のように、区分（１）、特に区分（１）における変換工程に少なくとも部分的に再循環され得る。
【００３５】
また、その結果、本発明により好適には、少なくとも１つの熱的分離工程において反応混合物の分離で得られるモノクロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシランが、この処理と類似の方法でさらに用いられるのである。これらの副生成物は、好適な態様において、新たな反応のために区分（２）において不均化反応器に供給される。
【００３６】
区分（３）において、モノシランの熱的分解は、好適にはモノシランが、８００℃〜１４５０℃の表面温度に加熱されている少なくとも１つの支持材と接触される、少なくとも１つの分解反応器内で行われる。
【００３７】
前記少なくとも１つの支持材は、例えば、好適には高純度シリコン又はシリコンを汚染しない他の物質からなる棒、管又は平板であり得る。
【００３８】
前記モノシランは、好適には少なくとも１つの分解反応器にキャリアガスとの混合物として供給される。特に好適には、前記キャリアガスは水素であるが、窒素又はそれと水素との混合物のような不活性ガスも原則としてキャリアガスとしての可能性がある。キャリアガスとの混合物中のモノシランの割合は、好適には０．５モル％〜１５モル％、特に０．５モル％〜１０モル％の範囲の値に設定される。
【００３９】
本発明による方法は、特に好適には、モノシランの熱的分解が、モノシランとキャリアガスとの混合物が循環する少なくとも１つの分解反応器中で、好適にはキャリアガスとして分解工程で形成された水素を用いて、行われることに特徴がある。
【００４０】
好適には、前記混合物の循環は、強制的な対流の条件の下に行われる。そのような条件下化では、少なくとも１つの支持材上でのシリコンの堆積率又は堆積速度が著しく増加し得て、例えば２倍でエネルギー消費の低減および有利には単位時間当たりの堆積シリコンの収量の大幅な増加という直接的な影響をもたらす。加えて、ポリシランのような副生成物の形成も有意に最小化することが可能であるということも見出された。
【００４１】
本発明の方法の好適な態様において、分解反応器を通過した混合物の主要部は、特に同伴した微粉状シリコン粉末を除くために混合物が冷却されそしてろ過された後、分解反応器のフィードラインに再循環される。
【００４２】
分解反応器としては、支持材を加熱するのに適した、従来の手段および該当する構造成分又は外壁を冷却するための冷却材を有する最適化された標準的な反応器を用いることが可能である。
【００４３】
前記分解は、原則として大気圧又は上昇圧下のいずれでも、例えば１０バール以下の圧力で行われ得る。特に、上記のガス混合物の強制的対流は、特に、スループット制御が備わっていてそして好適な態様においてはフィルターが直前に置かれる高圧送風機の手段によって達成される。
【００４４】
本発明の方法の特に好適な態様において、モノシランとキャリアガスとの混合物の少なくとも一部は、少なくとも１つの分解反応器を通過した後、回路から分かれそして区分（１）に、特に区分（１）でのトリクロロシランのための変換工程に、再循環される。
【００４５】
また、上記のように、本発明は、高純度シリコンを製造するための設備を提供する。そのような設備は、トリクロロシランを生成するための生成装置（１）、装置（１）にて生成されたトリクロロシランの不均化によりモノシランを生成するためのさらなる装置（２）および生成されたモノシランのシリコンおよび水素への熱的分解のための装置（３）を有している。
【００４６】
装置（１）は複数の構成部材、すなわち少なくとも１つの塩化水素処理反応器、少なくとも１つの変換反応器、少なくとも１つの回収容器および少なくとも１つの分離装置を有する。上に述べたことから明らかなように、少なくとも１つの塩化水素処理反応器はトリクロロシラン含有反応混合物を与えるためにシリコンと塩化水素との反応に適していなければならない。また、同じ生成物が、同様に四塩化ケイ素とシリコンおよび水素との反応に適していなければならない少なくとも１つの変換反応器で得られる。適した反応器は当業者にとって公知である。
【００４７】
前記少なくとも１つの回収容器においては、塩化水素処理でおよび変換で生成されたトリクロロシラン含有反応混合物は混合され且つ貯蔵され得る。好適には前記少なくとも１つの回収容器の下流に位置される少なくとも１つの分離装置においては、トリクロロシラン含有反応混合物は、同様に前に述べたその成分に少なくとも部分的に分離され得る。それゆえ、さまざまなクロロシランを含有する凝縮物が、化学的安定状態、すなわち＋２０℃〜−５０℃の範囲、好適には＋１０℃〜−２０℃の範囲の温度で２〜８日間を通して、好適には５日間を通して成分の安定な化学的状態の形成を経る。そのような安定状態の後に、塩化水素処理および変換の工程からのクロロシランは、少なくとも１つの容器で混ぜ合わされ、そしてその後成分の分離に移り、混合物は少なくとも主要生成物のトリクロロシランと四塩化ケイ素とに分けられる。
【００４８】
装置（２）は、構成部材として少なくとも１つの不均化反応器と少なくとも１つの分離装置とを有している。特に、前記少なくとも１つの分離装置は、前記のようにモノシラン含有反応混合物から複数のクロロシランを分離するために役立つ。前記少なくとも１つの不均化反応器は、好適には触媒条件下で装置（１）からのトリクロロシランにとってその中でモノシラン含有反応混合物に変換されることが可能であるために適していなければならない。また、そのような不均化反応器は、例えばドイツ特許第１０ ２００５ ０４６１０５号から当業者にとって公知である。
【００４９】
装置（３）は、とりわけ少なくとも１つの分解反応器を含む。前記のように、装置（２）からのモノシランは、キャリアガスと混合して、分解反応器中で８００℃〜１４５０℃の表面温度に加熱された少なくとも１つの支持材と接触される。
【００５０】
加えて、特に本発明による設備は、装置（２）で得られた四塩化ケイ素を装置（１）における変換反応器に供給することができるように少なくとも１つの戻り配管によって、装置（２）が装置（１）に接続していることに特徴がある。
【００５１】
好適な態様において、装置（１）における少なくとも１つの分離装置は、少なくとも１つの戻り配管によって装置（１）における少なくとも１つの変換反応器に接続されている。このようにして、装置（１）における少なくとも１つの分離装置で分離された四塩化ケイ素は装置（１）における少なくとも１つの変換反応器に供給され得る。
【００５２】
本発明の設備の好適な態様において、装置（２）における前記少なくとも１つの分離装置は、少なくとも１つの戻り配管によって装置（２）における少なくとも１つの不均化反応器に接続され得る。これが、装置（２）における少なくとも１つの分離装置で分離されたモノクロロシラン、ジクロロシランおよび／又はトリクロロシランにとって、新たな反応のために少なくとも１つの不均化反応器に供給されることを可能とする。
【００５３】
好適には、装置（３）における前記少なくとも１つの分解反応器は、少なくとも１つの戻り配管によって装置（１）に、特に装置（１）における少なくとも１つの変換反応器に接続される。これが、モノシランの熱的分解においてキャリアガスとして水素が用いられるときに有利である。このようにして、形成された水素は、本発明の方法又は本発明の設備の範囲内ですべて再使用される。
【００５４】
好適には、装置（１）における前記少なくとも１つの分離装置および／又は装置（２）における前記少なくとも１つの分離装置は、少なくとも１つの蒸留塔又は精留塔を有する。
【００５５】
前記少なくとも１つの不均化反応器は、特に少なくとも１つのカラム、特に固体有機触媒で７５〜８５％の量まで充填されたカラムである。これは本発明の方法の内容において既に記述したものである。前記記載のうち関係のある部分は参照することによりこの点でここに組み込まれる。
【００５６】
好適には、装置（３）は、モノシランとキャリアガスとの前述の混合物が前記少なくとも１つの分解反応器を循環できるように構成されている。さらなる態様において、装置（３）に少なくとも１つの手段、好適には、回路において強制的対流が達成されることを可能とする少なくとも１つの送風機が加えられる。好適には、装置（３）は、キャリアガス中のモノシランの割合および対流速度をも的を絞った方法で設定することを可能とする調節手段および制御手段を有する。適した分解反応器は、例えばヨーロッパ特許第０１８１８０３号に記載されている。
【００５７】
本発明のさらなる態様は、従属項とともに好適な態様に関する以下の記述から導かれ得る。ここで、個々の態様は、いずれの場合もそれ自体によって又は本発明の１つの態様において互いに組み合わせて実現され得る。記載された好適な態様は、単に説明の目的のためでありそして本発明のよりよい理解を与えるためのものでありそしてどのようにも制限する効果を有するものであるとは解釈されるべきものではない。
【００５８】
図１は、高純度シリコンを製造するための本発明の方法の実施態様を示している。前記方法は３つの区分、すなわちトリクロロシラン生成、生成されたトリクロロシランの不均化によるモノシランの生成、および生成されたモノシランの熱的分解に分けられる。
【００５９】
塩化水素処理反応器１００において、トリクロロシラン含有反応混合物を与えるためにシリコンが塩化水素と反応される。次いで、得られた反応混合物は、特に固形物および水溶性不純物を大部分除くために乾式精製工程１０１および湿式精製工程１０２で処理される。その後、工程１０３において、反応混合物は凝縮され、次いで中間貯蔵のため回収容器１０４に移される。
【００６０】
前記反応器１００における塩化水素処理によるトリクロロシランの生成と並行して、トリクロロシランは変換反応器１０５でも生成される。ここで、トリクロロシラン含有反応混合物を得るために四塩化ケイ素はシリコンおよび水素と反応される。これが、塩化水素処理により得られた反応混合物と類似した方法で乾式精製工程１０６および湿式精製工程１０７で処理される。次いで、精製された反応混合物は工程１０８で凝縮され、そしてその後、回収容器１０９で中間貯蔵される。
【００６１】
前記回収容器１０４および１０９に中間貯蔵された後、反応混合物は、混合されそして分離装置１１０に移され、そこで少なくとも部分的にそれらの成分に分離される。高沸点および低沸点の副生成物が出口１１０ａおよび１１０ｂによって排出される。戻り配管（図示せず）を通って、分離された四塩化ケイ素は変換反応器１０５に供給される。他方、精製されたトリクロロシラン（ＴＣＳ）は回収容器１１１でさらなる処理に引き継がれる。
【００６２】
その後、精製されたトリクロロシランは、モノシラン含有反応混合物を与えるために不均化反応器１１２内で触媒条件下に反応される。モノシランを多く含む低沸点留分は不均化の間に不均化反応器から連続的に排出されそして工程１１３で精製される。四塩化ケイ素およびトリクロロシランを多く含む比較的高沸点留分は不均化反応器から回収容器１１４を通って分離装置１１５に移される。これから分離された四塩化ケイ素は戻り配管１１６を通って変換反応器１０５中に供給される。他方、分離されたトリクロロシランは、戻り配管１１７を通って不均化反応器１１２に再導入される。
【００６３】
前記不均化で得られたモノシランは、分解反応器１１８中に直接移されそしてキャリアガスとしての水素と混合してこの反応器で８００℃〜１４５０℃（表面温度）に加熱された支持材と接触される。反応器内に堆積したシリコンは比較的容易に分離され得る。分解反応器１１８を通過後の反応混合物の少なくとも一部は、戻り配管１１９を通って変換反応器１０５に再循環される。
【図１】
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