(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テトラクロロシランと水素とを含む原料ガスからトリクロロシランを製造する装置であって、
下方から前記原料ガスを供給されてトリクロロシランと塩化水素とを含む反応ガスを生成する略筒状の反応室と、前記反応室内に設置されて前記原料ガスを加熱する複数のヒータと、これらヒータの下端に接続され前記反応室の底板に固定された複数の電極とを備え、
各前記ヒータは、一対の前記電極に固定された一対の非発熱部と、これら非発熱部に取り付けられ電気を供給されて発熱する発熱部とを有し、
前記発熱部は、各前記非発熱部から上方へ延びて前記一対の非発熱部間を接続する板状の第１発熱体と、この第１発熱体よりも高さが低く、各前記非発熱部から上方へ延びて前記一対の非発熱部間を接続する板状の第２発熱体とを備えることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
【請求項２】
前記第１発熱体と前記第２発熱体とは、それぞれ異なる断面積を有することを特徴とする請求項１に記載のトリクロロシラン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テトラクロロシランをトリクロロシランに転換するトリクロロシラン製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ：珪素）を製造するための原料として使用されるトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3）は、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ4：四塩化珪素）を水素と反応させて転換することで製造することができる。
すなわち、シリコンは、以下の反応式（１）（２）によるトリクロロシランの還元反応と熱分解反応で生成される。トリクロロシランは、以下の反応式（３）による転換反応で生成される。
ＳｉＨＣｌ3＋Ｈ2  → Ｓｉ＋３ＨＣｌ                  ・・・（１）
４ＳｉＨＣｌ3     → Ｓｉ＋３ＳｉＣｌ4＋２Ｈ2        ・・・（２）
ＳｉＣｌ4＋Ｈ2    → ＳｉＨＣｌ3＋ＨＣｌ             ・・・（３）
【０００３】
トリクロロシランを製造する装置として、例えば特許文献１，２には、反応室が、同心配置の２つの管によって形成された外室と内室とをもった二重室設計とされ、この反応室の外側の周りに発熱体を配置した反応容器が提案されている。この反応容器では、炭素等で形成された発熱体が通電により発熱して反応室内を外側から加熱することで、反応室内のガスを反応させている。
【０００４】
特許文献３には、複数本の管状のヒータが反応室内に配置され、反応室内およびヒータ内でガスが直接加熱される構造の装置が開示されている。
【０００５】
これらのような反応室においては、反応室内の温度分布が均一であることが望ましい。たとえば特許文献４には、温度が低くなりやすい反応室の下部を効果的に加熱するために、発熱部の途中に段差が形成されており、下部における断面積が小さいことにより抵抗値が大きく発熱温度が高いヒータが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７８１４３９号公報
【特許文献２】特開２００４−２６２７５３号公報
【特許文献３】特公昭６０−４９０２１号公報
【特許文献４】特開２００７−３１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
トリクロロシランの製造装置においては、高い熱効率で反応室内を加熱するとともに、原料ガスが均一に加熱されることが求められる。
しかしながら、特許文献１，２記載の構造であると、反応室の外部に配した発熱体により反応室内を加熱するが、発熱体から半径方向外方に放射される輻射熱を有効に利用できず、熱効率が低いという不都合がある。
【０００８】
特許文献３記載の構造の場合、反応室の内部にヒータが設置されており、ヒータの熱を高効率で利用できる。しかしながら、ガスが反応室内を均一に流れて各ヒータ内に一様に流入しなければ、ガス全量が均一に加熱されず、反応効率が低くなるおそれがある。
【０００９】
特許文献４記載のヒータは、ヒータの断面積を上部よりも下部で小さくすることにより下部の出力密度を上昇させている。しかしながら、出力密度を上下で大きく変化させようとすると、下部の断面積を上部に比較して著しく小さくしなければならず、上部の重量を支えるのが困難となり、ヒータの強度に問題が生じるおそれがある。
【００１０】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、反応室内の原料ガスを均一にかつ高い熱効率で加熱するとともに、熱効率を損なうことなく装置の大型化を図ることができ、大量生産を可能にするトリクロロシラン製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、テトラクロロシランと水素とを含む原料ガスからトリクロロシランを製造する装置であって、下方から前記原料ガスを供給されてトリクロロシランと塩化水素とを含む反応ガスを生成する略筒状の反応室と、前記反応室内に設置されて前記原料ガスを加熱する複数のヒータと、これらヒータの下端に接続され前記反応室の底板に固定された複数の電極とを備え、各前記ヒータは、一対の前記電極に固定された一対の非発熱部と、これら非発熱部に取り付けられ電気を供給されて発熱する発熱部とを有し、前記発熱部は、各前記非発熱部から上方へ延びて前記一対の非発熱部間を接続する板状の第１発熱体と、この第１発熱体よりも高さが低く、前記非発熱部から上方へ延びて前記一対の非発熱部間を接続する板状の第２発熱体とを備える。
【００１２】
このトリクロロシラン製造装置によれば、ヒータを反応室の中に設置することにより、ヒータの熱がその周囲を流通する原料ガスに直接伝わるので、原料ガスを高い熱効率で加熱することができる。また、反応室内にヒータを設置するので、反応室を大型化しても、その必要個所にヒータを設置することができ、熱効率を損なうことがない。
【００１３】
さらに、このトリクロロシラン製造装置によれば、ヒータの発熱部が板状の第１発熱体および第２発熱体を備えることにより、発熱部の下部において発熱体の本数が上部の２倍となっているので、発熱体の断面積変化により出力密度を変化させなくても、発熱部の下部における発熱量を大きくすることができる。また、一つのヒータにおいて、非発熱部を介して二つの発熱体が備えられているので、スペースの少ない反応室下部に発熱部を密に立設することが容易である。
【００１４】
このトリクロロシラン製造装置において、前記第１発熱体と前記第２発熱体とは、それぞれ異なる断面積を有していてもよい。各断面積を任意に設定することにより、ヒータの上部および下部における出力割合の設定が容易となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るトリクロロシラン製造装置によれば、ヒータを反応室の中に設置したことにより、ヒータの熱を原料ガスに直接伝え、原料ガスを高い熱効率で加熱して、トリクロロシランへの転換率をより向上させることができる。しかも、反応室を大型化しても、必要個所にヒータを設置することができ、熱効率を損なうことなく装置の大型化を図ることができ、大量生産が可能である。
【００１６】
また、ヒータの発熱部を二本の板状の発熱体により形成したことで、ヒータの強度を低下させることなくヒータの下部における発熱量を大きくでき、温度が上昇しにくい反応室の下部の温度を効果的に上昇させ、高い反応効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るトリクロロシラン製造装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１に示すトリクロロシラン製造装置におけるヒータの発熱部を示す側面図である。
【図４】従来のトリクロロシラン製造装置におけるヒータの発熱部を示す側面図である。
【図５】本発明に係るトリクロロシラン製造装置の第２実施形態を示す縦断面図である。
【図６】図５におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図７】本発明に係るトリクロロシラン製造装置の第３実施形態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るトリクロロシラン製造装置の一実施形態について説明する。
本実施形態のトリクロロシラン製造装置１００は、テトラクロロシランと水素とを含む原料ガスを加熱して、転換反応によりトリクロロシランと塩化水素等とを含む反応ガスを生成し、トリクロロシランを製造する装置であって、図１に示すように、原料ガスを供給される反応容器１０と、この反応容器１０の中に備えられて原料ガスを加熱するヒータ２０と、これらヒータ２０の下端に接続され反応容器１０の底板１３に固定された複数の電極２３とを備えている。反応容器１０は断熱容器３０を備えており、ヒータ２０による熱が反応容器１０から放出されることによる加熱効率の低下が防止されている。
【００１９】
反応容器１０は、略筒状の壁体１１と、この壁体１１の上端を閉じる天板１２と、壁体１１の下端を閉じる底板１３とを備えている。
壁体１１は、それぞれ同心状に設けられた略筒状の内側壁体１１Ａと外側壁体１１Ｂとを備えている。これら内側壁体１１Ａと外側壁体１１Ｂとの間には、円筒状の空間（円筒状流路１１ａ）が形成されている。外側壁体１１Ｂの下端部は底板１３に接続して閉塞されており、一方、内側壁体１１Ａは下端部が底板１３から離間するように配置されている。これにより、内側壁体１１Ａの下端部に開口するリング状のガス導入流路１１ｂが形成され、円筒状流路１１ａと内側壁体１１Ａの内部空間とを連通させている。
【００２０】
この壁体１１において、円筒状流路１１ａの上部に接続する環状流路１１ｃが設けられている。さらに、この環状流路１１ｃの上部に、原料ガス供給管１４が接続されている。また、壁体１１の上端を閉じる天板１２の中央を貫通するように、反応ガスを装置外に導出するガス導出管１５が接続されている。
【００２１】
反応容器１０の底板１３は、外側壁体１１Ｂの下端に接続されて壁体１１の下端を閉じるとともに、複数のヒータ２０を同心状の多重に円を描いて配列されるように立設保持している。また、反応容器１０の天板１２は、壁体１１の内側壁体１１Ａおよび外側壁体１１Ｂの上端に接続されて壁体１１の上端を閉じている。この天板１２，壁体１１（内側壁体１１Ａ）、および底板１３によって囲まれて複数のヒータ２０が立設している空間が、このトリクロロシラン製造装置１００における反応室１０１である。
【００２２】
この反応室１０１内で原料ガスを加熱する複数（本実施形態では２０個）のヒータ２０は、それぞれ、一対の電極２３に固定された一対の非発熱部２２と、これら非発熱部２２に取り付けられ電気を供給されて抵抗発熱する略板状の発熱部２１とを有し、図２に示すように、三重の同心円を描くように配列されている。
【００２３】
図３に示すように、ヒータ２０の発熱部２１には、各非発熱部２２から上方へ延びてこれら非発熱部２２間を接続する逆Ｕ字板状の第１発熱体２１Ａと、第１発熱体２１Ａよりも高さが低く、非発熱部２２から上方へ延びて一対の非発熱部２２間を接続する逆Ｕ字板状の第２発熱体２１Ｂとが備えられている。すなわち、発熱部２１の下部における発熱体の本数が上部における発熱体の本数よりも多くなっている。このため、各ヒータ２０においては、第１発熱体２１Ａと第２発熱体２１Ｂとが二重に設けられている下部での発熱量が大きく、この下部に比較して第１発熱体２１Ａのみが設けられている上部での発熱量が小さい。
【００２４】
各電極２３は、一対の非発熱部２２を支持し、隣接するヒータ２０同士を電気的に接続している。これにより、複数個（たとえば４個）のヒータ２０が直列に接続されている。これら直列接続されたヒータ２０が複数列（たとえば５組）並列に接続されて電力を供給されることにより、各発熱部２１が抵抗発熱して、反応室１０１内の原料ガスを加熱することができる。なお、第１発熱体２１Ａと第２発熱体２１Ｂとは、非発熱部２２を介して並列に接続された抵抗体である。
【００２５】
発熱部２１の基端部（すなわち非発熱部２２の上端部）の高さ位置には、ガス導入流路１１ｂの上方に配置される分散板４０が略水平に設けられている。分散板４０は、反応室１０１内における各ヒータ２０の配置位置に応じた形状のガス流通孔４０ａを有している。このように配置された分散板４０によって、反応室１０１は、非発熱部２２を収容し原料ガスが導入される低温の下部と、発熱部２１を収容し原料ガスを加熱する高温の上部とに隔てられる。
【００２６】
以上のように構成されたトリクロロシラン製造装置１００において、原料ガス供給管１４から反応容器１０に供給された原料ガスは、環状流路１１ｃに充満した後、円筒状流路１１ａに導入され、ガス導入流路１１ｂを通じて反応室１０１内の下部へ導入される。
【００２７】
反応室１０１に導入された原料ガスは、たとえば４００℃〜７００℃であり、流通抵抗により分散板４０の下方に充満して、分散流路４０ａを通過して分散板４０の上方に分散供給され、ヒータ２０の発熱部２１によって均一に加熱される。
【００２８】
このとき、発熱部２１は、下部に第２発熱体２１Ｂを備えることにより、発熱部２１全体の出力を過剰に上げることなく、比較的低温で供給される原料ガスを加熱初期において強く加熱することができる。反応室１０１の下部で加熱された原料ガスは、反応室１０１内を上昇し、反応室１０１の上部で第１発熱体２１Ａによってさらに加熱される。
【００２９】
発熱部２１によって加熱された原料ガスの転換反応により生成された反応ガスは、たとえば８００℃〜１１００℃であり、ガス導出管１５を通じてこのトリクロロシラン製造装置１００から取り出される。
【００３０】
以上説明したように、このトリクロロシラン製造装置１００によれば、ヒータ２０を反応室１０１の中に設置することにより、ヒータ２０の熱がその周囲を流通する原料ガスに直接伝わるので、原料ガスを高い熱効率で加熱することができる。また、反応室１０１内にヒータ２０を設置するので、反応容器１０を大型化しても、その必要個所にヒータ２０を設置することができ、熱効率を損なうことがない。
【００３１】
反応室１０１の下部には比較的低温の原料ガスが供給されるため、発熱部２１の下部においては発熱体の温度が低下しやすく、原料ガスの反応が進む上部においては発熱体の温度が低下しにくい。このため、図４に示すような従来のヒータ５０では、発熱体下部の温度を十分に上昇させようとすると発熱体上部の温度が過剰に上昇し、使用可能温度を超えてしてしまう。しかしながら、このヒータ２０は、発熱部２１の下部に第１発熱体２１Ａに加えて第２発熱体２１Ｂを備えているので、下部における発熱量が高く、加熱初期において原料ガスの温度を速やかに上昇させることができる。そして、発熱部２１の上部には第１発熱体２１Ａのみが備えられていることから、反応室１０１の上部において原料ガスはこの第１発熱体２１Ａによって所定の温度にまで加熱される。すなわち、このトリクロロシラン製造装置１００によれば、発熱部２１の発熱体の出力を過大にすることなく、下部における出力を十分に得て、効率よく原料ガスを加熱することができる。
【００３２】
また、一つの非発熱部２２（電極２３）に２つの発熱体を支持させているとともに、これら発熱体が２重の逆Ｕ字板状に設けられていることから、スペース効率に優れ、配置が容易なヒータ２０が実現されている。
【００３３】
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。たとえば、第１発熱体２１Ａと第２発熱体２１Ｂとは同じ断面積を有していてもよいが、それぞれ異なる断面積を有していてもよい。これら発熱体を異なる断面積とする場合、断面を矩形として幅又は厚さのいずれか又は両方を異ならせてもよいし、断面の形状も異ならせるようにしてもよい。第１発熱体と第２発熱体とをそれぞれ異なる断面積にすることにより、発熱部２１の上部と下部とにおけるヒータ出力の割合を容易に設定することができる。
【００３４】
また、原料ガスを加熱するヒータは、反応室内の全体に設けなくてもよい。図５および図６に、本発明の第２実施形態に係るトリクロロシラン製造装置１１０を示す。このトリクロロシラン製造装置１１０では、原料ガスが加熱されやすい反応室１０１の中心部にはヒータ２０および分散流路４０ａを設けない構造とすることにより、反応室１０１内の温度分布を均一にしている。なお、図５および図６において、前述の実施形態と共通する部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
また、反応室内の下部を効果的に加熱するための第２発熱体の高さは、各ヒータ２０において同じでなくてもよい。図７に、本発明の第３実施形態に係るトリクロロシラン製造装置１２０を示す。このトリクロロシラン製造装置１２０では、反応室１０１の下部において原料ガスが中心部に集まるように偏流するなど、分散板４０による原料ガスの分散が十分でない場合に対応し、原料ガスの流動状態に合わせて第２発熱体２０Ｂの高さをヒータ２０毎に異ならせている。すなわち、原料ガスの偏流に合わせて、反応室１０１内の各領域における加熱強度を異ならせることにより、反応室１０１内の原料ガスを均一に加熱している。なお、本実施形態では第１発熱体２１Ａの高さは各ヒータ２０で同じにしているが、さらに、第１発熱体２１Ａの高さをヒータ２０毎に異ならせてもよい。なお、図７において、前述の実施形態と共通する部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【００３６】
（実施例および比較例）
ここで、本発明のトリクロロシラン製造装置に係る実施例および比較例について説明する。実施例として、図３に示すように第１発熱体２１Ａおよび第２発熱体２１Ｂを備えるヒータ２０を用いた。また、比較例として、図４に示すように電極５３によって支持されている２つの非発熱部５２から上方に延びてこれら非発熱部５２同士を接続する単一の発熱部５１を備える構造の従来のヒータ５０を用いた。そして、これら各実施例および比較例のヒータについて、発熱部の各部位における出力および比率と、発熱部の上部と下部とにおける出力および比率について比較した。
【００３７】
（実施例１）
まず、図３に示すヒータ２０について、発熱部２１の各部位２１ａ〜２１ｆにおける出力および比率を算出した結果を表１に示す。実施例１で用いたヒータ２０の発熱部２１の各部における寸法は以下の通りである。
厚さ：３６ｍｍ
第１発熱体の幅Ｗ１：１３ｍｍ
非発熱部２２から第１発熱体の上端までの高さＨ１：１４００ｍｍ
第２発熱体の幅Ｗ２：１３ｍｍ
非発熱部２２から第２発熱体の上端までの高さＨ２：３５０ｍｍ
【００３８】
【表１】
0005633375.tif 000002
【００３９】
この実施例１のヒータ２０の発熱部２１において、下部および上部における出力分布は以下のようになり、発熱部２１の下部における出力が高いことが確認できた。
下部（高さ０〜３５０ｍｍの範囲）：出力７０ｋＷ、比率８９％
上部（高さ３５０〜１４００ｍｍの範囲）：出力９ｋＷ、比率１１％
【００４０】
（実施例２）
次に、図３に示すヒータ２０について、発熱部２１の各部位２１ａ〜２１ｆにおける出力および比率を算出した結果を表２に示す。実施例２で用いたヒータ２０の発熱部２１の各部における寸法は以下の通りである。
厚さ：３６ｍｍ
第１発熱体の幅Ｗ１：２０ｍｍ
非発熱部２２から第１発熱体の上端までの高さＨ１：１４００ｍｍ
第２発熱体の幅Ｗ２：２０ｍｍ
非発熱部２２から第２発熱体の上端までの高さＨ２：７００ｍｍ
【００４１】
【表２】
0005633375.tif 000003
【００４２】
この実施例２のヒータ２０の発熱部２１において、下部および上部における出力分布は以下のようになり、発熱部２１の下部における出力が高いことが確認できた。
下部（高さ０〜７００ｍｍの範囲）：出力６５ｋＷ、比率８２％
上部（高さ７００〜１４００ｍｍの範囲）：出力１４ｋＷ、比率１８％
【００４３】
（実施例３）
次に、図３に示すヒータ２０について、発熱部２１の各部位２１ａ〜２１ｆにおける出力および比率を算出した結果を表３に示す。実施例３で用いたヒータ２０の発熱部２１の各部における寸法は以下の通りである。
厚さ：３６ｍｍ
第１発熱体の幅Ｗ１：３０ｍｍ
非発熱部２２から第１発熱体の上端までの高さＨ１：１４００ｍｍ
第２発熱体の幅Ｗ２：１５ｍｍ
非発熱部２２から第２発熱体の上端までの高さＨ２：７００ｍｍ
【００４４】
【表３】
0005633375.tif 000004
【００４５】
この実施例３のヒータ２０の発熱部２１において、下部および上部における出力分布は以下のようになり、発熱部２１の下部における出力が高いことが確認できた。
下部（高さ０〜７００ｍｍの範囲）：出力５６ｋＷ、比率７３％
上部（高さ７００〜１４００ｍｍの範囲）：出力２１ｋＷ、比率２７％
【００４６】
（比較例）
次に、図４に示すヒータ５０について、発熱部５１の各部位５１ａ，５１ｂ，５１ｃにおける出力および比率を算出した結果を表４に示す。比較例で用いたヒータ５０の発熱部５１の各部における寸法は以下の通りである。
厚さ：３６ｍｍ
発熱部の幅Ｗ３：６０ｍｍ
非発熱部５２から発熱部の上端までの高さＨ３：１４００ｍｍ
【００４７】
【表４】
0005633375.tif 000005
【００４８】
この比較例のヒータ５０の発熱部５１において、下部および上部における出力分布は以下のようになり、発熱部５１の下部における出力が低いことが確認できた。
（１）０〜３５０ｍｍおよび３５０〜１４００ｍｍの各範囲で比較した場合
下部（高さ０〜３５０ｍｍの範囲）：出力１８ｋＷ、比率２４％
上部（高さ３５０〜１４００ｍｍの範囲）：出力５７ｋＷ、比率７６％
（２）０〜７００ｍｍおよび７００〜１４００ｍｍの各範囲で比較した場合
下部（高さ０〜７００ｍｍの範囲）：出力３６ｋＷ、比率４８％
上部（高さ７００〜１４００ｍｍの範囲）：出力３９ｋｗ、比率５２％
【００４９】
以上から、実施例では発熱体の下部での出力比率が高く、かつ各部の最大出力が小さくなっていることが確認できた。すなわち、各実施例のヒータ２０では、発熱体の負荷を抑制しながら、下部で強く加熱することができるのに対して、比較例のヒータ５０では、発熱体の負荷が大きくても下部での加熱が弱いことが確認できた。
【符号の説明】
【００５０】
１０  反応容器
１１  壁体
１１ａ  円筒状流路
１１ｂ  ガス導入流路
１１ｃ  環状流路
１１Ａ  内側壁体
１１Ｂ  外側壁体
１２  天板
１３  底板
１４  原料ガス供給管
１５  ガス導出管
２０  ヒータ
２１  発熱部
２１Ａ  第１発熱体
２１Ｂ  第２発熱体
２２  非発熱部
２３  電極
３０  断熱容器
４０  分散板
４０ａ  分散流路
５０  ヒータ
５１  発熱部
５２  非発熱部
５３  電極
１００  トリクロロシラン製造装置
１０１  反応室
【図１】
0005633375.tif 000006
【図２】
0005633375.tif 000007
【図３】
0005633375.tif 000008
【図４】
0005633375.tif 000009
【図５】
0005633375.tif 000010
【図６】
0005633375.tif 000011
【図７】
0005633375.tif 000012