(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させる反応炉と、この反応により生成された粗トリクロロシランを蒸留する蒸留塔とを有し、前記反応炉に、該反応炉内を経由して熱媒体が循環流通する熱媒流通管が設けられ、該熱媒流通管に、前記反応炉内の熱を吸収して高温になった熱媒体により水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生器が接続され、該蒸気発生器に、前記蒸気を前記蒸留塔の熱源として利用する蒸気輸送管が接続されてい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】
前記熱媒流通管に、さらに冷却器が接続されるとともに、前記蒸気発生器及び前記冷却器への熱媒体の流通量を制御する熱媒流通量制御手段が設けられ、前記蒸気発生器には、蒸気源としての水の水位のレベル制御を行う水位レベル制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載のトリクロロシラン製造装置。
【請求項３】
金属シリコン粉末を反応炉内で塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、粗トリクロロシランを生成する粗トリクロロシラン生成工程と、生成された粗トリクロロシランを蒸留操作により純度を高める蒸留工程とを備えるトリクロロシラン製造方法であって、前記反応炉内を経由して熱媒体を循環流通させておき、該反応炉内の熱を吸収して高温になった熱媒体により蒸気発生器にて水を加熱して蒸気を発生し、その蒸気を前記蒸留工程の熱源として利用することを特徴とするトリクロロシラン製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとを反応させてトリクロロシランを製造するトリクロロシラン製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料等に用いられる多結晶シリコンは、例えば、トリクロロシラン（三塩化珪素：ＳｉＨＣｌ3：ＴＣＳ）と水素を原料とし、この混合ガスを赤熱したシリコン棒に接触させ、高温下のトリクロロシランの水素還元や熱分解によってシリコン棒表面にシリコンを析出させる方法（シーメンス法）によって主に製造されている。また、上記トリクロロシランは、例えば、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとを流動式の反応炉に導入して反応させ、シリコンを塩素化して粗トリクロロシランを生成させ、これを蒸留精製して高純度のトリクロロシランにしたものが用いられている。
【０００３】
このトリクロロシランを製造するための装置として、例えば特許文献１や特許文献２に示されるものがある。これらトリクロロシラン製造装置は、反応炉の底部に金属シリコン粉末と塩化水素ガスとを導入し、反応炉内の金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、生成した粗トリクロロシランを反応炉の上部から取り出すようになっている。この金属シリコン粉末と塩化水素ガスとの反応は発熱を伴うため、反応炉内には、上下方向に沿って熱媒体を流通させる伝熱管が備えられ、反応炉内の熱を吸収して外部に排出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−５９２２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８９２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、伝熱管内を流通した熱媒体は冷却器等によって温度調整されることで循環使用されるが、例えば熱媒体の熱を吸収して高温になった冷却媒体はクーリングタワー等に送られ、その熱は通常は放散され、他に利用されることはなかった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反応炉内で発生した熱を効率よく回収し、トリクロロシラン製造のために有効活用して熱エネルギーのロスを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のトリクロロシラン製造装置は、金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させる反応炉と、この反応により生成された粗トリクロロシランを蒸留する蒸留塔とを有し、前記反応炉に、該反応炉内を経由して熱媒体が循環流通する熱媒流通管が設けられ、該熱媒流通管に、前記反応炉内の熱を吸収して高温になった熱媒体により水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生器が接続され、該蒸気発生器に、前記蒸気を前記蒸留塔の熱源として利用する蒸気輸送管が接続されていることを特徴とする。
反応炉内で発生した熱を蒸留塔の熱源として利用するものであり、トリクロロシラン製造装置全体としての熱エネルギーロスを低減することができる。蒸留塔としては、塔底を蒸気で直接加熱する方式、リボイラを蒸気により加熱する方式のいずれにも適用でき、その蒸気を蒸気発生器から供給する。
【０００８】
本発明のトリクロロシラン製造装置において、前記熱媒流通管に、さらに冷却器が接続されるとともに、前記蒸気発生器及び前記冷却器への熱媒体の流通量を制御する熱媒流通量制御手段が設けられ、前記蒸気発生器には、蒸気源としての水の水位のレベル制御を行う水位レベル制御手段が設けられているとよい。
【０００９】
反応炉内の熱は、供給される原料、特に塩化水素ガスの量によって変動する。熱媒流通管内を流通する熱媒体は、熱媒流通量制御手段により蒸気発生器や冷却器への流通量が制御されることにより、反応炉内を例えば３００℃程度に維持するように制御される。反応炉から送り出された熱媒体の温度は蒸気発生器を経由することにより低下するが、その温度低下を大きくしたい場合は蒸気発生器及び冷却器への流通量を多くして冷却する。逆に、温度低下を抑制したいときは、蒸気発生器及び冷却器への流通量を少なくする。このように、蒸気発生器及び冷却器への流通量を制御することにより、熱媒体の温度を制御して反応炉内の温度を適切に管理することができる。
一方、蒸気発生器で発生した蒸気の圧力制御を行うことにより、蒸留塔に送られる蒸気の品質（圧力及び温度）をほぼ一定に維持することができる。
【００１０】
本発明のトリクロロシラン製造方法は、金属シリコン粉末を反応炉内で塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、粗トリクロロシランを生成する粗トリクロロシラン生成工程と、生成された粗トリクロロシランを蒸留操作により純度を高める蒸留工程とを備えるトリクロロシラン製造方法であって、前記反応炉内を経由して熱媒体を循環流通させておき、該反応炉内の熱を吸収して高温になった熱媒体により蒸気発生器にて水を加熱して蒸気を発生させ、その蒸気を前記蒸留工程の熱源として利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反応炉で粗トリクロロシランを製造しながら、その反応熱により蒸気を発生させ、その蒸気を粗トリクロロシランの蒸留の熱源として利用しており、熱エネルギーロスを低減して効率的にトリクロロシランを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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全体構成図である。
【図２】本発明に係るトリクロロシラン製造装置の他の実施形態を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るトリクロロシラン製造装置及び製造方法の実施形態を図面を参照しながら説明する。
一実施形態のトリクロロシラン製造装置１は、図１に示すように、金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとを供給して、金属シリコン粉末Ｓｉを塩化水素ガスＨＣｌによって流動させながら反応させる反応炉２と、この反応により生成された粗トリクロロシランを蒸留する蒸留塔３とが備えられている。なお、蒸留塔３で得られた高純度のトリクロロシランは、気化器４で気化された後、水素と混合され、水素との混合ガスとして多結晶シリコンの原料とされ、多結晶シリコン析出炉５に供給されることにより、赤熱したシリコン棒Ｓの表面に多結晶シリコンＰを析出する。
【００１４】
反応炉２は、金属シリコン粉末Ｓｉがキャリアガス（塩化水素ガス）により気力輸送されて供給され、底部に供給された塩化水素ガスＨＣｌが所定のノズル（図示略）を通して上方に向けて噴出することにより、金属シリコン粉末Ｓｉが流動しながら塩化水素ガスＨＣｌと反応して粗トリクロロシランが生成される構成である。
【００１５】
また、この反応炉２には、その内部を経由して熱媒体が循環流通する熱媒流通管６が接続されている。この熱媒流通管６は、多数本が並列に分岐して反応炉２の内部に設けられるとともに、反応炉２の外部では、二つに分岐され、ヒータ７と、蒸気発生器８及び冷却器９とに接続されている。蒸気発生器８及び冷却器９は直列に接続されているが、それぞれにバイパス管１０，１１が並列に接続されている。ヒータ７は、反応炉２の運転初期等において反応炉２内部を必要な温度まで上昇させるために熱媒体を加熱するものであり、冷却器９は、熱媒体を冷却して温度を低下させるためのものであり、蒸気発生器８は、熱媒体により水を加熱して蒸気を発生するためのものである。バイパス管１０，１１は、蒸気発生器８及び冷却器９のそれぞれに設けられており、バイパス管１０，１１のそれぞれに弁１２，１３が設けられ、これらの弁１２，１３及び後述する弁２９，３０の開度を調整することにより、蒸気発生器８及び冷却器９へ導入される熱媒体の流通量を制御することができるようになっている。また、ヒータ７にも、熱媒体の流通量を制御する弁１４が設けられている。蒸気発生器８の後ろには弁２９が設けられ、この弁２９と弁１２による熱媒体の流量の制御により、蒸気発生器８での蒸気量を制御できる。また、冷却器９の後ろには弁３０が設けられ、この弁３０と弁１３，１４による熱媒体の流通量を制御により、反応炉２に送られる熱媒体の温度を制御することができる。
図１の符号１５，１６は熱媒流通管６内を流通する熱媒体の温度を計測する温度計を示しており、その計測結果により弁の開度が制御される。蒸気発生器８の出口部（蒸気発生器８と冷却器９との間）に設けられている温度計１５は、その計測結果によりバイパス管１０の弁１２、および弁２９の開度が制御され、蒸気発生器８に流通する熱媒体の流通量を制御する。また、温度計１６の計測結果により、バイパス管１１の弁１３および弁３０の開度が制御される。この実施形態では、熱媒流通量制御手段は、各バイパス管１０，１１、弁１２，１３，２９，３０及び温度計１５，１６によって構成される。
なお、符号１７は熱媒体を圧送するポンプである。
【００１６】
蒸気発生器８は、内部に水Ｗが貯留され、その水Ｗの中に浸漬状態に熱媒流通管６が設けられている。内部に貯留される水Ｗは、例えば、工業用水が水供給管２１によって供給される。蒸気発生器８内には水Ｗの水位を検出するために液面計２２が設けられるとともに、水供給管２１に弁２３が設けられており、液面計２２によって検出される蒸気発生器８内の水Ｗの水位に応じて弁２３の開閉が制御されることにより、蒸気発生器８内の水Ｗの水位が所定の範囲に維持されるようにレベル制御される。この実施形態では、これら弁２３及び液面計２２により本発明の水位レベル制御手段が構成される。符号２４は水供給管２１に設けられたポンプであり、符号２５は蒸気発生器８からの排水管である。
【００１７】
蒸気発生器８において発生した蒸気は、所定の温度、圧力（例えば１２０〜１４５℃で０．１〜０．３ＭＰａＧ）になると蒸気輸送管２６に導出され、圧力調整弁２７によって所定圧力に調整された後に蒸留塔３に送られる。
蒸留塔３は、図示例では塔底にリボイラ２８が接続されており、蒸気輸送管２６はこのリボイラ２８内を経由するように設置され、リボイラ２８内で塔底液を加熱するようになっている。
【００１８】
このように構成されたトリクロロシラン製造装置１において、多結晶シリコン析出炉５に供給するトリクロロシランを製造する場合、反応炉２内に金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとを供給して、これらを流動させながら反応させ、粗トリクロロシランを生成し（粗トリクロロシラン生成工程）、得られた粗トリクロロシランを蒸留塔３において蒸留操作により高純度のトリクロロシランを製造する（蒸留工程）。
以下、これらの工程を詳細に説明する。
【００１９】
粗トリクロロシラン生成工程において、反応炉２に熱媒体を循環させておき、ヒータ７で熱媒体を昇温させる。温度計１５で熱媒体の温度を確認しながら、徐々に反応炉２の温度を上昇させる。
反応炉２の運転初期は、弁１４が開かれるとともに、他の弁１２，１３，２９，３０の開閉制御により熱媒流通管６はヒータ７への流路が接続されており、ヒータ７で加熱された高温の熱媒体が流通することにより、反応炉２内部を金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとの反応に必要な温度（例えば３００℃）まで加熱する。これら金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとの反応が開始すると、徐々に発熱を伴うので、ヒータ７に通じる弁１４が閉じられるとともに、他の弁１２，１３，２９，３０の開閉が段階的に制御される。
まず、反応炉２内の温度が一定範囲内に達すると、反応が開始されるため、炉内温度が上昇するようになり、それとともに熱媒体の温度も上昇する傾向になるため、温度計１５で熱媒体の温度推移を確認し、弁１２及び弁３０を開放して冷却器９に熱媒体を通し、熱媒体の温度を安定化させるとともに、反応炉２内の温度を所定の温度範囲内に入るように温度計１５の計測値に基づき、弁１３，３０の開度を調整することで、熱媒体の温度を調整し、安定化させる。冷却器９で冷却された熱媒体は、反応炉２の冷媒として使用するため、反応炉２に導かれる。
【００２０】
この場合、熱媒体の温度は熱媒流通管６に設けられた温度計１５，１６により検知されており、反応炉２内の温度を３００℃前後（例えば２９０〜３１０℃）に維持するように制御される。反応炉２内の温度は、供給される原料、特に塩化水素ガスＨＣｌの量によって変動する。このため熱媒体の温度も変動するが、その温度が下がり過ぎていない場合は、熱媒体は蒸気発生器８に導かれる。
このとき、温度計１５，１６の温度を確認しながら、弁２９を徐々に開放し、温度の急激な変化がないように、開度を調整する。この際、反応炉２に入る熱媒体の温度が所定の温度範囲内になっていることを確認しながら開度を調整する。この場合、弁２９を開放した分だけ弁１２を閉めるようにしてもよい。
蒸気発生器８には、水供給管２１から供給される水Ｗが貯留されており、水中に浸漬されている熱媒流通管６により水が加熱され、蒸気が発生する。前述したように、この蒸気発生器８内で発生する蒸気は所定の温度、圧力になると蒸気輸送管２６に導出され、蒸留塔３に送られる。
温度計１５，１６での計測温度が安定してきたら（温度計１６の計測温度が温度計１５の計測温度に近づいてきたら）、温度計１６での設定値を設け、両温度計１５，１６の計測温度の温度差が一定以下（例えば、５℃以下）になるように、弁３０、弁１３または弁２９、弁１２の開度を調整して安定した熱媒体の流通を行う。
【００２１】
熱媒流通管６内を流通する熱媒体が高温になり過ぎる場合は、蒸気発生器８及び冷却器９のバイパス管１０，１１に設けられている弁１２，１３の開度が小さくなるように調整され、蒸気発生器８と冷却器９の出口側の弁（弁２９，３０）の開度が大きくなるように調整され、熱媒体は蒸気発生器８及び冷却器９に送られ冷却される。熱媒体の温度が下がると、冷却器９のバイパス管１１に設けられている弁１３の開度が大きくなるように、弁３０の開度が小さくなるようにそれぞれ調整される。また、蒸気発生器８のバイパス管１０に設けられている弁１２、弁２９の開度も適宜調整される。蒸気発生器８と冷却器９との熱媒体の流通比率は、蒸気発生器８の出口部の温度計１５及び冷却器９出口以降の温度計１６の検出結果に基づいて制御される。
また、冷却器9の温度調整やそれに伴う温度変動などで熱媒体の温度が設定温度より下がり過ぎるような場合は、バイパス管１１の弁１３の開度を大きくするなどの調整を断続的に行い、反応炉内温度を所定温度範囲内に維持するように熱媒体の流量を制御する。
【００２２】
このようにして、蒸気発生器８、冷却器９、バイパス管１０，１１への熱媒体の流通を制御しながら、反応炉２内の温度を所定温度範囲に維持して金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとを安定的に反応させ、粗トリクロロシランを製造し、一方、その際の熱を利用して蒸気発生器８において蒸気を発生する。この場合、蒸気発生器８への熱媒体の流通量が変動するので、蒸気発生器８の液面を液面計２２によって監視しながら、水供給管２１からの供給水量を調整することにより、蒸気量を調節することができる。
そして、粗トリクロロシランは蒸留塔３において蒸留され（蒸留工程）、その際の熱源として蒸気発生器８で発生した蒸気が用いられ、蒸留されて純度が高められたトリクロロシランは、多結晶シリコン析出炉５に供給されて多結晶シリコンＰの製造に供される。
【００２３】
以上説明したように、このトリクロロシラン製造装置１は、反応炉２で粗トリクロロシランを製造しながら、反応炉２内で発生する熱を回収し、その熱を利用して蒸気を発生させ、その蒸気を後工程の蒸留塔３において利用することにより、粗トリクロロシランを蒸留して純度を高め、高純度のトリクロロシランを製造するものであり、反応炉２で生じた熱を後工程において有効に活用し、熱エネルギーロスを低減して効率的にトリクロロシランを製造することができる。
【００２４】
図２は、複数の反応炉を有するトリクロロシラン製造装置の実施形態の一例を示している。本実施形態では、先の一実施形態と共通要素に同一符号を付して説明を簡略化する。また、図２においては、蒸留塔、多結晶シリコン析出炉など、一部の構成要素を省略しており、省略した部分については一実施形態のものと同様である。
このトリクロロシラン製造装置５１においては、各反応炉２と、一つの蒸気発生器８との間が熱媒流通管６により並列状態に接続され、各熱媒流通管６に、蒸気発生器８に対して並列状態のヒータ７と、蒸気発生器８に直列状態の冷却器９とが設けられ、蒸気発生器８及び冷却器９にそれぞれバイパス管１０，１１が接続されている。
【００２５】
この実施形態の場合も、図1の実施形態と同様な方法で操作されるが、２系統の反応炉に対して一系統ずつ操作して安定させる。そして、これら反応炉２で発生した熱を効率よく回収し、トリクロロシラン製造のために有効活用して、熱エネルギーのロスを低減することができる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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。
例えば、上記実施形態では、リボイラを備える蒸留塔を示したが、蒸気により蒸留塔の釜底を直接加熱するようにしてもよい。
また、蒸気発生量の変動に伴い、外部からの蒸気を蒸気輸送管に導入する形を構成して、安定した蒸気を蒸留塔へ送る方法を用いてもよい。また、蒸気発生量変動に伴い、複数の反応炉の熱媒体を蒸気発生器に供給する形を構成させて、安定した蒸気を蒸留塔へ送る方法を用いてもよい。
また、蒸気発生器８と冷却器９との熱媒流量比率は、蒸気発生器８の出口部の温度計１５及び冷却器９の出口以降の温度計１６の検出結果に基づいて制御されるとしたが、温度計１５と１６の予め設定された温度または、温度範囲によって制御させるようにしてもよい。
また、蒸留塔、リボイラー、蒸気発生器でのドレンを蒸気の水源として用いてもよい。
また、蒸気発生器８においては、弁１２，１３，２９，３０にて熱媒体の流通量を制御することで蒸気発生器８内での蒸気発生量も変動するが、蒸気発生器８の水位レベルの単位時間当たりの変化量を液面計２２で監視し、その結果を熱媒体の流通量の制御に反映させる方法を用いてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１  トリクロロシラン製造装置
２  反応炉
３  蒸留塔
４  気化器
５  多結晶シリコン析出炉
６  熱媒流通管
７  ヒータ
８  蒸気発生器
９  冷却器
１０，１１  バイパス管
１２〜１４  弁
１５，１６  温度計
１７  ポンプ
２１  水供給管
２２  液面計
２３  弁
２４  ポンプ
２５  排水管
２６  蒸気輸送管
２７  圧力調整弁
２８  リボイラ
２９，３０  弁
５１  トリクロロシラン製造装置
【図１】
0005900224.tif 000002
【図２】
0005900224.tif 000003