(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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生成するトリクロロシラン製造用反応装置において、
前記金属シリコン粉末が供給される装置本体と、この装置本体の底部を仕切る仕切り板の上面に開口し前記塩化水素ガスを前記装置本体内へと噴出させる噴出口とを備え、
前記噴出口の上側に、板状をなして厚さ方向に貫通した貫通孔を備えた複数の有孔小片と、これら有孔小片同士の間に介在する複数の塊状部材とが混在した状態で堆積されていることを特徴とするトリクロロシラン製造用反応装置。
【請求項２】
請求項１に記載のトリクロロシラン製造用反応装置において、
前記塊状部材が、前記有孔小片に対して０．５倍〜５倍の重量比で混在していることを特徴とするトリクロロシラン製造用反応装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のトリクロロシラン製造用反応装置において、
前記塊状部材が直径５ｍｍ〜２０ｍｍのボール材であり、
前記有孔小片は円形平板状をなしており、該有孔小片の外径が４ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、
前記貫通孔は、前記塊状部材が挿通されない大きさとされていることを特徴とするトリクロロシラン製造用反応装置。
【請求項４】
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生成するトリクロロシラン製造方法であって、
前記シリコン粉末が供給される装置本体の底部を仕切る仕切り板の上側に、板状をなして厚さ方向に貫通した貫通孔を備えた複数の有孔小片と、これら有孔小片同士の間に介在する複数の塊状部材とを混在した状態で堆積しておき、前記装置本体に金属シリコン粉末を供給しながら、前記仕切り板の上面に開口する噴出口から前記塩化水素ガスを噴出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生成する際に用いられるトリクロロシラン製造用反応装置及びトリクロロシラン製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、イレブンナイン以上の極めて高純度のシリコン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、純度９８％程度の金属シリコン粉末（Ｓｉ）と塩化水素ガス（ＨＣｌ）とを反応させることで製造される。
このように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生成するための反応装置として、金属シリコン粉末が供給される装置本体と、この装置本体の底部側から塩化水素ガスを装置本体内へと噴出させる噴出口とを備えたものが提供されている。粒径が例えば１０００μｍ以下と比較的小さな金属シリコン粉末を装置本体に投入し、装置本体の底部側から塩化水素ガスを噴出させて金属シリコン粉末を流動させ、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとを十分に接触させ、これらの反応によりトリクロロシランを得るものである。
【０００３】
ここで、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとの反応をさらに促進するには、装置本体内部に塩化水素ガスを均一に偏流なく分散させることが効果的である。
従来、塩化水素ガスを分散させるために、噴出部材として、噴出口を複数備えた多孔ノズル等が使用されている。しかしながら、多孔ノズル等を使用した場合には、金属シリコン粉末により噴出口が目詰まりしてしまうことがあった。このため、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとが均一に接触できずに炉内の反応が不均一となり、四塩化珪素の生成量が増加し、トリクロロシランの生成効率が低下してしまうといった問題があった。さらには、局所的に反応が進行してその部分の温度が上昇し、反応装置自体が破損してしまうおそれがあった。また、塩化水素ガスの偏流により金属シリコン粉末が衝突し、炉本体内面、温度計、インターナル等に摩耗が発生するといった問題があった。
【０００４】
そこで、このような目詰まりの防止を図るとともに塩化水素ガスを分散させる方法として、特許文献１には、ノズルの上側に平板状有孔小片層を設け、この平板状有孔小片層の上にさらに小球状物層を設けたものが開示されている。このように平板状有孔小片層を設けることで、金属シリコン粉末がノズルの噴出口に入り込むことを抑制し、噴出口の目詰まりの防止を図るとともに、金属シリコン粉末によって噴出口が摩耗して大きくなることによる塩化水素ガスの不均一な噴出の防止を図ることができる。また、塩化水素ガスが、平板状有孔小片層を介して金属シリコン粉末に向けて噴出されることになるので、塩化水素ガスを均一に広く分散させ、均一に偏流なく流動させることが可能となる。
【特許文献１】特許第２５１９０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載のトリクロロシラン製造用反応装置においては、平板状有孔小片が堆積された平板状有孔小片層と、この平板状有孔小片層の上にボール材が堆積された小球状物層とがそれぞれ分離して設けられているので、平板状有孔小片層では、平板状有孔小片はそれぞれ横になった状態で積み重なり、平板状有孔小片同士が互いに密着するように配置される場合がある。これら複数の有孔小片同士が密着した場合には、平板状有孔小片同士の間に空隙が確保できず、塩化水素ガスの分散効果を十分に奏功せしめることができなくなってしまうおそれがあった。
また、高純度のシリコンの需要が大幅に増加していることから、トリクロロシランを従来よりもさらに効率よく製造することが求められている。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、塩化水素ガスを確実に分散させて、トリクロロシランの生産効率をさらに向上させ、四塩化珪素の発生を極力少なくさせることが可能なトリクロロシラン製造用反応装置及びトリクロロシラン製造方法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】
【０００７】
この課題を解決するために、本発明に係るトリクロロシラン製造用反応装置は、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生成するトリクロロシラン製造用反応装置において、前記金属シリコン粉末が供給される装置本体と、この装置本体の底部を仕切る仕切り板の上面に開口し前記塩化水素ガスを前記装置本体内へと噴出させる噴出口とを備え、前記噴出口の上側に、板状をなして厚さ方向に貫通した貫通孔を備えた複数の有孔小片と、これら有孔小片同士の間に介在する複数の塊状部材とが混在した状態で堆積されていることを特徴としている。
【０００８】
この構成のトリクロロシラン製造用反応装置においては、装置本体の底部側に配設された噴出口の上側に、厚さ方向に貫通した貫通孔を備えた有孔小片とこれら有孔小片同士の間に介在する塊状部材とが混在した状態で堆積されているので、有孔小片同士の間に塊状部材が介在して有孔小片同士の間に空隙が確保され、有孔小片同士の密着を防止でき、有孔小片同士の間の空隙を通じて塩化水素ガスを噴出することが可能となる。さらに、塊状部材が介在することにより、有孔小片が横になった状態で積み重ならずにあらゆる方向を向いて配置されることになるので、塩化水素ガスを広く分散させることができる。
よって、塩化水素ガスを従来よりも広く分散させ、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとの接触を炉内で均一にすることにより、四塩化珪素の発生を抑制してトリクロロシランの生産効率を一層向上させることができる。また、塩素水素ガスが一時的に流量低下若しくは停止した場合でも偏流が発生することがなくなり、再稼動を容易に行うことができ、長時間の操業が可能となった。
【０００９】
また、本発明のトリクロロシラン製造用反応装置において、前記塊状部材は、前記有孔小片に対して０．５倍〜５倍の重量比で混在しているのが好ましい。
これら塊状部材と有孔小片とは、塩化水素ガスの噴出圧力によって装置本体の上部に吹き上がってしまう現象は抑えつつ、装置本体の下部でわずかに動く程度で滞留している状態とすることにより、塩化水素ガスを広く分散させることができる。この場合、塊状部材が有孔小片の０．５倍の重量比よりも少ないと、有孔小片が塩化水素ガスによって吹き上がってしまう現象を抑えることが難しくなり、逆に５倍の重量比を超えると、塊状部材が下に沈んで有孔小片との混在状態が維持し難くなる。
【００１０】
また、本発明のトリクロロシラン製造用反応装置において、前記塊状部材が直径５ｍｍ〜２０ｍｍのボール材であり、前記有孔小片は円形平板状をなしており、該有孔小片の外径が４ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、前記貫通孔は、前記塊状部材が挿通されない大きさとされていることを特徴としている。
この構成のトリクロロシラン製造用反応装置においては、塊状部材がボール材とされているので、有孔小片はボール材の外表面（球面）と小さな面積で接触することになり、噴出する塩化水素ガスによって動き易くなる。したがって、噴出口から噴出された塩化水素ガスにより有孔小片が動作し、塩化水素ガスをさらに広く分散させることが可能となる。
また、ボール材の直径が５ｍｍ以上とされているので、噴出する塩化水素ガスによってボール材が吹き上がることを防止できる。また、ボール材の直径が２０ｍｍ以下とされているので、ボール材を有孔小片の間に介在させるように配置することができる。
一方、有孔小片は円形平板状をなしており、その外径が４ｍｍ以上とされているので、噴出する塩化水素ガスによって有孔小片が吹き上がってしまうことを防止できる。また、有孔小片の外径が２０ｍｍ以下とされているので、塊状部材と有孔小片とを混在させて噴出口の上側に堆積させることができる。さらに、有孔小片の貫通孔が前記塊状部材が挿通されない大きさとされているので、塊状部材が貫通孔内に入り込んでしまうことがなく、有孔小片同士の間に確実に塊状部材を介在させることが可能となり、有孔小片同士の密着を防止できる。
【００１１】
そして、本発明のトリクロロシラン製造方法は、金属シリコン粉末と、塩化水素ガスとを反応させてトリクロロシランを生成するトリクロロシラン製造方法であって、前記シリコン粉末が供給される装置本体の底部を仕切る仕切り板の上側に、板状をなして厚さ方向に貫通した貫通孔を備えた複数の有孔小片と、これら有孔小片同士の間に介在する複数の塊状部材とを混在した状態で堆積しておき、前記装置本体に金属シリコン粉末を供給しながら、前記仕切り板の上面に開口する噴出口から前記塩化水素ガスを噴出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、塩化水素ガスを確実に分散させて、トリクロロシランの生産効率をさらに向上させ、四塩化珪素の発生を極力少なくさせることが可能なトリクロロシラン製造用反応装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態であるトリクロロシラン製造用反応装置について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態である図１に示すトリクロロシラン製造用反応装置１０は、概略円筒状をなし、底部と天面部とが設けられた装置本体１１を備えている。
【００１４】
装置本体１１の側壁の下部には、金属シリコン粉末Ｍを装置本体１１内に供給するシリコン粉末供給口１２が形成されている。また、装置本体１１の天面部には、反応によって生成したトリクロロシランのガスを外部へと取り出すガス出口１４が設けられている。
さらに、装置本体１１内部には、下側の部分にモータ１５ａによって回転される攪拌手段１５が備えられている。
【００１５】
また、この装置本体１１の底部側には、水平な仕切り板１１Ａが設けられ、この仕切り板１１Ａの下方に塩化水素ガスを仕切り板１１Ａの上方の装置本体１１内部に導入するためのガス導入手段１６が設けられている。
ガス導入手段１６は、仕切り板１１Ａの下方で塩化水素ガスが貯留されるガス室１７と、このガス室１７内に塩化水素ガスを供給するガス供給口１８と、このガス室１７から仕切り板１１Ａを貫通して装置本体１１内部へと塩化水素ガスを噴出する複数の噴出部材１９を備えている。なお、噴出部材１９の噴出口１９Ａは仕切り板１１Ａの上面に開口しており（図４参照）、その直径は、３ｍｍ程度とされている。
【００１６】
そして、噴出部材１９の噴出口１９Ａの上側、つまり仕切り板１１Ａの上面に、図２に示すボール材２２と図３に示す平板状をなす有孔小片２１とが混在された混在層２０が設けられている。混在層２０は、攪拌手段１５と仕切り板１１Ａとの間に位置するように設けられており、この混在層２０の上側に金属シリコン粉末Ｍが供給される。
ボール材２２は、例えばステンレス鋼からなり、その直径Ｄ１は、５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定されている。
【００１７】
また、有孔小片２１は、図３に示すように断面円形孔を備えた円形平板状をなしており、より具体的には、ステンレス鋼からなるワッシャである。この有孔小片２１の板厚は、０．２ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内とされ、その外径Ｄ２は、４ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内とされている。また、有孔小片２１の内径ｄは、ボール材２２の外径Ｄ１よりも小さく設定されている。
【００１８】
このように設定されたボール材２２と有孔小片２１とが混在されることにより、混在層２０は、例えば図４に示すように、有孔小片２１同士の間にボール材２２が介在し、有孔小片２１同士の密着が防止されている。また、有孔小片２１は、ボール材２２の外表面（球面）に接触している。
これらボール材２２と有孔小片２１の混合比率は、ボール材２２の重量Ｗ１、有孔小片２１の重量Ｗ２とすると、Ｗ１／Ｗ２＝０．５〜５となるように設定されている。
【００１９】
次に、この構成のトリクロロシラン製造用反応装置１０によるトリクロロシランの製造方法について説明する。
装置本体１１の内部に、気流移送によりシリコン粉末供給口１２を通じて金属シリコン粉末Ｍを供給する。
【００２０】
また、ガス導入手段１６により装置本体１１の内部に塩化水素ガスを導入する。塩化水素ガスは、装置本体１１の底部に複数配置された噴出部材１９の噴出口１９Ａを介して装置本体１１内に向けて噴出される。
噴出部材１９の噴出口１９Ａより噴出された塩化水素ガスは、ボール材２２と有孔小片２１とが混在された混在層２０を介して金属シリコン粉末Ｍ中に導入される。このとき、塩化水素ガスは、有孔小片２１同士、ボール材２２同士及び有孔小片２１とボール材２２との間の空隙を通じて導入されるため、塩化水素ガスは金属シリコン粉末Ｍ中に均一に分散されることになる。
【００２１】
このようにして装置本体１１内部に投入された金属シリコン粉末Ｍに塩化水素ガスが導入されることによって、金属シリコン粉末Ｍが装置本体１１内を均一に流動することになる。ここで、攪拌手段１５がモータ１５ａによって回転され、金属シリコン粉末Ｍの流動がさらに促進される。金属シリコン粉末Ｍが流動しながら塩化水素ガスと接触することで、金属シリコン粉末Ｍと塩化水素ガスとが反応し、トリクロロシランのガスが生成する。
【００２２】
生成したトリクロロシランのガスは、装置本体１１の天面部に設けられたガス出口１４から取り出され、後工程へと供給される。
【００２３】
また、このトリクロロシラン製造用反応装置１０を一定時間使用した後には、ボール材２２と有孔小片２１を取り出し、セパレータによってボール材２２と有孔小片２１に分離し、それぞれ洗浄して再使用される。
【００２４】
このような構成とされた本実施形態であるトリクロロシラン製造用反応装置１０では、装置本体１１の底部側に設けられたガス導入手段１６の噴出部材１９（噴出口）の上側に、円形平板状をなす有孔小片２１とボール材２２とが混在した混在層２０が設けられているので、有孔小片２１の間にボール材２２が介在して有孔小片２１が積み重なるように密着することがなくなり、空隙が確保される。また、有孔小片２１がボール材２２の外表面と接触するように配置されているので、噴出する塩化水素ガスによって動き易くなる。
【００２５】
したがって、噴出部材１９の噴出口１９Ａから噴出された塩化水素ガスは、図４の矢印で示すように、有孔小片２１同士、ボール材２２同士、及び、有孔小片２１とボール材２２との間の空隙を通じて金属シリコン粉末Ｍ側へと導入されるとともに、噴出する塩化水素ガスにより有孔小片が動作することによって、塩化水素ガスを広く分散させることができ、金属シリコン粉末Ｍと塩化水素ガスとの接触を均一にし、四塩化珪素の発生を極力少なくし、トリクロロシランの生産効率の向上を図ることができる。
また、これらボール材２２と有孔小片２１とによって、噴出部材１９の噴出口１９Ａに金属シリコン粉末Ｍが入り込むことを抑制し、噴出口１９Ａの目詰まりを防止できる。
【００２６】
ボール材２２の直径Ｄ１が５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定され、有孔小片２１が円形平板状をなし、この有孔小片２１の外径Ｄ２が４ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定されているので、噴出する塩化水素ガスによってボール材２２や有孔小片２１が吹き上がることを防止できるともに、ボール材２２と有孔小片２１とを混在させて配置し、混在層２０を設けることができる。
【００２７】
また、有孔小片２１の内径ｄがボール材２２の直径Ｄ１よりも小さく設定されているので、ボール材２２が有孔小片２１の内部に入り込んでしまうことがなくなり、有孔小片２１同士が積み重なるように密着することを防止できる。
さらに、これらボール材２２と有孔小片２１が、噴出部材１９の噴出口１９Ａよりも大きく設定されているので、ボール材２２や有孔小片２１によって噴出口１９Ａを塞いでしまうことがない。
【００２８】
これらボール部材２２と有孔小片２１とは、塩化水素ガスの噴出圧力によって装置本体１１の上部に吹き上がってしまう現象は抑えつつ、装置本体１１の下部でわずかに動く程度で滞留している状態とすることにより、塩化水素ガスを広く分散させることができる。本実施形態で、ボール材２２と有孔小片２１の混合比率が、ボール材２２の重量Ｗ１、有孔小片２１の重量Ｗ２の重量比で、Ｗ１／Ｗ２＝０．５〜５となるように設定したのは、ボール部材２２が有孔小片２１の０．５倍の重量比よりも少ないと、有孔小片２１が塩化水素ガスによって吹き上がってしまう現象を抑えることが難しくなり、逆に５倍の重量比を超えると、ボール部材２２が下に沈んで有孔小片２１との混在状態が維持し難くなるからである。したがって、この重量比としたことにより、ボール材２２を有孔小片２１同士の間に介在させて空隙を確保することができ、塩化水素ガスの分散効果を確実に奏功せしめることができる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態であるトリクロロシラン製造用反応装置について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、有孔小片として円形平板状をなすワッシャを用いたもので説明したが、有孔小片の形状はこれに限定されることはなく、矩形平板状等であってもよい。但し、本実施形態のように汎用のワッシャを用いることで、低コストで本発明に係るトリクロロシラン製造用反応装置を構成することができる。
【００３０】
また、ボール材や有孔小片をステンレス鋼からなるものとして説明したが、これらボール材や有孔小片の材質に限定はなく、例えばセラミックスや一般鋼材であってもよい。塩化水素に対する耐食性を備えた材質で構成することで、これらボール材や有孔小片の寿命延長を図ることもできる。
また、塊状部材としてボール材を適用したもので説明したが、これに限定されることはなく、立方体形状や直方体形状等であってもよい。
さらに、この塊状部材としてのボール材の直径を有孔小片であるワッシャの内径より大きくすることにより、塊状部材が有孔小片の孔に挿通されないようにしたが、塊状部材が棒状等の場合に、その棒の径が有孔小片の孔より小さくても、棒の長さが孔に比べて十分に大きく設定されていれば、有孔小片の孔に挿通し難い状態となる。本発明で有孔小片の貫通孔について塊状部材が挿通されない大きさと特定しているのは、このように測定方向によっては貫通孔より小さい部分があったとしても、細長い形状となっているなど、その向き等によって容易には貫通孔内を通り抜けられない形状のものも含む趣旨である。
【００３１】
また、装置本体の形状や、ガス導入手段、ガス出口、金属シリコン粉末供給口、排出口及び攪拌手段の構成については、図示したものに限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。図４に示す例では、噴出部材１９の噴出口１９Ａが仕切り板１１Ａの上面と面一な状態とされているが、必ずしも面一な状態でなくともよく、噴出部材１９の先端部（噴出口１９Ａ）を仕切り板１１Ａの上面からわずかに突出させてもよい。
【００３２】
さらに、本実施形態では、ボール材２２と有孔小片２１の混合比率を、ボール材２２の重量Ｗ１、有孔小片２１の重量Ｗ２の重量比で、Ｗ１／Ｗ２＝０．５〜５となるように設定したが、この混合比率のときが塩化水素ガスの分散効率が最も良くなるが、この混合比率以外のものを除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態であるトリクロロシラン製造用反応装置の説明図である。
【図２】図１に示すトリクロロシラン製造用反応装置に用いられるボール材の説明図である。
【図３】図１に示すトリクロロシラン製造用反応装置に用いられる有孔小片の説明図である。
【図４】図１に示すトリクロロシラン製造用反応装置に設けられた混合層におけるボール材および有孔小片の状態の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  トリクロロシラン製造用反応装置
１１  装置本体
１９  噴出部材
１９Ａ  噴出口
２１  有孔小片
２２  ボール材（塊状部材）
【図１】
0005343493.tif 000002
【図２】
0005343493.tif 000003
【図３】
0005343493.tif 000004
【図４】
0005343493.tif 000005