DE3938897C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Trichlormonosilan, HSiCl₃.

Hochreines Trichlormonosilan wird als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Siliciumtransistoren benötigt.

Trichlormonosilan kann durch Reaktion von Siliciumpulver mit HCl-Gas im Wirbel- bzw. Fließbettreaktor hergestellt werden, wozu man HCl-Gas in den das Siliciumpulver enthaltenden Reaktor bei Temperaturen zwischen etwa 280°C und etwa 300°C einleitet. Aus dem bei der Wirbel- bzw. Fließbettreaktion entstandenen Produktgas wird zunächst ein Trichlormonosilan vom Siedepunkt 31,8°C durch Kondensation abgetrennt, welches dann durch Destillation von den entstandenen anderen Chlorsilanen befreit wird.

Zu diesem allgemein bekannten Stand der Technik wird beispielsweise verwiesen auf Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Aufl. Band 21 (1982), Seite 479. Ferner sei auf die DE 32 30 590 C2 hingewiesen, in der angegeben ist, daß die stark exotherme Umsetzung von Silicium mit Chlorwasserstoff stets zu einem Gemisch aus Tri- und Tetrachlorsilan führt. Dabei ist die Trichlorsilanausbeute um so niedriger, je höher man die Reaktionstemperatur wählt, wobei die Trichlorsilankonzentration im Reaktionsgemisch bei einer Reaktionstemperatur von 260°C etwa 95 Gew.-% beträgt und bei einer Reaktionstemperatur von 400°C etwa 70 Gew.-%. Im eigentlichen befaßt sich die DE 32 30 590 C2 mit der Umsetzung von Siliciumklumpen in einem senkrechtstehenden Reaktor mit Förderschnecke, wobei die Reaktanten bei Reaktionstemperaturen zwischen 260 und 500°C im Gleichstrom nach oben geführt werden.

Ausgangsmaterial zur konventionellen Herstellung von Trichlormonosilan im Wirbel- bzw. Fließbettverfahren ist jedoch ein durch Zerkleinern und Mahlen von Blockguß-Silicium erhaltenes Siliciumpulver. Aufgrund der beim Blockguß auftretenden langsamen Abkühlungsgeschwindigkeiten zeigen Legierungselemente und Verunreinigungen eine starke Entmischungsneigung, so daß das zerkleinerte und gemahlene Blockguß-Silicium als Pulver mit starken Abweichungen oder Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung seiner einzelnen Partikeln anfällt.

Die Qualität und die Homogenität des Siliciumpulvers üben einen merklichen Einfluß auf das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung von Trichlormonosilan in der Weise aus, daß eine wie die beschriebene Inhomogenität des Siliciumpulvers zu einer schlechten Ausnutzung des eingesetzten HCl-Gases führt. Dabei ist der Anteil an nicht umgesetztem HCl-Gas ein wichtiger Parameter bei der Herstellung von Trichlormonosilan, da nicht umgesetztes HCl-Gas die Verfahrenskosten beträchtlich erhöht. Außerdem wächst mit zunehmendem Anteil an nicht umgesetzten HCl-Gas die Bildung an SiCl₄ als unerwünschtem Nebenprodukt im Produktgas und erniedrigt damit die Ausbeute an dem herzustellenden Trichlormonosilan.

Die Erfindung zielt darauf ab, die Verfahrenskosten bei der Herstellung von Trichlormonosilan durch Reaktion von Siliciumpulver mit HCl-Gas zu senken und ein an Trichlormonosilan reicheres Produktgas zu erhalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, zur Ausübung des eingangs bezeichneten Verfahrens zur Herstellung von Trichlormonosilan durch Reaktion von Siliciumpulver mit HCl-Gas im Wirbel- bzw. Fließbettreaktor ein Siliciumpulver zur Verfügung zu stellen, bei dem die Reaktion mit dem HCl-Gas zu geringeren Anteilen an nicht umgesetzten HCl-Gas führt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein durch Gaszerstäubung von geschmolzenem Silicium erhaltenes Siliciumpulver mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 1000 µm, vorzugsweise zwischen 50 und 800 µm, eingesetzt wird.

Ein derartiges Siliciumpulver führt zu einer überraschend hohen HCl-Ausnutzung, indem der Anteil an nicht umgesetztem HCl-Gas im Produktgas gegenüber 5 bis 10% beim konventionellen Verfahren bei Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung nur noch 2 bis 3% beträgt. Ferner erzielt man gegenüber dem Stand der Technik ein an Reaktionsnebenprodukten, vor allem an SiCl₄, ärmeres Produktgas, dessen SiCl₄-Gehalt um 3 bis 5% niedriger liegt. Dies wiederum führt zu einer höheren Ausbeute an Trichlormonosilan.

Beispiel

Die folgenden Versuche wurden in einem Wirbelbettreaktor eines inneren Durchmessers von 40 mm ausgeführt. Bei sämtlichen Versuchen wurden gleiche Mengen an Silicium einer Partikelgröße zwischen 50 und 350 µm eingesetzt und das HCl-Gas bei einem Druck von 2 bar am Boden des Reaktors bei übereinstimmendem und konstant gehaltenem Gasfluß zugeführt. Nach Erhitzen und Start der Reaktion wurde die Reaktionstemperatur konstant bei 290°C gehalten. Unter diesen Bedingungen wurde der HCl-Gehalt des Produktgases gemessen.

Versuch A wurde mit einem konventionellen durch Zerkleinern und Mahlen von Blockguß-Silicium erhaltenen Pulver ausgeführt und Versuch B mit einem durch Zerstäuben von geschmolzenem Silicium mittels Stickstoff erhaltenen Pulver. Dabei hatten die eingesetzten Siliciumpulver folgende Zusammensetzung:

Als Ergebnis wurde gefunden, daß die HCl-Ausnutzung bei Versuch A (mit konventionellem Siliciumpulver) 92% betrug und bei Versuch B (erfindungsgemäß mit einem durch Zerstäuben einer Siliciumschmelze erhaltenen Siliciumpulver) auf 98% gesteigert war. Diese Ergebnisse zeigen, daß sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die HCl-Ausbeute gegenüber dem konventionellen Verfahren beträchtlich erhöhen läßt.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von Trichlormonosilan durch Umsetzung von Siliciumpulver mit HCl-Gas im Wirbel- bzw. Fließbettreaktor bei einer Temperatur zwischen 280 und 300°C, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Gaszerstäubung von geschmolzenem Silicium erhaltenes Siliciumpulver mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 1000 µm, vorzugsweise zwischen 50 und 800 µm, eingesetzt wird.