用于制備硅烷的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于制備硅烷的方法和系統(tǒng)
[0001 ] 本申請(qǐng)是由MEMC電子材料有限公司于2011年12月13日提交的國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2011 /064545的發(fā)明名稱(chēng)為“用于制備硅烷的方法和系統(tǒng)”的國(guó)際申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。該國(guó)際申請(qǐng)PCT/US2011/064545進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段的日期為2013年8月21日，國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?01180068094.0。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開(kāi)內(nèi)容的領(lǐng)域涉及制備硅烷的方法，特別是包括使用電解以使反應(yīng)性組分再生的方法。一些特定實(shí)施方案涉及其中硅烷的制備是關(guān)于鹵素和/或堿或堿土金屬的基本“閉環(huán)”的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]硅烷是具有許多工業(yè)用途的多用途化合物。在半導(dǎo)體工業(yè)中，硅烷可用于使外延硅層沉積于半導(dǎo)體晶片上并用于制備多晶硅。多晶硅為用于生產(chǎn)許多商品(包括例如集成電路和光伏(即太陽(yáng)能)電池)的重要原料，其可通過(guò)在流化床反應(yīng)器中使硅烷熱分解成硅顆粒而制備。
[0004]硅烷可通過(guò)使四氟化硅與堿或堿土金屬鋁氫化物如四氫化鋁鈉反應(yīng)而制備，如美國(guó)專(zhuān)利N0.4，632，816所公開(kāi)的，通過(guò)引用將其并入本文中以用于所有相關(guān)和一致目的。該方法的特征在于高能量效率;然而，原料成本可能不利地影響該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
[0005]或者，娃燒可通過(guò)所謂的“Un1n Carbide Process”制備，其中使冶金級(jí)娃與氫氣和四氯化娃反應(yīng)以產(chǎn)生三氯娃燒，如Mill Ier等人在“Development and EconomicEvaluat1n of a Reactive Distillat1n Process for Si lane Product1n，，，Distillat1n and Adsorpt1n: Integrated Processes，2002中所述，通過(guò)引用將其并入本文中以用于所有相關(guān)和一致目的。隨后使三氯硅烷通過(guò)一系列歧化和蒸餾步驟以產(chǎn)生硅烷最終產(chǎn)物。該方法需要大量再循環(huán)料流，這提高了初始設(shè)備成本以及操作成本。
[0006]因此，仍需要制備硅烷的方法和為關(guān)于制備方法中所用某些材料為閉環(huán)的方法。還需要用于進(jìn)行這類(lèi)方法的系統(tǒng)，包括基本閉環(huán)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本公開(kāi)內(nèi)容一方面涉及由堿或堿土金屬鹵化物鹽的來(lái)源制備硅烷的方法。該方法包括將堿或堿土金屬鹵化物鹽電解以產(chǎn)生金屬堿或堿土金屬和鹵素氣體。使金屬堿或堿土金屬與氫氣接觸以產(chǎn)生堿或堿土金屬氫化物。含有至少一種選自四齒化娃、三齒娃燒、二齒硅烷和一鹵硅烷的鹵代硅烷的鹵化硅進(jìn)料氣體通過(guò)使鹵素氣體與至少一種如下組分接觸而制備:(I)與硅接觸以產(chǎn)生四鹵化硅，和(2)與氫氣接觸以產(chǎn)生鹵化氫，其中使鹵化氫與硅進(jìn)一步接觸以產(chǎn)生含有四鹵化硅和三鹵硅烷的混合物。使鹵化進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬氫化物鹽。
[0008]本公開(kāi)內(nèi)容的另一方面涉及在關(guān)于堿或堿土金屬的基本閉環(huán)系統(tǒng)中制備硅烷的方法。使鹵化硅進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽。將鹵化物鹽電解以產(chǎn)生金屬堿或堿土金屬和鹵素氣體。使金屬堿或堿土金屬與氫氣接觸以產(chǎn)生堿或堿土金屬氫化物。使通過(guò)金屬堿或堿土金屬與氫氣接觸而產(chǎn)生的堿或堿土金屬氫化物與鹵化硅進(jìn)料氣體接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽。
[0009]本公開(kāi)內(nèi)容的又一方面涉及在關(guān)于鹵素的基本閉環(huán)系統(tǒng)中制備硅烷的方法。使含有至少一種選自四齒化娃、三齒娃燒、二齒娃燒和一齒娃燒的齒代娃燒的齒化娃進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽。將鹵化物鹽電解以產(chǎn)生金屬堿或堿土金屬和齒素氣體。包含至少一種選自四齒化娃、三齒娃燒、二齒娃燒和一齒娃烷的鹵代硅烷的鹵化硅進(jìn)料氣體通過(guò)使鹵素氣體與至少一種如下組分接觸而制備:(I)與硅接觸以產(chǎn)生四鹵化硅，和(2)與氫氣接觸以產(chǎn)生鹵化氫，其中使鹵化氫與硅進(jìn)一步接觸以產(chǎn)生包含四鹵化硅和三鹵硅烷的混合物。使鹵化硅進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽。
[0010]在本公開(kāi)內(nèi)容的另一方面中，用于制備多晶硅的閉環(huán)方法包括使含有至少一種選自四鹵化硅、三鹵硅烷、二鹵硅烷和一鹵硅烷的鹵代硅烷的鹵化硅進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽。硅烷熱分解以產(chǎn)生多晶硅和氫氣。鹵化物鹽電解以產(chǎn)生金屬堿或堿土金屬和齒素氣體。包含至少一種選自四齒化娃、三齒娃燒、二鹵硅烷和一鹵硅烷的鹵代硅烷的鹵化硅進(jìn)料氣體通過(guò)使通過(guò)堿或堿土金屬鹵化物電解產(chǎn)生的鹵素氣體與至少一種如下組分接觸而制備:(I)與硅接觸以產(chǎn)生四鹵化硅，和(2)與氫氣接觸以產(chǎn)生鹵化氫，其中使鹵化氫與硅進(jìn)一步接觸以產(chǎn)生包含四鹵化硅和三鹵硅烷的混合物。使金屬堿或堿土金屬與由硅烷熱分解產(chǎn)生的氫氣接觸以產(chǎn)生堿或堿土金屬氫化物。使通過(guò)鹵素氣體或鹵化氫與硅接觸而產(chǎn)生的鹵化硅進(jìn)料氣體與通過(guò)金屬堿或堿土金屬與氫氣接觸而產(chǎn)生的堿或堿土金屬氫化物接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽。
[0011]在本公開(kāi)內(nèi)容的又一方面中，在基本閉環(huán)方法中制備硅烷的系統(tǒng)包含用于將堿或堿土金屬鹵化物鹽電解以產(chǎn)生金屬堿或堿土金屬和鹵素氣體的容器。該系統(tǒng)包含鹵化反應(yīng)器，其用于通過(guò)使硅與(I)從容器中排出的鹵素氣體和(2)通過(guò)使從容器中排出的鹵素氣體與氫氣接觸而產(chǎn)生的鹵化氫中的至少一種反應(yīng)而制備(I)四鹵化硅和(2)三鹵硅烷中的至少一種。該系統(tǒng)包含用于使從容器中排出的金屬堿或堿土金屬與氫氣反應(yīng)以產(chǎn)生堿或堿土金屬氫化物的氫化物反應(yīng)器。該系統(tǒng)包含用于使(I)四鹵化硅和(2)三鹵硅烷中的至少一種與堿或堿土金屬氫化物反應(yīng)以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽的硅烷反應(yīng)器。
[0012]存在關(guān)于本公開(kāi)內(nèi)容的上述方面指出的特征的各種細(xì)化。同樣也可將其它特征并入本公開(kāi)內(nèi)容的上述方面中。這些細(xì)化和其它特征可單獨(dú)或以任何組合存在。例如，可將下文關(guān)于本公開(kāi)內(nèi)容的任何所述實(shí)施方案討論的各個(gè)特征單獨(dú)或以任何組合并入本公開(kāi)內(nèi)容的任何上述方面中。
[0013]簡(jiǎn)言之，本發(fā)明涉及以下技術(shù)方案。
[0014]1.由堿或堿土金屬鹵化物鹽來(lái)源制備硅烷的方法，所述方法包括:
[0015]將堿或堿土金屬鹵化物鹽電解以產(chǎn)生金屬堿或堿土金屬和鹵素氣體；
[0016]使金屬堿或堿土金屬與氫氣接觸以產(chǎn)生堿或堿土金屬氫化物；
[0017]通過(guò)使鹵素氣體與至少一種如下組分接觸而制備包含至少一種選自四鹵化硅、三鹵硅烷、二鹵硅烷和一鹵硅烷的鹵代硅烷的鹵化硅進(jìn)料氣體:
[0018](I)與硅接觸以產(chǎn)生四鹵化硅;和
[0019](2)與氫氣接觸以產(chǎn)生鹵化氫，其中使鹵化氫與硅進(jìn)一步接觸以產(chǎn)生包含四鹵化硅和三鹵硅烷的混合物;和
[0020]使鹵化進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬氫化物土卜
ΠΤΤ.0
[0021]2.根據(jù)實(shí)施方案I的方法，其包括在鹵化進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以前將鹵化硅進(jìn)料氣體引入歧化系統(tǒng)中。
[0022]3.根據(jù)實(shí)施方案I或?qū)嵤┓桨?的方法，其中使金屬堿或堿土金屬與氫氣在選自甲苯、二甲醚、二甘醇二甲醚、NaAlCl4及其混合物的溶劑中接觸。
[0023]4.根據(jù)實(shí)施方案3的方法，其中將金屬堿或堿土金屬加入含有溶劑的反應(yīng)容器中以形成反應(yīng)混合物，且其中使氫氣鼓泡通過(guò)反應(yīng)混合物。
[0024]5.根據(jù)實(shí)施方案1-4中任一項(xiàng)的方法，其中使堿或堿土金屬氫化物與鹵化硅進(jìn)料氣體在選自甲苯、二甲醚、二甘醇二甲醚、NaAlCl4及其混合物的溶劑中接觸。
[0025]6.根據(jù)實(shí)施方案5的方法，其中溶劑含有催化劑。
[0026]7.根據(jù)實(shí)施方案6的方法，其中催化劑選自三乙基鋁、各種路易斯酸、痕量堿金屬及其混合物。
[0027]8.根據(jù)實(shí)施方案3-7中任一項(xiàng)的方法，其中當(dāng)堿或堿土金屬氫化物與鹵化硅進(jìn)料氣體接觸時(shí)產(chǎn)生包含齒化物鹽和溶劑的廢溶劑，所述方法包括通過(guò)將齒化物鹽與溶劑分離而使溶劑再生。
[0028]9.根據(jù)實(shí)施方案8的方法，其中鹵化物鹽與溶劑通過(guò)將溶劑從鹽中蒸發(fā)并在蒸發(fā)以后將溶劑冷凝而分離。
[0029 ] 1.根據(jù)實(shí)施方案1-9中任一項(xiàng)的方法，其中齒化娃進(jìn)料氣體包含一種或多種金屬鹵化物雜質(zhì)，所述方法包括冷卻鹵化硅進(jìn)料氣體以使金屬鹵化物雜質(zhì)沉淀。
[0030]11.根據(jù)實(shí)施方案1-10中任一項(xiàng)的方法，其中鹵化物鹽通過(guò)如下步驟電解:
[0031]將鹽引入容器中，所述容器包含陰極、置于陰極內(nèi)的陽(yáng)極和置于陰極與陽(yáng)極之間的隔離物；
[0032]將電流施加于陰極和陽(yáng)極上以產(chǎn)生鹵素氣體和金屬堿或堿土金屬;和
[0033]將鹵素氣體和金屬堿或堿土金屬?gòu)娜萜髦信懦觥?br>[0034]12.根據(jù)實(shí)施方案11的方法，其中將至少一種選自氯化鈣、氯化鋁和碳酸鈉的化合物加入容器中以降低鹵化物鹽的熔點(diǎn)。
[0035]13.根據(jù)實(shí)施方案1-12中任一項(xiàng)的方法，其中將顆粒硅以及鹵素氣體和鹵化氫中的至少一種引入流化床反應(yīng)器中，其中鹵素氣體或鹵化氫將反應(yīng)器中的顆粒硅流化。
[0036]14.根據(jù)實(shí)施方案1-13中任一項(xiàng)的方法，其中將通過(guò)使鹵化硅進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸而制備的堿或堿土金屬鹽電解以產(chǎn)生金屬堿或堿土金屬和鹵素氣體。
[0037]15.根據(jù)實(shí)施方案1-14中任一項(xiàng)的方法，其中堿或堿土金屬選自鋰、鈉、鉀、鎂、鋇、鈣及其混合物。
[0038]16.根據(jù)實(shí)施方案1-14中任一項(xiàng)的方法，其中堿或堿土金屬為鈉。
[0039]17.根據(jù)實(shí)施方案1-16中任一項(xiàng)的方法，其中堿或堿土金屬鹵化物鹽包含選自氟、氯、溴、碘及其混合物的鹵素。
[0040]18.根據(jù)實(shí)施方案1-16中任一項(xiàng)的方法，其中堿或堿土金屬鹵化物鹽包含氯。
[0041 ] 19.在關(guān)于堿或堿土金屬的基本閉環(huán)系統(tǒng)中制備硅烷的方法，所述方法包括:
[0042]使鹵化硅進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽；
[0043]將鹵化物鹽電解以產(chǎn)生金屬堿或堿土金屬和鹵素氣體；
[0044]使金屬堿或堿土金屬與氫氣接觸以產(chǎn)生堿或堿土金屬氫化物;和
[0045]使通過(guò)金屬堿或堿土金屬和氫氣接觸而產(chǎn)生的堿或堿土金屬氫化物與鹵化硅進(jìn)料氣體接觸以產(chǎn)生硅烷和堿或堿土金屬鹵化物鹽。
[0046]20.根據(jù)實(shí)施方案19的方法，其包括在鹵化進(jìn)料氣體與堿或堿土金屬氫化物接觸以前將鹵化硅進(jìn)料氣體弓I入歧化系統(tǒng)中。
[0047]21.根據(jù)實(shí)施方案19或?qū)嵤┓桨?0的方法，其中使金屬堿或堿土金屬與氫氣在選自甲苯、二甲醚、二甘醇二甲醚、NaAlCl4及其混合物的溶劑中接觸。
[0048]22.根據(jù)實(shí)施方案21的方法，其中將金屬堿或堿土金屬加入含有溶劑的容器中以形成反應(yīng)混合物且其中使氫氣鼓泡通過(guò)反應(yīng)混合物。
[0049]23.根據(jù)實(shí)施方案19-22中任一項(xiàng)的方法，其中使堿或堿土金屬氫化物與鹵化硅進(jìn)料氣體在選自甲苯、二甲醚、二甘醇二甲醚、NaAlCl4及其混合物的溶劑中接觸。
[0050]24.根據(jù)實(shí)施方案23的方法，其中溶劑含有催化劑。
[0051 ] 25.根據(jù)實(shí)施方案24的方法，其中催化劑選自三乙基鋁、各種路易斯酸、痕量堿金屬及其混合物。
[0052]26.根據(jù)實(shí)施方案21-25中任一項(xiàng)的方法，其中當(dāng)堿或堿土金屬氫化物與鹵化硅進(jìn)料氣體接觸時(shí)產(chǎn)