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    • 专利摘要:
    本發明揭示藉由使氫化物與鹵代矽烷反應而製造矽烷之方法。一些實施例包含使用不經機械性攪拌及其中可以逆流配置之方式引入反應物的塔。一些實施例包含使用具有多個反應區的檔板塔。
    公开号:TW201305051A
    申请号:TW101123333
    申请日:2012-06-28
    公开日:2013-02-01
    发明作者:Baisheng Zou；Puneet Gupta
    申请人:Memc Electronic Materials；
    IPC主号:C01B33-00
    专利说明:
    於一氣泡塔內製造矽烷的方法
    本發明之領域係關於製造矽烷之方法及特定言之，包括使用引入進料氣體及氫化物進料的塔反應器的方法。一些特定的實施例係關於包括使鹵代矽烷(例如，四鹵化矽氣體，諸如SiF4)與氫化物(例如，氫化鋁的鹼或鹼土金屬鹽，諸如NaAlH4)反應以製造矽烷的方法。 [相關申請案之交互參照]
    本申請案主張2011年6月28日申請的美國臨時專利申請案第61/502,145號之優先權，該案係以引用之方式併入文中。
    矽烷係具有很多工業用途的多功能化合物。在半導體工業中，矽烷可用於在半導體晶圓上沈積磊晶矽層及用於製造多晶矽。多晶矽係用以製造很多商業製品的重要原材料，該等商業製品包括例如可藉由在流化床反應器中使矽烷熱分解至矽粒子上而製造的積體電路及光電(即，太陽能)電池。
    如美國專利案號4,632,816及5,075,092(二者皆出於相關及一致之目標以引用之方式併入文中)中揭示，矽烷可藉由使四氟化矽與鹼或鹼土金屬氫化鋁(諸如四氫化鋁鈉)反應而製造。此方法之特徵在於高效率，然而，原材料成本會負面地影響此系統之經濟效應。
    因此對製造矽烷之經濟方法及可相對改善反應器產率及該等多種反應物之轉化的方法的需求持續存在。
    本發明之一態樣係關於在塔反應容器中製備矽烷之方法。該容器包括下進口、下出口、上進口及上出口並包括該容器中的反應混合物。包括氫化物的氫化物進料係引入該反應容器之上進口中。包含鹵代矽烷的進料氣體係引入該反應容器之下進口中以使該進料氣體鼓泡通過該反應混合物。該氫化物與該鹵代矽烷反應以產生矽烷及鹵鹽。包含矽烷的產物氣體係自上出口排出。包含鹵鹽的流出液係自下出口排出。
    本發明之另一態樣係關於在容器中具有反應混合物的反應容器中製備矽烷之方法。該容器具有一個或更多個形成串聯相連的兩個或更多個反應區的檔板。包含氫化物的氫化物進料係引入該反應容器中。包含鹵代矽烷的進料氣體係引入至該反應容器中以使該進料氣體鼓泡通過該反應混合物。該氫化物係與該鹵代矽烷反應以產生矽烷及鹵鹽。包含矽烷的產物氣體係自該反應容器排出。包含鹵鹽的流出液係自該反應容器排出。攪拌該反應混合物。
    多種改良存在提及的相關本發明之上述態樣的特徵。在本發明之上述態樣中同樣亦可併入另外的特徵。此等改良及另外的特徵可個別或以任何組合之形式存在。例如，下述相關本發明之任何說明實施例的多種特徵可單獨或以組合之形式併入本發明之任何上述態樣。
    對應的參考符號表示貫穿該等圖的對應部份。
    根據本發明之實施例，矽烷係藉由使鹵化物(例如，NaAlH4)與鹵代矽烷(例如，SiF4)在塔反應容器(其在該項技術中通常稱為「氣泡塔」)中反應而製造。在一些實施例中，該等反應物係以逆流關係引入該反應容器中，及視情況地，該塔係以(例如，無機械性攪拌)之方式操作使得該反應容器實質上用作關於該氣相的栓流反應器。或者或另外，對該反應容器設檔板以便在該反應容器中形成兩個或更多個反應區。在一些實施例中，攪拌一個或更多個反應區使得該反應器用作串聯相連的許多連續攪拌的槽反應器。視情況地，可使一個或更多個反應區冷卻並獨立於其他反應區控制熱轉移。另外，可監測該等區之一者的溫度(或通過該區的溫度上升)以測定反應物的轉化並調整反應物之各自流率。在該反應區中根據此等溫度改變的控制方案使得反應物之轉化被最大化，不需直接測量產物或反應物濃度。不像直接測量反應物或產物濃度需要專門的技術人員或實驗室人員，溫度測量(及結果對照)可在連續的基礎上進行並可幾乎即刻傳輸至操作者或自動控制處理器。
    參照圖1，氫化物進料7係引入反應容器10(同義「反應器(reactor)」)的上進口17中。該進料7包括一種或更多種氫化物化合物，諸如鹼或鹼土金屬氫化物(例如，NaH)或四氫化鋁之鹼或鹼土金屬鹽(例如，NaAlH4)。如本文所用，「氫化物」含有鹼或鹼土金屬及氫且亦可包括氫化鋁之鹼或鹼土金屬鹽。當不含有鋁時，鹵鹽可具有通式MHy，或當其等確實含有鋁時，具有通式M(AlH4)y，其中M係鹼或鹼土金屬，且當M為鹼金屬時，y為1及當M為鹼土金屬時，y為2。該氫化物(及下述所得的鹼或鹼性鹽副產物)之鹼或鹼土金屬可選自於由鋰、鈉、鉀、鎂、鋇、鈣及其等混合物之組成之群。鑒於鈉氫化物(例如，NaH及NAlH4)之廣泛可得性，鈉係較佳的鹼或鹼土金屬。在此方面，應瞭解根據本發明可使用任何鹼或鹼土金屬。鹼或鹼土金屬氫化物及四氫化鋁的鹼或鹼土金屬鹽可藉由在高壓及高溫下使其等元素前驅體(例如，Na、Al及H)反應而製造。
    該氫化物進料7其中典型地包含溶劑，諸如一種或更多種聚醚、烴或其等混合物。適宜之聚醚包括二乙二醇二甲醚、單乙二醇二甲醚、二烷及其等混合物，及適宜之烴包括甲苯、戊烷及其等混合物。典型上該氫化物係溶解於該溶劑中，然而在一些實施例中，該氫化物進料溶液包括於該反應溶液中形成漿液的固體氫化物。在此方面，如文中所用術語「溶液」(相關氫化物進料溶液及其他下述「溶液」)並不意欲受限於僅其中所有組分係溶解於溶劑的液體混合物，且包括其中固體係於該液體中形成漿液(例如，諸如洗滌型系統(sluice-type system))或甚至含有部份混溶或甚至完全不混溶的兩種液體的液體混合物。類似地，下述流出液5可能含有部份或全部溶解於其中的鹽且可能含有於該流出液中形成漿液的鹽。
    在氫化物進料7之溶劑中的氫化物之濃度可能改變，且在氫化物係溶解於溶劑的實施例中，濃度較佳係小於氫化物在選用溶劑中的溶解度極限。然而，該濃度應保持在相對高的濃度，使得可使用商業實用的反應容器大小。在多種實施例中，該氫化物之濃度可為至少約3%，至少約5%，至少約7%或甚至至少約10%。在此等及在其他實施例中，該濃度可為小於約15%，小於約13%或小於約11%。該濃度可由上述參數之任意組合限定(例如，自約5%至約13%)。應注意該選用的特定濃度可視該特定溶劑及氫化物與進料7之溫度而變化。該氫化物進料7之溫度亦可改變，及典型上，在進入該反應容器10之前不需要先加熱或冷卻該氫化物進料(例如，該氫化物進料可在約室溫下引入)。然而，在一些實施例中，較佳地冷卻該氫化物進料(例如，就含有NaAlH4的氫化物進料而言，冷卻至約20℃)，以使得該氫化物可自該產物氣體吸收未反應的鹵代矽烷(例如，SiF4)。
    在一些實施例中，該氫化物進料7係計量至該反應容器中的固體。在此等實施例中，將包含溶劑(例如，其中發生反應的反應介質)的液體進料引入至該反應容器10中且該溶劑與氫化物在該反應容器中混合(例如，藉由如下述的其中氣體之鼓泡作用)。
    鹵代矽烷進料氣體3係經由下進口13引入至該反應容器10中。可使用噴佈器來幫助將氣體3分佈至該反應混合物中或可藉由彼等熟習此項技術者可利用的任何其他方法(例如，噴嘴)將該氣體引入至該容器中。該進料氣體3包括選自四鹵化矽(例如，SiF4)、三鹵代矽烷(例如，SiHCl3)、二鹵代矽烷或單鹵代矽烷的氣體。在此方面，一些鹵代矽烷在室溫下為液體，及在於進料氣體中使用此鹵代矽烷的實施例中，該進料氣體可處於高於室溫的溫度下及典型上將處於高於該選用的鹵代矽烷之沸點的溫度下。一般而言可使用任何鹵素(例如，氟、氯、溴或碘)，其中相較於其他鹵素，氟為較佳的鹵素，因所得的副產物氟化物鹽較不易與該溶劑形成錯合物。在一些實施例中，該鹵代矽烷係四鹵化矽(例如，SiF4)。在此等及在其他實施例中，該在氫化物進料7中引入該反應容器10中的氫化物可為四氫化鋁之鹼或鹼土金屬鹽(例如，NaAlH4)。
    應注意一部份(例如，高達75%)該進料氣體3可在除該下進口13以外的某一點引入該反應容器10中，其可有助於減少競爭性的副產物反應並改善對矽烷的選擇性。在一些實施例中，一部份該進料氣體係引入該最低反應區上方的容器10之反應區中(例如，下面描述的中間反應區)。
    一般而言，該進料氣體3及氫化物進料7(例如，進料溶液)可在室溫下引入該反應容器10中；然而該進料氣體3之溫度應保持高於該鹵代矽烷仍為氣體的最低溫度。另外，該進料氣體3及氫化物進料7之溫度可在商用限制內變化且通常不需要加熱及冷卻該進料氣體3及氫化物進料7。在一些實施例中及在該進料氣體3包含SiF4的特定實施例中，該進料氣體3通常可在自約20℃至約100℃的溫度下引入。在一些實施例中及在該氫化物進料包含NaAlH4的特定實施例中，該氫化物進料7可在至少約15℃之溫度下(例如，自約15℃至約55℃)引入。該反應容器10可在大氣壓力下操作或可增壓(例如，自約0至約300 Kpa)。
    較佳地該鹵代矽烷及氫化物係以約其等化學計量比引入該反應容器10中(例如，如以下反應3i中顯示的當NaAlH4及SiF4係用作反應物時，約1：1莫耳比)使得所有反應物均被消耗；然而在不脫離本發明之範圍內可使用過量的鹵代矽烷或氫化物。在使用一種過量的反應物的一些實施例中，此反應物之過量部份可小於該反應物之化學計量的約20%或小於約10%，小於約5%或小於約2%。
    該進料氣體3中的鹵代矽烷與該反應混合物中的氫化物(其根據選用的氫化物可溶解於液體或可為固體)反應以形成矽烷及鹵鹽。在該氫化物為鹼或鹼土金屬鹵化物及該鹵代矽烷進料氣體包含四鹵化矽的實施例中，該反應可根據以下反應(1)進行及在該氫化物係鹼或鹼土金屬鹵化物的實施例中，該進料氣體包含三鹵代矽烷化合物的實施例中，其可根據以下反應(2)進行：(4/y)MHy+SiX4 → (4/y)MXy+SiH4 (1)
    3MHy+ySiHX3 → 3MXy+ySiH4 (2)其中X為鹵素，M為鹼或鹼土金屬，當M為鹼金屬時，y為1且當M為鹼土金屬時，y為2。例如當M為Na且X為F時，該等反應如下進行，4NaH+SiF4 → 4NaF+SiH4 (1i)
    3NaH+SiHF3 → 3NaF+SiH4 (2i)。
    當M為Ba且X為F時，該等反應如下進行，2BaH2+SiF4 → 2BaF2+SiH4 (1ii)
    3BaH2+2SiHF3 → 3BaF2+2SiH4 (2ii)。
    在使用氫化鋁之鹼或鹼土金屬鹽的實施例中，該等各自的反應可根據以下顯示的反應(3)及(4)進行：M(AlH4)y+YSiX4 → M(AlX4)y+YSiH4 (3)，3M(AlH4)y+(4Y)SiHX3 → 3M(AlX4)y+(4Y)SiH4 (4)其中當M為鹼金屬時，y為1且當M為鹼土金屬時，y為2。例如，當M為Na且X為F時，該等反應係如下進行，NaAlH4+SiF4 → NaAlF4+SiH4 (3i)，3NaAlH4+4SiHF3 → 3NaAlF4+4SiH4 (4i)。
    當M為Ba且X為F時，該等反應係如下進行，Ba(AlH4)2+2SiF4 → Ba(AlF4)2+2SiH4 (3ii)，3Ba(AlH4)2+8SiHF3 → 3Ba(AlF4)2+8SiH4 (4ii)。
    矽烷氣體係在反應容器10中產生且此氣體可作為產物氣體19自該容器之上出口9撤出。在該容器10中的液體含量通常保持在低於進口17的含量，使得氣體釋放區域在進口17上方形成，其使得產物氣體19自該液體分離。除矽烷氣體以外，鹵鹽(例如，NaF或NaAlF4)係在該容器10中產生，其可經由下出口15在流出液5中排出。該鹵鹽可為於該流出液5中形成漿液(且可部份溶解)的固體或根據流出液溫度及產生的鹵鹽可為完全溶解的。一般而言，該進料氣體3及氫化物進料7係以連續方式引入該反應容器10中及含矽烷的產物氣體19及流出液5係連續地自該容器10撤出。應注意本文使用術語「連續(continuous)」及「連續地(continuously)」暗指該等各自的反應物(即，進料氣體及氫化物進料)及產物(即，產物氣體及流出液)之各者係相對於其他反應物及產物同時引入及撤出。
    另外應注意如文中所用的術語「進口」及「出口」通常意指反應容器10中的開口，經由該開口傳送流體(例如，流動的固體、液體或氣體)且不應視作有限制意義。如文中所用，「進口」或「出口」包括，例如凸緣進口或出口(經由該進口或出口連接適當之源管道)且亦包括源管道可(例如，藉由焊接)直接連接的在該反應容器之壁面中的開口。另外，該下進口(經由其引入鹵代矽烷)可為用以分佈氣體的氣體噴佈器之出口或一個或更多個噴嘴之出口。
    應注意，如文中所用，在「下進口13」或「下出口15」中使用的術語「下」意欲說明相對於上進口17及上出口9通常更接近該反應容器10之底端26的出口或進口(即，更接近地面，其使得氣體在經由進口13引入之後在該反應容器中向上鼓泡)。類似地，如在「上進口17」或「上出口9」中使用的術語「上」說明相對於下進口13及下出口15更接近該反應容器10之頂端22的進口或出口。
    該反應容器10典型上係塔反應容器(即，具有超過該容器之寬度的高度)；然而，該容器10不需要為圓柱形。在一些實施例中，該容器10係圓柱形並具有自該容器之中心向該容器壁面延伸的直徑D。該容器之高度與其直徑的比可為至少約4，至少約8或甚至至少約10(例如，自約4至約10)。
    在一些實施例中，圖1之反應容器並不經機械性攪拌。當該氣體上升至該反應容器10之上部時，該反應混合物可藉由該反應混合物中的氣體之「鼓泡作用」攪拌。此「鼓泡作用」有助於提供反應器內容物之徑向均勻性。如文中使用「機械性」攪拌意指藉由使用除該反應混合物中的氣體之鼓泡作用以外的任何方法形成的攪拌。
    藉由以逆流關係將該進料氣體3及氫化物進料7引入該反應容器10中使得該氣體向上鼓泡通過該反應混合物，該氫化物及鹵代矽烷之轉化可相對於習知的反應系統增加。通常地，自氣態組分的角度來看，該鹵化物與鹵代矽烷氣體之間的反應係在接近理想逆流栓流的條件下進行，然而應瞭解本發明並不限於栓流條件或接近或近似栓流的條件。液態組分典型上並不以理想的栓流方式表現，因為液態組分可在該反應容器中局部再循環。根據本發明之實施例，該所需的反應轉化可在一個反應容器(即，氣泡塔)而不是複數個容器中達成。然而應瞭解可在不脫離本發明之範圍內(例如，串聯或並聯地)使用多個反應容器(即，氣泡塔)，及如在一些實施例中，該反應容器10可以並流配置或以部份逆流方式操作。
    在較佳實施例中，該反應容器10係以逆流方式操作，原因在於反應物及產物之逆流流動有助於防止該反應混合物膠凝。在此等實施例中，較佳將一個或更多個檔板30併入該塔中。在無一個或更多個檔板及攪拌的氣泡塔中的液相可形成再循環模式，其中液體接近壁面向下流動並藉由在該容器中心的氣體流動迫使液體向上。該等檔板30及機械性攪拌中斷該等液體組分之向上流動及該反應容器比不使用檔板的實施例更緊密地接近逆流栓流。
    典型上不使用催化劑來促進該鹵化物與鹵代矽烷之間的反應，然而在一些實施例中，可將一定量的催化劑(諸如，例如三乙基鋁，多種路易斯酸或痕量的鹼金屬(例如雜質路易斯酸，諸如金屬氯化物))添加至該反應容器10。此等催化劑降低反應(1)至(4)達成充分轉化的溫度。在不採用催化劑的實施例中，該反應容器可在至少約120℃之溫度下操作(例如，自約120℃至約225℃或自約140℃至約200℃)；然而，在使用催化劑的實施例中，該反應容器可在至少約室溫(約25℃)的相對低溫度下操作(例如，自約25℃至約125℃，自約40℃至約100℃或自約40℃至約60℃)。在此方面，應注意該反應混合物之溫度典型上沿著該反應容器10之長度變化及該等引述的溫度僅係示例性的且不應視作具有限制意義。
    添加至該反應容器10的液體材料之平均停留時間可自約5分鐘至約60分鐘及氣體(例如，當在該反應容器中上升時改變組成的氣泡)之停留時間可為自約5至約30秒。
    自該容器10撤出的產物氣體19可為相當純的(例如，含有小於約5體積%或甚至小於約2體積%除矽烷以外的化合物)。在該產物氣體19自該反應容器10移除之後，該產物氣體19可接受進一步處理。例如，可藉由如美國專利第5,211,931號、美國專利第4,554,141號或美國專利第5,206,004號中(各者出於全部相關及一致目標係以引用之方式併入文中)揭示的引入至一個或更多個蒸餾塔及/或分子篩中移除雜質或藉由彼等熟習該項技術者可獲得的任何其他的已知方法純化該氣體19(例如，移除化合物，諸如硼鹵化物或磷鹵化物)。
    該產物氣體19可用以製備多晶矽(例如，粒狀或塊狀多晶矽)或用以在矽晶圓上製備一個或更多個磊晶層。矽烷在使用之前可如彼等熟習該項技術者所瞭解的儲藏及/或運輸。
    應注意在該反應容器10中的反應混合物可包括氣相、液相及/或固相組分且該反應混合物之組成沿著該容器之長度(即，高度)變化。因此，如文中所用短語「反應混合物」之應用不應視作具有限制意義。
    在本發明之一些實施例中，在該反應容器10中該氫化物(例如，NaAlH4)之轉化係至少約80%。在一些實施例中，該氫化物之轉化係至少約85%，至少約90%，至少約95%，至少約99%，至少約99.9%或甚至約100%。在此等及在其他實施例中，在該反應容器10中該鹵代矽烷(例如，SiF4)之轉化可為至少約80%，至少約85%，至少約90%，至少約95%，至少約99%，至少約99.9%或甚至100%。
    在本發明之一些實施例中及如圖2及3中顯示，該反應容器10'含有一個或更多個檔板30，其等限定兩個或更多個串聯相連的反應區。如圖2中顯示，該反應容器10'含有單一的檔板30，其將該容器10'劃分成上反應區37及下反應區35及圖3之反應容器10'含有兩個檔板30，其將該容器劃分成下反應區35、中間反應區36及上反應區37。應瞭解該容器不受限制可具有另外的檔板及反應區。在此方面，經攪拌的反應區中的反應條件通常接近經連續理想攪拌的槽反應器(CSTR)如此使得該反應容器起到許多CSTR之作用。當攪拌兩個或更多個相鄰的反應區時，該等相鄰的反應區起到許多串聯操作的CSTR之作用。
    該等檔板30可在不脫離本發明之範圍內採用任何多種形狀。在一些實施例中，諸如其中該容器10'係圓柱體的實施例，該等檔板30可為環形。該等檔板應按大小排列使得其等在區域之間提供充分的隔離同時獲得充分的流動，無可接受量的壓力損失。
    該進料氣體3，產物氣體19，氫化物進料7及流出液5可以圖1中顯示的相同配置(即，進口及出口之配置)自反應容器10'引入或撤出，然而，可不受限制地使用其他配置。
    如圖2及3中顯示，該反應混合物係藉由使用機械式攪拌器40混合。該攪拌器40可為具有軸49及許多葉片44的葉輪型攪拌器。如圖2及3中顯示，每一反應區在該反應區中具有至少一葉片44；然而，應注意一些區域可能不受限制地不含有葉片。通常該機械式攪拌器40僅混合其中含有葉片的區域。應注意如圖2之下反應區中顯示的一個或更多個區域中可不受限制地含有多於一個葉片。該等葉片44可採用多種形狀及圖2中顯示的矩形葉片形狀不應視作具有限制意義。另外，除葉片攪拌器以外的機械式攪拌器(例如，帶式攪拌器)可不受限制地使用。在一些實施例中，並不使用機械式攪拌器及該等反應區係藉由該反應混合物中的氣體之鼓泡作用混合。
    在此方面，該反應容器10'之反應區中的反應混合物通常可處於不同的溫度。反應(1)-(4)係放熱反應及大部份的熱係在含有最高組成之氫化物溶液的上反應區(一般該頂部反應區)中產生。可(例如，藉由水套或藉由彼等熟習該項技術者可獲得及適用的任何其他用於冷卻之方法)使一個或更多個反應區中的反應混合物冷卻。例如在一些實施例中，可使圖2及3之容器10'的上反應區37冷卻(及視情況地圖3之中間反應區36)。矽烷與一些溶劑之蒸汽的混合物具爆炸性及冷卻該等上反應區有利地降低該溶劑之蒸汽壓力及爆炸的可能性。視情況地，該下反應區35並不冷卻。
    在一些實施例中，可監測該反應混合物之溫度(例如，在一個或更多個反應區中的溫度)以測定反應物是否發生充分的轉化(例如，以測定該反應是否處於或正接近完成)。例如，可監測在該下反應區35(其典型上在絕熱條件下操作)中的反應物混合物之溫度。可根據該等各自反應物流率及起始溫度(例如，藉由先前模型)測定實現100%轉化率的下反應區35中之該反應混合物之溫度T100。在未獲得T100或其中該溫度並不在T100之可接受範圍內的情況下，可降低該等流率以增加轉化，其導致溫度升高。類似地，若在下反應區35中獲得T100(或溫度在T100之可接受的範圍內)，則一種或兩種反應物流率可提高至高達未獲得T100的點(或其中該溫度落在T100之可接受範圍外)。
    或者或另外，可監測在下反應區35中的溫度上升(例如，自中間反應區36至下反應區35的溫度升高)。可測定在此底部反應區35中的可接受溫度上升T△(例如，至少約5℃上升，至少約10℃上升T△或至少約15℃上升)及，若未獲得可接受的溫度上升，可調整該一種或更多種反應物的流動(例如，若未達致該所期望的溫度，則流動增加)。關於調整該等反應物流率，較佳地可將該鹵代矽烷及氫化物以化學計量比引入該反應容器10'中使得所有反應物被消耗；然而，可在不脫離本發明之範圍內使用過量的鹵代矽烷或氫化物。
    用於藉由使鹵代矽烷與氫化物在如揭示的反應容器中反應而形成矽烷的一種或更多種本發明之實施例可併入製造多晶矽之較大的處理系統中。例如，根據本發明之一種或更多種實施例製造的矽烷可引入至具有經流化的顆粒狀多晶矽的流化床反應器，以根據彼等熟習該項技術者可獲得的用於進行此過程的任何方法熱分解矽烷並在該等粒子上沈積矽。或者，根據彼等熟習該項技術者可獲得的用於進行Siemens過程的任何方法，該矽烷可引入所謂的Siemens反應器中以沈積矽至受熱的桿上。
    如在2010年12月23日申請，命名為「製造矽烷之方法(Methods for Producing Silane)」的美國專利申請案第12/978,209號(其出於相關及一致之目的以引用之方式併入文中)中所描述，根據本發明一實施例之製造矽烷的方法可用於操作該矽烷反應器，其形成藉由電解而從鹼或鹼土金屬鹵化物鹽製造矽烷之方法的部份。或者或另外，如2010年12月15日申請，命名為「製造三氟化鋁之方法(Methods for Producing Aluminum Trifluoride)」的美國專利申請案第12/969,058中所描述，該製造的鹵鹽(例如，鋁鹵化物之鹼或鹼土金屬鹽，諸如NaAlF4)可在不存在矽下與酸接觸以製造三氟化鋁，或可如2010年12月15日申請，命名為「製造四氟化矽之方法(Methods for Producing Silicon Tetrafluoride)」的美國專利申請案第12/969,089號中所描述，在矽的存在下與酸接觸以製造四氟化矽，二者專利申請案皆出於相關及一致之目的以引用之方式併入文中。
    當介紹本發明之元素或其或其等較佳實施例時，冠詞「一(a)」、「一(an)」、「該(the)」及「該(said)」係意欲意指存在一種或更多種元素。術語「包括(comprising)」、「包括(including)」及「具有(having)」係意欲為包括性的並意指除所列的元素以外可存在另外的元素。
    由於可在不脫離本發明之範圍內對以上裝置及方法進行多種改變，則期望在以上發明說明中含有的及在附隨圖中顯示的所有內容應解釋為闡釋性的且並不具有限制意義。
    3‧‧‧鹵代矽烷進料氣體
    5‧‧‧流出液
    7‧‧‧氫化物進料
    9‧‧‧上出口
    10‧‧‧反應容器
    10'‧‧‧反應容器
    13‧‧‧下進口
    15‧‧‧下出口
    17‧‧‧上進口
    19‧‧‧產物氣體
    22‧‧‧反應容器之頂端
    26‧‧‧反應容器之底端
    30‧‧‧檔板
    35‧‧‧下反應區
    36‧‧‧中間反應區
    37‧‧‧上反應區
    40‧‧‧機械式攪拌器
    44‧‧‧葉片
    49‧‧‧軸
    圖1係製造矽烷的反應容器之示意圖，其顯示流進及流出該反應容器的反應物及產物。
    圖2係用於製造矽烷的具有兩個反應區的反應容器之示意圖，其顯示流進及流出該反應容器的反應物及產物；及圖3係用於製造矽烷的具有三個反應區的反應容器之示意圖，其顯示流進及流出該反應容器的反應物及產物。
    3‧‧‧鹵代矽烷進料氣體
    5‧‧‧流出液
    7‧‧‧氫化物進料
    9‧‧‧上出口
    10‧‧‧反應容器
    13‧‧‧下進口
    15‧‧‧下出口
    17‧‧‧上進口
    19‧‧‧產物氣
    22‧‧‧反應容器之頂端
    26‧‧‧反應容器之底端
    权利要求:
    Claims (50)
    [1] 一種在塔狀反應容器中製備矽烷之方法，該容器包括下進口、下出口、上進口及上出口並在其中具有反應混合物，該方法包括：將包含氫化物的氫化物進料引入該反應容器之上進口中；將包含鹵代矽烷的進料氣體引入至該反應容器之下進口中以使該進料氣體鼓泡通過該反應混合物，該氫化物與該鹵代矽烷反應以產生矽烷及鹵鹽；使包含矽烷的產物氣體自該上出口排出；及使包含鹵鹽的流出液自該下出口排出。
    [2] 如請求項1之方法，其中該氫化物係選自由鹼金屬或鹼土金屬氫化物、四氫化鋁之鹼金屬或鹼土金屬鹽及其組合組成之群。
    [3] 如請求項1之方法，其中該鹵代矽烷係選自由四鹵化矽、三鹵矽烷、二鹵矽烷、單鹵矽烷及其組合組成之群。
    [4] 如請求項1之方法，其中該氫化物係四氫化鋁之鹼金屬或鹼土金屬鹽，該鹵代矽烷係四鹵化矽及該鹵鹽係四鹵化鋁之鹼金屬或鹼土金屬鹽。
    [5] 如請求項1之方法，其中該氫化物係四氫化鋁之鈉鹽，該鹵代矽烷係四氟化矽及該鹵鹽係四氟化鋁之鈉鹽。
    [6] 如請求項1之方法，其中該排出的流出液係漿液。
    [7] 如請求項1之方法，其中該氫化物進料及進料氣體係連續引入該反應容器中且該產物氣體與流出液係連續地自該反應容器排出。
    [8] 如請求項1之方法，其中該反應容器不經機械性攪拌。
    [9] 如請求項1之方法，其中該氫化物進料係包含溶劑及氫化物的溶液。
    [10] 如請求項9之方法，其中該溶劑係選自由聚醚、烴及其混合物組成之群。
    [11] 如請求項10之方法，其中該等聚醚係選自由二乙二醇二甲醚、單乙二醇二甲醚、二烷及其混合物組成之群及該等烴係選自甲苯、戊烷及其混合物。
    [12] 如請求項1之方法，其中該氫化物進料包括固體氫化物。
    [13] 如請求項1之方法，其中該氫化物之轉化率係至少約80%。
    [14] 如請求項1之方法，其中該氫化物之轉化率係至少約80%。
    [15] 如請求項1之方法，其中該鹵代矽烷之轉化率係至少約80%。
    [16] 如請求項1之方法，其中該鹵代矽烷之轉化率係至少約80%。
    [17] 一種在其中具有反應混合物的反應容器中製備矽烷之方法，該容器具有一個或更多個檔板，該等檔板形成兩個或更多個串聯相連的反應區，該方法包括：將包含氫化物的氫化物進料引入該反應容器中；將包含鹵代矽烷的進料氣體引入該反應容器中以使該進料氣體鼓泡通過該反應混合物，該氫化物與該鹵代矽烷反應以產生矽烷及鹵鹽；使包含矽烷的產物氣體自該反應容器排出；使包含該鹵鹽的流出液自該反應容器排出；及攪拌該反應混合物。
    [18] 如請求項17之方法，其中將機械式攪拌器配置在該反應容器中。
    [19] 如請求項18之方法，其中該攪拌器攪拌該容器之一個或更多個反應區中的內容物，在每一經攪拌反應區中在氫化物與鹵代矽烷之間的反應係在接近連續理想攪拌的槽反應器之條件下進行。
    [20] 如請求項18之方法，其中該機械式攪拌器係具有一個或更多個配置在每一經攪拌反應區中之葉片的葉輪。
    [21] 如請求項18之方法，其中攪拌該反應容器之每一反應區。
    [22] 如請求項17之方法，其中該容器包括引入氫化物進料的上進口、引入進料氣體的下進口、排出產物氣體的上出口及排出流出液的下出口。
    [23] 如請求項17之方法，其中該氫化物進料及進料氣體係連續地引入該反應容器中且該產物氣體及流出液係連續地自該反應容器排出。
    [24] 如請求項17之方法，其中該氫化物進料係包含溶劑及氫化物的溶液。
    [25] 如請求項24之方法，其中溶劑係選自由聚醚、烴及其混合物組成之群。
    [26] 如請求項25之方法，其中該等聚醚係選自由二乙二醇二甲醚、單乙二醇二甲醚、二烷及其混合物組成之群及該等烴係選自甲苯、戊烷及其混合物。
    [27] 如請求項17之方法，其中該氫化物進料包括固體氫化物。
    [28] 如請求項17之方法，其中使該反應混合物在至少一反應區中冷卻。
    [29] 如請求項17之方法，其中該反應容器包括界定下反應區及上反應區的檔板。
    [30] 如請求項29之方法，其中使在該上反應區中的反應混合物冷卻。
    [31] 如請求項30之方法，其中不使該下反應區中的反應混合物冷卻。
    [32] 如請求項17之方法，其中該反應容器包括兩個界定下反應區、中間反應區及上反應區的檔板。
    [33] 如請求項32之方法，其中使在該上反應區中的反應混合物冷卻。
    [34] 如請求項33之方法，其中使在該中間反應區中的反應混合物冷卻。
    [35] 如請求項34之方法，其中不使該下反應區中的反應混合物冷卻。
    [36] 如請求項17之方法，其中該反應容器係圓柱形的且該等檔板係環形的。
    [37] 如請求項17之方法，其中該氫化物之轉化率係至少約80%。
    [38] 如請求項17之方法，其中該氫化物之轉化率係至少約99%。
    [39] 如請求項17之方法，其中該鹵代矽烷之轉化率係至少約80%。
    [40] 如請求項17之方法，其中該鹵代矽烷之轉化率係至少約99%。
    [41] 如請求項17之方法，其中該反應混合物係藉由氣相鼓泡作用攪拌。
    [42] 如請求項17之方法，其中該氫化物係選自由鹼金屬或鹼土金屬氫化物、四氫化鋁之鹼金屬或鹼土金屬鹽及其組合組成之群。
    [43] 如請求項17之方法，其中該鹵代矽烷係選自由四鹵化矽、三鹵矽烷、二鹵矽烷、單鹵矽烷及其組合組成之群。
    [44] 如請求項17之方法，其中該氫化物係四氫化鋁之鹼金屬或鹼土金屬鹽，該鹵代矽烷係四鹵化矽及該鹵鹽係四鹵化鋁之鹼金屬或鹼土金屬鹽。
    [45] 如請求項17之方法，其中該氫化物係四氫化鋁之鈉鹽，該鹵代矽烷係四氟化矽及該鹵鹽係四氟化鋁之鈉鹽。
    [46] 如請求項17之方法，其中該排出的流出液係漿液。
    [47] 如請求項17之方法，其中監測該等反應區其中一者中的反應混合物之溫度，以控制該氫化物進料及進料氣體中至少一者的流率。
    [48] 如請求項47之方法，其中將該溫度與基於各別反應物流率達成100%轉化率的溫度T100作比較。
    [49] 如請求項17之方法，其中監測兩個反應區之間的溫度差，以控制該氫化物進料及進料氣體中至少一者的流率。
    [50] 如請求項49之方法，其中將該溫度差與基於各別反應物流率達成100%轉化率的溫度差T△作比較。
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    CN103648980A|2014-03-19|
    TWI599541B|2017-09-21|
    CN107376793B|2021-04-13|
    JP2014531379A|2014-11-27|
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    WO2013003148A3|2013-05-02|
    CN107376793A|2017-11-24|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    US4374111A|1980-11-21|1983-02-15|Allied Corporation|Production of silane|
    US4632816A|1982-12-13|1986-12-30|Ethyl Corporation|Process for production of silane|
    US4474743A|1983-07-21|1984-10-02|Ethyl Corporation|Preparation of silane from amine alanes|
    FR2552434B1|1983-09-28|1985-10-25|Rhone Poulenc Spec Chim|Procede de fabrication de silane a partir de methyldichlorosilane et de chlorosilanes|
    JPH0116766B2|1983-12-28|1989-03-27|Ethyl Corp||
    DE3409172C2|1984-03-13|1987-11-05|D. Swarovski & Co., Wattens, Tirol, At||
    US4554141A|1984-05-14|1985-11-19|Ethyl Corporation|Gas stream purification|
    US4847061A|1987-07-20|1989-07-11|Ethyl Corporation|Process for preparation of silane|
    US5075092A|1987-07-20|1991-12-24|Ethyl Corporation|Process for preparation of silane|
    US5206004A|1990-04-30|1993-04-27|Ethyl Corporation|Silane compositions and process|
    TW218865B|1992-01-24|1994-01-11|Asahi Carbon Kabushiki Kaisha||
    US5211931A|1992-03-27|1993-05-18|Ethyl Corporation|Removal of ethylene from silane using a distillation step after separation using a zeolite molecular sieve|
    DE10017168A1|2000-04-07|2001-10-11|Bayer Ag|Verfahren und Anlage zur Herstellung von Silan|
    DE10336054B4|2003-08-01|2005-12-15|Domo Caproleuna Gmbh|Verfahren zur Herstellung von Hydroxylammoniumsalzen|
    US7568361B2|2004-09-02|2009-08-04|Eastman Chemical Company|Optimized liquid-phase oxidation|
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    DE102005046105B3|2005-09-27|2007-04-26|Degussa Gmbh|Verfahren zur Herstellung von Monosilan|
    US7927404B2|2007-12-19|2011-04-19|Chevron U.S.A. Inc.|Reactor having a downcomer producing improved gas-liquid separation and method of use|
    CN101348497B|2008-08-29|2011-09-14|仙桃市蓝天化工有限责任公司|甲基三甲氧基硅烷的制备工艺|
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    US8388925B2|2009-12-30|2013-03-05|Memc Electronic Materials, Inc.|Methods for producing aluminum trifluoride|
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