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KR20170032553A - Process for producing trichlorosilane - Google Patents

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KR20170032553A
KR20170032553A KR1020150130025A KR20150130025A KR20170032553A KR 20170032553 A KR20170032553 A KR 20170032553A KR 1020150130025 A KR1020150130025 A KR 1020150130025A KR 20150130025 A KR20150130025 A KR 20150130025A KR 20170032553 A KR20170032553 A KR 20170032553A
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tetrachlorosilane
metal silicon
silicon particles
temperature region
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Abstract

본 발명은 기체-액체-고체 3상 반응을 이용하여 트리클로로실란을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 저온 영역과 고온 영역을 교대로 통과하는 관형 반응기에, 테트라클로로실란을 포함하는 액상의 실란계 화합물에 금속 실리콘 입자가 분산된 혼합물을 수소, 또는 수소 및 염화수소와 함께 주입하여 반응시킴으로써 트리클로로실란을 생성하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a method for producing trichlorosilane by using a gas-liquid-solid three-phase reaction. In a tubular reactor which alternately passes through a low temperature region and a high temperature region, a liquid silane-based compound containing tetrachlorosilane Is injected together with hydrogen or hydrogen and hydrogen chloride to react to produce trichlorosilane.

Description

트리클로로실란 제조방법{PROCESS FOR PRODUCING TRICHLOROSILANE}{PROCESS FOR PRODUCING TRICHLOROSILANE}

본 발명은 트리클로로실란 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기체-액체-고체 3상 반응을 이용하여 테트라클로로실란으로부터 트리클로로실란을 보다 효율적으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process for producing trichlorosilane, and more particularly to a process for efficiently producing trichlorosilane from tetrachlorosilane by using a gas-liquid-solid three-phase reaction.

트리클로로실란(SiHCl3: TCS)은 고순도의 다결정실리콘(일명 폴리실리콘) 제조 원료로서 유용한 화합물이며, 1000℃ 이상의 고온에서 수소와 반응하여 고순도의 폴리실리콘을 석출하는데 이용된다. 이 반응은 주로 하기 반응식 (1) 및 (2)로 나타내어진다.Trichlorosilane (SiHCl 3 : TCS) is a compound useful as a raw material for producing a high-purity polycrystalline silicon (also referred to as polysilicon), and is used for precipitating high-purity polysilicon by reacting with hydrogen at a high temperature of 1000 ° C. or higher. This reaction is mainly represented by the following reaction formulas (1) and (2).

4SiHCl3 → Si + 3SiCl4 + 2H2 (1) 4 SiHCl 3 ? Si + 3 SiCl 4 + 2H 2 (1)

SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl (2)SiHCl 3 + H 2 ? Si + 3HCl (2)

상기와 같은 폴리실리콘 석출반응에 이용되는 트리클로로실란은 일반적으로 금속 실리콘과 염화수소의 반응에 의해 제조된다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 유동층식 반응 장치를 이용하여 금속 실리콘과 염화수소를 철 및 알루미늄 함유 촉매의 존재 하에서 반응시켜 하기 반응식 (3)의 반응에 의해 트리클로로실란을 제조하는 방법이 개시되어 있다.The trichlorosilane used in the polysilicon precipitation reaction is generally prepared by the reaction of metal silicon with hydrogen chloride. For example, Patent Document 1 discloses a method of producing trichlorosilane by a reaction of the following reaction formula (3) by reacting metal silicon and hydrogen chloride in the presence of an iron- and aluminum-containing catalyst using a fluidized bed reactor .

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 (3)Si + 3HCl -> SiHCl 3 + H 2 (3)

금속 실리콘과 염화수소의 반응에 의해 생성된 가스를 -10℃ 이하로 냉각하여 트리클로로실란을 응축분리하는데, 이 응축액에는 트리클로로실란 이외에 부생된 다른 클로로실란이 포함되어 있다. 이들 클로로실란을 포함하는 응축액으로부터 트리클로로실란을 증류에 의해 분리 회수하여 폴리실리콘 제조용 원료로서 사용된다. 또한, 증류에 의해 분리된 테트라클로로실란(SiCl4: STC)은 주로 하기 식 (4) 의 반응에 의한 트리클로로실란(TCS)으로 전환되어 폴리실리콘의 제조에 재이용된다. The gas produced by the reaction of metal silicon with hydrogen chloride is cooled to below -10 ° C to condense and separate trichlorosilane, which contains other byproducts of chlorosilane in addition to trichlorosilane. Trichlorosilane is separated and recovered from the condensate containing these chlorosilanes by distillation and used as raw materials for producing polysilicon. Further, tetrachlorosilane (SiCl 4 : STC) separated by distillation is mainly converted to trichlorosilane (TCS) by the reaction of the following formula (4) and reused for the production of polysilicon.

3SiCl4 + 2H2 + Si → 4SiHCl3 (4)3 SiCl 4 + 2H 2 + Si? 4 SiHCl 3 (4)

한편, 특허문헌 2에는 금속 실리콘 입자가 충전된 유동층 반응기 내에 100 내지 300㎛ 정도 크기의 금속 실리콘 입자, 염화수소, 테트라클로로실란 및 수소를 공급하고, 이 반응 용기 내에서 금속 실리콘과 염화수소에 의한 트리클로로실란의 생성 반응(식 (3)의 반응)과, 금속 실리콘, 테트라클로로실란 및 수소와의 반응에 의한 트리클로로실란의 생성 반응(식 (4)의 반응)을 동시에 진행시키는 트리클로로실란의 제조 방법이 제안되어 있다(도 1 참조). 상기의 방법에서는 반응이 진행될수록 금속 실리콘 입자의 크기가 점차 감소하기 때문에 금속 실리콘 입자의 보충이 필요하다. 그런데, 원료의 온도변화를 보고 보충 시기를 결정하기 때문에 반응온도가 일정하지 않고 변동하게 되어 반응시간에 따라 생성물의 품질이 불균일하다는 문제가 있다. On the other hand, in Patent Document 2, metal silicon particles, hydrogen chloride, tetrachlorosilane and hydrogen having a size of about 100 to 300 탆 are supplied into a fluidized bed reactor filled with metal silicon particles, and trichloro The production of trichlorosilane (the reaction of the formula (3)) and the reaction of the production of the siloxane (reaction of the formula (3)) and the reaction of the production of the trichlorosilane by the reaction of the metal silicon, tetrachlorosilane and hydrogen (See FIG. 1). In the above method, since the size of the metal silicon particles gradually decreases as the reaction progresses, it is necessary to replenish the metal silicon particles. However, since the replenishment timing is determined based on the temperature change of the raw material, the reaction temperature is not constant and fluctuates, resulting in a problem that the quality of the product is uneven depending on the reaction time.

또한 유동층 반응기(FBR)를 이용하는 기존 공정은 고상의 금속 실리콘과 액상의 테트라클로로실란이 반응하는 단순 고상-기상 반응 공정이므로 전환율 향상에 한계가 있다. In addition, the conventional process using a fluidized bed reactor (FBR) is a simple solid-gas phase reaction process in which solid metal silicon reacts with liquid tetrachlorosilane, and thus there is a limit to improvement in conversion rate.

따라서, 트리클로로실란으로부터 폴리실리콘을 제조하는 공정의 배기가스 중 클로로실란류, 특히 테트라클로로실란을 보다 효율적으로 트리클로로실란으로 전환시켜 재이용할 수 있는 방법이 요구되고 있다. Therefore, there is a demand for a method capable of converting chlorosilanes, particularly tetrachlorosilane, into trichlorosilane in the exhaust gas of the process for producing polysilicon from trichlorosilane to be more efficiently reused.

일본 특허 제3324922호 공보Japanese Patent No. 3324922 일본 특허 공개 소56-73617호 공보Japanese Patent Laid-Open No. 56-73617

본 발명은, 트리클로로실란으로부터 폴리실리콘을 제조하는 공정의 배기가스 중 클로로실란류, 특히 테트라클로로실란을 보다 효율적으로 트리클로로실란으로 전환시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a method for efficiently converting chlorosilanes, especially tetrachlorosilane, into trichlorosilane in the exhaust gas in the step of producing polysilicon from trichlorosilane.

또한 상기 방법을 구현할 수 있는 트리클로로실란 제조장치를 제공하고자 한다. Also, an apparatus for producing trichlorosilane capable of implementing the above method is provided.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, According to an aspect of the present invention,

저온 영역과 고온 영역을 교대로 통과하는 관형 반응기에, In a tubular reactor passing alternately between a low temperature zone and a high temperature zone,

테트라클로로실란을 포함하는 액상의 실란계 화합물에 금속 실리콘 입자가 분산된 혼합물을 수소, 또는 수소 및 염화수소와 함께 주입하여 반응시킴으로써 트리클로로실란을 생성하는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란 제조방법을 제공한다.There is provided a process for producing trichlorosilane, which comprises reacting a mixture of metal silicon particles dispersed in a liquid silane compound containing tetrachlorosilane together with hydrogen or hydrogen and hydrogen chloride to produce trichlorosilane .

상기 저온 영역에서는 상기 테트라클로로실란이 액상인 상태로 반응하도록 하고, 상기 고온 영역에서는 상기 테트라클로로실란이 기상인 상태로 반응하도록 하는 것이 바람직하다. The tetrachlorosilane reacts in a liquid state in the low-temperature region, and the tetrachlorosilane reacts in a gaseous state in the high-temperature region.

상기 저온 영역 반응은 100℃ 이상 320℃ 이하, 10 bar 이상 550 bar 이하의 압력하에서 실시될 수 있다.The low-temperature region reaction can be carried out at a pressure of not less than 100 ° C and not more than 320 ° C and not less than 10 bar and not more than 550 bar.

상기 고온 영역 반응은 300℃ 이상 600℃ 이하, 10 bar 이상 550 bar 이하의 압력하에서 실시될 수 있다.The high temperature region reaction can be carried out at a temperature of 300 ° C or more and 600 ° C or less, and a pressure of 10 bar or more and 550 bar or less.

상기 금속 실리콘 입자는 중량평균입경이 약 35 미크론 이하인 것이 바람직하다. The metal silicon particles preferably have a weight average particle diameter of about 35 microns or less.

상기 금속 실리콘 입자와 상기 액상의 실란계 화합물의 중량비는 약 1: 20 내지 약 1: 200 일 수 있다. The weight ratio of the metal silicon particles to the liquid silane compound may be about 1:20 to about 1: 200.

상기 액상의 실란계 화합물은 트리클로로실란 열분해에 의한 폴리실리콘 석출공정의 부산물일 수 있다. The liquid silane compound may be a by-product of the polysilicon precipitation process by thermal decomposition of trichlorosilane.

상기 반응은 수소와 테트라클로로실란의 중량비는 1:20 이상 1:200 이하인 조건에서 실시될 수 있다. The reaction may be carried out at a weight ratio of hydrogen to tetrachlorosilane of 1:20 to 1: 200.

상기 반응은 또한, 염화수소와 테트라클로로실란의 중량비가 1: 0 이상 내지 1:10 이하인 조건에서 실시될 수 있다. The reaction may also be carried out at a weight ratio of hydrogen chloride to tetrachlorosilane of 1: 0 to 1: 10.

일 구현예에 따르면, 상기 반응 후 생성물내에 잔류하는 실리콘 입자를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to one embodiment, it may further comprise separating the silicon particles remaining in the product after the reaction.

다른 구현예에 따르면, 상기 금속 실리콘 입자는 반응에 소진되어 반응 후 생성물에 잔류하지 않도록 할 수 있다. According to another embodiment, the metal silicon particles may be depleted in the reaction so that they do not remain in the product after the reaction.

전술한 방법에 따라 제조된 트리클로로실란을 열분해하여 폴리실리콘을 석출하는 공정에 이용될 수 있다. Can be used in the step of pyrolysis of trichlorosilane produced according to the above-mentioned method to precipitate polysilicon.

본 발명은 또한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device,

액상의 테트라클로로실란을 포함하는 실란계 화합물 공급수단;Silane-based compound supply means comprising liquid tetrachlorosilane;

선택적으로, 염화수소 공급수단;Optionally, hydrogen chloride supply means;

상기 각각의 공급수단으로부터 공급된 실란계 화합물과 염화수소를 혼합하여 액상 혼합물을 형성하는 장치;An apparatus for mixing a silane-based compound supplied from each of the supply means with hydrogen chloride to form a liquid mixture;

상기 액상 혼합물에 금속 실리콘 입자를 공급하여 분산시키기 위한 금속 실리콘 입자 공급 수단; Metal silicon particle supplying means for supplying and dispersing metal silicon particles to the liquid mixture;

금속 실리콘 입자가 분산된 혼합물이 공급되며 저온영역과 고온영역을 교대로 통과하도록 설계된 관형 반응기; A tubular reactor supplied with a mixture of dispersed metal silicon particles and designed to alternate between a low-temperature region and a high-temperature region;

상기 반응기에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 공급수단; 및Hydrogen gas supply means for supplying hydrogen gas to the reactor; And

상기 관형 반응기에서 배출되는 생성물로부터 트리클로로실란을 회수하기 위한 수단을 구비한, 트리클로로실란 제조장치를 제공한다. And means for recovering trichlorosilane from the product discharged from the tubular reactor.

일 구현예에 따르면, 상기 금속 실리콘 입자는 액상의 실란계 화합물에 분산된 형태로 공급되는 것일 수 있다. According to one embodiment, the metal silicon particles may be supplied in a dispersed state in a liquid silane compound.

또한, 상기 장치는 금속 실리콘 입자가 분산된 혼합 용액을 저장하기 위한 교반기가 장착된 원료 저장 탱크를 더 구비하는 것일 수 있다. In addition, the apparatus may further comprise a raw material storage tank equipped with a stirrer for storing a mixed solution in which metal silicon particles are dispersed.

또한 일 구현예에 따르면, 금속 실리콘 입자가 분산된 혼합 용액이 관형 반응기에 공급되는 선속도는 금속 실리콘 입자의 침전이 일어나지 않도록 하는 범위로 조절되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the linear velocity at which the mixed solution in which the metal silicon particles are dispersed is supplied to the tubular reactor may be adjusted to such an extent that precipitation of the metal silicon particles does not occur.

본 발명에 따르면 관형 반응기를 이용하는 연속 공정에서 반응온도과 압력을 조절하여 테트라클로로실란을 액상 또는 기상으로 상변화 시킴으로써 금속 실리콘 입자와 액체-고체 영역 또는 기체-고체 영역 반응이 모두 가능하게 함으로써 접촉 효율이 좋아지므로 트리클로로실란의 생산성을 높일 수 있다. 또한, 유동층 반응기가 아닌 미세 관형 반응기를 이용하기 때문에 열 제어가 용이하므로 부반응을 최소화하고 생성물의 품질 및 생산성 향상을 도모할 수 있다.According to the present invention, in a continuous process using a tubular reactor, the reaction temperature and the pressure are adjusted to phase-change the tetrachlorosilane to the liquid phase or the gas phase, thereby enabling both the liquid-solid region or the gas- The productivity of trichlorosilane can be improved. In addition, since a micro-tubular reactor is used instead of a fluidized bed reactor, heat control is facilitated, so that side reactions can be minimized and product quality and productivity can be improved.

도 1은 종래 기술에 따른 유동층 공정의 개략도이다.
도 2는 테트라클로로실란(STC) 및 트리클로로실란(TCS)의 비점 및 증기압 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 저온영역과 고온영역에서 금속 실리콘 입자와 테트라클로로실란의 반응원리를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 트리클로로실란 제조공정의 개략적인 흐름도이다.
도 5는 도 4에 도시된 관형 반응기의 저온영역과 고온영역에서의 반응을 개략적으로 도시한 것이다.
1 is a schematic view of a fluidized bed process according to the prior art.
2 is a graph showing the relationship between boiling point and vapor pressure of tetrachlorosilane (STC) and trichlorosilane (TCS).
3 schematically illustrates the reaction principle of metal silicon particles and tetrachlorosilane in the low temperature region and the high temperature region.
4 is a schematic flow chart of a process for producing trichlorosilane according to the present invention.
FIG. 5 schematically shows the reaction in the low-temperature region and the high-temperature region of the tubular reactor shown in FIG.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 저온 영역과 고온 영역을 교대로 통과하는 관형 반응기에, 테트라클로로실란을 포함하는 액상의 실란계 화합물에 금속 실리콘 입자가 분산된 혼합물을 수소, 또는 수소 및 염화수소와 함께 주입하여 반응시킴으로써 트리클로로실란을 생성하는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란을 제조하는 방법을 제공한다. The present invention relates to a process for producing a trichloro compound by injecting a mixture in which a metal silicon particle is dispersed in a liquid silane compound containing tetrachlorosilane together with hydrogen or hydrogen and hydrogen chloride in a tubular reactor alternately passing through a low temperature region and a high temperature region, To produce a siloxane of formula < RTI ID = 0.0 > (I) < / RTI >

즉 본 발명은 연속 공정인 관형 반응기에서 온도영역을 저온 영역과 고온 영역으로 나누어 액상 원료의 상전환(액체-기체)이 발생하도록 하는 방식이다. In other words, the present invention is a system in which the phase transition (liquid-gas) of the liquid raw material is generated by dividing the temperature region into the low-temperature region and the high-temperature region in the continuous process tubular reactor.

도 2는 대표적으로 테트라클로로실란(STC)과 트리클로로실란(TCS)의 비점 및 증기압의 관계를 나타낸다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 반응온도와 압력을 적절히 조절함으로써 테트라클로로실란을 포함하는 액상 반응원료의 상전환이 가능함을 알 수 있다. 예를 들어, 반응기의 내부 압력을 200 bar 라고 가정했을 때 400℃를 기준으로 이보다 온도가 낮으면 테트라클로로실란(STC)는 액체가 되어 실리콘 분말을 이송할 수 있게 된다. 반대로 400℃ 보다 온도가 높으면 테트라클로로실란은 기체가 되므로 실리콘 분말 표면에 젖어있던 테트라클로로실란이 기화 되므로 실리콘 분말이 염화수소 가스나 수소 가스와 표면 접촉이 가능해지므로 실리콘 분말의 반응성이 높아지게 된다.Figure 2 representatively shows the relationship between the boiling point and the vapor pressure of tetrachlorosilane (STC) and trichlorosilane (TCS). As can be seen from FIG. 2, it can be seen that the liquid phase reaction material containing tetrachlorosilane can be changed over by appropriately adjusting the reaction temperature and pressure. For example, assuming that the internal pressure of the reactor is 200 bar, when the temperature is lower than 400 ° C, the tetrachlorosilane (STC) becomes a liquid and the silicon powder can be transferred. On the contrary, when the temperature is higher than 400 ° C, tetrachlorosilane becomes a gas, so tetrachlorosilane which is wetted on the surface of the silicon powder is vaporized, so that the silicon powder becomes surface contact with hydrogen chloride gas or hydrogen gas, so that the reactivity of the silicon powder becomes high.

반응 원료는 고체(금속실리콘 입자 등), 액체(테트라클로로실란 함유 실란계 화합물), 기체(수소 또는 염화수소) 가 모두 혼합되어 있는 상태이며, 액상 반응원료는 반응온도에 따라 기상으로서 반응물이 되거나 액상으로서 유체 이송물의 역할을 한다. The reaction raw material is a mixture of solid (metal silicon particles), liquid (tetrachlorosilane-containing silane compound), gas (hydrogen or hydrogen chloride) And serves as a fluid conveyance.

본 발명에 따른 전환반응은 다음과 같은 반응과정을 거칠 수 있다. The conversion reaction according to the present invention can be carried out as follows.

3SiCl4(l)+ 2H2 (g)+ Si (s) -> 4SiHCl3 (l) + H2 (g) + HCl(g)3SiCl 4 (l) + 2H 2 (g) + Si (s) -> 4SiHCl 3 (l) + H 2 (g) + HCl (g)

도 3은 저온 영역과 고온 영역에서의 반응 원리를 개략적으로 도시한다. Fig. 3 schematically shows the reaction principle in the low-temperature region and the high-temperature region.

먼저 저온 영역에서는 고상의 원료 표면에 액상 원료가 습윤되어 있는(wet) 상태로 이송되며, 생성물인 트리클로로실란도 액상으로 존재하여 같이 이송될 수 있다.First, in the low-temperature region, the liquid raw material is transferred to the surface of the solid raw material in a wet state, and the product, trichlorosilane, is present in the liquid phase and can be fed at the same time.

본 발명에 따르면, 전체 시스템이 연속식 관형 반응기이므로 반응물은 끊임없이 이송되면서 반응이 진행되어야 한다. 반응물이 모두 기체와 고체(실리콘 분말) 상태라면 기체와 고체간의 이송이 되지 않기 때문에 고체인 실리콘 분말의 이송을 위해 기체 중에 증기압이 상대적으로 낮은 테트라클로로실란을 액화하여 실리콘 분말을 이송하도록 하고자 한 것이다. 즉 저온 영역의 액상의 테트라클로로실란과 고온 영역의 기상의 테트라클로로실란은 관형 반응기 내부에서의 역할이 완전히 달라지도록 한 것이다. According to the present invention, since the entire system is a continuous tubular reactor, the reaction must be continuously carried out while the reaction is being carried out. If all of the reactants are in the form of gas and solid (silicon powder), it is impossible to transfer between the gas and the solid. Therefore, in order to transfer the solid silicon powder, tetrachlorosilane having a relatively low vapor pressure in the gas is liquefied to transfer the silicon powder . That is, the liquid phase tetrachlorosilane in the low temperature region and the tetrachlorosilane in the gaseous phase in the high temperature region completely change the role in the tubular reactor.

고온 영역으로 이송된 후에는 금속 실리콘 입자에 습윤되어 있는 테트라클로로실란(STC)가 기화되어 금속 실리콘 입자 상에서 다른 반응가스(수소 또는 염화수소)와 반응하게 된다. After being transferred to the high temperature region, tetrachlorosilane (STC) wetted with the metal silicon particles is vaporized to react with other reaction gases (hydrogen or hydrogen chloride) on the metal silicon particles.

상기의 저온 영역은 최소 100℃ 이상이어야 하며, 고온 영역은 최대 600℃ 미만이어야 한다. 고온 영역과 저온 영역의 온도 차이가 너무 클 경우 두 영역 사이의 온도 경계가 넓어지는 현상이 발생하고, 이로 인해 각 영역의 효과가 저하될 수 있다. 상기의 저온 영역과 고온 영역은 반응관 내부의 반응 압력에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 반응관 내부의 압력이 50bar라면, 저온 영역은 100℃이상 220℃ 미만이고, 고온 영역은 260℃ 이상 600℃ 미만이 된다. 반응관 내부의 압력이 100bar라면, 저온 영역은 100℃이상 270℃ 미만이고, 고온 영역은 320℃ 이상 600℃ 미만이 된다. 반응관 내부의 압력이 150bar라면, 저온 영역은 100℃이상 320℃ 미만이고, 고온 영역은 370℃ 이상 600℃ 미만이 된다. The low-temperature region should be at least 100 ° C and the high-temperature region should be at most 600 ° C. If the temperature difference between the high-temperature region and the low-temperature region is too large, the temperature boundary between the two regions widens, and the effect of each region may be deteriorated. The low-temperature region and the high-temperature region may vary depending on the reaction pressure inside the reaction tube. For example, if the pressure inside the reaction tube is 50 bar, the low-temperature region is at least 100 ° C and less than 220 ° C, and the high-temperature region is at least 260 ° C and less than 600 ° C. If the pressure inside the reaction tube is 100 bar, the low temperature region is at least 100 ° C and less than 270 ° C, and the high temperature region is at least 320 ° C and less than 600 ° C. If the pressure inside the reaction tube is 150 bar, the temperature range is from 100 ° C to less than 320 ° C, and the high temperature range is from 370 ° C to less than 600 ° C.

보다 세부적인 압력에 따른 반응 온도의 영역은 도 2의 테트라클로로실란과 트리클로로실란의 증기압 곡선에 따른다. 이는 저온 영역은 반응물인 테트라클로로실란과 생성물인 트리클로로실란이 모두 액체가 될 수 있는 트리클로로실란의 증기압 곡선을 따르며, 고온 영역은 상대적으로 증기압이 낮은 테트라클로로실란의 증기압 곡선을 따르게 된다.The region of the reaction temperature with more detailed pressure depends on the vapor pressure curve of the tetrachlorosilane and trichlorosilane of FIG. The low-temperature region follows the vapor pressure curve of trichlorosilane, in which both the reactant tetrachlorosilane and the product trichlorosilane can become liquids, and the high temperature region follows the vapor pressure curve of tetrachlorosilane with a relatively low vapor pressure.

기체-액체-고체 3상 반응이 어려운 것은 고체 표면의 접촉 사이트가 액체에 의해 차단(barrier) 되어 있기 때문인데, 반응 조건을 조절하여 액체가 기화되도록 함으로써 고체-기체 반응을 유도하여 반응효율을 높일 수 있다.
The gas-liquid-solid three-phase reaction is difficult because the contact site of the solid surface is blocked by the liquid. By regulating the reaction conditions, the liquid is vaporized and the solid-gas reaction is induced to increase the reaction efficiency .

이하에서는 각 반응물에 대해 보다 구체적으로 살펴본다. Hereinafter, each reactant will be described in more detail.

테트라클로로실란Tetrachlorosilane

본 발명에 따른 반응에 이용하는 테트라클로로실란으로서는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 폴리실리콘 등의 제조 과정에서 부생되는 테트라클로로실란의 유효 이용을 도모하기 위해 트리클로로실란으로부터 폴리실리콘의 제조 과정에서 부생되는 테트라클로로실란이 사용될 수 있다.
The tetrachlorosilane used in the reaction according to the present invention is not particularly limited, but in order to make effective use of tetrachlorosilane as a by-product in the production process of polysilicon and the like, tetrachlorosilane produced as a by- Silane can be used.

금속 실리콘 입자Metal silicon particles

금속 실리콘 입자의 크기를 35 미크론 이하의 크기로 조절함으로써 테트라클로로실란과 실리콘 입자의 접촉 면적이 증가하여 반응 사이트가 증대되므로 반응속도가 증가하여 트리클로로실란의 생산성을 높일 수 있고. 금속 실리콘 입자의 크기가 점차 감소하므로 일정 반응 시간이 경과한 후 실리콘 입자는 완전히 소진될 수 있다. By controlling the size of the metal silicon particles to 35 microns or less, the contact area between tetrachlorosilane and silicon particles is increased and the reaction sites are increased, so that the reaction rate is increased and the productivity of trichlorosilane can be increased. Since the size of the metal silicon particles gradually decreases, the silicon particles may be completely exhausted after a certain reaction time.

본 발명에서는 실리콘 금속 입자가 액상의 테트라클로로실란에 균일하게 분산되도록 하여 응집 및 침전을 방지하고, 실리콘 금속 입자와 테트라클로로실란의 접촉 면적을 증대시키기 위하여 금속 실리콘 입자 입자를 사용한다. In the present invention, metal silicon particle particles are used to uniformly disperse silicon metal particles in liquid tetrachlorosilane to prevent aggregation and precipitation, and to increase the contact area between silicon metal particles and tetrachlorosilane.

상기 반응에 이용하는 금속 실리콘은 야금제 금속 실리콘이나 규소철, 또는 폴리실리콘 등의 금속상태의 규소 원소를 포함하는 고체 입자 물질이다. 또한, 금속 규소에 포함되는 철 화합물 등의 불순물에 대해서도, 그 성분이나 함유량에 있어서 특별히 제한은 없다. 다만, 본 발명에서 금속 실리콘 입자 또는 분말은 중량평균입경 약 35 미크론 이하의 입자를 지칭하기로 한다. 금속 실리콘의 평균 입경은 약 30 미크론 이하, 또는 약 25 미크론 이하, 또는 약 10 미크론 이하, 또는 약 5 미크론 이하일 수 있고, 약 0.1 미크론 이상, 또는 약 0.5 미크론 이상일 수 있다. The metal silicon used in the above reaction is a solid particle material containing a metal element silicon such as metal silicon, iron silicon, or polysilicon, which is a metallurgical agent. There are no particular restrictions on the content or content of impurities such as iron compounds contained in the metal silicon. However, in the present invention, the metal silicon particles or powder are referred to as particles having a weight average particle diameter of about 35 microns or less. The average particle size of the metal silicon may be about 30 microns or less, or about 25 microns or less, or about 10 microns or less, or about 5 microns or less, about 0.1 microns or more, or about 0.5 microns or more.

금속 실리콘 입자와 테트라클로로실란의 혼합비율은 금속 실리콘 입자 1 중량부 대비 약 200 중량부 이하, 또는 약 150 중량부 이하이거나, 약 20중량부 이상, 또는 약 50 중량부 이상 일 수 있다. The mixing ratio of metal silicon particles to tetrachlorosilane may be about 200 parts by weight or less, about 150 parts by weight or less, about 20 parts by weight or about 50 parts by weight or more, based on 1 part by weight of the metal silicon particles.

금속 실리콘 입자의 투입량은 테트라클로로실란에 분산된 금속 실리콘 입자간 거리가 약 1000nm 이하, 또는 약 500 nm 이하가 되도록 하거나, 약 10 nm 이상 또는 약 50 nm 이상이 되도록 하는 범위에서 적절히 선택할 수 있다. The amount of the metal silicon particles to be injected can be appropriately selected within a range such that the distance between the metal silicon particles dispersed in tetrachlorosilane is about 1000 nm or less, about 500 nm or less, about 10 nm or more, or about 50 nm or more.

바람직하게는, 금속 실리콘 입자가 반응에 모두 이용되어 잔류하지 않도록 함으로써 반응에 이용되고 남은 미분의 금속 실리콘을 반응결과물로부터 분리하는 공정을 생략할 수 있다.
Preferably, the step of separating the metal silicon of the fine particles used in the reaction and separating the remaining metal silicon from the reaction product can be omitted by preventing the metal silicon particles from being used and remaining in the reaction.

수소Hydrogen

본 발명에 따른 반응에서 수소는 테트라클로로실란과 반응하여 트리클로로실란을 형성하는데 도움을 준다. 수소원으로는 공업적으로 입수할 수 있는 여러 가지 수소를 사용할 수 있고, 폴리실리콘의 제조 과정에서 배출되는 수소 등을 적절하게 정제하여 사용할 수도 있다.Hydrogen in the reaction according to the invention helps to react with tetrachlorosilane to form trichlorosilane. As the source of hydrogen, various industrially available hydrogen may be used, and hydrogen or the like discharged during the production of polysilicon may be appropriately purified and used.

수소와 테트라클로로실란의 중량비는 1:20 내지 200 일 수 있으며, 바람직하게는 1: 50 내지 100일 수 있다. The weight ratio of hydrogen to tetrachlorosilane can be 1:20 to 200, preferably 1:50 to 100.

또는, 테트라클로로실란 1몰에 대하여 수소 5몰 이하, 또는 4몰 이하, 또는 3몰 이하의 범위로 할 수 있으며, 또한 1몰 이상이 되도록 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그 공급 속도는 이용하는 반응 장치의 종류나 크기에 따라 적절한 범위로 설정할 수 있다. Alternatively, it may be in the range of 5 moles or less of hydrogen, 4 moles or less, or 3 moles or less based on 1 mole of tetrachlorosilane, and may be 1 mole or more, but the present invention is not limited thereto. It can be set in an appropriate range depending on the type and size of the reaction apparatus.

염화수소Hydrogen chloride

금속 실리콘과의 반응에 사용되는 염화수소는 선택적으로 첨가될 수 있으며, 수소 등이 혼입되어 있어도 아무런 제한없이 사용된다. 그러나, 일반적으로 트리클로로실란, 테트라클로로실란, 디클로로실란 등의 클로로실란은 가수분해성이 높기 때문에 수분과 반응하게 된다. 이로 인해, 염화수소에 수분이 포함되어 있으면, 생성된 트리클로로실란의 수율을 낮출 우려가 있다. 따라서, 이 염화수소는 건조 상태에 있는 것이 바람직하다. 염화수소는 분자 단위로 분산되므로 액상 반응물에 분산된 실리콘 나노 입자 주변에 충분하게 분포될 수 있어 반응 효율이 증대된다. Hydrogen chloride used in the reaction with the metal silicon can be selectively added, and even if hydrogen or the like is mixed, it is used without any limitation. However, in general, chlorosilanes such as trichlorosilane, tetrachlorosilane, and dichlorosilane react with moisture because of high hydrolysis ability. Therefore, if water is contained in the hydrogen chloride, the yield of the produced trichlorosilane may be lowered. Therefore, it is preferable that the hydrogen chloride is in a dry state. Since the hydrogen chloride is dispersed in the molecular unit, it can be sufficiently distributed around the silicon nanoparticles dispersed in the liquid reaction product, thereby increasing the reaction efficiency.

염화수소와 테트라클로로실란의 중량비는 1: 0 내지 10 이하일 수 있으며, 바람직하게는 1: 0 내지 5 이하일 수 있다.The weight ratio of hydrogen chloride and tetrachlorosilane may be 1: 0 to 10 or less, preferably 1: 0 to 5 or less.

또는, 테트라클로로실란 1몰에 대하여 염화수소 약 1몰 이하, 또는 약 0.8 몰 이하, 또는 약 0.5 몰 이하일 수 있으며, 또한 약 0.1 몰 이상, 또는 약 0.2 몰 이상일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 각각의 공급 속도와 함께, 반응 장치의 종류나 크기에 따라 적절한 범위로 설정할 수 있다.
Or about 1 mole or less, or about 0.8 mole or less, or about 0.5 mole or less, relative to 1 mole of tetrachlorosilane, and more preferably about 0.1 mole or more, or about 0.2 mole or more, Speed, and can be set in an appropriate range depending on the type and size of the reaction apparatus.

반응기Reactor

본 발명에 따른 반응은 액상으로 진행되기 때문에, 반응 장치는 관형 반응기, 특히 미세 관형 반응기를 이용하는 것이 바람직하다. 미세 관형 반응기는 관 내경이 약 10 mm 이하 또는 약 1 mm 이상의 범위이고, 길이가 약 10 cm 이상 또는 약 500 cm 이하의 범위에 속하는 것이 반응물의 균일한 분산과 충분한 체류 시간을 확보하기에 바람직하다. 미세 관형 반응기의 직경대 길이의 비는 1: 10 내지 5000, 더 바람직하게는 1: 20 내지 500 일 수 있다. Since the reaction according to the present invention proceeds in a liquid phase, it is preferable to use a tubular reactor, particularly a microtubular reactor, as the reactor. The microtubular reactors are preferred for ensuring a uniform dispersion of the reactants and a sufficient residence time that the tubular inner diameter is in the range of about 10 mm or less or about 1 mm or more and the length is about 10 cm or more or about 500 cm or less . The ratio of diameter to length of the microtubular reactor may be from 1:10 to 5000, more preferably from 1:20 to 500.

반응 온도는, 제조 장치의 재질이나 능력 등을 감안하여 적절하게 결정하면 되지만, 반응 온도가 필요 이상으로 높으면, 트리클로로실란의 선택률이 저하하고 테트라클로로실란이나 디클로로실란 등의 트리클로로실란 이외의 클로로실란 부산물의 양이 많아진다. 또한, 직접 염화 반응(Direct chlorination: Si + 3HCl → SiHCl3 + H2)은 발열 반응이다. 동일한 반응기 내에서 테트라클로로실란이 수소와 반응하여 트리클로로실란이 발생하는 반응은 흡열반응이다. 따라서 이 두 반응의 조건을 감안하여 반응 온도는 다양하게 설정될 수 있다. The reaction temperature may be suitably determined in consideration of the material and the capability of the production apparatus. However, if the reaction temperature is higher than necessary, the selectivity of trichlorosilane is lowered and chlorosilane other than trichlorosilane such as tetrachlorosilane or dichlorosilane The amount of silane byproduct is increased. Direct chlorination (Si + 3HCl → SiHCl 3 + H 2 ) is an exothermic reaction. The reaction in which tetrachlorosilane reacts with hydrogen in the same reactor to form trichlorosilane is an endothermic reaction. Therefore, the reaction temperature can be set variously considering the conditions of these two reactions.

특히 본 발명에서는 액상 반응원료의 상전환을 유도하여야 하므로, 관형 반응기가 고온 영역과 저온 영역을 교대로 통과하도록 하는 것이 중요하다. Particularly, in the present invention, since it is necessary to induce the phase change of the liquid reaction material, it is important that the tubular reactor alternately pass the high temperature region and the low temperature region.

저온영역은 일반적으로 320℃ 이하의 범위로 설정된다. 바람직하게는 300℃ 이하의 온도로 설정될 수 있고, 100℃ 이상, 또는 150℃ 이상의 온도로 설정될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 반응기의 압력이 증가할수록 트리클로로실란의 선택률이 증가하며 테트라클로로실란의 반응성도 증가하기 때문에 압력에 대한 적절한 조절이 필요하다. 액상을 유지하여야 하므로 약 10 bar 이상, 또는 약 550 bar 이하의 압력에서 설정된다. The low temperature region is generally set to a range of 320 DEG C or less. Preferably 300 DEG C or lower, and may be set to a temperature of 100 DEG C or higher, or 150 DEG C or higher, but is not limited thereto. As the pressure of the reactor increases, the selectivity of trichlorosilane increases and the reactivity of tetrachlorosilane also increases. It is set at a pressure of about 10 bar or more, or about 550 bar or less.

고온영역은 각각의 반응물, 실리콘 분말, 수소, 염화수소, 테트라클로로실란(STC)이 반응하여 트리클로로실란(TCS)을 생성하는 조건이어야 하며, 이때 STC는 기상이 되어야 하므로 반응 조건이 STC 증기압 이하가 되어야 한다. STC가 액체 상태라면 실리콘 분말 표면 젖어 있는 상태이므로 염화수소가 실리콘 표면과 반응할 수 없기 때문이다. 따라서 액체 상태의 STC를 모두 기화하여야 한다. The STC should be in the vapor phase and the reaction condition should be below the STC vapor pressure because the STC should be in the vapor phase. . If the STC is in a liquid state, the surface of the silicon powder is in a wet state, and hydrogen chloride can not react with the silicon surface. Therefore, all STC in liquid state should be vaporized.

본 발명에 따른 장치는 연속식 관형 반응기 이므로 특수한 압력 제어장치(예를 들면 후단 압력제어장치: Back Pressure Regulator) 같은 장치를 별도로 설치하지 않는 한 고온 영역과 저온 영역의 압력은 모두 동일하게 된다. 따라서 STC를 액상-기상으로 상전환 할 수 있는 변수는 온도뿐이므로 STC의 증기압 조건에 따라 저온영역(액상)-고온영역(기상)으로 나뉠 수 있다. 고온 영역의 경우 예를 들면, 관형 반응기의 내부 압력이 200bar일 경우 STC가 기상-액상의 상전환이 나타나는 온도는 약 400℃ 이므로, 고온 영역의 온도는 400℃ 이상일 것이며, 저온 영역은 400℃ 이하가 될 것이다. 정확한 상 구분을 위해 고온 영역과 저온 영역의 반응 온도가 일정 온도 이상 차이가 나도록, 예를 들면, 고온 영역은 450℃ 이상, 저온 영역은 350℃ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 그러나 두 영역의 온도 차이가 너무 크게 발생하면 온도 제어가 어려워질 뿐만 아니라 장비의 내구성에도 영향이 있을 것이므로, 반응성 뿐만 아니라 모든 제반 조건을 고려한 온도 설정이 필요하다. 예를 들어 고온영역의 반응온도는 약 300℃약 600℃가 적당하며, 약 350℃에서 500℃가 더 바람직하다.
Since the apparatus according to the present invention is a continuous tubular reactor, the pressures in the high-temperature region and the low-temperature region become equal unless a special pressure control apparatus (for example, a back pressure regulator) is separately installed. Therefore, STC can be divided into a low-temperature region (liquid phase) and a high-temperature region (gaseous phase) depending on the vapor pressure condition of the STC since the only variable capable of phase- For example, when the internal pressure of the tubular reactor is 200 bar, the temperature at which the phase transition of the STC is represented by about 400 ° C., the temperature in the high temperature region may be higher than 400 ° C., and the low temperature region may be 400 ° C. or lower . It is preferable to control the temperature of the high temperature region to 450 deg. C or more, and the temperature of the low temperature region to 350 deg. C or less so that the reaction temperature of the high temperature region and the low temperature region may differ by a predetermined temperature or more. However, if the temperature difference between the two areas is too large, temperature control will be difficult and the durability of the equipment will be affected. Therefore, it is necessary to set the temperature considering all the conditions as well as the reactivity. For example, the reaction temperature in the high temperature range is suitably from about 300 ° C to about 600 ° C, more preferably from about 350 ° C to 500 ° C.

반응촉매Reaction catalyst

본 발명에 따른 방법에서 반응 효율을 향상시키기 위하여 촉매를 이용할 수도 있지만 반드시 사용해야 하는 것은 아니다. 본 발명은 촉매 없이도 효율적인 반응이 가능하다. In the process according to the present invention, a catalyst may be used to enhance the reaction efficiency but it is not necessarily used. The present invention enables an efficient reaction without a catalyst.

촉매로는 금속 실리콘과 염화수소의 반응에서의 촉매 성분으로서 공지된 것을 제한없이 이용할 수 있다. 이러한 촉매 성분으로서 구체적으로는 철, 코발트, 니켈, 팔라듐, 백금 등의 제VIII족 원소의 금속이나 그의 염화물 등, 알루미늄, 구리, 티탄 등의 금속이나 염화물을 들 수 있다. 이들 촉매는 단독으로 이용하는 것도, 또는 복수의 촉매를 조합하여 이용하는 것도 가능하다. 상기 촉매 성분의 사용량은 트리클로로실란을 제조 효율을 향상시키는 양이면 특별히 제한되지 않으며, 제조 장치의 능력 등을 감안하여 적절하게 결정하면 된다. As the catalyst, any known catalyst component in the reaction of metallic silicon and hydrogen chloride can be used without limitation. Specific examples of such a catalyst component include a metal or a chloride of a Group VIII element such as iron, cobalt, nickel, palladium, and platinum, and a metal or a chloride such as aluminum, copper, or titanium. These catalysts may be used alone or in combination of a plurality of catalysts. The amount of the catalyst component to be used is not particularly limited as far as the trichlorosilane is used in an amount sufficient to improve the production efficiency, and may be suitably determined in consideration of the capability of the production apparatus.

또한, 상기의 촉매 성분은 반응계 내에 첨가함으로써 존재시킬 수도 있지만, 사용하는 금속 실리콘에 불순물로서 철 화합물 등의 촉매 성분이 포함되어 있는 경우에는, 이 불순물을 촉매 성분으로서 유효하게 이용할 수 있다. 물론, 촉매 성분을 불순물로서 함유하는 금속 실리콘을 사용하는 경우에도, 금속 실리콘과 염화수소의 반응성을 높이기 위하여 촉매 성분을 반응계 내에 더 첨가하여도 전혀 문제는 없다.
The catalyst component may be present by adding it to the reaction system, but when the metal silicon to be used contains a catalyst component such as an iron compound as an impurity, this impurity can be effectively used as a catalyst component. Needless to say, even when metal silicon containing a catalyst component as an impurity is used, there is no problem even if a catalyst component is further added into the reaction system in order to enhance reactivity between metal silicon and hydrogen chloride.

폴리실리콘 제조Polysilicon manufacturing

본 발명에 따라 테트라클로로실란으로부터 제조된 트리클로로실란은 고순도의 다결정실리콘(일명 폴리실리콘) 제조 원료로 사용될 수 있다. 트리클로로실란은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 1000℃ 이상의 고온에서 열분해 되어 폴리실리콘으로 석출될 있다. 경우에 따라서는 수소 존재 하에 열분해 하는 것이 바람직할 수 있다. The trichlorosilane prepared from tetrachlorosilane according to the present invention can be used as a raw material for producing a high-purity polycrystalline silicon (aka polysilicon). As shown in the following reaction formula, trichlorosilane is pyrolyzed at a high temperature of 1000 占 폚 or higher and precipitated as polysilicon. In some cases, it may be desirable to pyrolyze in the presence of hydrogen.

4SiHCl3 → Si + 3SiCl4 + 2H2 (1) 4 SiHCl 3 ? Si + 3 SiCl 4 + 2H 2 (1)

SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl (2)SiHCl 3 + H 2 ? Si + 3HCl (2)

트리클로로실란을 이용한 폴리실리콘 석출 반응은 당업계에 널리 알려져 있으며, 따라서 구체적인 공정 조건에 대한 설명은 생략한다. Polysilicon precipitation reaction using trichlorosilane is well known in the art, and therefore, description of specific process conditions is omitted.

본 발명에 따른 트리클로로실란 제조장치는 The apparatus for producing trichlorosilane according to the present invention comprises

액상의 테트라클로로실란을 포함하는 실란계 화합물 공급수단;Silane-based compound supply means comprising liquid tetrachlorosilane;

선택적으로, 염화수소 공급수단;Optionally, hydrogen chloride supply means;

상기 각각의 공급수단으로부터 공급된 실란계 화합물과 염화수소를 혼합하여 액상 혼합물을 형성하는 장치;An apparatus for mixing a silane-based compound supplied from each of the supply means with hydrogen chloride to form a liquid mixture;

상기 액상 혼합물에 금속 실리콘 입자를 공급하여 분산시키기 위한 금속 실리콘 입자 공급 수단; Metal silicon particle supplying means for supplying and dispersing metal silicon particles to the liquid mixture;

금속 실리콘 입자가 분산된 혼합물이 공급되며, 고온 영역과 저온 영역을 교대로 통과하도록 설계된 관형 반응기; A tubular reactor supplied with a mixture of dispersed metal silicon particles and designed to alternate between a high temperature region and a low temperature region;

상기 반응기에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 공급수단; 및Hydrogen gas supply means for supplying hydrogen gas to the reactor; And

상기 관형 반응기에서 배출되는 생성물로부터 트리클로로실란을 회수하기 위한 수단을 구비할 수 있다. And means for recovering trichlorosilane from the product discharged from the tubular reactor.

보다 구체적으로 설명하면, 수소가스 공급수단에서는 수소 가스 유량이 MFC(Mass Flow Controller)에 의해 조절될 수 있다. 수소 원료 봄베의 압력에 의해 배출된 수소 가스는 MFC를 지나면서 유량이 제어되어 반응기로 공급이 된다. More specifically, in the hydrogen gas supply means, the hydrogen gas flow rate can be controlled by an MFC (Mass Flow Controller). The hydrogen gas discharged by the pressure of the hydrogen raw material bottle is supplied to the reactor after the flow rate is controlled through the MFC.

염화수소 공급수단에서는 염화수소 가스가 MFC에 의해 유량이 조절될 수 있다. 염화수소 봄베의 압력에 의해 배출된 염화수소 가스는 테트라클로로실란 용액에 용해되어 테트라클로로실란 용액과 함께 반응기로 공급된다. In the hydrogen chloride supplying means, the hydrogen chloride gas can be controlled by the MFC. The hydrogen chloride gas discharged by the pressure of the hydrogen chloride bomb is dissolved in the tetrachlorosilane solution and supplied to the reactor together with the tetrachlorosilane solution.

일 구현예에 따르면, 염화수소가 용해되어 있는 테트라클로로실란 용액은 원료 저장 탱크에 보관할 수 있다. According to one embodiment, the tetrachlorosilane solution in which the hydrogen chloride is dissolved can be stored in the raw material storage tank.

원료 저장 탱크는 원료의 끓는점을 고려하여 10℃ 이하의 온도를 유지하도록 2중 쟈켓으로 되어 있어 냉각기에 의해 저온이 유지되는 것이 바람직하다. The raw material storage tank is preferably made of a double jacket so as to maintain a temperature of 10 ° C or less in consideration of the boiling point of the raw material, so that the low temperature is maintained by the cooler.

상기 탱크 상부에는 실리콘 분말을 첨가할 수 있는 장치가 장착되어 있어 실리콘 분말을 주입하여 테트라클로로실란 용액에 분산시킬 수 있다. A device capable of adding silicon powder is mounted on the upper part of the tank, and silicon powder can be injected and dispersed in the tetrachlorosilane solution.

탱크에는 외부 공기가 용기 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해 격벽의 공간이 설치되어 있을 수 있고, 격벽의 공간은 진공 펌프와 연결되어 있으며, 실리콘 분말 주입시 외부 산소 및 수분의 유입을 방지한다.The tank may be provided with a space for preventing external air from entering into the container, and the space of the space is connected to a vacuum pump to prevent the inflow of external oxygen and moisture when the silicon powder is injected.

실리콘 입자의 균일한 분산 상태를 유지하기 위해 원료 저장 탱크에는 교반기가 장착되어 있는 것이 바람직하다. 약 50rpm 에서 약 500rpm으로 교반기가 회전하며 실리콘 입자가 침전하는 것을 억제한다. In order to maintain the uniform dispersion state of the silicon particles, it is preferable that the raw material storage tank is equipped with a stirrer. The stirrer rotates from about 50 rpm to about 500 rpm and inhibits precipitation of silicon particles.

이러한 원료 저장 탱크가 2개 혹은 그 이상 있을 수 있으며, 첫 번째 탱크에 저장된 원료를 소진할 경우 두 번째 탱크에서 연속적으로 주입할 수 있도록 배관이 연결되어 있다. There may be two or more of these raw material storage tanks, and when the raw materials stored in the first tank are exhausted, the pipes are connected so that they can be continuously injected in the second tank.

실리콘 입자가 분산된 혼합물은 원료 저장탱크로부터 액체 이송용 펌프에 의해 관형 반응기에 연속적으로 주입된다. 액체 이송용 펌프는 토출 압력이 약 100bar 이상, 보다 바람직하게는 약 200bar 이상일 수 있다. 고체의 실리콘 분말도 용액과 함께 이송되어야 하며, 테트라클로로실란 용액의 수분과 산소와의 반응성을 고려하여 특정한 방식의 펌프(고압용 펌프)가 적당하다. The mixture in which the silicon particles are dispersed is continuously injected into the tubular reactor from the raw material storage tank by the liquid transfer pump. The liquid transfer pump may have a discharge pressure of about 100 bar or more, more preferably about 200 bar or more. Solid silicon powder should also be transported with the solution, and a specific type of pump (high pressure pump) is suitable considering the reactivity of the tetrachlorosilane solution with water and oxygen.

고압용 펌프를 이용하여 관형 반응기에 주입된 원료는 저온영역과 고온영역을 교대로 통과하는 관형 반응기를 지나면서 반응이 일어난다. 이때 저온영역의 반응 온도는 약 100℃에서 약 320℃의 범위에서 선택하는 것이 적당하며, 약 150℃에서 300℃가 더 바람직하다. 고온영역의 반응온도는 약 300℃에서 약 600℃의 범위에서 선택하는 것이 적당하며, 약 350℃에서 500℃가 더 바람직하다.The raw material injected into the tubular reactor using the high pressure pump is reacted through the tubular reactor passing alternately through the low temperature region and the high temperature region. In this case, the reaction temperature in the low-temperature region is suitably selected from the range of about 100 ° C to about 320 ° C, and more preferably about 150 ° C to 300 ° C. The reaction temperature in the high temperature region is suitably selected in the range of about 300 캜 to about 600 캜, and more preferably about 350 캜 to 500 캜.

반응이 종료된 생성물은 관형 반응기의 10℃ 이하로 냉각된 후단부를 지나면서 모두 액체 상태가 되어 포집 장치에 회수된다. 이 때 미반응 수소와 염화수소 가스 및 염소 가스는 포집 장치에 의해 액체와 분리되며, 액체는 다른 이송 장치를 통해 다른 저장 용기로 이송된다.After completion of the reaction, the product is cooled to not more than 10 캜 of the tubular reactor, and then, the product is in a liquid state and recovered to the collecting device. At this time, the unreacted hydrogen, hydrogen chloride gas and chlorine gas are separated from the liquid by the collecting device, and the liquid is transferred to another storage container through another transfer device.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 방법에 따른 일 실시예를 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, an embodiment according to the method of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 장치를 개략적으로 도시한다. Figures 4 and 5 schematically illustrate an apparatus according to one embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 기상의 테트라클로로실란(1)은 냉각기(10)를 통과하여 액상의 테트라클로로실란(2)으로 전환된다. 액상의 테트라클로로실란(2)은 염화수소(4)와 함께 배합되고, 염화수소는 테트라클로로실란에 용해되어 액상을 형성한다. 여기에 금속 실리콘 입자(6)가 투입되어 배합된다. 금속 실리콘 입자와 배합되기 전에 필요에 따라 펌프(20)에 의해 가압될 수 있지만 이에 한정되지 않는다. As shown in FIG. 4, the gaseous tetrachlorosilane (1) passes through the cooler (10) and is converted into liquid tetrachlorosilane (2). Liquid tetrachlorosilane (2) is combined with hydrogen chloride (4), and hydrogen chloride is dissolved in tetrachlorosilane to form a liquid phase. And the metal silicon particles 6 are added to the mixture. But may be pressurized by pump 20 as needed before it is combined with the metal silicon particles.

수소가스는 전술한 단계 중 임의의 단계에 첨가될 수 있다. 예를 들면, 액상의 테트라클로로실란(2)을 염화수소(4)와 배합하기 전 또는 후, 또는 금속 실리콘 입자 분산 전 또는 후에 첨가할 수 있다. The hydrogen gas may be added to any of the steps described above. For example, the liquid tetrachlorosilane (2) may be added before or after compounding with hydrogen chloride (4), or before or after dispersing the metal silicon particles.

금속실리콘 입자가 분산된 액상의 테트라클로로실란/염화수소 혼합액(7)은 관형 반응기(30)에 주입되어 반응이 진행된다. 상기 혼합액은 도면에는 도시하지 않았지만 앞서 설명한 바와 같이 교반기가 장착된 원료 저장 탱크에 보관되어 있을 수 있다. 반응기(30)에는 최적의 반응 온도를 제공하기 위한 가열수단(도시하지 않음)이 구비되며, 충분한 체류시간과 접촉면적을 제공할 수 있도록 설계될 수 있다. The liquid tetrachlorosilane / hydrogen chloride mixed solution 7 in which the metal silicon particles are dispersed is injected into the tubular reactor 30 and the reaction proceeds. Although not shown in the figure, the mixed liquid may be stored in a raw material storage tank equipped with a stirrer as described above. The reactor 30 is provided with heating means (not shown) for providing an optimum reaction temperature and can be designed to provide sufficient residence time and contact area.

도 5에 도시된 바와 같이, 관형 반응기는 저온 영역과 고온영역을 교대로 통과하도록 설계되어 있다. As shown in Fig. 5, the tubular reactor is designed to alternate between the low-temperature region and the high-temperature region.

반응 원료로서 주입되는 금속실리콘 입자(고체), 테트라클로로실란(액체 또는 기체), 수소(기체) 및 염화수소(기체)는 고체-액체-기체 혼합물이며, 저온영역에서 액상의 반응원료가 고상의 금속 실리콘 입자를 함침한 상태로 고온영역으로 이송된다. 고온영역에서는 금속 실리콘 입자 표면에 습윤된 액상 반응원료가 기화하면서 고상-기상간 반응이 진행될 수 있다. 이후 다시 저온 영역으로 이동하면서 다시 액상 반응원료가 고상 반응원료에 습윤되고, 다시 고온 영역으로 이송되어 반응이 진행된다. 이와 같은 과정이 반복됨으로써 전환효율이 증대될 수 있다. The liquid metal raw material (solid), tetrachlorosilane (liquid or gas), hydrogen (gas) and hydrogen chloride (gas) injected as a reaction raw material are solid-liquid-gas mixtures, The silicon particles are impregnated and transferred to the high temperature region. In the high temperature region, the solid phase-gas phase reaction can proceed while the liquid reaction material wetted on the surface of the metal silicon particles is vaporized. Thereafter, the liquid reaction material is again wetted to the solid phase reaction raw material while being moved to the low temperature region, and the reaction is carried out again to the high temperature region. By repeating this process, the conversion efficiency can be increased.

또한, 테트라클로로실란에 분산된 실리콘 입자는 밀도가 높기 때문에 침전하게 된다. 따라서 실리콘이 분산된 실란 용액이 관형 반응기를 지날 때의 선속도는 실리콘의 침전 속도보다 높아야 한다. 예를 들어 10 ㎛ 실리콘 입자의 경우를 예로 들면 테트라클로로실란 용액에서의 침전속도는 초당 약 10 mm 이며, 이 용액이 내경 10 mm 의 관형 반응기를 침전 없이 지나가려면 용액의 선속도는 최소 초당 10 mm 이상이어야 한다. 따라서 관형 반응기의 길이 및 내경은 실리콘 분말의 크기와 침전 속도에 따라 결정될 수 있다. Further, the silicon particles dispersed in tetrachlorosilane precipitate because of high density. Therefore, the linear velocity at which the silicon-dispersed silane solution passes through the tubular reactor should be higher than the deposition rate of silicon. For example, in the case of 10 μm silicon particles, the settling rate in a tetrachlorosilane solution is about 10 mm per second. To pass the solution through a tubular reactor with an inner diameter of 10 mm without precipitation, the linear velocity of the solution is at least 10 mm Or more. Therefore, the length and the inner diameter of the tubular reactor can be determined according to the size of the silicon powder and the settling velocity.

바람직한 구현예에 따르면, 금속 실리콘 입자 입자는 반응에 모두 소진 되도록 할 수 있으며, 이 경우 반응 후 잔류하는 금속 실리콘 입자를 분리하기 위한 공정(예를 들면 필터링 공정)이 생략될 수 있다. According to a preferred embodiment, the metal silicon particle particles can be exhausted to the reaction, in which case a process (for example a filtering process) for separating the remaining metallic silicon particles after the reaction can be omitted.

반응기(3)로부터의 배출물(8)은 반응기 내부의 압력으로 액상으로 존재하며, 액상 반응물 중의 트리클로로실란과 염화수소/수소를 분리하기 위하여 가압 또는 감압 증류 장치를 이용하는 것도 가능하지만, 상온에서 트리클로로실란은 액체이고 염화수소와 수소는 기체인 성질을 이용하여, 반응 직후 액체 상태로 존재하는 트리클로로실란, 염화수소, 수소는 압력이 해제된 상태에서 보관함으로써 액상의 트리클로로실란을 용이하게 얻을 수 있다. The effluent 8 from the reactor 3 is present in a liquid state by the pressure in the reactor and a pressurized or reduced pressure distillation apparatus can be used to separate the trichlorosilane and hydrogen chloride / hydrogen in the liquid reaction product. However, Liquid trichlorosilane can be easily obtained by using trichlorosilane, hydrogen chloride, and hydrogen, which are present in a liquid state immediately after the reaction, in a state in which the silane is a liquid and hydrogen chloride and hydrogen are gases.

본 발명에 따른 방법은 액상의 테트라클로로실란을 이용하여 액상 반응으로 관형 반응기를 이용하여 진행하며, 또한 금속 실리콘 입자를 반응시키므로 반응물이 균일하게 혼합될 수 있고 반응표면적이 증대되며 반응 온도 제어가 용이하여 생산 효율이 극대화될 수 있다. The process according to the present invention proceeds in a liquid phase reaction using a tubular reactor using liquid tetrachlorosilane and reacts with metallic silicon particles, so that reactants can be uniformly mixed, the reaction surface area is increased, and the reaction temperature is easily controlled So that the production efficiency can be maximized.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 하지만 하기 실시예는 본 발명의 일 구현예에 불과하며 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, a specific embodiment of the present invention will be described. However, the following examples are only illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

내경 4 mm, 길이 300 mm의 SUS316제 반응관이 4 개 연결된 미세관형 반응관을 350℃의 반응온도로 내압을160 bar로 유지하면서, 금속 실리콘(순도 98%, 평균입경 3㎛)을 1 중량%로 테트라클로로실란에 분산시킨 분산액, 염화수소 및 수소를 각각 표 1에 나타낸 것과 같은 유량으로 도입하여 반응을 실시하였다. 저온영역과 고온영역의 온도 및 반응관 내부 압력 조건은 다음과 같았다. A microtubular reaction tube with four SUS316 reaction tubes having an inner diameter of 4 mm and a length of 300 mm was heated at a reaction temperature of 350 ° C and an internal pressure of 160 bar, 3 mu m) was dispersed in tetrachlorosilane at 1 wt%, hydrogen chloride, and hydrogen were introduced at the flow rates shown in Table 1, respectively. The temperature of the low temperature region and the high temperature region and the pressure inside the reaction tube were as follows.

저온영역: 260℃, 100barLow temperature region: 260 DEG C, 100 bar

고온영역: 360℃, 100bar High temperature zone: 360 ° C, 100 bar

Figure pat00001
Figure pat00001

실시예 2Example 2

저온영역 반응온도를 210℃. 고온영역 반응온도는 300℃ 로 하였으며, 반응관 내부압력을 80bar 로 하여 고온영역에서도 STC가 액상이 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 반응을 실시한 결과 생성물 중 TCS 함량은 5 몰% 이었다.The low-temperature zone reaction temperature was 210 ° C. The reaction was carried out in the same manner as in Example 1-1 except that the reaction temperature in the high temperature region was set to 300 ° C and the pressure in the reaction tube was set to 80 bar to make the STC liquid phase even in the high temperature region. Mol%.

비교예 1 Comparative Example 1

저온영역 반응온도는 320℃, 고온영역 반응온도는 400℃ 였으며, 반응관 내부압력을 60bar 로 하여 저온영역에서도 STC가 기상이 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1-1 과 동일한 방법으로 반응을 실시한 결과 생성물 중 TCS 함량은 7 몰% 이었으나 반응물인 실리콘이 관형 반응기 내에 적체되어 연속적인 공정이 불가능하였다. The reaction was carried out in the same manner as in Example 1-1, except that the reaction temperature in the low-temperature region was 320 ° C. and the reaction temperature in the high-temperature region was 400 ° C., and the pressure inside the reaction tube was 60 bar, The TCS content of the resultant was 7 mol%, but the reaction product, silicon, was entrained in the tubular reactor and the continuous process was impossible.

10. 냉각기
20. 펌프
30. 관형 반응기
10. Cooler
20. Pump
30. Tubular Reactor

Claims (16)

저온 영역과 고온 영역을 교대로 통과하는 관형 반응기에,
테트라클로로실란을 포함하는 액상의 실란계 화합물에 금속 실리콘 입자가 분산된 혼합물을 수소, 또는 수소 및 염화수소와 함께 주입하여 반응시킴으로써 트리클로로실란을 생성하는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란 제조방법.
In a tubular reactor passing alternately between a low temperature zone and a high temperature zone,
Characterized in that trichlorosilane is produced by reacting a mixture of metal silicon particles dispersed in a liquid silane compound containing tetrachlorosilane with hydrogen or hydrogen and hydrogen chloride.
제1항에 있어서,
상기 저온 영역에서는 상기 테트라클로로실란이 액상인 상태로 반응하도록 하고, 상기 고온 영역에서는 상기 테트라클로로실란이 기상인 상태로 반응하도록 하는 것인, 트리클로로실란 제조하는 방법
The method according to claim 1,
Wherein the tetrachlorosilane reacts in a liquid state in the low-temperature region, and the tetrachlorosilane reacts in a gaseous state in the high-temperature region,
제1항에 있어서,
상기 저온 영역 반응은 100℃ 이상 320℃ 이하, 10 bar 이상 550 bar 이하의 압력하에서 실시되는 것인, 트리클로로실란 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the low-temperature region reaction is carried out at a temperature of 100 ° C or more and 320 ° C or less, and a pressure of 10 bar or more and 550 bar or less.
제1항에 있어서,
상기 고온 영역 반응은 300℃ 이상 600℃ 이하, 10 bar 이상 550 bar 이하의 압력하에서 실시되는 것인, 트리클로로실란 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the high-temperature region reaction is carried out at a temperature of not less than 300 DEG C and not more than 600 DEG C, and a pressure of not less than 10 bar and not more than 550 bar.
제1항에 있어서,
상기 금속 실리콘 입자는 중량평균입경이 35 미크론 이하인, 트리클로로실란 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal silicon particles have a weight average particle size of 35 microns or less.
제1항에 있어서,
상기 금속 실리콘 입자와 상기 액상의 실란계 화합물의 중량비는 1: 20 내지 1:200 인, 트리클로로실란 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of the metal silicon particles to the liquid silane compound is from 1:20 to 1: 200.
제1항에 있어서,
상기 액상의 실란계 화합물은 트리클로로실란 열분해에 의한 폴리실리콘 석출공정의 부산물인 것인, 트리클로로실란 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein said liquid silane compound is a by-product of a polysilicon precipitation process by thermal decomposition of trichlorosilane.
제1항에 있어서,
수소와 테트라클로로실란의 중량비는 1:20 내지 200인 것인, 트리클로로실란 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of hydrogen to tetrachlorosilane is from 1:20 to 200.
제1항에 있어서,
염화수소와 테트라클로로실란의 중량비가 1: 0 내지 10 인 것인, 트리클로로실란 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of hydrogen chloride to tetrachlorosilane is 1: 0 to 10.
제1항에 있어서,
상기 반응 후 생성물 내에 잔류하는 실리콘 입자를 분리하는 단계를 더 포함하는, 트리클로로실란 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising separating the silicon particles remaining in the product after the reaction.
제1항에 있어서,
상기 금속 실리콘 입자는 반응에 소진되어 반응 후 생성물에 잔류하지 않는 것을 특징으로 하는, 트리클로로실란 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal silicon particles are consumed in the reaction and do not remain in the product after the reaction.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 의해 제조된 트리클로로실란을 열분해하여 폴리실리콘을 석출하는 공정을 포함하는 폴리실리콘 제조방법. A process for producing polysilicon, comprising the step of pyrolyzing trichlorosilane produced by any one of claims 1 to 11 to precipitate polysilicon. 액상의 테트라클로로실란을 포함하는 실란계 화합물 공급수단;
선택적으로, 염화수소 공급수단;
상기 각각의 공급수단으로부터 공급된 실란계 화합물과 염화수소를 혼합하여 액상 혼합물을 형성하는 장치;
상기 액상 혼합물에 금속 실리콘 입자를 공급하여 분산시키기 위한 금속 실리콘 입자 공급 수단;
금속 실리콘 입자가 분산된 혼합물이 공급되며 저온영역과 고온영역을 통과하는 교대로 통과하도록 설계된 관형 반응기;
상기 반응기에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 공급수단; 및
상기 관형 반응기에서 배출되는 생성물로부터 트리클로로실란을 회수하기 위한 수단을 구비한, 트리클로로실란 제조장치.
Silane-based compound supply means comprising liquid tetrachlorosilane;
Optionally, hydrogen chloride supply means;
An apparatus for mixing a silane-based compound supplied from each of the supply means with hydrogen chloride to form a liquid mixture;
Metal silicon particle supplying means for supplying and dispersing metal silicon particles to the liquid mixture;
A tubular reactor supplied with a mixture of dispersed metal silicon particles and designed to pass alternately through the low temperature region and the high temperature region;
Hydrogen gas supply means for supplying hydrogen gas to the reactor; And
And means for recovering trichlorosilane from the product discharged from said tubular reactor.
제13항에 있어서,
상기 금속 실리콘 입자는 액상의 실란계 화합물에 분산된 형태로 공급되는 것인, 트리클로로실란 제조장치.
14. The method of claim 13,
Wherein the metal silicon particles are supplied in a form dispersed in a liquid silane compound.
제13항에 있어서,
상기 금속 실리콘 입자가 분산된 혼합 용액을 저장하기 위한 교반기가 장착된 원료 저장 탱크를 더 구비하는 것인, 트리클로로실란 제조장치.
14. The method of claim 13,
And a raw material storage tank equipped with an agitator for storing a mixed solution in which the metal silicon particles are dispersed.
제13항에 있어서,
금속 실리콘 입자가 분산된 혼합 용액이 관형 반응기에 공급되는 선속도는 금속 실리콘 입자의 침전이 일어나지 않도록 하는 범위로 조절되는 것인, 트리클로로실란 제조장치.
14. The method of claim 13,
Wherein the linear velocity at which the mixed solution in which the metal silicon particles are dispersed is supplied to the tubular reactor is adjusted to a range that does not cause precipitation of the metal silicon particles.
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