DE1094719B

DE1094719B - Verfahren zum Herstellen von Trichlorsilan

Info

Publication number: DE1094719B
Application number: DEA31867A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Dipl-Ing Dr He Plust; Puran Dudani
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1959-04-08
Filing date: 1959-04-18
Publication date: 1960-12-15

Description

Verfahren zum Herstellen von Trichlorsilan Bei der Herstellung von Halbleitergleichrichtern beispielsweise wird Silizium von größter Reinheit benötigt. Ein bekanntes Verfahren zur Darstellung von solchem Silizium umfaßt die drei Schritte: a) Herstellung Trichlorsilan (Silicochloroform, SiHCls) durch Umsetzung von Silizium mit Salzsäuregas (H CI), b) Reinigung des Trichlorsilans, c) thermische Zersetzung des gereinigten Trichlorsilans zur Gewinnung reinsten Siliziums.
Die Erfindung bezieht sich auf das unter a) genannte Verfahren zum Herstellen von Trichlorsilan. Nach dem bekannten Verfahren wird kristallines Silizium bei einer Temperatur von etwa 300° C von 1-I Cl-Gas überströmt. Neben der erwünschten Reaktion

Si -I- 3 H Cl --> Si H C13 -I- H2>

welche zur Bildung des Trichlorsilans führt, laufen dabei noch andere Reaktionen ab, darunter vorwiegend die Reaktion

Si -h 4 H Cl -> Si C14 + 2 H2,

wodurch Tetrachlorsilan erzeugt wird. Dadurch wird die Ausbeute, d. h. das Verhältnis der Menge des gebildeten Trichlorsilans zur ursprünglich eingesetzten Menge Silizium, in nachteiliger Weise herabgesetzt. Beim bekannten Verfahren läuft außerdem die Bildung des Trichlorsilans verhältnismäßig langsam ab; eine typische Produktionsrate von labormäßigen Apparaturen liegt bei einigen Gramm pro Stunde. Eine Erhöhung der Temperatur führt nicht zu einer Verbesserung der Trichlorsilanausbeute. weil dabei der Anteil der störenden Tetrachlorsilanreaktion weit rascher ansteigt. Durch eine Temperaturerhöhung wird also auch die Ausbeute noch weiter verschlechtert.
Wichtig ist beim bekannten Verfahren, daß das Reaktionsgefäß peinlich von Sauerstoff und dessen Verbindung, insbesondere auch von Wasser (Luftfeuchtigkeit!), freigehalten wird. Wegen der außerordentlich großen Stabilität der Si-O-Bindung ist nämlich das Trichlorsilan sehr reaktionsfähig gegenüber Sauerstoff. Bei Gegenwart von (freiem oder gebundenem) Sauerstoff im Reaktionsgefäß bildet sich daher auf dem Silizium allmählich eine dichte Oxvdhaut, und die Reaktion des Siliziums mit dem H Cl-Gas kommt nach einiger Zeit zum Stillstand. Die Erfindung besteht nun darin, daß die Siliziumcharge im Reaktionsgefäß wenigstens teilweise von einem aus metallischem Kupfer bestehenden, von ihr getrennten Körper umgeben ist. Durch diese Maßnahme wird schon bei einer Temperatur von 300° C, wie sie für das oben beschriebene bekannte Verfahren typisch ist, eine Erhöhung der Ausbeute um etwa den Faktor 1, 5 bei gleichzeitiger Verminderung des H CI-Verbrauches erzielt. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme lassen sich jedoch höhere Temperaturen anwenden, weil selbst unter solchen Bedingungen die Bildung des Trichlorsilans bevorzugt erfolgt, diejenige der störenden Verbindungen (z. B. Tetrachlorsilan) dagegen beeinträchtigt wird. Dadurch erhöht sich neben der Ausbeute auch die Produktionsrate; sie ist beispielsweise bei einer Temperatur von 400° C um mindestens den Faktor 4 größer als bei 300° C. Ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme ist darin zu sehen, daß kleinere Sauerstoff-oder Wassermengen im Reaktionsgefäß nicht mehr störend in Erscheinung treten. Dadurch wird der Aufwand für die Reinigung des Reaktionsgefäßes und der Reaktionsprodukte vor Beginn der Trichlorsilanproduktion wesentlich vermindert.
Die Verwendung von Kupfer als Katalysator ist bei der Herstellung von Chlorsilanen und von Organosiliziumhalogeniden an sich bekannt. Dabei wurde das Kupfer stets in besonderem Arbeitsgang mit dem Silizium zusammen zu einer Reaktionsmasse verarbeitet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren bleiben dagegen Kupfer und Silizium im Reaktionsgefäß voneinander getrennt. Hierdurch wird die Darstellung von höchstreinem Silizium ermöglicht; im Gegensatz zu den mit Reaktionsmassen arbeitenden Verfahren ist insbesondere der Gehalt des aus dem erfindungsgemäß hergestellten Trichlorsilan gewonnenen Siliziums an Fremdelementen (speziell von Schwermetallen und Elementen, wie Bor, Phosphor und Arsen) so gering, wie dies für die beabsichtigten Verwendungszwecke erwünscht ist.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird an Hand der Figur beschrieben, welche einen Längsschnitt durch das Reaktionsgefäß zeigt.
Das Reaktionsgefäß ist durch das Rohr 1 gebildet, welches beispielsweise aus temperaturfestem Glas oder Quarz besteht. Es ist von der Heizeinrichtung 2 umgeben, die beispielsweise stromdurchflossene Heizwicklungen enthalten kann und die zur Erwärmung der Reaktionszone auf eine Temperatur von 300 bis 500° C, vorzugsweise 400° C, dient. Das Silizium befindet sich in der Form etwa erbsengroßer Kristalle 3 in einem Schiffchen 4 aus Glas oder Quarz. Der Strom von gasförmigem H Cl folgt dem Pfeil 5. In Realisierung des Erfindungsgedankens ist im Reaktionsgefäß die aus Kupferdraht bestehende schraubenförmige Wicklung 6 untergebracht, welche der Innenwand des Reaktionsgefäßes anliegt und welche stets, d. h. insbesondere auch bei Auswechslung des Schiffchens 4, im Rohr 1 verbleiben kann. Eine Abwandlung dieser Maßnahme besteht in der Anwendung eines rohrförmigen, der Innenwand des Reaktionsgefäßes anliegenden Netzes aus dünnen Kupferdrähten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Herstellen von Trichlorsilan durch Umsetzung von Silizium mit Salzsäuregas, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumcharge im Reaktionsgefäß wenigstens teilweise von einem von ihr getrennten, aus metallischem Kupfer bestehenden Körper umgeben ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Innenwand des Reaktionsgefäßes anliegende Wicklung aus Kupferdraht verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Innenwand des Reaktionsgefäßes anliegendes Netz aus Kupferdrähten verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei einer Temperatur von angenähert 400° C durchgeführt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2499009.