JP2014500225A - 高級ハロゲン化シランおよび高級ヒドリドシランの製造法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、低級ハロゲン化シランの不均化によって高級ハロゲン化シランを製造するための方法に関する。更に、本発明は、不均化によって製造された高級ハロゲン化シランから高級ヒドリドシランを製造するための方法に関する。更に、本発明は、記載された方法により製造された、少なくとも1つの高級ハロゲン化シランまたは少なくとも1つの高級ヒドリドシランを含有する混合物に関する。最後に、本発明は、電子素子層もしくは光電子素子層を製造するための、またはケイ素含有層を製造するための、少なくとも1つの高級ヒドリドシランを含有する、このような混合物の使用に関する。

Description

本発明は、低級ハロゲン化シランの不均化によって高級ハロゲン化シランを製造するための方法に関する。更に、本発明は、不均化によって製造された高級ハロゲン化シランから高級ヒドリドシランを製造するための方法に関する。更に、本発明は、少なくとも1つの高級ハロゲン化シランまたは記載された方法により製造された少なくとも1つの高級ヒドリドシランを含有する混合物に関する。最後に、本発明は、電子素子層もしくは光電子素子層を製造するための、またはケイ素含有層を製造するための、少なくとも1つの高級ヒドリドシランを含有する、このような混合物の使用に関する。
ヒドリドシランまたはその混合物は、刊行物において、ケイ素層を製造するための考えられうる出発物質として記載されている。その際に、ヒドリドシランは、主として単にケイ素原子および水素原子を含む化合物であると解釈すべきである。ヒドリドシランは、ガス状、液状または固体であってよく、固体の場合には、主として溶剤、例えばトルエンもしくはシクロヘキサン中、または液状シラン、例えばシクロペンタシラン中で可溶性である。例として、モノシラン、ジシラン、トリシラン、シクロペンタシランおよびネオペンタシランが挙げられる。少なくとも3個または4個のケイ素原子を有するヒドリドシランは、Si−H結合を有する直鎖状構造、分枝鎖状構造または(任意に二環式/多環式の)環式構造を有することができ、かつ、それぞれの一般式Sin2n+2(直鎖状または分枝鎖状;n≧2)、Sin2n(環式;n≧3)またはSin2(n-i)(二環式または多環式;n≧4;i={環の数}−1)によって説明することができる。
ヒドリドシランを製造するための数多くの方法は、形式的なH2分離下での高級シランへの低級ヒドリドシラン、殊にSiH4のデヒドロ重合反応に基づく。その際に、デヒドロ重合反応は、1)熱的に(触媒が使用されない場合に米国特許第6027705号明細書A)実施されることができ、および/または2)触媒、例えばa)元素状遷移金属の使用により(不均一系触媒作用;白金族金属、すなわちRu,Rh,Pd,Os,Ir,Ptが使用される場合の米国特許第6027705号明細書A;第3B族〜第7B族および第8族の金属、すなわちCu基およびZn基なしの遷移金属/ランタニド系列のための米国特許第5700400号明細書A)、b)非金属酸化物(不均一系触媒作用;Al23またはSiO2が使用される場合の米国特許第6027705号明細書A)、c)スカンジウム、イットリウムまたは希土類の水素化物シクロペンタジエニル錯体(均一系触媒作用;米国特許第4965386号明細書A、米国特許第5252766号明細書A)、d)遷移金属錯体(均一系触媒作用;第3B族〜第7B族および第8族の金属、すなわちCu族およびZn族を除く遷移金属/ランタニド系列の錯体のための米国特許第5700400号明細書A;特開平02−184513号公報A)またはe)担体上で不動態化された、特定の遷移金属(不均一系触媒作用;担体、例えばSiO2上の白金族金属が使用される場合の米国特許第6027705号明細書A、炭素、SiO2またはAl23上で不動態化されたルテニウム、ロジウム、パラジウムまたは白金のための米国特許第5700400号明細書A)または遷移金属錯体(不均一系触媒作用、担体、例えばSiO2上の白金族金属錯体が使用される場合の米国特許第6027705号明細書A)を使用することによって実施されることができる。しかし、全ての前記方法は、使用される低級ヒドリドシランそれ自体が最初に費用を掛けて製造されなければならないという欠点を有する。更に、前記方法には、当該方法が出発物質の自己引火性のために、高い装置費用を必要とするという欠点を有している。最後に、前記方法では、これまで十分に高い収率を実現させることができなかった。更に、各目的生成物の費用の掛かる精製が必要とされた。
ジハロシランを任意にトリハロシランおよび/またはテトラハロシランと一緒に電気化学的経路で反応させる、ヒドリドシランを製造するための別の方法は、例えば欧州特許出願公開第0673960号明細書A1に記載されている。しかし、また、前記方法は、電気化学的な反応操作のために高い装置費用およびさらに高いエネルギー密度を必要とするという欠点を有する。最後に、ここでも前もってそれぞれのジハロシランまたはトリハロシランを最初に費用を掛けて製造すべきである。
それとは別に、高級ヒドリドシランは、脱ハロゲン化およびハロシランとアルカリ金属との重縮合によって製造されてもよい。しかし、前記方法は、十分には高くない収量を生じる。
WO 2008/051328A1には、ネオペンタシラン含有組成物を製造するために、式X3SiSiX3のヘキサハロジシランと第三級アミン触媒とをテトラキス(トリハロシリル)シラン(Si(SiX34)およびテトラハロシランを含む第1の混合物の形成下に反応させることが教示されている。2つの主要成分のテトラキス(トリハロシリル)シランおよびテトラハロシランは、互いに分離されてよい。得られたテトラキス(トリハロシリル)シランは、ジイソブチルアルミニウム水素化物での水素化によってネオペンタシラン(Si(SiH34)に変換されることができる。しかし、前記方法は、ネオペンタシランだけが入手可能であるという欠点を示す。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第102005024041号明細書A1には、式HnSiX(4-n)(X=F、Cl、Br、I;n=0〜3)のハロゲン化シランのプラズマ放電の発生下にハロゲン化されたポリシランが形成されうることが記載されている。このプロセスは、真空下に適度な収率で進行する。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第102008042934号明細書A1には、エーテル化合物の存在下でR3Si−(Si)x−SiR3(x=1〜5)から式Si(SiR34(R=H、Cl、Br、I)のネオペンタシランの製造を実施し得ることが教示されている。この方法によれば、ネオペンタシランだけが入手可能である。
ところで、本発明の課題は、公知技術水準の欠点を回避し、かつ任意に多大な単離費用および/または後精製費用なしに相応する高級ヒドリドシランまたは高級ヒドリドシランの混合物に変換しうる、高級ハロゲン化シランまたは高級ハロゲン化シランの混合物を製造しうる方法を提供することであった。
この課題は、高級ハロゲン化シランの製造法であって、nが2以上でありかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sin2n+2の少なくとも1つのハロゲン化シランが使用され、および不均化によって、mがnより大きくかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sim2m+2の少なくとも1つの高級ハロゲン化シランおよび/またはaが1〜2でありかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sia2a+2の少なくとも1つの低級ハロゲン化シランを含有する生成物混合物に変換される前記方法によって解決され、この方法は、前記変換が少なくとも1つの第三級ホスファン(第三級ホスフィン)によって触媒されることによって特徴付けられる。
nが2以上でありかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sin2n+2の如何なるハロゲン化シランが使用されるか、または様々なシランからなるが、しかし、それぞれ同じハロゲンで置換されたシランからなる混合物が使用されるかどうかにより、少なくとも1つの高級ハロゲン化シランおよび少なくとも1つの低級ハロゲン化シランを含有する生成物混合物の組成に僅かな作用が及ぼされる。こうして、例えばSi2Cl6および/またはSi3Cl8および/またはSinClmから、たいてい常にSi5Cl12、SiCl4、高級シランならびに任意に不完全な変換の際にSi2Cl6が中間生成物として生じる。
反応時間は、相応するアミン触媒による方法の範囲内にある。
例えば、アミン触媒による方法と比較して本発明による方法の利点は、高級ハロゲン化シランまたは高級ハロゲン化シランの混合物が製造されてもよいことである。アミン触媒による方法でSi5Cl12だけが入手可能である。
本発明により使用可能な触媒は、第三級ホスファンのクラスの触媒である。このクラスの触媒は、ハロゲン化シランの転移反応にとって新規種類である。
好ましい第三級ホスファンは、第三級アルキルホスファン、例えばトリメチルホスファン、トリエチルホスファン、第三級アリールホスファン、例えばトリフェニルホスファン、二座の第三級ホスファンまたはその混合物を含む群から選択されている。殊に有利には、第三級アルキルホスファンである。
第三級アルキルホスファンの中で、殊にトリメチルホスファンが特に好ましく、それというのも、触媒としてのトリメチルホスファンを用いると、有利にXがClである、SiX4、Si26およびSi512の他に、mがnより大きく、かつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sim2m+2の高級ハロゲン化シランの割合は、特に大きいからである。
ハロゲン化シランの使用される量に対して、少なくとも1つの触媒の割合は、本発明による方法の場合に、有利に0.001〜5質量%である。
不均化反応は、溶剤の存在下または不在下で行なうことができる。その際に、触媒は、溶剤の存在下または不在下の場合に純粋物質として使用されうるか、または溶剤の存在下の場合に溶剤中、例えばジエチルエーテル中の懸濁液として使用されうる。懸濁液としての使用の場合には、触媒の割合は、有利に懸濁液の全質量に対して1〜25質量%である。
本発明による方法において使用されるハロゲン化シランは、主としてケイ素原子およびハロゲン原子(ハロゲン=フッ素、塩素、臭素、ヨウ素)だけからなりかつ少なくとも2個のケイ素原子を有する化合物である。
少なくとも3個または4個のケイ素原子を有する一般式Sin2n+2のハロゲン化シランは、直鎖状構造または分枝鎖状構造を有することができる。
本発明による方法にとって特に良好には、一般式Sin2n+2の直鎖状のハロゲン化シランが使用可能である。
好ましくは、一般式Sin2n+2の少なくとも1つのハロゲン化シランは、ヘキサハロゲン化ジシラン、オクタハロゲン化トリシランまたはデカハロゲン化テトラシランの群から選択された化合物、すなわちそれぞれXがF、Cl、Brおよび/またはIである、Si26、Si38、Si410から選択された化合物である。前記化合物の1つ以上からなる混合物が使用されてもよい。
殊に有利には、オクタハロゲン化トリシランである。前記化合物の中で、他方で、オクタフルオロトリシラン、オクタクロロトリシラン、オクタブロモトリシランおよびオクタヨードトリシラン、すなわちXがF、Cl、BrまたはIである一般式Si38の化合物は、特に好ましい。殊に有利に、本発明による方法には、オクタクロロトリシランが使用される。
前記方法で使用される反応混合物の少なくとも1つのハロゲン化シランの割合は、当該反応混合物の全質量に対して、特に少なくとも60質量%、有利に少なくとも80質量%である。殊に有利に、前記反応混合物は、少なくとも1つの触媒および単数または複数のハロゲン化シランだけを含有する。
本発明による方法の場合、1つのハロゲン化シランまたは複数のハロゲン化シランが使用されうる。好ましくは、1つのハロゲン化シランだけが使用される。複数のハロゲン化シランを使用する場合には、有利に少なくとも1つのハロゲン化シランがオクタハロゲン化トリシランとして、ハロゲン化シランの混合物に対して、少なくとも20質量%、有利に少なくとも80質量%の割合で存在する。
mがnより大きくかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sim2m+2の少なくとも1つの高級ハロゲン化シランおよびaが1〜2でありかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sia2a+2の少なくとも1つの低級ハロゲン化シランを含有する生成物混合物の形成後、この混合物は、一般式Sim2m+2のヒドリドシランの形成下に水素化されうる。水素化は、高級ハロゲン化シランのさらなる後精製または単離なしに行なうことができる。
引続く水素化が実施される場合には、前記生成物混合物からSiCl4および/またはSi2Cl6が分離されるはずである。それというのも、さもないと、相当に安全性にリスクがあるSiH4および/またはSi26が生じるからである。好ましくは、生じたテトラハロゲン化シランおよび/またはヘキサハロゲン化ジシランは、水素化の前に一般式Sim2m+2の生じる高級ハロゲン化シランと分離される。更に、好ましくは、これは、生成物混合物からの、−30℃〜+100℃、有利に−30℃〜+57℃の温度および0.01〜1013ミリバール、有利に0.02〜0.2ミリバールの圧力での留去または抽出によって行なわれる。必要な場合には、Si5Cl12も昇華されうるが、しかし、このことは、後に続く水素化にとって、少なくとも安全性の理由から不要である。
使用される触媒は、たいてい極めて少量で添加され、前記混合物からの除去は、一般に行なう必要がない。
好ましくは、水素化は、第1主族〜第3主族の金属の金属水素化物の群(殊に、アルカリ金属水素化物またはアルカリ土類金属水素化物)またはLiAlH4、NaBH4、iBu2AlHからなる水素化化合物の群から選択された少なくとも1つの水素化剤の添加によって行なわれる。
また、本発明による方法により製造可能なヒドリドシランとは、主として単にケイ素原子および水素原子を含有する化合物であると解釈すべきである。このヒドリドシランは、ガス状、液状または固体であってよく、かつ固体の場合には、主として溶剤中、例えばトルエンもしくはシクロヘキサン中、または液状シラン中、例えばシクロペンタシラン中で可溶性である。例として、ジシラン、トリシラン、シクロペンタシランおよびネオペンタシランが挙げられる。また、このヒドリドシランは、Si−H結合を有する直鎖状構造または分枝鎖状構造を有することができる。本発明による方法は、分枝鎖状ヒドリドシランの製造に特に良好に適している。殊に、使用される触媒に応じて、ネオペンタシランの製造または高級オリゴマーのヒドリドシランの製造に特に良好に適している。
水素化の場合、水素化剤は、使用されるハロゲン化シランに対して、2〜30倍、有利に10〜15倍のモル過剰量で存在する。
また、水素化は、溶剤の存在下または不在下で行なうことができる。好ましくは、水素化は、溶剤なしに実施される。しかし、溶剤の存在下で水素化を実施する場合には、有利に使用可能な溶剤は、12個までの炭素原子を有する、直鎖状、分枝鎖状または環式の、飽和、不飽和または芳香族の炭化水素およびエーテルからなる群から選択されてよい。特に有利には、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、n−デカン、ドデカン、シクロヘキサン、シクロオクタン、シクロデカン、ジシクロペンタン、ベンゼン、トルエン、m−キシレン、p−キシレン、メシチレン、テトラヒドロナフタリン、デカヒドロナフタリン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテルエーテル、テトラヒドロフラン、p−ジオキサン、アセトニトリルである。特に良好に使用可能な溶剤は、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、n−デカン、ドデカン、シクロヘキサン、シクロオクタン、シクロデカン、ベンゼン、トルエン、m−キシレン、p−キシレン、メシチレンの炭化水素である。更に、溶剤は、式AlR2Hal(Hal=F、Cl、Br、I;R=アルキル、アリール)のアルキルアルミニウムハロゲン化物であってよく、その際に融点は、100℃未満である。溶剤は、全質量の0.01〜90質量%になることができる。
一般式Sim2m+2のハロゲン化シランは、有利に−78℃〜300℃の温度および500ミリバール〜5バールの圧力で水素化される。特に有利に、水素化は、−10℃〜30℃および900〜1100ミリバールで行なわれる。
生じた、水素化されたハロゲン化シランは、例えば縮合および/または蒸留によって後精製されうる。さらなる後精製は、特に非アルカリ性の、脱ガス化された、すなわち殊にO2不含の水を用いる後精製であることができる。この種の後精製法は、当業者に一般に公知である。
本発明のさらなる対象は、上記の方法により製造されたハロゲン化シラン、または少なくとも1つの高級ハロゲン化シランを含有する混合物ならびにこれらから製造された、ヒドリドシラン、または少なくとも1つの高級ヒドリドシランを含有する混合物である。
同様に、本発明の対象は、電子素子層もしくは光電子素子層を製造するための、またはケイ素含有層、特に元素状ケイ素層を製造するための少なくとも1つの高級ヒドリドシランを含有する混合物の使用であり、その際にこの混合物は、上記方法により製造された。
最後に、また、本発明の対象は、高級ハロゲン化シランを製造する際の、有利に、第三級アルキルホスファン、第三級アリールホスファン、二座の第三級ホスファンまたはその混合物を含む群から選択された第三級ホスファンの使用である。特に有利には、nが2以上であり、かつXがF、Cl、Brおよび/またはIである、一般式Sin2n+2のハロゲン化シランの不均化のための触媒としての、および/またはmがnより大きく、かつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sim2m+2の高級ハロゲン化シランの製造の際の触媒としての、前記ホスファン、例えばトリメチルホスファン、トリエチルホスファン、トリフェニルホスファンまたはその混合物の使用である。
実施例
実施例1
不均化:オクタクロロトリシラン10.2g(0.028モル)に室温で攪拌しながらジエチルエーテル0.2ml中のトリメチルホスファンPMe3 16.3mg(2.1×10-4モル;0.75モル%)を添加した。室温で一晩中攪拌しかつ真空(0.05ミリバール)中で40℃で生じる澄明な溶液の揮発性成分(ジエチルエーテル、Si2Cl6、SiCl4)を除去した後、生成物は、油状液体として残留し、この油状液体を29Si−NMR分光分析により、様々な鎖長のオリゴクロロシランの混合物として同定することができた。収量:5.3g。
水素化:得られたオリゴクロロシラン混合物5.3gをトルエン70ml中に溶解し、かつ氷冷却下に徐々にジエチルエーテル中のLiAlH4の2.1Mの溶液30mlを添加した。引続き、室温で一晩中、攪拌した。この反応混合物を脱ガス化した10%のH2SO4150mlで後処理し、有機相をNa2SO4で乾燥した。生じる澄明な溶液の揮発性成分を真空(0.05ミリバール)中で40℃で除去した後、生成物は、油状液体として残留し、この油状液体を1H分光分析法および29Si−NMR分光分析法により様々な鎖長の高級ヒドリドシランの混合物として同定することができた。得られた生成物をGPCにより分析することにより、次の結果が生じた:Mn=450g/mol、Mw=580g/mol;Mw/Mn=1.289。収量:0.8g。

Claims (13)

  1. 高級ハロゲン化シランの製造法であって、nが2以上でありかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sin2n+2の少なくとも1つのハロゲン化シランが使用され、および不均化によって、mがnより大きくかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sim2m+2の少なくとも1つの高級ハロゲン化シランおよびaが1〜2でありかつXがF、Cl、Brおよび/またはIである一般式Sia2a+2の少なくとも1つの低級ハロゲン化シランを含有する生成物混合物に変換される前記方法において、前記変換が少なくとも1つの第三級ホスファンによって触媒されることを特徴とする、上記方法。
  2. 第三級ホスファンは、第三級アルキルホスファン、第三級アリールホスファン、二座の第三級ホスファンまたはその混合物を含む群から選択されている、請求項1記載の方法。
  3. 第三級ホスファンは、トリメチルホスファン、トリエチルホスファン、トリフェニルホスファンまたはその混合物を含む群から選択されている、請求項2記載の方法。
  4. 一般式Sin2n+2のハロゲン化シランは、直鎖状シランである、請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
  5. 一般式Sin2n+2のハロゲン化シランは、それぞれXがF、Cl、Brおよび/またはIである、Si26、Si38、Si410またはこれらの化合物の1つ以上からなる混合物から選択されている、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
  6. 一般式Sim2m+2の少なくとも1つの高級ハロゲン化シランは、一般式Sim2m+2のヒドリドシランの形成下に水素化される、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
  7. 水素化前に少なくとも1つの低級ハロゲン化シランを、生成物混合物から、有利に−30℃〜+100℃の温度および0.01〜1013ミリバールの圧力で留去または抽出によって除去する、請求項6記載の方法。
  8. 水素化は、第1主族〜第3主族の金属の金属水素化物の群またはLiAlH4、NaBH4、iBu2AlHからなる水素化化合物の群から選択された少なくとも1つの水素化剤の添加によって行なわれる、請求項6または7記載の方法。
  9. 水素化剤は、使用されるハロゲン化シランに対して、2〜30倍、有利に10〜15倍のモル過剰量で存在する、請求項8記載の方法。
  10. 請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法により製造された、少なくとも1つの高級ハロゲン化シランを含有する混合物。
  11. 請求項6から9までのいずれか1項に記載の方法により製造された、少なくとも1つの高級ヒドリドシランを含有する混合物。
  12. 電子素子層もしくは光電子素子層を製造するための、またはケイ素含有層、特に元素状ケイ素層を製造するための少なくとも1つの高級ヒドリドシランを含有する混合物の使用であって、この混合物は、請求項6から9までのいずれか1項に記載の方法により製造されたものである、上記使用。
  13. 高級ハロゲン化シランを製造する際の、有利に、第三級アルキルホスファン、第三級アリールホスファン、二座の第三級ホスファンまたはその混合物を含む群から選択された第三級ホスファンの使用。
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