JP2022527856A - シクロシランの製造方法 - Google Patents
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Abstract
（ｉ）ハロゲン化シクロシランと、（ｉｉ）トリアルキルシランまたはトリアリールシランのうちの少なくとも１つと、（ｉｉｉ）ハロゲン化アンモニウムまたはハロゲン化ホスホニウムのうちの少なくとも１つを含む錯化剤とを溶媒中で混合して置換シクロシランを製造することを含む方法。ハロゲン化シクロシランが反応して置換シクロシランを生成する。
Description
背景
シリコンベースのデバイスは、電子デバイスやその他のデバイスのいたるところにある。このようなデバイス中のシリコンは、多くの場合、薄膜またはナノ粒子の形態である。これらおよび他の構成は、化学気相成長（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＣＶＤ）またはプラズマ化学気相成長（ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＰＥＣＶＤ）などのプロセスを用いて、モノシランガスから比較的高純度の状態で製造することができる。液体前駆体もシリコン製造のために考慮されてきた。例えば、シクロペンタシラン溶液を成膜した後、乾燥、か焼（ｃａｌｃｉｎｅｄ）してシリコン膜を製造する。しかしながら、液体前駆体からシリコンを製造することは比較的容易であるにもかかわらず、液体前駆体自体を製造することにはかなりの課題がある。
シリコンベースのデバイスは、電子デバイスやその他のデバイスのいたるところにある。このようなデバイス中のシリコンは、多くの場合、薄膜またはナノ粒子の形態である。これらおよび他の構成は、化学気相成長（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＣＶＤ）またはプラズマ化学気相成長（ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＰＥＣＶＤ）などのプロセスを用いて、モノシランガスから比較的高純度の状態で製造することができる。液体前駆体もシリコン製造のために考慮されてきた。例えば、シクロペンタシラン溶液を成膜した後、乾燥、か焼（ｃａｌｃｉｎｅｄ）してシリコン膜を製造する。しかしながら、液体前駆体からシリコンを製造することは比較的容易であるにもかかわらず、液体前駆体自体を製造することにはかなりの課題がある。
サマリー
本開示の一例による方法は、（ｉ）ハロゲン化シクロシラン（ｈａｌｏｇｅｎａｔｅｄ ｃｙｃｌｏｓｉｌａｎｅ）と、（ｉｉ）トリアルキルシランまたはトリアリールシランのうちの少なくとも１つと、（ｉｉｉ）ハロゲン化アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｈａｌｉｄｅ）またはハロゲン化ホスホニウム（ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ ｈａｌｉｄｅ）のうちの少なくとも１つを含む錯化剤（ｃｏｍｐｌｅｘｉｎｇ ａｇｅｎｔ）とを溶媒中で混合することにより置換シクロシランを製造することを含み、ハロゲン化シクロシランが反応して置換シクロシランを生成する。
本開示の一例による方法は、（ｉ）ハロゲン化シクロシラン（ｈａｌｏｇｅｎａｔｅｄ ｃｙｃｌｏｓｉｌａｎｅ）と、（ｉｉ）トリアルキルシランまたはトリアリールシランのうちの少なくとも１つと、（ｉｉｉ）ハロゲン化アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｈａｌｉｄｅ）またはハロゲン化ホスホニウム（ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ ｈａｌｉｄｅ）のうちの少なくとも１つを含む錯化剤（ｃｏｍｐｌｅｘｉｎｇ ａｇｅｎｔ）とを溶媒中で混合することにより置換シクロシランを製造することを含み、ハロゲン化シクロシランが反応して置換シクロシランを生成する。
さらなる例では、ハロゲン化シクロシランは、５個または６個のケイ素原子を有する。
さらなる例では、（ｉｉ）はトリアルキルシランである。
さらなる例では、（ｉｉ）はトリアリールシランである。
さらなる例では、（ｉｉｉ）はハロゲン化アンモニウムである。
さらに別の例では、（ｉｉｉ）はハロゲン化ホスホニウムである。
さらなる例では、ハロゲン化アンモニウムまたはハロゲン化ホスホニウムのうちの少なくとも１つは、ブチルまたはエチルを含む。
さらなる例では、ハロゲン化シクロシランのハロゲンは、塩素、臭素、ヨウ化物、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。
さらなる例では、ハロゲン化シクロシランは６個のケイ素原子を有し、（ｉｉ）はトリアルキルシランであり、（ｉｉｉ）はハロゲン化ホスホニウムである。
本開示の別の例による方法は、（ｉ）ハロゲン化シクロヘキサシランと、（ｉｉ）トリアルキルシランまたはトリアリールシランのうちの少なくとも１つと、（ｉｉｉ）ハロゲン化アンモニウムまたはハロゲン化ホスホニウムのうちの少なくとも１つを含む錯化剤とを溶媒中で混合することにより、混合物の製造すること；混合物を撹拌すること（ａｇｉｔａｔｉｎｇ）であって、ハロゲン化シクロヘキサシランが混合物中で反応して置換シクロヘキサシランを生成する、こと；および、混合物から置換シクロヘキサシランを分離して純粋な置換シクロヘキサシランを製造することを含む。
さらなる例では、攪拌することはかき混ぜること（Ｓｔｉｒｒｉｎｇ）を含む。
さらなる例では、分離することは蒸留（ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）を含む。
さらなる例では、（ｉｉ）はトリアルキルシランであり、（ｉｉｉ）はハロゲン化ホスホニウムである。
さらなる例では、（ｉｉ）はトリアルキルシランであり、（ｉｉｉ）はハロゲン化アンモニウムである。
さらなる例では、（ｉｉ）はトリアリールシランであり、（ｉｉｉ）はハロゲン化ホスホニウムである。
さらなる例では、（ｉｉ）はトリアリールシランであり、（ｉｉｉ）はハロゲン化アンモニウムである。
本開示の別の例による方法は、（ｉ）式［Ｘａ］［Ｓｉ６Ｘ１
１４］のハロゲン化シクロシラン（ｈａｌｏｇｅｎａｔｅｄ ｃｙｃｌｏｓｉｌａｎｅ）であって、ＸａはＮＲｈ
４またはＰＲｈ
４のうちの少なくとも１つを含む対イオンであり、Ｎは窒素であり、Ｐはリンであり、Ｒｈはハロゲン化物であり、Ｘ１はハロゲンである、ハロゲン化シクロシランと、（ｉｉ）式Ｒ１
３ＳｉＨの化合物であって、Ｒ１はアルキルまたはアリールであり、Ｈは水素である、化合物と、（ｉｉｉ）式ＱＲ２
４Ｘ２の錯化剤であって、Ｑは窒素またはリンであり、Ｒ２はブチルまたはエチルであり、Ｘ２はハロゲンである、錯化剤と、を溶媒中で混合することにより、式Ｓｉ６Ｒ１２の置換シクロシランを製造することを含み、Ｓｉはケイ素であり、Ｒは水素であり、式［Ｘａ］［Ｓｉ６Ｘ１
１４］のハロゲン化シクロシランが反応して式Ｓｉ６Ｒ１２の置換シクロシランを生成する。
さらなる例では、ＸａはＮＲｈ
４であり、Ｑは窒素である。
さらなる例では、ＸａはＰＲｈ
４であり、Ｑは窒素である。
さらなる例では、Ｑはリンである。
図面の簡単な説明
本開示の種々の特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明することができる。
本開示の種々の特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明することができる。
詳細な説明
一般に、シクロヘキサシランまたはシクロペンタシランなどのシクロシラン化合物を製造するためのプロセスは、より大きなスケールの生産および実施を妨げる可能性のある側面を含む。例えば、反応物は法外に高価であり、工程は多数であり、複雑であり、および／または結果が広く変化し、生成物の収率は比較的低い、望ましくないガス状副生成物および／または不純物が存在する、または生成物を単離することが困難である。以下の例から理解されるように、開示された方法１０は、そのような側面の一つ以上の緩和を容易にし、それによって、シクロシラン化合物の生産を向上させるために使用され得る。
一般に、シクロヘキサシランまたはシクロペンタシランなどのシクロシラン化合物を製造するためのプロセスは、より大きなスケールの生産および実施を妨げる可能性のある側面を含む。例えば、反応物は法外に高価であり、工程は多数であり、複雑であり、および／または結果が広く変化し、生成物の収率は比較的低い、望ましくないガス状副生成物および／または不純物が存在する、または生成物を単離することが困難である。以下の例から理解されるように、開示された方法１０は、そのような側面の一つ以上の緩和を容易にし、それによって、シクロシラン化合物の生産を向上させるために使用され得る。
図１は、脱ハロゲン化水素置換シクロシランなどの置換シクロシランを製造するための例示的方法１０を概略的に示す。方法１０の様々な態様を以下に説明する。本明細書の例は非限定的であること、および、特定の実施のために、方法１０は他のステップと併せて統合することができることを理解されたい。
方法１０は、概して、いくつかの成分をベース溶媒中で混合することを含む。例えば、成分は固体であり、ベース溶媒に溶解される。ベース溶媒は変化させることができるが、ベンゼン、シクロヘキサン、ｎ－ヘキサン、ｎ－ヘプタン、クロロホルム、ジクロロメタン、またはエーテルなどの１つ以上の有機溶媒を含むことができる。さらなる例には、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジオクチルエーテル、またはグリコールエーテル（グリムとしても知られる、例えばジグリムまたはトリグリム）などの高沸点エーテル系溶媒が含まれる。一例として、好ましい溶媒は、成分との反応に関して溶媒が不活性であり、成分が溶媒中で良好な溶解性を有する特性のうちの１つ以上を有する溶媒であり得る。
図１に示されるように、溶媒中で混合される成分は、（ｉ）ハロゲン化シクロシランと、（ｉｉ）トリアルキルまたはトリアリールシランのうちの少なくとも１つと、（ｉｉｉ）ハロゲン化アンモニウムまたはハロゲン化ホスホニウムのうちの少なくとも１つを含む錯化剤とを含む。拘束されることはないが、成分を組み合わせる順序および方法は特に重要ではないと考えられる。しかしながら、一例として、混合することは、実質的に完全に溶解するまでハロゲン化シクロシランを溶媒に添加し、次いで、トリアルキル／トリアリールシランおよび錯化剤を、それらも実質的に完全に溶解するまで、溶解したハロゲン化シクロシラン混合物に添加することを含むことができる。あるいは、溶媒中の成分の１つ以上の別個の混合物を混合して、反応混合物を得ることができる。
さらなる例では、混合することは、約２０℃～約１２０℃の温度範囲などの比較的温度、および大気圧で行われる。反応を促進するために、反応混合物を、かき混ぜるなど撹拌してもよい。混合すると、反応を実質的に完全に行うのに十分な時間、混合物を保持してよい。一例として、その時間は、少なくとも約１時間であってよく、約１２時間まで、または約４８時間までであってよい。保持期間の後、置換シクロシランは混合物から分離され、比較的純粋な置換シクロヘキサシランを製造する。例えば、置換シクロシランを蒸留により分離する。最終生成物である置換されたシクロシランは、９０％を超える純度を有してよく、またはさらなる例では９８％を超える純度を有し得る。
ハロゲン化シクロシランは反応混合物中で反応して置換シクロシランを生成する。例えば、トリアルキルシランまたはトリアリールシランは、反応において、トリアルキルシランまたはトリアリールシランからの水素原子がハロゲン原子と置換するように、ハロゲン化シクロシラン上のハロゲン原子の還元剤として働く。得られたハロゲン化された、ハロゲン化トリアルキルまたはハロゲン化トリアリールシリルは、後に反応混合物から除去することができる。錯化剤は触媒反応開始剤として働き、反応で消費されない。
この反応を、ハロゲン化シクロシランに基づく化学式１にさらに示す。
さらなる例において、出発ハロゲン化シクロシランは、ハロゲン化シクロペンタシランまたはハロゲン化シクロヘキサシランである。１つの例において、上記の化学式Ｉに示されるように、ハロゲン化シクロシランはハロゲン化シクロヘキサシラン塩である。中性ハロゲン化シクロシランも考えられる。例えば、ＸａはＮＲ３またはＰＲ３であり、（Ｘ１）２種は存在しない。さらなる例において、トリアルキルまたはトリアリールシランは、Ｒ１
３ＳｉＨから選択され、ここで、Ｒ１は、アルキルまたはアリールであり、Ｈは、水素、またはハロゲン化シクロシランのハロゲンと置換された他の置換基である。アルキルとアリールとの間で比較すると、アルキルは反応性を促進し、またより低コストであり得る。さらなる例において、錯化剤は、式ＱＲ２
４Ｘ２であり、式中、Ｑは、窒素またはリンであり、Ｒ２は、ブチルまたはエチルであり、Ｘ２は、ハロゲンである。例えば、反応混合物中に錯化剤を５モル％～２５モル％の量で添加する。
例示的な成分および反応は、有利には、「一段階」合成、金属（例えばリチウム）水素化物成分の回避、およびシランガス（例えばモノシラン）副生成物の生成の回避を促進する。さらに、方法１０は、一段階プロセスおよびシランガス副生成物の回避のために、市販量への拡大を含むスケーリングを容易にすることができると考えられる。
以下の実施例は、本開示のさらなる態様を示す。
実施例１
１０ｍｍｏｌの［ＮＥｔ４］２［Ｓｉ６Ｃｌ１４］を、１００ｍＬのジブチルエーテルに、Ｎ２ブランケット下および撹拌速度（ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｒａｔｅ）６００ｒｐｍ、２５℃で添加した。反応混合物に１ｍｍｏｌの［ＮＥｔ４］Ｃｌを添加し、直ちに１４０ｍｍｏｌのＥｔ３ＳｉＨを添加した。反応混合物を６０℃に加熱し、１２時間後に完了した。反応混合物からＳｉ６Ｈ１２を蒸留により単離した。
１０ｍｍｏｌの［ＮＥｔ４］２［Ｓｉ６Ｃｌ１４］を、１００ｍＬのジブチルエーテルに、Ｎ２ブランケット下および撹拌速度（ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｒａｔｅ）６００ｒｐｍ、２５℃で添加した。反応混合物に１ｍｍｏｌの［ＮＥｔ４］Ｃｌを添加し、直ちに１４０ｍｍｏｌのＥｔ３ＳｉＨを添加した。反応混合物を６０℃に加熱し、１２時間後に完了した。反応混合物からＳｉ６Ｈ１２を蒸留により単離した。
方法１０は、より大きな量に拡大することができ、出発成分の相対量は、他の化学物質について変化させることができることが期待される。例えば、少なくとも１４：１のＳｉ６Ｃｌ１４対Ｅｔ３ＳｉＨのモル比は、各塩素原子について一つの置換水素原子の利用可能性を提供する。水素原子の利用可能性を高めるために、より大きな比、例えば１５：１または２０：１を使用することができる。全ての塩素原子が置換されるよりも少ない場合には、より低い比率を用いることができる。［ＮＥｔ４］Ｃｌの量も変えることができる。例えば、［ＮＥｔ４］ＣｌとＥｔ３ＳｉＨのモル比を１：１４０とする。減少させると、反応の完了に時間がかかることがある。さらなる例では、比は少なくとも１：２８である。この比率を実質的に増加させると、より多くのものが使用されるので、より高いコストに加えて、反応完了時間に対する影響が減少する可能性がある。さらなる例では、比は約１：２８または約１：１４より大きくない。
示された例では特徴の組み合わせが示されているが、本開示の様々な実施形態の利点を実現するためにそれらの全てを組み合わせる必要はない。換言すれば、本開示の一実施形態に従って設計されるシステムは、必ずしも、図のいずれか１つに示される特徴のすべて、または図に概略的に示される部分のすべてを含むとは限らない。さらに、一実施形態の選択された特徴は、他の実施形態の選択された特徴と組み合わせることができる。
前述の説明は、本質的に制限するものではなく、例示的なものである。開示された実施例に対する変形および修正は、必ずしも本開示から逸脱することなく、当業者には明らかになり得る。本開示に与えられる法的保護の範囲は、以下の請求項を検討することによってのみ決定することができる。
Claims (20)
- （ｉ）ハロゲン化シクロシランと、（ｉｉ）トリアルキルシランまたはトリアリールシランのうちの少なくとも１つと、（ｉｉｉ）ハロゲン化アンモニウムまたはハロゲン化ホスホニウムのうちの少なくとも１つを含む錯化剤とを溶媒中で混合することにより置換シクロシランを製造することを含み、前記ハロゲン化シクロシランが反応して前記置換シクロシランを生成する、方法。
- 前記ハロゲン化シクロシランが、５個または６個のケイ素原子を有する、請求項１に記載の方法。
- （ｉｉ）がトリアルキルシランである、請求項１に記載の方法。
- （ｉｉ）がトリアリールシランである、請求項１に記載の方法。
- （ｉｉｉ）がハロゲン化アンモニウムである、請求項１に記載の方法。
- （ｉｉｉ）がハロゲン化ホスホニウムである、請求項１に記載の方法。
- 前記ハロゲン化アンモニウムまたはハロゲン化ホスホニウムのうちの少なくとも１つがブチルまたはエチルを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記ハロゲン化シクロシランのハロゲンが、塩素、臭素、ヨウ化物、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記ハロゲン化シクロシランが６個のケイ素原子を有し、（ｉｉ）がトリアルキルシランであり、（ｉｉｉ）がハロゲン化ホスホニウムである、請求項８に記載の方法。
- （ｉ）ハロゲン化シクロヘキサシランと、（ｉｉ）トリアルキルシランまたはトリアリールシランのうちの少なくとも１つと、（ｉｉｉ）ハロゲン化アンモニウムまたはハロゲン化ホスホニウムのうちの少なくとも１つを含む錯化剤とを溶媒中で混合することにより、混合物を製造すること；
前記混合物を撹拌することであって、前記ハロゲン化シクロヘキサシランが前記混合物中で反応して置換シクロヘキサシランを生成する、こと；および
前記混合物から前記置換シクロヘキサシランを分離して純粋な置換シクロヘキサシランを製造することを含む、方法。 - 前記撹拌することが、かき混ぜることを含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記分離することが、蒸留を含む、請求項１１に記載の方法。
- （ｉｉ）がトリアルキルシランであり、（ｉｉｉ）がハロゲン化ホスホニウムである、請求項１２に記載の方法。
- （ｉｉ）がトリアルキルシランであり、（ｉｉｉ）がハロゲン化アンモニウムである、請求項１２に記載の方法。
- （ｉｉ）がトリアリールシランであり、（ｉｉｉ）がハロゲン化ホスホニウムである、請求項１２に記載の方法。
- （ｉｉ）がトリアリールシランであり、（ｉｉｉ）がハロゲン化アンモニウムである、請求項１２に記載の方法。
- （ｉ）式［Ｘａ］［Ｓｉ６Ｘ１ １４］のハロゲン化シクロシランであって、ＸａはＮＲｈ ４またはＰＲｈ ４のうちの少なくとも１つを含む対イオンであり、Ｎは窒素であり、Ｐはリンであり、Ｒｈはハロゲン化物であり、Ｘ１はハロゲンである、ハロゲン化シクロシランと、（ｉｉ）式Ｒ１ ３ＳｉＨの化合物であって、Ｒ１はアルキルまたはアリールであり、Ｈは水素である、化合物と、（ｉｉｉ）式ＱＲ２ ４Ｘ２の錯化剤であって、Ｑは窒素またはリンであり、Ｒ２はブチルまたはエチルであり、Ｘ２はハロゲンである、錯化剤と、を溶媒中で混合することにより、式Ｓｉ６Ｒ１２の置換シクロシランを製造することを含み、Ｓｉはケイ素であり、Ｒは水素であり、前記式［Ｘａ］［Ｓｉ６Ｘ１ １４］のハロゲン化シクロシランが反応して前記式Ｓｉ６Ｒ１２の置換シクロシランを生成する、方法。
- ＸａがＮＲｈ ４であり、Ｑが窒素である、請求項１７に記載の方法。
- ＸａがＰＲｈ ４であり、Ｑが窒素である、請求項１７に記載の方法。
- Ｑがリンである、請求項１７に記載の方法。
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