JP2719211B2 - 高次シランの製造法 - Google Patents

高次シランの製造法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体用シリコンの製造用ガスとして有用
な高次シランの製造法に関する。ジシラン、トリシラン
などの高次シランはモノシランに比べ容易に分解しやす
いため、多結晶シリコン、シリコンエピタキシャル、あ
るいはアモルファスシリコンなどの製造用原料ガスとし
て用いた場合、膜形成温度の低減、あるいは膜形成速度
の向上が可能となるため、今後広く利用されることが期
待できる。
〔従来の技術〕
従来ジシランの製造法としては次のようなものが知ら
れている。マグネシウムシリサイドの酸分解法(J.A.
C.S.,57,1349(1935))、ヘキサクロルジシランの還
元法(J.A.C.S.,69,2692(1947))、モノシランの放
電法(Inorg.Chem.1,432(1962))。
またモノシランの加熱分解反応としては、パーネル
(J.H.Purnell)およびウォルシュ(R.Walsh)らによる
報告(プロシーディング・ロイヤル・ソサエティ・オブ
・ロンドン(Proc.Roy.Soc.London).A293巻(1966年)
第543頁〜第561頁が知られている。
のモノシランの加熱分解反応には、以下にあげるよ
うないくつかの利点がある。まず第1に、製造法の選択
によりモノシランからほぼ100%に近い選択率で高次シ
ランを得ることができ、中でもジシランまたはトリシラ
ンを高選択率で得ることが可能である。第2に比較的簡
単で安価な装置を用いて、容易に高次シランが得られ
る。すなわち加熱された反応器に特定の条件でモノシラ
ンを導入すればよい。第3に原料のモノシランが大量に
比較的安価で市販されているため原料コストが小さくな
る。また高純度品も容易に入手できるため得られた高次
シランを容易に精製することができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
半導体用シリコンの製造ガスとして高次シランが利用
されるためには、モノシランと大きな価格差がないこ
と、および同等の高純度品であることが必要となる。と
ころがのマグネシウムシリサイドの酸分解法は、モノ
シランが大量に副生して高次シランの収率が低い。また
全シラン類の収率も低い。さらには、水溶液系での反応
であるためシロキサンなどの酸素含有不純物が混入する
などの問題がある。のヘキサクロルジシランの還元法
は、原料のヘキサクロルジシランの作成が困難であり、
さらに還元剤が高価である。さらには、分離の難しい有
機ケイ素化合物が混入するなどの問題がある。またトリ
シラン以上の高次シランを得るためにはより高次のクロ
ルシランが必要となりさらに工業的に問題がある。の
モノシランの放電法は、モノシランの転化率が非常に小
さく、また放電装置などの装置コストも高く、工業的に
問題がある。
以上前記従来法〜によって高次シランの製造を行
なった場合には、モノシランの製造法と比較してコスト
アップは避けられず、また高次シランの純度において問
題のある方法もあり、工業的に有利なものとはいえなか
った。
またで示されたモノシランの加熱分解反応は、他の
方法に比べていくつかの利点を持っているが、そのまま
用いた場合は、次のような欠点がある。まず第1に、閉
鎖系での反応であるため、モノシランの一部が固体のシ
リコンとして分解堆積する。さらに、1回の反応ではモ
ノシランの転化率が約6%以下と小さい。第2にシラン
類が空気中で自然燃焼性であるにもかかわらず、反応が
減圧下で行なわれるため、大気の系内への漏れ込みによ
る爆発の危険性がある。第3に原料として100%のモノ
シランを用い、副生した水素を除去するために途中で反
応を中断して全シラン類を液体窒素などの冷却剤で凝集
させポンプなどにより水素を排気する。しかる後に再度
ほぼモノシランだけが気化する温度に上げて、反応系を
ほぼモノシラン100%とする。このときに系内はさらに
減圧となる。このように繁雑なプロセスが必要となる。
以上のような欠点のため、未だ工業的に実用化するには
至っていなかった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、高純度の
高次シランを低コストで安全に製造することを目的とし
ている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討した
結果、モノシランの加熱により、ジシラン、トリシラン
などの高次シランを生成し、これを分離し未反応のモノ
シランを反応器に循環させることにより高次シランを製
造する方法において、加熱温度(T℃)を350〜550℃と
し、下記式で表わされる変数K K={12000/(T+273)}−log10 τ ただし式中τ(sec)は、反応器の容積V()と、
全循環ガス流量F(/sec)を用いてτ=V/Fで表わさ
れる変数である。
が13〜18となるように反応を行なうことにより、固体
のシリコンの堆積なしに、高純度の高次シランが低コス
トで安全に製造できることを発見した。
以下本発明の方法を説明する。
本発明で用いるモノシランは、無希釈で用いても希釈
して用いてもかまわないが、一般には希釈して用いるこ
とが好ましい。この場合希釈ガスとしては、水素、窒
素、アルゴン、ヘリウムなどのモノシランと不活性なガ
スが用いられる。希釈の場合は、好ましくはモノシラン
が10〜80容量%、より好ましくは20〜60容量%である。
モノンシランの純度としては、いかなるグレードのもの
でもかまわないが、高純度の高次シランを得るためには
高純度のモノシランを用いることが好ましい。
加熱温度T(℃)は一般に350〜550℃、好ましくは40
0℃〜500℃である。350℃以下では、高次シランの生成
が十分でない場合がある。また550℃以上では分解によ
りシリコンの堆積が起きる場合がある。加熱は反応器内
を通過するガスが加熱される形であれば、反応器の形状
や加熱方式は問わないが、一般には反応塔をヒーターに
よって加熱する形式が好ましい。
本発明では高次シランを生成し、これを分離した後の
未反応モノシランを再度原料として循環使用する。これ
により安全に高収率で高次シランを得ることができる。
モノシランからの高次シランの生成反応は次式で示され
る。
2SiH4→Si2H6+H2 (1) 3SiH4→Si2H8+2H2 (2) nSiH4→SinH2n+2+(n−1)H2 (3) つまりワンパスの反応においては、生成した高次シラ
ンが分離捕集されるため系全体の圧力が低下し、さらに
系内のモノシラン濃度も低下する。本発明の循環反応に
よる方法では、これを補正するための一例としては、常
時モノシランを補給し濃度一定とし、さらにモノシラン
を補給したため過剰となった圧力分のガスを抜き出して
一定圧力とすることにより、安全に運転ができる。また
本発明の方法においては、ガス状態では半導体用製造原
料として使用の困難なテトラシラン以上の非揮発性の高
次シランは工業上ほとんど無視できる程度の少量しか生
成されない。
高次シランの分離捕集は、冷却あるいは吸着などの公
知の方法が用いられる。冷却による捕集では、一般には
低温トラップが用いられる。低温トラップの温度は、一
般にジシランの沸点(−14.5℃)以下が用いられるが、
好ましくは−130℃から−40℃が用いられる。冷却温度
が−130℃以下ではモノシランの混入が多くなり、−40
℃以上ではジシランの収率が低くなる。低温トラップに
捕集された高次シランには、ジシランとトリシラン以外
に少量のモノシランと極く少量のテトラシラン以上の高
次シランが混在しているため、目的の高次シランを得る
ためには、一般に知られているように、蒸留により精製
することが好ましい。また吸着による捕集では、一般に
はゼオライトなどの吸着剤を用い、シランガスの種類に
よる吸着能の差を利用して分離捕集することができる。
以上のようにして高次シランを分離捕集した後の未反
応モノシランは、気体用ダイヤフラム式ポンプなどの循
環器を用い、再度反応器に循環させる。このときの全循
環ガス流量F(/sec)は、反応器の加熱容積V()
によりτ=V/Fで表わされる変数τ(sec)と、加熱温度
T(℃)により、次式で表わされる変数K K={12000/(T+273)}−log10 τ が13〜18、好ましくは14〜17.5となるような範囲が用
いられる。Kが18以上となるようなτとTの組では、高
次シランの生成が十分でない場合があり、Kが13以下と
なるようなτとTの組では、固体のシリコンの堆積が起
きる場合がある。
反応圧力は、常圧、加圧、減圧のいずれにおいても反
応を行なうことができるが、好ましくは常圧下ないし2
気圧(ゲージ圧)以下の加圧下、より好ましくは0.1気
圧ないし0.5気圧(ゲージ圧)の微加圧下で反応を行な
う。微加圧状態で反応を行なう場合には、大気の系内へ
の漏れ込みによる爆発の恐れがなく、また装置を高耐圧
性にする必要もなく安全な運転が可能となる。
以下に実施例により本発明を詳細に説明するが、本発
明を限定するものではない。
〔実施例〕
本発明に用いる装置の一例を示せば第1図のようにな
る。
反応器1の外側にヒーターが設置されており、反応器
1の内部は加熱により所定の温度に設定される。高次シ
ラントラップ2は、液体窒素などの冷却剤により所定の
温度に冷却されている。系内は予め真空ポンプ4により
真空まで排気した後、希釈ガスが希釈ガス流量計6を通
じて所定の圧力まで導入される。次にモノシランがモノ
シラン流量計5を通じて所定の圧力まで導入される。し
かる後、循環ポンプ3を作動させ、循環ガス流量計7、
放出ガス流量計8、モノシラン流量計5を所定の流量に
調整して反応を行なう。高次シラントラップ2に捕集さ
れた高次シランは、例えば単蒸留によって精製される。
以下実施例、比較例を示して本発明を説明する。
実施例1 加熱容積5のSUS製反応器1の内部温度を450℃に設
定する。トラップ2は液体窒素により−110℃に設定す
る。希釈ガスとして水素を−0.3気圧(ゲージ圧)まで
導入し、さらにモノシランを1.2気圧(ゲージ圧)まで
導入する。循環ガス流量を0.2/sec、放出ガス流量を2
ml/sec、モノシラン流量を3ml/secとして、反応を10hr
行なった。このときのτは25sec、Kは15.2である。捕
集された高次シランを−90℃で単蒸留してモノシランを
除去後、−30℃で単蒸留しジシランとトリシランを分離
した。得られたジシランを分析したところ、純度99.9%
の高純度なジシランが94.2g得られ、モノシラン仕込み
量から換算した収率は64%であった。また得られたトリ
シランを分析したところ、純度99.9%の高純度なトリシ
ランが13.1g得られ、モノシラン仕込み量から換算した
収率は9%であった。内部に固体のシリコンの堆積は無
く、放出によるロスは27%であった。
実施例2 反応器1の内部温度を400℃、放出ガス流量を0.6ml/s
ec、モノシラン流量を1ml/sec、Kを16.4とした他は実
施例1と同じにして反応を10hr行なったところ、純度9
9.9%の高純度なジシランが34.3g得られ、モノシラン仕
込み量から換算した収率は67%であった。また純度99.9
%の高純度なトリシランが5.0g得られ、モノシラン仕込
み量から換算した収率は10%であった。内部に固体のシ
リコンの堆積は無く、放出によるロスは23%であった。
実施例3 反応器1の内部温度を425℃、放出ガス流量を0.3ml/s
ec、モノシラン流量を0.5ml/sec、循環ガス流量を0.05
/secとした他は実施例1と同じにして、Kは15.2で反
応を10hr行なったところ、純度99.9%の高純度なジシラ
ンが18.4g得られ、モノシラン仕込み量から換算した収
率は68%であった。また純度99.9%の高純度なトリシラ
ンが2.7g得られ、モノシラン仕込み量から換算した収率
は10%であった。内部に固体のシリコンの堆積は無く、
放出によるロスは22%であった。
比較例1 反応器1の内部温度を600℃、Kを12.3とした他は実
施例1と同じにして反応を10hr行なったところ、純度90
%のジシランが2.8g得られ、モノシラン仕込み量から換
算した収率は2%であった。また純度90%のトリシラン
が1.2g得られ、モノシラン仕込み量から換算した収率は
1%であった。内部に大量の固体のシリコンの堆積がみ
られ、シリコンの堆積および放出によるロスは97%であ
った。
比較例2 反応器1の内部温度を300℃、Kを19.5とした他は実
施例1と同じにして反応を10hr行なったところ、純度90
%のジシランが1.5g得られ、モノシラン仕込み量から換
算した収率は1%であった。トリシランは0.1g以下であ
った。放出によるロスは99%であった。
〔発明の効果〕
本発明によれば、比較的簡単な反応装置で高純度のジ
シラン、トリシランなどの高次シランを高収率で得るこ
とができた。また本発明により、従来問題であった固体
のシリコンの堆積や、テトラシラン以上の非揮発性の高
次シランの生成を抑えることができ、また酸素、炭素な
どの不純物は原料に高純度モノシランを使うことにより
混入を防ぐことができた。
以上の特徴により、本発明の方法を用いて高純度なジ
シラン、トリシランなどの高次シランを低コストで製造
することができ、半導体用シリコンの製造ガスとして高
次シランが広く利用されることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の方法を実施する装置の一例を示す図で
ある。 1……反応器、2……高次シラントラップ 3……循環ポンプ、4……真空ポンプ 5、6、7及び8……流量計

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】モノシランの加熱により高次シランを生成
    し、前記高次シランを分離し、未反応のモノシランを反
    応器に循環させ高次シランを製造する方法において、加
    熱温度を350〜550℃とし、かつ式(1)で表わされるK
    が、 K={12000/(T+273)}−log10 τ ……(1) 〔式中、Tは℃で表わされる加熱温度を示し、τは{反
    応器の容積()}/{循環ガス流量(/秒)}を表
    わす。〕13〜18で反応を行なうことを特徴とする高次シ
    ランの製造法。
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