JP2915038B2 - シランガスの製造法 - Google Patents

シランガスの製造法

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JP2915038B2 JP2003473A JP347390A JP2915038B2 JP 2915038 B2 JP2915038 B2 JP 2915038B2 JP 2003473 A JP2003473 A JP 2003473A JP 347390 A JP347390 A JP 347390A JP 2915038 B2 JP2915038 B2 JP 2915038B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シランガスの製造方法に関するものであ
り、更に詳しくはテトラアルコキシシランの電気化学的
還元によるシランガスの新しい製造法に関する。
〔従来の技術〕
シランガスは太陽電池や電子複写機感光ドラム用のア
モルファスシリコン、半導体用多結晶シリコン、及びエ
ピタキシャルシリコンなどの原料として有用な物質であ
る。
シランガスの工業的製法としては、従来、液体アン
モニア中で珪化マグネシウムとアンモニウム塩とを反応
させる方法(例えば、特公昭38−19951号公報)、水
素化リチウム等の金属水素化物によりクロロシランを還
元する方法(例えば、特公昭39−3660号公報、特公昭59
−1211号公報)、クロロシランをα−オキソアミン基
を含む化合物などの触媒の存在下で不均化する方法(例
えば特開昭59−54617号公報)、トリアルコキシシラ
ンをナトリウムエトキシドやマグネシウムアセチルアセ
トネート、塩化リチウム、ヘキサメチル燐酸トリアミド
等の触媒の存在下液相で不均化する方法(例えば、特公
昭51−20440号公報、特公昭60−4195号公報)、トリ
アルコキシシランをマグネシウム等の金属、第4周期の
金属酸化物、活性炭、アルミナなどの触媒の存在下気相
で不均化する方法(例えば、特開昭63−195107号公報、
特開昭63−210011号公報、特開昭63−210012号公報、特
開昭63−210013号公報)、テトラメトキシシランとピ
ロカテコールとの反応で得られる錯塩をリチウムアルミ
ニウムハイドライドで還元する方法(例えば、特開昭61
−180791号公報)及びテトラエトキシシランをジエチ
ルアルミニウムハイドライドとトリエチルアルミニウム
の混合物で還元する方法(特開昭58−9809号公報)等が
知られている。
〔発明が解決しようとする課題〕
これらの従来の製造法の内、第1の方法では珪化マグ
ネシウムのような特殊な化合物を用いねばならないこと
の他、液体アンモニアを使用するため高圧低温を維持す
るための設備が必要であり、設備投資に多額の費用を要
するという欠点がある。又、アンモニアを含んだマグネ
シウム塩の泥状残渣の処理という問題もある。
第2の方法では金属水素化物のような取扱に慎重を要
する危険な化合物を使用しなければならず、また塩素、
塩化リチウムなどの多量の副生成物が発生するため、こ
れを廃棄物として系外に出さないためには回収再利用の
ための複雑なリサイクルシステムの開発が必要であり、
なおまた第3の方法とも共通の問題としてクロルシラン
を出発原料とするため装置の腐食に対する対策を要する
という欠点がある。
第4の方法は、トリアルコキシシランがトリクロロシ
ランに比較して不均化され易く、適当な触媒の存在下で
は室温でも反応が進行し、シランなどの不均化生成物が
得られることを利用して、液相反応により穏和な加熱条
件下で不均化させる方法である。この方法は理想的な製
造法のように見えるが、実はそうではない。なぜなら
ば、シランのような危険な化合物を工業的規模で製造す
る場合に必須である反応制御の容易さの点で問題を持っ
ているからである。即ち、液相反応によりトリアルコキ
シシランを不均化する方法に於ては、反応を途中で速や
かに停止させたい場合に、反応器の加熱を停止し室温ま
で冷却したとしても、反応液系に触媒が溶解ないし懸濁
し又は固体として常に接触状態となっており、反応が急
速に且つ完全に停止することはないのであり、緊急停止
ができないという重大な欠点を持っているからである。
第5の方法は、第4の方法の問題点を解決し、トリアル
コキシシランの不均化反応の制御を容易なものとし、シ
ランを選択的にしかも収率良く製造する方法であるが、
第4、第5の方法ともテトラアルコキシシランが大量に
副成し、この副成物の利用あるいはリサイクルが問題と
なっている。この問題を解決すると思われる方法が第6
及び第7の方法であるが、第6の方法は、一度錯塩を形
成しなければならず、リチウムアルミニウムハイドライ
ドという危険性の高い還元剤を用いなければならない。
第7の方法も同様に、危険性の高い還元剤ジエチルアル
ミニウムハイドライドとトリエチルアルミニウムの混合
物を用いなければならない。
本発明の目的は、安価な設備で実施でき、クリーンで
安全な、クロロシランのような腐食性の強い物質を用い
る必要のない、反応の緊急停止の可能な、そしてテトラ
アルコキシシランの副生の問題のないシランガスの製造
方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、一般式〔A〕 Si(OR)4 〔A〕 (ただし、Rは炭素数1〜4のアルキル基である)で表
されるテトラアルコキシシランを電気化学的に還元する
ことを特徴とするシランガスの製造法である。
本発明に於て用いられる原料のテトラアルコキシシラ
ンは、式〔A〕に示される如く炭素数1〜4のものであ
る。炭素数が5以上になるとシランガスの発生が極端に
悪くなる。
本発明においては、反応溶媒を用いるのがよく、この
溶媒としては酢酸が最適であり、この溶媒はあらかじめ
脱水乾燥を十分に行なっておくのがよい。後述するよう
に、水分が多量(4000ppmを越えるとき。)に存在する
と、シランガスの生成が悪くなり、シリカが生成してく
る。
電極には、白金、ニッケル、酸化ニッケル、又はタン
タルを用いるのがよい。他の金属ではほとんどシランは
発生しない。
本発明においては、支持電解質を用いるのがよく、こ
の支持電解質としてはテトラメチルアンモニウムクロラ
イド又は酢酸ナトリウムが好適で、特にテトラメチルア
ンモニウムクロライドが好ましい。というのは、酢酸ナ
トリウムを用いた場合、電解条件は10〜20mA/cm2である
が、テトラメチルアンモニウムクロライドを用いると0.
5〜20mA/cm2と電解条件が広く設定できる。この電流密
度が20mA/cm2を越えると、原料のテトラアルコキシシラ
ンのゲル化が起こり易い。
反応系には10〜4000ppmの水分が存在することが好ま
しい。完全に脱水した系ではシランガスの発生量が少な
く、逆に4000ppmを越えるとシランガスの発生よりもシ
リカの発生の方が顕著になり好ましくない。つまりテト
ラアルコキシシランを電解還元してシランガスを製造す
るには少量の水の存在が好ましい。この微量に存在する
水はテトラアルコキシシランを加水分解し、この加水分
解生成物が電気化学的にあるいは別に発生した水素によ
り還元されてシランガスに変化するものと推定される。
反応温度は15〜80℃が好ましい。15℃未満では溶媒の酢
酸が固化しやすくなり、反応も遅い。一方80℃を越える
と原料のテトラアルコキシシラン及び水分が蒸発しやす
くなる。
以上の電解還元に用いられる電解槽としては、陽極で
発生する酸素ガスが、生成したシランガスと反応しない
ように、隔膜を持つH型セルが好適である。
電極への通電を止めれば、反応は速やかに停止する。
〔実施例〕
本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は
その要旨を越えない限り以下の実施例に限定されるもの
ではない。
(実施例1) 溶媒として使用する酢酸は、試薬特級の酢酸にその中
に含まれている水分量の2〜3倍量の五酸化リンを加え
24時間放置し、5時間還流した後、蒸留して得た。これ
に640℃で5時間焼成したゼオライト650をいれて保存し
た。
支持電解質のテトラメチルアンモニウムクロライド
は、乾燥器中で100℃で乾燥した後使用した。
電解実験には、H型セルを用いた。このセルは陽極で
発生する酢酸イオンのコルベ反応によって生成する二酸
化炭素及びエタン以外の生成物である酸素ガスが、生成
シランと反応しないように隔膜(ガラスフィルター)で
陽極室と陰極室を仕切った。陽極には白金板を、陰極に
はニッケル板(1×1cm2)を用いた。陰極のニッケル
板は、サンドペーパーでみがいた後、酢で洗い、使用す
る前にエタノールで脱脂した。電解は、電流密度0.5〜3
0mA/cm2の範囲で定電流電解した。
電解生成物の定性・定量分析は、ガスクロマトグラフ
ィーで行なった。
このとき用いた反応及び分析のための装置を図1に示
す。この図において、1はヘリウムボンベ、2はシリカ
ゲル、3はH型セル、4はガスサンプラー、5はガスク
ロマトグラフである。
陰極室に定常的に50ml/minの流速で乾燥ヘリウムガス
を流し一定時間毎に電解中の気相1mlを分析システムに
導入した。標品ガス1mlについても測定を行い、それぞ
れのガスクロマトグラムのピークの保持時間及び面積比
から生成物の定性・定量分析を行った。測定機器及び測
定条件は、下に示す通りである。
測定機器 ガスクロマトグラフ 島津GC−9A クロマトパック 島津C−R1B ガスサンプラー 島津保温ガスサンプラー HGS−2 測定条件 キャリアガス ヘリウム 流 量 50ml/min カラム ステンレスカラム(5m) 充填剤 ポラパックPS(商標) (100〜120mesh) 検出器 TCD 注入口 250℃ オーブン 250℃ TCD 250℃ ヘリウムガスであらかじめ充分に除酸素したドライ酢
酸60mlに支持電解質としてテトラメチルアンモニウムク
ロライド2gを溶解した溶液(0.3モル/l)中に、ホール
ピペットでテトラエトキシシラン4ml(0.3モル/l)を加
え、さらに、マイクロシリンジで水5μl(80ppm)を
添加した。この溶液をH型セルの陰極室溶液とし、一
方、陽極室にはテトラエトキシシランを含まない上記の
酢酸溶液を入れて、定電流電解を行った。電極として、
陽極には白金板(1.5×5cm)を、陰極にはニッケル板
(1×1cm2両面で2cm2)を用いて2mA(電流密度mA/cm
2)で定電流電源を用いて定電流電解を行った。10クー
ロン通電する毎に陰極室のガスを上記のガスクロマト分
析システムで分析した。陰極室に、反応前から定常的に
50ml/minの流速で乾燥ヘリウムガスを流していた。図2
は、10クーロン通電した時のガスをガスクロマトグラフ
ィーにより分析した結果を示したものである。標品とし
てHe99%+SiH41%の標準試料を同様にガスクロマトグ
ラフィーで測定したところ保持時間2.49分にSiH4ガスの
ピークが得られ(図3)、テトラエトキシシランの電解
時に生成したガスがSiH4ガスであることを確認した。
又、シランガス検知器(バイオニクス社の高感度水素化
物検知警報機TG−4000)によってもシランガスの生成を
確認した。20クーロン、30クーロン通電した時も同様に
シランガスの生成が認められた。又、この時、シランガ
スの生成と同時にニッケル電極上に青色の析出物が認め
られた。これは赤外反射分光法及びX線マイクロアナラ
イザーによってアモルファスシリコンであることを確認
した。
シランガス生成に対する電流効率評価は、シランガス
が全反応 Si(OC2H54+4H2O→Si(OH)4+4C2H5OH Si(OH)4+8H++8e-→SiH4+4H2O で生成するものとして、8電子反応で計算を行った。電
流密度1mA/cm2で10クーロン通電した時及びそれ以後の
シランガスの電流効率は、約40%であった。この電解
は、少なくとも一昼夜の電解中、ほぼ定常的に進行しシ
ランガス生成の生成効率に顕著な変化は認められなかっ
た。又、他の生成物としては、水素発生が主であった。
(実施例2) テトラメトキシシラン2.7ml(0.3モル/l)と水5μl
(80ppm)を用い、電流を10mA(電流密度5mA/cm2)とす
る他は実施例1と同様にして定電流電解を行った。20ク
ローン通電する毎に陰極室のガスを実施例1と同じガス
クロマト分析システムで分析した。図4は、20クーロン
通電した時のガスを分析した結果を示したものである。
同様に、シランガスのピークが得られその生成が認めら
れた。又、テトラエトキシシランの場合と同様にアモル
ファスシリコンの生成も認められた。
シランガス生成に対する電流効率評価はテトラエトキ
シシランの場合と同様にシランガス生成が、8電子反応
で進行するものとして計算を行った。この電解において
も、電解は少なくとも一昼夜の電解中、定常的に進行し
シランガス生成効率に目立った変化は認められなかっ
た。この場合、電流密度5mA/cm2で通電したところシラ
ンガスの生成効率は最大となり、例えば20クーロン通電
した時のシランガスの電流効率は、約30%であった。
尚、下記反応 Si(OR)4+4H2O→Si(OH)4+4ROHは、RがCH3の時
の方がC2H5のときより早いので、生成したSi(OH)4
電解還元する最適電流密度はRがCH3のときの方が大き
くなると考えられる。
実施例1、2と同様の方法により、反応液中の水の含
有率を変化させたときの電流効率を図5に示す。又、電
流密度を変化させたときの電流効率を図6に示す。
〔発明の効果〕
本発明により、安価な設備で、クリーンで、安全に、
クロロシランのような腐食性の強い物質を用いる必要が
なく、反応の緊急停止が可能で、テトラアルコキシシラ
ンの副生の問題を生ぜずにシランガスを製造することが
可能となった。また、今迄テトラアルコキシシランの工
業上の利用分野は加水分解によるシリカの合成に、ほぼ
限定されていたが、シリコンや多結晶等の電子材料の分
野への利用が可能となった。
【図面の簡単な説明】
図1は実施例で用いた本発明方法を実施するための装置
の一例である。図2は実施例1で得られたガスのガスク
ロマトグラフィーチャートである。図3はSiH4のガスク
ロマトグラフィーチャートである。図4は実施例2で得
られたガスのガスクロマトグラフィーチャートである。
図5は、実施例1、2と同様の方法により反応液中の水
の含有率を変化させたときの電流効率を示す。図6は、
実施例1、2と同様の方法により反応液の電流密度を変
化させたときの電流効率を示す。 図1において、1はHeボンベ、2はシリカゲル、3はH
型セル、4はガスサンプラー、5はガスクロマトグラフ
であり、矢印はガスの流れ方向を示す。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−9809(JP,A) 特開 平2−8386(JP,A) 特開 昭63−307288(JP,A) 特開 昭63−277781(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C25B 3/00 - 3/08 CA(STN)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式[A] Si(OR)4 [A] (但し、Rは炭素数1〜4のアルキル基である。) で示されるテトラアルコキシシランを電気化学的に還元
    するシランガスの製造法であって、反応溶媒として酢酸
    を用い、支持電解質として酢酸ナトリウム又はテトラメ
    チルアンモニウムクロライドを用い、電極に白金、タン
    タル、ニッケル、及び酸化ニッケルよりなる群から選ん
    だ少なくとも一種を用いることを特徴とするシランガス
    の製造法。
  2. 【請求項2】反応液の水分含有率が、10〜4000ppmであ
    ることを特徴とする請求項1記載のシランガスの製造
    法。
  3. 【請求項3】電流密度が0.5〜20mA/cm2であることを特
    徴とする請求項1〜2のいずれかに記載のシランガスの
    製造法。
  4. 【請求項4】反応温度が10〜80℃であることを特徴とす
    る請求項1〜3のいずれかに記載のシランガスの製造
    法。
  5. 【請求項5】陽極で発生する酸素ガスが生成したシラン
    と反応しないように、隔膜を持つH型セル中で電解を行
    うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のシ
    ランガスの製造法。
  6. 【請求項6】テトラアルコキシシランが、テトラメトキ
    シシランである請求項1〜5のいずれかに記載のシラン
    ガスの製造法。
  7. 【請求項7】テトラアルコキシシランが、テトラエトキ
    シシランである請求項1〜6のいずれかに記載のシラン
    ガスの製造法。
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