JPH11349593A - Production of high purity tetraalkoxysilane - Google Patents
Production of high purity tetraalkoxysilaneInfo
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- JPH11349593A JPH11349593A JP15580598A JP15580598A JPH11349593A JP H11349593 A JPH11349593 A JP H11349593A JP 15580598 A JP15580598 A JP 15580598A JP 15580598 A JP15580598 A JP 15580598A JP H11349593 A JPH11349593 A JP H11349593A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、合成石英ガラス粉
及び石英ガラス成形体の原料として有用な高純度テトラ
アルコキシシランの製造方法に関するものである。近
年、光通信分野、半導体産業等で使用されるガラス製品
に於いては、その微量不純物に関し非常に厳しい管理が
行われている。例えば、ガラス製品がシリコン単結晶引
き上げ用ルツボである場合、微量不純物を含有している
と、ルツボから溶出した微量不純物がシリコン単結晶に
混入し、半導体の性能を低下させる。特に、リン、ホウ
素等のIII、V族元素は半導体特性の制御に影響を与え
るため、格段の注意が払われる。また、高温で使用され
る石英治具として用いた場合には、石英ガラス成形体中
に含まれるIII、V族元素が拡散し、シリコンウエハー
を汚染するので、所望の半導体特性が得られない。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a high-purity tetraalkoxysilane useful as a raw material for synthetic quartz glass powder and a quartz glass molded body. 2. Description of the Related Art In recent years, in glass products used in the optical communication field, the semiconductor industry, and the like, very strict control has been performed on trace impurities. For example, when the glass product is a silicon single crystal pulling crucible and contains trace impurities, the trace impurities eluted from the crucible are mixed into the silicon single crystal and deteriorate the performance of the semiconductor. In particular, the group III and V elements, such as phosphorus and boron, affect the control of semiconductor characteristics, and therefore, great care is taken. Further, when used as a quartz jig used at a high temperature, Group III and V elements contained in the quartz glass compact diffuse and contaminate the silicon wafer, so that desired semiconductor characteristics cannot be obtained.
【0002】このような用途に用いられる高純度の石英
ガラスは主に、(1)天然石英を精製する方法、(2)四塩化
珪素の酸水素炎中での分解で発生したヒュームを基体に
付着・成長させる方法、(3)シリコンアルコキシド等の
加水分解、ゲル化により得たゲルを焼成して得られた合
成石英粉を用いる方法等によって生成される。The high-purity quartz glass used for such applications is mainly composed of (1) a method for purifying natural quartz, and (2) fumes generated by decomposition of silicon tetrachloride in an oxyhydrogen flame. It is produced by a method of attaching and growing, (3) a method of using a synthetic quartz powder obtained by firing a gel obtained by hydrolysis and gelation of silicon alkoxide and the like, and the like.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、(1)の
方法では微量不純物含有率の低減に限界があり、(2)の
方法では極めて製造コストが高い等の問題点がある。ま
た、(3)の方法では比較的不純物含有率が低い合成石英
ガラス粉が得られるが、ホウ素、リン含有量に関して
は、必ずしも満足できるレベルまで低減できるに至って
いなかった。However, the method (1) has a limit in reducing the content of trace impurities, and the method (2) has a problem that the production cost is extremely high. In addition, although the method (3) produces a synthetic quartz glass powder having a relatively low impurity content, the content of boron and phosphorus has not always been reduced to a satisfactory level.
【0004】これに対し、金属珪素とメタノールの反応
によって得られた粗テトラメトキシシランを精製し、高
純度テトラメトキシシランを製造するに当たり、粗テト
ラメトキシシランより高沸成分を分離する際に塔頂と塔
底の温度差を20℃以下として精密蒸留することによ
り、高沸化合物の形態で存在するホウ素、リンを分離す
る方法(特開平9−143184号公報)、金属珪素と
アルコールの反応によってテトラアルコキシシランを合
成するに際し、反応生成物より回収した未反応アルコー
ルの2%以上をパージすることにより、アルコールと比
較的沸点の近い低沸不純物の蓄積を抑え、高純度なアル
コキシシランを得る方法(特開平9−95491号公
報)が提案されている。しかしながらこの方法の場合、
金属ケイ素原料として不純物含有量の高い工業的に安価
なものを使用すると、回収アルコール中の低沸不純物蓄
積を問題ない低レベルに抑えるためにはパージ量を増大
させる必要があり、製造コストのアップにつながる。ま
た、特に、この反応系で低沸化合物を形成して石英ガラ
ス製品の品質に悪影響を与えるのは、リン、或いはホウ
素であることが本発明者らの検討により明らかとなっ
た。On the other hand, when purifying crude tetramethoxysilane obtained by the reaction between metallic silicon and methanol to produce high-purity tetramethoxysilane, the overhead of separating a high-boiling component from crude tetramethoxysilane is high. A method of separating boron and phosphorus existing in the form of a high boiling compound by precision distillation with the temperature difference between the water and the bottom at 20 ° C. or less (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-143184). When synthesizing alkoxysilane, purging at least 2% of unreacted alcohol recovered from the reaction product suppresses accumulation of low-boiling impurities having a relatively close boiling point to alcohol, thereby obtaining a high-purity alkoxysilane ( Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-95491) has been proposed. However, in this case,
If an industrially inexpensive material with a high impurity content is used as the metal silicon raw material, it is necessary to increase the purge amount in order to suppress the accumulation of low-boiling impurities in the recovered alcohol to a low level without any problem, which increases the production cost. Leads to. In addition, it has been clarified by the present inventors that phosphorus or boron particularly forms a low-boiling compound in this reaction system and adversely affects the quality of quartz glass products.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記実状
に鑑み、従来に比べてリン及びホウ素含有率が低いテト
ラアルコキシシランを製造する方法につき鋭意研究し
た。その結果、反応生成物より回収した未反応アルコー
ルに対して特定の処理を施すことにより、問題となる低
沸化合物として存在するリン、ホウ素を高沸化合物の形
態へと変えることにより粗テトラアルコキシシランの蒸
留工程で容易に分離できるものとし、引いては、リン、
ホウ素含有量が極めて少なく、半導体製造関連石英ガラ
ス部材に好適に用いることのできるテトラアルコキシシ
ランの製造が可能であることを見出し本発明に到達し
た。すなわち本発明は、ケイ素とアルコールを反応させ
るテトラアルコキシシランの製造に於いて、未反応のア
ルコールの一部又は全部を回収し、活性炭と接触させ、
ケイ素との反応にリサイクルすることをを特徴とするテ
トラアルコキシシランの製造方法等に存する。Means for Solving the Problems In view of the above-mentioned circumstances, the present inventors have made intensive studies on a method for producing tetraalkoxysilane having a lower phosphorus and boron content than conventional ones. As a result, by subjecting the unreacted alcohol recovered from the reaction product to a specific treatment, phosphorus or boron present as a low-boiling compound, which is a problem, is changed to a high-boiling compound to form a crude tetraalkoxysilane. Can be easily separated in the distillation step of
The present inventors have found that it is possible to produce tetraalkoxysilane, which has a very low boron content and can be suitably used for a quartz glass member related to semiconductor production, and has reached the present invention. That is, the present invention, in the production of tetraalkoxysilane to react silicon and alcohol, recover a part or all of the unreacted alcohol, and contact with activated carbon,
The present invention relates to a method for producing tetraalkoxysilane, which is characterized in that it is recycled for reaction with silicon.
【0006】[0006]
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明におけるテトラアルコキシシランは、下記(1)
式に示すように、金属ケイ素とアルコールを反応させる
ことによって得られる。 Si + 4ROH → Si(OR)4 + 2H2 (1) (R:アルキル基) アルコールの使用量は、ケイ素1モルに対し、3〜50
倍モル、特に好ましくは、4〜10倍モルの範囲から選
ばれる。3倍モル未満では、未反応のケイ素が多量に残
存し、生産性が低い。また、50倍モルを超えると、未
反応アルコールが多量に残存し、分離精製に多量のエネ
ルギーを要する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail.
The tetraalkoxysilane in the present invention has the following (1)
As shown in the formula, it is obtained by reacting metal silicon with an alcohol. Si + 4ROH → Si (OR) 4 + 2H 2 (1): the amount of (R group) alcohol, to silicon 1 mole, 3-50
The molar ratio is particularly preferably selected from the range of 4 to 10 moles. If the molar ratio is less than 3 times, a large amount of unreacted silicon remains and productivity is low. If the molar ratio exceeds 50 times, a large amount of unreacted alcohol remains and a large amount of energy is required for separation and purification.
【0007】反応溶媒としては、炭化水素溶媒を広く用
いることが出来るが、テトラアルコキシシランと分離が
容易な高沸点溶媒が特に使用に適する。高沸点溶媒とし
ては、例えば、トリエチルベンゼン、オクチルベンゼ
ン、ドデシルベンゼン、ジドデシルベンゼン等の、アル
キルベンゼン化合物や、ジフェニルメタン、ベンジルト
ルエン、ジベンジルトルエン等のアリールメタン化合物
が挙げられる。これらのうち、特にドデシルベンゼン
が、目的物であるテトラアルコキシシランとの沸点差が
大きく分離が容易であり、また、比較的安価であるため
好ましい。溶媒の使用量は、工業的には金属ケイ素1g
に対し、1ミリリットル〜100ミリリットル、特に、
1.5〜10ミリリットルの範囲から適宜選択するのが
良い。溶媒があまりに少ないと、金属ケイ素をスラリー
状態とすることが出来ないので反応を行うことが出来
ず、逆に多すぎると単位当たりの生産性が低く、大型の
装置を要するためである。As the reaction solvent, a hydrocarbon solvent can be widely used, but a high boiling point solvent which is easily separated from tetraalkoxysilane is particularly suitable for use. Examples of the high boiling point solvent include an alkylbenzene compound such as triethylbenzene, octylbenzene, dodecylbenzene, didodecylbenzene and the like, and an arylmethane compound such as diphenylmethane, benzyltoluene and dibenzyltoluene. Of these, dodecylbenzene is particularly preferred because it has a large boiling point difference from the target tetraalkoxysilane, is easily separated, and is relatively inexpensive. The amount of solvent used is industrially 1 g of metallic silicon.
In contrast, 1 ml to 100 ml, especially
It is better to select appropriately from the range of 1.5 to 10 ml. If the amount of the solvent is too small, the metal silicon cannot be turned into a slurry state, so that the reaction cannot be performed. If the amount of the solvent is too large, productivity per unit is low and a large-sized apparatus is required.
【0008】この反応の触媒としては、アルカリアルコ
レート等の塩基触媒(特開昭52−12133号公報)
と塩化銅等の銅触媒(特公昭50−34538号公報)
が知られている。反応温度は、溶媒・触媒等によっても
異なるが、通常、100〜300℃である。反応時の圧
力は、上記反応温度に於けるアルコール及び炭化水素の
蒸気圧に、反応により発生する水素ガスの圧力が加算さ
れた値になるが、発生する水素ガスをパージしつつ行
い、低圧で反応を行うこともできる。As a catalyst for this reaction, a base catalyst such as an alkali alcoholate (JP-A-52-12133)
And copper catalyst such as copper chloride (JP-B-50-34538)
It has been known. The reaction temperature varies depending on the solvent, the catalyst and the like, but is usually 100 to 300 ° C. The pressure during the reaction is a value obtained by adding the pressure of the hydrogen gas generated by the reaction to the vapor pressure of the alcohol and the hydrocarbon at the above reaction temperature. A reaction can also be performed.
【0009】上記一段反応の他、一旦、テトラアルコキ
シシラン、トリアルコキシヒドロシラン、及びアルコー
ルの混合組成物を得た後、アルカリ金属、或いはアルカ
リ土類金属の酸化物、または水酸化物を触媒とし、テト
ラアルコキシシランを得る方法も提案されている(特開
昭63−166888号公報)。以上のようにして得ら
れた反応組成物(以下、「粗テトラアルコキシシラン」
という)中には、目的物質であるテトラアルコキシシラ
ンの他に、溶媒、未反応アルコール、不溶成分、及び副
生物であるトリアルコキシアルキルシランと、珪素含有
オリゴマーを有している。In addition to the above one-step reaction, once a mixed composition of tetraalkoxysilane, trialkoxyhydrosilane, and alcohol is obtained, an alkali metal or alkaline earth metal oxide or hydroxide is used as a catalyst, A method for obtaining tetraalkoxysilane has also been proposed (JP-A-63-166888). The reaction composition obtained as described above (hereinafter, “crude tetraalkoxysilane”)
) Contains a solvent, an unreacted alcohol, an insoluble component, a trialkoxyalkylsilane as a by-product, and a silicon-containing oligomer in addition to the target substance, tetraalkoxysilane.
【0010】かかる粗テトラアルコキシシランを精製す
ることにより高純度のテトラアルコキシシランを得る。
効率的な精製を行うに際しては、例えば、以下の方法が
挙げられる。まず、不溶成分を分離する。不溶成分は、
反応液中に固体として分散しているものであり、濾過に
より分離するか、或いは、薄膜蒸発機を用い、高沸成分
の一部と共に、蒸留残さとして分離する事が出来る。粗
テトラアルコキシシラン中の不溶成分は、濾過性が不良
である場合が多いので、工業的に行うには、後者の方法
が好ましい。[0010] By purifying the crude tetraalkoxysilane, a high-purity tetraalkoxysilane is obtained.
In performing efficient purification, for example, the following methods are mentioned. First, insoluble components are separated. Insoluble components are
It is dispersed as a solid in the reaction solution, and can be separated by filtration, or can be separated as a distillation residue together with a part of high boiling components using a thin film evaporator. Insoluble components in the crude tetraalkoxysilane often have poor filterability, so that the latter method is preferred for industrial use.
【0011】不溶成分を除去した後の精製方法は、ま
ず、テトラアルコキシシランに比べ低沸の成分を蒸留分
離する。ここで言う低沸成分とは、未反応のアルコール
及びトリアルコキシアルキルシラン等の、テトラアルコ
キシシランと比べ沸点が低い成分である。蒸留分離は、
通常の蒸留装置を使用できる。操作は、回分・連続のい
ずれでも実施できる。テトラアルコキシシランと、アル
コール及びトリアルコキシアルキルシランとの分離を精
密に行うために、蒸留塔内には棚段、或いは充填物が設
置される。その段数は、通常5〜50段で、塔径は処理
条件により決定される。圧力は通常、常圧或いは減圧で
操作される。分離を精密に行うために、塔頂凝縮液の一
部は、塔に還流させつつ操作するが、その還流比は通
常、0.1〜5である。回分で蒸留を行う場合は、留出
する液の組成見合いで還流比を変化させつつ操作を行っ
ても良い。また、回分操作では、低沸成分に引き続き、
高純度のテトラアルコキシシランが留出することになる
が、連続操作では、テトラアルコキシシランはリボイラ
ーから抜き出すこととなる。In the purification method after removing the insoluble components, first, components having a lower boiling point than tetraalkoxysilane are separated by distillation. The low-boiling component referred to here is a component having a lower boiling point than tetraalkoxysilane, such as unreacted alcohol and trialkoxyalkylsilane. Distillation separation
Conventional distillation equipment can be used. The operation can be performed either batchwise or continuously. To accurately separate the tetraalkoxysilane from the alcohol and the trialkoxyalkylsilane, a tray or a packing is provided in the distillation column. The number of stages is usually 5 to 50, and the column diameter is determined by the processing conditions. The pressure is usually operated at normal pressure or reduced pressure. In order to carry out the separation precisely, a part of the condensate at the top of the column is operated while being refluxed to the column, and the reflux ratio is usually 0.1 to 5. In the case of performing distillation in batch, the operation may be performed while changing the reflux ratio according to the composition of the liquid to be distilled. In batch operation, following low boiling components,
High-purity tetraalkoxysilane will be distilled out, but in a continuous operation, tetraalkoxysilane will be extracted from the reboiler.
【0012】また、粗テトラメトキシシランから低沸成
分を分離した後のテトラメトキシシラン中に、反応副生
物であるトリアルコキシアルキルシラン含有率が0.3
重量%以下となるように蒸留精製することが好ましい。
例えば、テトラメトキシシランの場合、これより低沸点
のリン化合物の構造は、本発明者らの分析の結果、トリ
メチルホスフィンP(CH3)3が主成分である事が明ら
かとなったが、テトラメトキシシラン中のトリメトキシ
メチルシラン含有率が0.3重量%を超えるような条件
で蒸留を行うと、リンの濃度が急激に増大する事が本発
明者等の実験で確認された。[0012] The content of trialkoxyalkylsilane, which is a by-product of the reaction, in the tetramethoxysilane after separating low boiling components from the crude tetramethoxysilane is 0.3%.
It is preferable to purify by distillation so as to be not more than% by weight.
For example, in the case of tetramethoxysilane, the structure of a phosphorus compound having a lower boiling point than the above was found by analysis of the present inventors to be mainly trimethylphosphine P (CH 3 ) 3. Experiments conducted by the present inventors have confirmed that when distillation is performed under conditions where the content of trimethoxymethylsilane in methoxysilane exceeds 0.3% by weight, the concentration of phosphorus sharply increases.
【0013】一方、上記条件で回収された低沸成分は大
部分が未反応のアルコールであり、工業的には、このア
ルコールはリサイクルし、再度ケイ素との反応に使用す
る事が好ましい。しかしながら、この低沸成分中には、
アルコール以外にトリアルコキシアルキルシランや、リ
ン及びホウ素の低沸化合物が含まれており、リサイクル
を繰り返すことにより、これらが蓄積される。そして、
蓄積量が、ある濃度を超えると、前述の蒸留条件で低沸
成分を分離しても、極微量がリボイラー側のテトラアル
コキシシラン中に混入するようになる。特に、半導体製
造関連に使用される石英ガラス中のリン、ホウ素の許容
濃度は極めて低く(用途によっては数十ppb以下のレ
ベルである)、この混入量が極微量であっても問題とな
る。On the other hand, the low-boiling components recovered under the above conditions are mostly unreacted alcohols, and industrially, it is preferable to recycle this alcohol and use it again for the reaction with silicon. However, in this low boiling component,
In addition to alcohols, trialkoxyalkylsilanes and low-boiling compounds of phosphorus and boron are contained, and these are accumulated by repeating recycling. And
If the accumulated amount exceeds a certain concentration, even if low-boiling components are separated under the aforementioned distillation conditions, a very small amount will be mixed into the tetraalkoxysilane on the reboiler side. In particular, the allowable concentrations of phosphorus and boron in quartz glass used for semiconductor production are extremely low (a level of several tens of ppb or less depending on the use), and even a very small amount of this causes a problem.
【0014】これに対しては上述のとおり、これら低沸
成分としての不純物の蓄積を一定以下に抑えるため、回
収アルコールの全量をリサイクルせず、一部をパージす
る方法がある(特開平9−95491号公報)。しかし
ながら、この方法による場合には反応原料の金属珪素と
して不純物レベルの高い、より安価なものを用いようと
すると、この回収アルコールのパージ量も増やす必要が
あり、却って工業的・経済的な不利益となることは述べ
た通りである。To cope with this, as described above, in order to suppress the accumulation of these impurities as low-boiling components to a certain level or less, there is a method of purging a part of the recovered alcohol instead of recycling the entire amount (Japanese Patent Laid-Open No. 9-1997). No. 955491). However, in the case of using this method, in order to use a less expensive metal silicon having a high impurity level as a reaction raw material, it is necessary to increase the purge amount of the recovered alcohol, which is disadvantageous industrially and economically. Is as stated.
【0015】これに対し本発明者らは、回収アルコール
を活性炭と接触させるという簡易な操作を施すことによ
り意外にも、アルコールのパージを行うこと無く、最終
的に得られる合成石英ガラス中のリン、及びホウ素の混
入量を低減させることが可能であることを見出したので
ある。本発明における、活性炭との接触によるリン、ホ
ウ素の低減のメカニズムは明らかでないが、例えばテト
ラメトキシシランを合成する場合、回収メタノール中に
存在している低沸化合物のうちの主成分である、P(C
H3)3(トリメチルホスフィン:沸点 38℃)につい
て、活性炭処理後の形態変化をガスクロマトグラフ分析
及びNMR(核磁気共鳴)分析により同定したところ、
(CH3)3P=O(トリメチルホスフィンオキサイ
ド:沸点215℃)に変化していることが判明した。こ
の事は、活性炭の酸化官能基や吸着酸素等による酸化反
応により、低沸点のP化合物がより高沸点の酸化物の形
態に変化したものと思われる。この様に、活性炭による
吸着除去の効果が無くとも、低沸点のリン化合物を、テ
トラメトキシシラン(沸点121℃)と比べ、かなり高
沸点の化合物に変化させることが出来ると考えられ、蒸
留工程でテトラメトキシシランと容易に分離する事が可
能となる。On the other hand, the present inventors surprisingly performed a simple operation of bringing the recovered alcohol into contact with the activated carbon, and surprisingly, without purging the alcohol, the phosphorus in the synthetic quartz glass finally obtained was obtained. And boron can be reduced. In the present invention, the mechanism of reducing phosphorus and boron by contact with activated carbon is not clear, but for example, when synthesizing tetramethoxysilane, the main component of the low-boiling compound present in the recovered methanol, P (C
For H 3 ) 3 (trimethylphosphine: boiling point 38 ° C.), the morphological change after activated carbon treatment was identified by gas chromatography analysis and NMR (nuclear magnetic resonance) analysis.
(CH3) 3 P = O (trimethylphosphine oxide: boiling point: 215 ° C.). This is presumably because the oxidation reaction of the activated carbon by the oxidation functional group or the adsorbed oxygen changed the low-boiling P compound into a higher-boiling oxide. As described above, it is considered that a low-boiling phosphorus compound can be changed to a compound having a considerably higher boiling point than tetramethoxysilane (boiling point: 121 ° C.) even without the effect of adsorption and removal by activated carbon. It can be easily separated from tetramethoxysilane.
【0016】回収アルコールと活性炭との接触時間とし
ては、0.5分以上、好ましくは1分以上とするのが良
い。また、活性炭の寿命は、活性炭の種類によって、吸
着酸素量、酸化官能基量が異なるため一概には言えな
い。活性炭との接触処理は、回分でも連続でも構わない
が、工業的には、活性炭を充填したカラム中に、回収ア
ルコールを通す等の方法が考えられる。The contact time between the recovered alcohol and the activated carbon is 0.5 minutes or more, preferably 1 minute or more. In addition, the life of activated carbon cannot be determined unconditionally because the amount of adsorbed oxygen and the amount of oxidized functional group vary depending on the type of activated carbon. The contact treatment with activated carbon may be batch or continuous, but industrially, a method of passing recovered alcohol through a column filled with activated carbon is conceivable.
【0017】次に、低沸成分を除去したテトラアルコキ
シシランについては、更に高沸成分の蒸留分離を行う。
ここでいう高沸成分とは、珪素含有オリゴマー、溶媒、
リンやホウ素の酸化化合物等、テトラアルコキシシラン
に比べ、沸点が高い成分である。蒸留分離は、通常の蒸
留装置を使用できる。操作は、回分・連続のいずれでも
実施できる。低沸成分の蒸留分離を回分操作で行う場合
は、低沸成分に引き続き、高純度のテトラアルコキシシ
ランを留出させ、同一の蒸留装置で高沸成分と蒸留分離
する事が出来る。一方、低沸成分の蒸留分離を連続操作
で行う場合は、テトラアルコキシシランをリボイラーか
ら抜き出す事となり、この抜き出し液をシリーズで設置
した蒸留装置に供給し、高沸の成分を蒸留分離する事が
出来る。Next, with respect to the tetraalkoxysilane from which the low boiling components have been removed, the high boiling components are further separated by distillation.
The high-boiling component referred to here is a silicon-containing oligomer, a solvent,
It is a component having a higher boiling point than tetraalkoxysilane, such as an oxide compound of phosphorus or boron. For distillation separation, an ordinary distillation apparatus can be used. The operation can be performed either batchwise or continuously. When the low-boiling component is separated by distillation in a batch operation, high-purity tetraalkoxysilane is distilled off following the low-boiling component, and can be separated from the high-boiling component by distillation using the same distillation apparatus. On the other hand, when performing continuous distillation of low-boiling components, tetraalkoxysilane is extracted from the reboiler, and the extracted liquid is supplied to a distillation apparatus installed in series to separate high-boiling components by distillation. I can do it.
【0018】テトラアルコキシシランと珪素含有オリゴ
マー、及び溶媒等の分離を精密に行うために、蒸留塔内
には棚段、或いは充填物が設置される。その段数は、5
〜50段で、塔径は処理条件により決定される。圧力は
通常、常圧或いは減圧で操作される。分離を精密に行う
ために、塔頂凝縮液の一部は塔に還流させつつ操作する
が、その還流比は通常0.1〜5である。回分で蒸留を
行う場合は、留出する液の組成見合いで還流比を変化さ
せつつ操作を行っても良い。In order to accurately separate the tetraalkoxysilane from the silicon-containing oligomer, the solvent and the like, a tray or a packing is provided in the distillation column. The number of stages is 5
At ~ 50 stages, the tower diameter is determined by the processing conditions. The pressure is usually operated at normal pressure or reduced pressure. In order to perform the separation precisely, a part of the condensate at the top of the column is operated while being refluxed to the column, and the reflux ratio is usually 0.1 to 5. In the case of performing distillation in batch, the operation may be performed while changing the reflux ratio according to the composition of the liquid to be distilled.
【0019】また、粗テトラアルコキシシランより高沸
成分を分離するに際し、塔頂と塔底との温度差を20℃
以下として蒸留精製する事が好ましい。テトラアルコキ
シシランより高沸のリン化合物については、主成分であ
るトリアルキルホスフィンオキサイド以外は明らかでは
ないが、塔頂と塔底の温度差を20℃以下として蒸留精
製すると、その濃度は10ppb以下に出来る事が実験
で確認された。塔頂と塔底の温度差が20℃を超えるも
のであっても、珪素含有オリゴマー及び溶媒等は、通
常、実質的に完全に分離する事が出来るが、温度差が2
0℃を超えるとリンの濃度は急激に増加する。Further, when separating high boiling components from the crude tetraalkoxysilane, the temperature difference between the top and bottom of the column is 20 ° C.
It is preferable to purify by distillation as follows. For phosphorus compounds having a higher boiling point than tetraalkoxysilane, it is not clear other than trialkylphosphine oxide, which is the main component, but when distilled and purified by setting the temperature difference between the top and bottom to 20 ° C. or less, the concentration becomes 10 ppb or less. Experiments have shown that we can do it. Even when the temperature difference between the top and the bottom exceeds 20 ° C., the silicon-containing oligomer and the solvent can usually be substantially completely separated, but the temperature difference is 2
Above 0 ° C., the concentration of phosphorus sharply increases.
【0020】回分法で操作を行う場合は、リボイラーの
温度を測定し、塔頂と塔底の温度差が20℃になったと
ころで蒸留を打ち切る事となる。一方、連続法で操作を
行う場合は、リボイラー内液のテトラアルコキシシラン
の濃度を制御する事により、塔頂と塔底の温度差を20
℃以下に保つ事が出来る。不溶成分を除去した後の精製
を、連続法で行う場合、まず、テトラアルコキシシラン
より高沸成分を分離し、続いて低沸成分を分離するフロ
ーでも実施する事が出来るが、この方法では高純度のテ
トラアルコキシシランを最終的にリボイラーから抜き出
すこととなり、操作時に於ける装置からの微量金属の混
入が発生するので、再度、蒸留処理を施し、高純度化を
行うのが好ましい。When the operation is carried out by the batch method, the temperature of the reboiler is measured, and the distillation is stopped when the temperature difference between the top and bottom of the column reaches 20 ° C. On the other hand, when the operation is performed by the continuous method, the temperature difference between the top and bottom of the column is controlled by controlling the concentration of tetraalkoxysilane in the reboiler solution.
It can be kept below ℃. When the purification after removing the insoluble components is performed by a continuous method, first, a high-boiling component can be separated from tetraalkoxysilane, and then a low-boiling component can be separated. Since pure tetraalkoxysilane is finally extracted from the reboiler and a trace metal is mixed in from the apparatus at the time of operation, it is preferable to perform distillation treatment again to achieve high purity.
【0021】このようにして得られたテトラアルコキシ
シランを原料として用いてゾルゲル法により合成石英ガ
ラス粉を製造することができるが、これまでの種々の検
討の結果、テトラアルコキシシラン中のリン、ホウ素含
有率と合成石英ガラス粉、更にはこの合成石英ガラス粉
を溶融成形して得られた石英ガラス成形体中のリン含有
率に極めて良好な正の相関が見られる。テトラアルコキ
シシラン中のリンの形態は、一部を除いて明らかでない
が、いずれも、反応に用いる金属珪素中に存在するリ
ン、ホウ素とアルコールが反応して生成する有機化合物
であると考えられる。Using the thus obtained tetraalkoxysilane as a raw material, a synthetic quartz glass powder can be produced by a sol-gel method. As a result of various studies, phosphorus and boron in the tetraalkoxysilane have been found. An extremely good positive correlation is found between the content and the synthetic quartz glass powder, and also the phosphorus content in the quartz glass compact obtained by melt-molding this synthetic quartz glass powder. Although the form of phosphorus in the tetraalkoxysilane is not clear except for a part, it is considered that any of them is an organic compound formed by a reaction between phosphorus and boron present in the metal silicon used in the reaction and an alcohol.
【0022】本発明の方法を用いれば、工業的に未反応
アルコールを回収、再利用する系に於いて、アルコール
のパージをほとんど行う事無く、リン、ホウ素含有率の
極めて低いテトラアルコキシシランを安定的に継続生産
可能となり、このようにして得られたテトラアルコキシ
シランを用い、ゾルゲル法により合成石英粉を製造する
と、リン、ホウ素を実質的に含有せず(数ppbレベル
以下)、この合成石英粉を用いて製造した石英ガラス成
形体もリン、ホウ素を実質的に含有しないものとなる。
このような石英ガラス成形体は、例えばシリコン単結晶
引き上げ用ルツボとして用いた場合も、ルツボからのリ
ン、ホウ素の溶出が皆無に近いため、実質的にリン、ホ
ウ素を含有しないシリコン単結晶が得られる等、極めて
有用である。By using the method of the present invention, tetraalkoxysilanes having extremely low phosphorus and boron contents can be stably obtained in a system for industrially recovering and reusing unreacted alcohol, with almost no alcohol purge. When a synthetic quartz powder is produced by the sol-gel method using the tetraalkoxysilane obtained as described above, the synthetic quartz powder contains substantially no phosphorus or boron (several ppb level or less). The quartz glass molded body manufactured using the powder is substantially free of phosphorus and boron.
When such a quartz glass molded article is used, for example, as a crucible for pulling a silicon single crystal, phosphorus and boron are hardly eluted from the crucible, so that a silicon single crystal substantially free of phosphorus and boron can be obtained. It is extremely useful.
【0023】尚、本発明におけるゾルゲル法による合成
石英ガラス粉あるいは石英ガラス成形体の製造は、本発
明により得られるテトラアルコキシシランを原料とする
以外は、公知のゾルゲル法により行うことができる。す
なわち、原料であるテトラアルコキシシランを加水分解
し、更に縮合反応を進行させることによりゲルを得るゲ
ル化工程、及び得られたゲルを加熱処理によりガラス化
する工程を含むものである。まず、ゾルゲル法における
テトラアルコキシシランの加水分解は、公知の方法によ
りテトラアルコキシシランと水(通常、テトラアルコキ
シシランのアルコキシ基の1〜10倍当量)とを反応さ
せることにより行われる。得られたゲルを細分化してか
ら乾燥、あるいは乾燥してから細分化することによりゲ
ル粉末を得、さらに加熱処理してガラス化すれば合成石
英ガラス粉を得ることができる。The production of the synthetic quartz glass powder or quartz glass compact by the sol-gel method in the present invention can be carried out by a known sol-gel method except that the tetraalkoxysilane obtained by the present invention is used as a raw material. That is, the method includes a gelation step of hydrolyzing tetraalkoxysilane as a raw material and further proceeding a condensation reaction to obtain a gel, and a step of vitrifying the obtained gel by heat treatment. First, the hydrolysis of tetraalkoxysilane in the sol-gel method is performed by reacting tetraalkoxysilane with water (generally, 1 to 10 equivalents of the alkoxy group of tetraalkoxysilane) by a known method. The obtained gel is subdivided and then dried, or dried and subdivided to obtain a gel powder, which is further heated and vitrified to obtain a synthetic quartz glass powder.
【0024】このようにして本発明の合成石英ガラス粉
を得ることができるが、このものはリンの含有量を極め
て低レベルに抑えることができる。例えば、20ppb
以下、さらには10ppb以下とすることさえ可能であ
る。尚ここでリン含有量の測定方法は特に制限されるも
のではなく充分な感度を有するものであれば種々の公知
の方法を用いることが可能であるが、例えば、テトラア
ルコキシシランを超純水で加水分解してSiO2として
フッ酸に溶かし、ICP−MS法により測定する等の手
段により正確に検出することができる。In this way, the synthetic quartz glass powder of the present invention can be obtained, but this can suppress the phosphorus content to an extremely low level. For example, 20ppb
In the following, it is even possible to set it to 10 ppb or less. Here, the method for measuring the phosphorus content is not particularly limited, and various known methods can be used as long as the method has sufficient sensitivity.For example, tetraalkoxysilane can be prepared using ultrapure water. It can be hydrolyzed to dissolve in hydrofluoric acid as SiO 2 , and can be accurately detected by means such as measurement by an ICP-MS method.
【0025】また、本発明の合成石英ガラス粉を更に溶
融成形して石英ガラス成形体とすることもできる。この
際の成形法としては、アークメルト法、ベルヌーイ法、
ヒュージョン法等、成形体の用途等に応じて適宜選択す
ればよい。もちろん、本発明により得られる高純度のテ
トラアルコキシシランを用いたゾルゲル法により直接成
形体とすることを妨げるものではない。Further, the synthetic quartz glass powder of the present invention can be further melt-molded to form a quartz glass molded body. The molding method at this time includes an arc melt method, a Bernoulli method,
What is necessary is just to select suitably according to the use of a molded object, such as a fusion method. Of course, this does not preclude directly forming a molded article by the sol-gel method using the high-purity tetraalkoxysilane obtained by the present invention.
【0026】[0026]
【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明する。尚、リンの濃度はICP−MS分析により測定
したものであり、テトラメトキシシラン、トリメトキシ
シラン、未反応のメタノール及びドデシルベンゼンの濃
度はFID法によりガスクロマトグラフィーにより求め
た値である。 (参考例1)ドデシルベンゼンを溶媒とし、銅触媒存在
下、金属珪素粉末とメタノールを反応させ、テトラメト
キシシラン、トリメトキシシラン、未反応のメタノール
及びドデシルベンゼンの混合組成物を得た後、酸化カル
シウムを触媒とし、トリメトキシシランを実質的に全量
テトラメトキシシランに変換し、表−1に記載の組成物
を得た。EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The phosphorus concentration was measured by ICP-MS analysis, and the concentrations of tetramethoxysilane, trimethoxysilane, unreacted methanol and dodecylbenzene were determined by gas chromatography using the FID method. Reference Example 1 Metallic silicon powder was reacted with methanol in the presence of a copper catalyst using dodecylbenzene as a solvent to obtain a mixed composition of tetramethoxysilane, trimethoxysilane, unreacted methanol and dodecylbenzene, and then oxidized. Substantially all of trimethoxysilane was converted to tetramethoxysilane using calcium as a catalyst to obtain the compositions shown in Table 1.
【0027】[0027]
【表1】 HB:珪素含有オリゴマー及び酸化カルシウム等の不溶
物 引き続き、表1に記載の組成物を連続的に薄膜蒸発機に
供し、110℃でHB及びドデシルベンゼンを分離し、
表−2に記載の組成物を得た。[Table 1] HB: Insolubles such as silicon-containing oligomer and calcium oxide Subsequently, the compositions shown in Table 1 were continuously supplied to a thin film evaporator to separate HB and dodecylbenzene at 110 ° C.
The compositions described in Table 2 were obtained.
【0028】[0028]
【表2】 (実施例1)塔頂に還流冷却器を有するガラス製オルダ
ーショウ型蒸留装置(段数:20段)を用い、常圧・回
分操作(還流比:3)で、参考例の表−2に記載の組成
物を蒸留した。登頂温度が120℃未満のメタノールを
主成分とする留出液を初留aとして回収(これを以後未
反応メタノールと称す)した後、塔頂温度が120〜1
21℃の留分をリボイラーの温度が126℃に上昇する
まで本留aとして採取した。この時、塔頂と塔底の温度
差の最大は5℃であった。得られた初留の未反応メタノ
ールと本留液を分析したところ、表−3及び、表−4に
示す組成であった(なお、リンの測定に関しては、IC
P−MS分析による結果である)。[Table 2] (Example 1) Using a glass-made Oldershaw-type distillation apparatus having a reflux condenser at the top of the column (number of stages: 20), normal pressure and batch operation (reflux ratio: 3), as shown in Table-2 of Reference Example The composition was distilled. After recovering a distillate mainly composed of methanol having an ascending temperature of less than 120 ° C. as an initial distillate a (hereinafter referred to as unreacted methanol), the tower top temperature is from 120 to 1
A fraction at 21 ° C. was collected as main fraction a until the temperature of the reboiler rose to 126 ° C. At this time, the maximum temperature difference between the top and the bottom was 5 ° C. Analysis of the obtained unreacted first-reacted methanol and the main distillate showed the compositions shown in Tables 3 and 4 (in terms of the measurement of phosphorus, IC
P-MS analysis).
【0029】[0029]
【表3】 [Table 3]
【0030】[0030]
【表4】 ※リンの濃度単位:ppb 次に、回収した初留の未反応メタノールを、再度、参考
例1の原料として用いて反応を行い、同様の蒸留条件に
て、初留と本留を分ける操作を行った。この初留の未反
応メタノールを、繰り返し金属シリコンとの反応原料に
リサイクルする操作を、都合、10サイクル分実施し
た。この10サイクル目の蒸留操作で得られた初留b及
び、本留bの組成分析結果を表−5及び、表−6に示
す。[Table 4] * Phosphorus concentration unit: ppb Next, the recovered unreacted unreacted methanol is used again as a raw material in Reference Example 1 to carry out a reaction, and the same distillation conditions are used to separate the first distillation and the main distillation. went. The operation of repeatedly recycling the unreacted methanol of the first distillation into a reaction raw material with metallic silicon was repeatedly performed for 10 cycles. Tables 5 and 6 show the results of the composition analysis of the first distillation b and the main distillation b obtained by the distillation operation in the tenth cycle.
【0031】[0031]
【表5】 [Table 5]
【0032】[0032]
【表6】 上記の通り、未反応メタノールのリサイクル使用を繰り
返す事により、初留メタノール中にトリメトキシメチル
シラン、及びリンの蓄積が認められ、特に、リンについ
ては、本留中の濃度も大きく上昇した。テトラメトキシ
シランを加水分解、ゲル化、焼成等の工程を経て、合成
石英ガラスとした場合、約2.5倍に濃縮されるため、
SiO2ベースでは、20ppb強のリン濃度に相当す
る。[Table 6] As described above, by repeating the recycle use of unreacted methanol, accumulation of trimethoxymethylsilane and phosphorus was recognized in the first distillation methanol, and particularly, the concentration of phosphorus in the main distillation significantly increased. Through the steps of hydrolysis, gelation, firing, etc. of tetramethoxysilane, when synthetic quartz glass is used, since it is concentrated about 2.5 times,
On a SiO 2 basis, this corresponds to a phosphorus concentration of just over 20 ppb.
【0033】そこで、表5に示す組成の未反応メタノー
ルについて、ガラス製円筒縦型の活性炭充填カラムを、
活性炭との接触時間が10分となるような流速で通して
処理した後、金属シリコンとの反応を行い、前述と同様
の条件を経て、蒸留により、初留c、本留cを採取し
た。それぞれの組成分析結果を表−7及び、表−8に示
す。Therefore, for unreacted methanol having the composition shown in Table 5, a glass cylindrical vertical type activated carbon packed column was used.
After passing through at a flow rate such that the contact time with activated carbon was 10 minutes, the mixture was reacted with metallic silicon, and the first distillation c and the main distillation c were collected by distillation under the same conditions as described above. The results of each composition analysis are shown in Table-7 and Table-8.
【0034】[0034]
【表7】 [Table 7]
【0035】[0035]
【表8】 この結果より、リンについて本条件で活性炭との接触処
理を施す事により、初留、本留とも大幅に混入量が低下
した事を確認した。[Table 8] From these results, it was confirmed that by performing the contact treatment of the phosphorus with the activated carbon under the above conditions, the amount of the mixture significantly reduced in both the first distillation and the main distillation.
【0036】[0036]
【発明の効果】本発明により、合成石英ガラス粉あるい
は石英ガラス成形体の原料として有用な高純度テトラメ
トキシシランを得る。According to the present invention, a high-purity tetramethoxysilane useful as a raw material for a synthetic quartz glass powder or a quartz glass molded body is obtained.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 隆 北九州市八幡西区黒崎城石1番1号 三菱 化学株式会社黒崎事業所内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Takashi Yamaguchi 1-1 Kurosaki Castle Stone, Yawatanishi-ku, Kitakyushu City Inside the Mitsubishi Chemical Corporation Kurosaki Office
Claims (5)
ルコキシシランの製造に於いて、未反応のアルコールの
一部又は全部を回収し、活性炭と接触させ、ケイ素との
反応にリサイクルすることを特徴とするテトラアルコキ
シシランの製造方法。1. A method for producing a tetraalkoxysilane in which silicon is reacted with an alcohol, wherein part or all of the unreacted alcohol is recovered, brought into contact with activated carbon, and recycled for the reaction with silicon. A method for producing tetraalkoxysilane.
アルコキシシランを原料として、ゾルゲル法を行うこと
を特徴とする合成石英ガラス粉の製造方法。2. A method for producing a synthetic quartz glass powder, wherein a sol-gel method is carried out using the tetraalkoxysilane obtained by the method according to claim 1 as a raw material.
成石英ガラス粉。3. A synthetic quartz glass powder obtained by the method according to claim 2.
徴とする請求項3記載の合成石英ガラス粉。4. The synthetic quartz glass powder according to claim 3, wherein the P content is 20 ppb or less.
溶融成形することを特徴とする合成石英ガラス成形体の
製造方法。5. A method for producing a synthetic quartz glass molded body, comprising melt-molding the synthetic quartz glass powder according to claim 3 or 4.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15580598A JPH11349593A (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Production of high purity tetraalkoxysilane |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15580598A JPH11349593A (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Production of high purity tetraalkoxysilane |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11349593A true JPH11349593A (en) | 1999-12-21 |
Family
ID=15613848
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JP15580598A Pending JPH11349593A (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Production of high purity tetraalkoxysilane |
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Country | Link |
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JP (1) | JPH11349593A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115536689A (en) * | 2021-06-30 | 2022-12-30 | 四川大学 | Method for directly preparing organic siloxane from biomass |
-
1998
- 1998-06-04 JP JP15580598A patent/JPH11349593A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115536689A (en) * | 2021-06-30 | 2022-12-30 | 四川大学 | Method for directly preparing organic siloxane from biomass |
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