JPS60141613A - 水素化ケイ素の製造方法 - Google Patents

水素化ケイ素の製造方法

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JPS60141613A
JPS60141613A JP24513983A JP24513983A JPS60141613A JP S60141613 A JPS60141613 A JP S60141613A JP 24513983 A JP24513983 A JP 24513983A JP 24513983 A JP24513983 A JP 24513983A JP S60141613 A JPS60141613 A JP S60141613A
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JP
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silicon
acid
silicon hydride
temperature
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JP24513983A
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English (en)
Inventor
Masayoshi Ito
正義 伊藤
Hiroji Miyagawa
博治 宮川
Toshihiro Abe
智弘 安部
Kenji Iwata
健二 岩田
Toshiyuki Tsukahara
塚原 俊幸
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Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Original Assignee
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 と酸とを反応させることにより、一般式Sir[l□1
1+2(口は正の整数)で表わされる水素化ケイ素を製
造する方法に関する。
近年、エレクトロニクス工業の発展に伴い、多結晶シリ
コンあるいはアモルファスシリコン等の半導体用シリコ
ンの需要が急激に増大している。
水素化ケイ素8 inH2n−1−zはかかる半導体用
シリコンの製造用原料として最近その重要性を増してお
り、特にシラン( SilLl )、ジンラン( Si
2lIa )は太陽電池用半導体の原料として、今後大
幅な需要増DOが期待されている。
従来、水素化ケイ素の製造方法としては、以下に例示す
るような、いくつかの方法が知らAしてい6° 夕 ■八(、72Si −1− 4H橘七2嘔Cl2+1/
+ Si +用り2n+2+(1−■月12 630 ■pg,, sr +4NILIf3r g2M/jB
r2−1−4Nl(3+1/n S ill+21汗2
+(1−、−)H,。
■sicff4 −H,iA#u4 7Licff+A
#cff3+sio4■s i +Sic4 + 21
+2→S if■cff3+s iH3Clこれらの従
来公升の方法の中でケイ化マグネシウムのごときケイ素
合金と一とを水溶液中で・反応させる■の方法は、たと
えば、■の反応のごとく高価な還元剤を必要とせず、ま
た■や■の反応のごとく低温または加圧下に反応させる
必要もない上、特にジシラン(5i2)(、)を製造す
る場合、■の反応のごとく原料として高価なヘキサクロ
ロジシラン(5i2C6a )を使用するといった欠点
もないため、基本的には最も実施容易なすぐれた方法で
ある。
しかしながら、■の方法におし・てはケイ素合金中のケ
イ素のモノシラン(sjt、 )、ジシラン(si2o
6)等利用値の高い水素化ケイ素への転化率(以下収率
という)が低いと℃・う致命的な欠点がある。
かかる収率の低さは、次式のごとき反応の過程での必然
的なメカニズムによりシロキサン結合を有するケイ素化
合物の副生が避けられないためであるとされている。
唾、Si + 21−(、O−一→H,,Si(を0H
)2(1)H2Si(hψon)、、 +4nc#→S
iH2+24cd2+2H2゜−1−H2,(2) xsiI−1,、→ C8’H2)X (ろ)(SiH
,、)2−1−H,、0−−シν−8iH20+SiH
,(4)(5iH2)3+H20□5i1−1□0+5
i21ち (45(SiH2)、+1420 −:ン 
5in2o−4−s 13H8(4)”すなわち、(1
)式で生成した中間体のH2S1(M9011)、、が
たとえば塩酸と反応して5i112ラジカルを生成しく
2)、これがただちに重合しく口)、ひきつづいて加水
分解して種々のシランおよびプロシロキサンを生成する
のである(4)、(4Y、(4)’4 、 、 、(z
Anorg、Allgem、al+em 、ろ[]3.
 283 (1960)、、T、A。
0、 S、 、 57.1349(+965))。
上記のごとき、確からしい反応機構に従えば、モノシラ
ンとジシランに着目した場合の金言1収率の最大値は理
論上約44係ということになり、また実際上報告されて
いる収率はさらにこれより低く、たかだか60係台にす
ぎなかった。
したがって、収率が40%に近くなるとこの値は、上記
したごとき理論的な限界値に接近するため、従来の方法
では、これをさらに数チ上昇させることも容易でなかっ
たものと考えられる。
本発明者らは、上記■の方法における不可避とも考えら
れる欠点であるケイ素合金中のケイ素の水素化ケイ素へ
の低転化率(収率)を向上させるべく鋭意検討した結果
、該反応を氷点以下の極めて低温で実施することにより
、意外なことにこれらの欠点が解決できることを見出し
本発明をなすに至った。
すなわち本発明は、マグネシウム及びケイ素を含む合金
と酸の水溶液とを反応せしめて一般式5inH2n−1
−2(nは1,2,3.、、なる正の整数)で表わされ
る水素化ケイ素を製造する方法において該反応系の温度
を−90乃至0℃として反応を実施することを特徴とす
る水素化ケイ素の製造方法に存する。
以下、本発明の詳細な説明する。
本発明におけるマグネシウム及びケイ素を含む合金とは
、マグネシウム及びケイ素を必須成分として含有するも
のであり、他に第3成分金属を含むこともできる(以下
、ケイ素合金という)。該合金中のマグネシウムとケイ
素のグラム−原子の比(M、9/8i )は1/ろない
し6/1の範囲であることが望ましい。かかるケイ素合
金の具体例としては、Mis I s Mg251 、
 Q 1s 、 Us SI2、 J、、 S I N
 l 、Mg2 S IAj? 、pg、 5I2Ba
 、 M、9SiBa Sae略、 s*、、 、g、
 s1□au、6、Mp3s i、 A7?8Fe等が
挙げられ、咎に八4g2SIが最も好まし−これらは単
独でまたは2種以上の混合物として用いることもできる
。また合金の粒度は特に制限はないが、細かい程好まし
い。しかしながら経済上あるいは取扱い上の便宜から2
0乃至ロ00メソシー程度の範囲であることが望ましい
本発明で使用するケイ素合金は市販品が容易に入手可能
であり、これをそのまま使用することかできる。また、
公知の方法でこれを製造してもよい。たとえば昭28I
は、ケイ素粉末とマグネシウムを混合し水素気流等の中
で500〜1000℃、好ましくは550〜850℃で
4時間程度加熱することにより容易に得られる。
本発明はかかるケイ素合金を酸の水溶液と反応せしめる
ものであるが酸としては、水に少くとも一部でも可溶な
ものであればいかなるものでも良く、例えば塩化水素1
駿、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、フッ化水素酸、硫酸、
ピロ硫酸、リン酸、ビロリン酸、メタリン酸、硝酸など
の無機酸;および酎ば、ギ酸、蓚酸、プロピオン:rl
I、マロンr峻、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、
安息香酸、フェノールなどの有機酸が挙げられる。これ
らのうち、塩化水素酸、硫酸h;特に好ましい。唖だ酸
の水溶液の濃度は、不発明において特に制限するもので
はないが、酸濃度1乃至50重量係程度の範囲であるこ
とが、水素化ケイ素の収率上好まし℃1゜ 次に反応操作について述べる。
本発明の反応は基本的には、ケイ素合金(お1子)と酸
水溶液とを接触せしめて行なわれる液面反応である。
したがって、通常は酸水溶液が連続相となり、この中に
ケイ素合金粒子が分散相として分散され、該粒子表面近
傍で反応が進行すると考えられる。
この場合、酸水溶液、ケイ素合金等各反応成分の装入方
法等について特に限定するものではなく、(1)例えば
酸水溶液中にケイ素合金を装入する方法、(2)酸水溶
液とケイ素合金を同時に反応器に装入する方法、(3)
あるいは水に懸濁させたケイ素合金に酸水溶液を装入す
るなど種々の反応様式を採用できることはもちろんで′
ある。なお、雰囲気ガスは、必ずしも用いる必要はない
が必要に応じ生成する水素化ケイ素と反応しない、例え
ば水素、ヘリウム、アルゴン、窒素等不活性ガスが用い
られる。
反応は通常、常圧下または加圧下で行なうが、減圧下に
てももちろん行ない得る。
本発明は上記のごとき反応において、該反応系の温度を
−90乃至0℃、好ましくは−50乃至−20°Cの範
囲とするものである。−90℃よりさらに低温であると
、Tことえば塩酸水溶液の場合、これが凝固する問題が
ある。また、0℃を越えると、水素化ケイ素の収率が急
激に低下する。
本発明における反応は燃焼反応に近い強度の発熱反応で
あり(約200 Kcae/、9−+nol e Mg
2Si )、これを上記所定の範囲に制御1−るため効
率の良い冷却を必要とする。したがって本発明において
用いられる反応器は伝熱面積(冷却面積)が大きく、か
つ攪拌手段を備えており効果的に冷却を行える構造のも
のが望ましく、単なるジャケットのみでなく例えば多管
式熱交換器、二重管式熱交換器等をも内部熱交叉は外部
熱交として備えた撹拌槽型のものがあげられる。また管
型反応器ももちろん使用可能である。冷却用の冷媒とし
ては通常の冷媒を用い得ることができ、例えば塩化す)
 11ウムフライン、エチレングリコールブライン、ア
ンモニア、フロン、メチレンクロライド、シリコンオ反
応は上記のごとく発熱を伴う固液異相系反応であるので
、特に攪(1混合及び冷却を十分に行い、局所的な過熱
が起らないようにすることが必要である。
なお、本発明における反応自体は非常に速く、−90乃
至0℃の低温であっても数秒乃至数分程度ですみやかに
完結する。生成するモノシラン(SiH4)は沸点が一
110℃であり、また反応液系に溶解しないため、上記
反応温匿範囲においては反応系外にガスとして離脱する
のでこれをl・ラップをへて液体窒素で液化補集する。
また、反応温度を一15℃以下とした場合には、ジシラ
ン(si2I−4,沸点−145℃)、トリシラン(S
i3H8,沸点529℃)、テトラソラン(si+x−
r+o一点109℃)等の四級水素化ケイ素はもちろん
ガス化しないので液状物として反応器中に蓄積′1−る
可能性がある。従ってこれらの高級水素化ケイ素の製造
をも目的とする場合には、反応終了後全反応液を、ある
いは反応:桑作中において一部反応液をスとしてストリ
ッピングし回収する必要がある。
なお、これら生成ガス混合物より各成分への分離及び精
製は、それぞAし通常の深冷分離、吸着剤等によって行
ない得る。
以下、本発明を実施I/IIによって説明する。
実施例1 容量’r00mlの筒形セパラブルフラスコに、濃度3
0重量係の塩酸水溶液200〃+lを装入した。
水素ガス雰囲気中、上記塩酸水溶、液にケイ化マグネシ
ウム(fl(g2S+ ) 609 (粒度100乃至
200メツシユ、Slとして78.2 nmol )を
撹↑゛11.ながら40分間o、isg/+ηinの一
定速度で加え続けた。反応中は、ドライアイス−シリコ
ンオイルを冷媒としてセパラブルフラスコの外部ヲ冷却
にすることにより反応液糸の温度を一60′Cに保った
。ケイ化マグネシウムの投入が終了した時点で反応はほ
ぼ終了したとみなせるが、ひきつづいて反応液の温度を
室温にまで上昇させ、水素気流中にて60分間そのまま
の状態で保持し、缶中のトリシランまでを完全に追い出
した。生成ガスは、液体チノ素温度で冷却したトラップ
中に捕集し、実験終了後捕集ガス中のB: ri4. 
s i□賜、si3+18の量をガスクロマトグラフに
より分析、定量した。
5in4.5i2Hい513I−の量はそれぞれ23.
8 +nnol。
5、7 mnol、1.8WWnolであった。これら
3種類の水素化ケイ素の量は、反応に供したケイ化マグ
ネシウム中のケイ素の519%に相当する。
実施例2.3.4 実施例1において、反応温度を一30℃、−5°Cおよ
び0°Cとした以外は実施例1と同様に実1験を行なっ
た。
結果を第1表に示す。
実施列5 実施例1において、塩1浚水溶液のかわりに濃度20重
歓係の硫酸水溶液200m1を用い、反応温度を一5℃
とした以外は実施例1と同様に実験を行なった。
結果を第1表に示す。
比較例1.2 実@?/lliにおいて、反応温度をso’cおよび0
″Cとした以外は実施例1及び4と同様に実験を行なっ
た。
結果を第1表に示す。
比較例6 実施例5において、反応温度を60℃とし1こ以外は実
施例1と同様の実験を行った。
結果を第1表に示す。
また、l−104の場合を第1図にまとめて示した。
第1表 以上、実施例から明らかなごとく、本発明は、ケイ素合
金と酸の水溶液とを−90乃至0″Cの罹めて低温〆(
,1させることによりケイ素合金中のケイ素の水素化ケ
イ素への転化率1−なわち収率を従来のごとき30係台
の値から40%以上−\、場合によっては50係以上へ
と大巾に向上させることができる。これはずてにνドベ
たごとく理論的な収率の限界値か一応40係程度とされ
ており、この近傍で収率をさらに数%向上させることが
非常に困難であつムニことを考慮ずろときわめて意弐の
ある数値といえる。
【図面の簡単な説明】
第1図は収率と反応温度の関係を示すグラフである。 グラフにお(・て、Tは反応温度、Yは収率を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)マグネシウム及びケイ素を含む合金と酸の水溶液
    とを反応せしめて一般式Sin’12”+2(”は1.
    2.5.、、なる正の整数)で表わされる水素化ケイ素
    を製造する方法において、該反応系の温度を−90乃至
    o cとして反応を実施することを特徴とする水素化ケ
    イ素の製造方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6027705A (en) * 1998-01-08 2000-02-22 Showa Denko K.K. Method for producing a higher silane
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US8192522B2 (en) 2008-03-31 2012-06-05 Et-Energy Corp. Chemical process for generating energy
WO2015060189A1 (ja) 2013-10-21 2015-04-30 三井化学株式会社 高級シランの製造触媒および高級シランの製造方法

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