KR101937504B1 - 모노클로로실란 및 암모니아로부터의 트리실릴아민의 제조 방법 - Google Patents
모노클로로실란 및 암모니아로부터의 트리실릴아민의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 모노클로로실란 및 암모니아로부터 트리실릴아민을 액체상에서 제조하는 특별한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 방법을 유리하게 수행할 수 있는 플랜트에 관한 것이다.
Description
본 발명은 모노클로로실란 및 암모니아로부터 트리실릴아민을 액체상에서 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 방법을 수행할 수 있는 플랜트에 관한 것이다.
트리실릴아민 (TSA), N(SiH3)3은 융점이 -105.6℃이고 비등점이 +52℃인 고도의 이동성, 무색, 자가-발화성 및 용이한 가수분해성의 액체이다. 트리실릴아민과 같은 질소-함유 규소 화합물은 반도체 산업에서 중요한 물질이다.
TSA를 사용하여 질화규소 층을 제조하는 것은 오래전부터 공지되어 있다(US 4,200,666, JP 1986-96741). TSA는 보다 특히 질화규소 또는 산질화규소 층에 대한 층 전구체로서 칩 공정(chip manufacture)에서 적용될 수 있다. 예를 들어, EP 1 547 138에는 TSA를 사용하는 매우 구체적인 방법이 기재되어 있다. 칩 제조에서의 그의 사용 덕분에, 안전하고 신뢰할 수 있고 일관된 방식으로 요구되는 통상적으로 초고순도인 품질로 트리실릴아민을 제조할 수 있는 것이 중요하다.
트리실릴아민은 하기 반응식 1에 따라 모노클로로실란 및 암모니아로부터 합성할 수 있다:
<반응식 1>
3 H3SiCl + 4 NH3 → N(SiH3)3 + 3 NH4Cl
염화암모늄은 부산물이다. 모노클로로실란 및 암모니아의 반응은 자발적인 발열 반응이다.
문헌 [Ber. Dtsch. Chem. Ges. 54, 740 ff., 1921]에서 알프레드 스톡(Alfred Stock) 및 칼 소미에스키(Karl Somieski)는 반응식 1에 따른 실온에서의 모노클로로실란 기체 및 암모니아 기체의 즉각 반응을 보고하였다. 상기 반응은 과잉 모노클로로실란으로 정량 트리실릴아민을 제조하는 것으로 수행된다. 부산물인 염화암모늄은 분리된다.
WO 2010/141551에는 기체상에서의 모노클로로실란과 암모니아의 반응이 기재되어 있다.
WO 2011/049811에는 이송 거리를 최소화하여 이송 시간을 최소화하기 위해 가능한한 사용처에 가까운 곳에서 실릴아민을 제조하는 것이 교시되어 있다. WO 2011/049811에 따르면, TSA-함유 실릴아민은 기체상 및 액체상 모두에서 모노클로로실란 및 암모니아로부터 수득할 수 있다.
문헌 [J. Am. Chem. Soc. 88, 37 ff., 1966]에서 리차드 엘. 웰스(Richard L. Wells) 및 릴리 샤페르(Riley Schaeffer)는 모노클로로실란과 암모니아의 혼합물을 -196℃로부터 실온으로 가온시킴으로써 상기 두 화합물을 반응시키는 것을 이미 기재하였다. 반응식 1에 따른 트리실릴아민의 형성 이외에, 다음과 같은 후속적인 반응의 순서가 관찰된다:
<반응식 2>
3 (SiH3)3N + nNH3 → 3 SiH4 + nNH3 + (SiH3NSiH2)3
<반응식 3>
(SiH3NSiH2)3 + xNH3 → y SiH4 + zNH3 + "중합체 물질"
따라서, 트리실릴아민은 암모니아의 존재하에 추가로 반응하여 모노실란(SiH4) 및 N,N',N"-트리실릴시클로트리실라잔(SiH3NSiH2)3 및 또한 "중합체 물질"을 형성할 수 있다. 반응식 2 및 3의 후속적인 반응은 트리실릴아민의 수율에 불리한 영향을 미친다.
따라서 본 발명에서 다루는 문제는 생성물 스트림이 멀티-스테이지 플랜트내에서 상호연결되어 트리실릴아민 목적 생성물로 반응물 공급물이 매우 효과적으로 전환되는, 암모니아 및 모노클로로실란으로부터의 트리실릴아민의 액체상 제조를 위한 기술적이고 매우 경제적인 해결책을 제공하는 것이다.
본 문제는 특허청구범위의 특징에 의해 본 발명에 따라 해결된다. 이에 따라 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 플랜트의 설명에 따르며, 바람직한 실시양태를 비롯한 이러한 방법을 유리하게 수행할 수 있다.
유리하게, 모노클로로실란 (A 및 A')을 초기에 액체 형태로 반응기 (1)에 충전하고 암모니아 (B)를 초기 충전물에 통과시키고 고체 형태인 TSA 및 NH4Cl 함유 생성물 혼합물을 수득한다는 것을 놀랍게도 발견하였다. 이후에, 수득한 생성물 혼합물을 반응기 (1)로부터 필터 유닛 (2)에 통과시키고, 여기서 고체 염화암모늄 (C)를 생성물 혼합물로부터 제거한다. 이후에, 여과물을 증류 컬럼 (3)으로 공급하고 여기서 과잉 모노클로로실란 (A')을 탑정(overhead)으로 증류시키고, 응축시키고, 액체 형태로 반응기 (1)로 다시 유리하게 공급한다. 증류 컬럼 (3)의 탑정으로부터 모노실란 (D)를 제거하는 것이 또한 가능하다. 컬럼 (3)의 저부물 (E)을, 생성물 트리실릴아민 (G)를 탑정으로 증류시키고 응축시키는 증류 컬럼 (4)로 운송한다. 보다 높은 비등물을 저부물 (F)을 통해 시스템으로부터 제거한다.
상기에 기재한 방법을 회분식으로 뿐만 아니라 연속식으로 수행할 수 있고 이에 따라 매우 순수한 TSA를 제조하는 유리한 방식을 제공한다.
도 1은 본 발명의 방법에 대한 공정도, 및 또한 본 발명에 따른 플랜트의 바람직한 실시양태를 도시한다.
따라서, 본 발명은
- 모노클로로실란 (A 또는 A')를 액체 형태로 반응기 (1)에 초기에 충전하고,
- 반응기 (1)에 암모니아 (B)를 통과시키고,
- 반응기 (1)에서 반응을 수행하고,
- 이후, 수득한 생성물 혼합물을 반응기 (1)로부터 필터 유닛 (2)내로 그리고 필터 유닛 (2)에 통과시켜 생성물 혼합물로부터 고체 염화암모늄 (C)을 제거하고,
- 여과물을 필터 유닛 (2)으로부터 증류 컬럼 (3)으로 통과시키고,
- 과잉 모노클로로실란 (A')을 증류 컬럼 (3)의 탑정으로 증류하고 응축시키고 액체 형태로 반응기 (1)에 공급하며, 또한
- 기상 물질 (D)를 증류 컬럼 (3)의 탑정으로부터 제거하고,
- 저부물 (E)는 증류 컬럼 (4)로 운송하고,
- 생성물 트리실릴아민 (G)을 증류 컬럼 (4) 탑정으로 증류하고 응축시키고,
- 보다 높은 비등물을 저부물 (F)을 통해 시스템으로부터 제거하는 것
을 포함하는, 액체상에서의 트리실릴아민의 제조 방법을 제공한다.
상기 반응은 바람직하게는 보호 기체, 예를 들어 질소 및/또는 희가스 하에, 및 산소 및 물 (습기, 수분)의 부재 하에 수행하고, 본 플랜트는 제1 충전 수행 전 보호 기체로 적절히 건조시키고 퍼징한다.
또한, 여기서 발생하는 물질과 접촉하게 되는 본 발명에 따라 사용되는 본 플랜트 성분은 유리하게는 스테인리스강으로 제조되고 조절되는 방식으로 냉각/가열 가능하다.
본 발명의 방법은 바람직하게는 성분 (B)에 비해 성분 (A 또는 A')을 몰 과량으로 사용하며, 반응기 (1)는 반응을 수행하는 반응기 부피의 99% 이하, 바람직하게는 5 내지 95%, 보다 바람직하게는 20 내지 80%가 성분 (A) 및 (B) 및 증류 컬럼 (3)으로부터 재활용되는 성분 (A')의 반응 혼합물로 적절히 충전된다. 유리하게는, 이를 위해 모노클로로실란을 초기에 액체 형태로 충전하고 암모니아를 통과시킨다. 암모니아는 기체 및/또는 액체 형태로 첨가될 수 있다. 또한 암모니아 스트림에 기상, 바람직하게는 비활성인 희석제, 예를 들어 질소를 첨가하는 것이 유리하다.
또한 본 발명에 따른 방법의 수행에서, 특히 반응기가 충전되는 과정 및 또한 성분이 반응하는 과정에서 반응기 내용물이 혼합되는 것이 유리하다. 예를 들어 반응기 (1)에서 상기 반응 또는 생성물 혼합물을 교반할 수 있다.
반응기 (1)에서의 반응을 본 발명에 따라 -60 내지 +40℃, 바람직하게는 -15 내지 +15℃, 보다 바람직하게는 -10 내지 +10℃, 훨씬 보다 바람직하게는 -5 내지 +5℃에서 수행한다.
또한, 액체 모노클로로실란의 초기 충전 및 암모니아의 첨가로 인해, 반응기에서의 반응은 본질적으로 모노클로로실란, 암모니아 및 결과물 TSA 및 또한 임의의 비례 부산물의 상응하는 혼합물의 증기/액체 평형 압력을 설정한다.
본 발명은 또한
- 반응물 및 성분 (A), (A') 및 (B)에 대한 각각의 유입구 및 생성물 혼합물 배출구를 갖는 반응기 (1), 및 상기 생성물 혼합물 배출구에 이어지는,
- 반응기 (1)의 하류에 있고, 성분 (C)에 대한 고체 배출구 및 여과물을 필터 유닛 (2)로부터 하기 후속 증류 유닛으로 운송하기 위한 라인이 장착되어 있는 필터 유닛 (2), 및
- 2개 이상의 증류 컬럼 (3) 및 (4)로 이루어지고, 기상 스트림 (D)를 위한 배출구 탑정, 반응기 (1)로의 응축 모노클로로실란 (A')의 반환 라인이 있는 배출구 탑정 및 또한 증류 컬럼 (3)으로부터 저부물 (E)을 후속적 증류 컬럼 (4)로 수송하여 트리실릴아민 (G)를 회수하고 시스템으로부터 저부물 (F)을 제거하기 위한 라인이 상기 증류 컬럼 (3)에 장착되어 있는 후속적 증류 유닛
을 포함하는, 본 발명의 방법이 수행될 수 있는 플랜트를 제공한다.
본 발명의 방법은 통상적으로 액체 모노클로로실란 (A 또는 A') 및 암모니아 (B)가 반응기 (1)을 통과하고 적절히 혼합되어 TSA 및 고체 NH4Cl을 함유하는 생성물 혼합물을 형성함으로써 본 발명에 따라 플랜트에서 수행된다. 생성물 혼합물을 필터 유닛 (2)에 후속적으로 통과시키고, 여기서 고체 염화암모늄 (C)가 제거된다. 필터 유닛 (2)로부터의 여과물이 증류 컬럼 (3)에 보내지고, 여기서 과잉 모노클로로실란 (A')이 탑정으로 증류되고 응축되며 액체 형태로 반응기 (1)로 다시 공급된다. 즉, 유리하게 재활용된다. 또한, 모노실란 (D)는 증류 컬럼 (3)의 탑정으로부터 회수될 수 있다. 통상적으로 TSA 및 또한 보다 높은 비등물을 함유하는 저부물 (E)는 컬럼 (4)로 운송되고, 매우 순수한 트리실릴아민 (G)이 탑정으로 증류되고 응축되어 회수될 수 있다. 보다 높은 비등물 (F)를 컬럼 (4)의 저부물을 통해 시스템으로부터 제거할 수 있다.
따라서 본 발명은 트리실릴아민을 산업적인 양 및 매우 양호한 품질로 제조하는 간단하고 경제적인 방법을 제공한다.
참조 번호 목록
(1) 반응기
(2) 필터 유닛
(3) 증류 컬럼
(4) 증류 컬럼
(A) 모노클로로실란
(A') 재활용된 모노클로로실란
(B) 암모니아
(C) 염화암모늄
(D) (3)의 탑정으로부터의 기상 물질, 특히 모노실란
(E) 저부물의 (3)에서 (4)로의 운반
(G) 트리실릴아민
(F) (4)로부터의 저부물
Claims (6)
- - 모노클로로실란 (A 또는 A')을 액체 형태로 반응기 (1)에 초기에 충전하고,
- 반응기 (1)에 암모니아 (B)를 통과시키고,
- 반응기 (1)에서 반응을 수행하고,
- 이후, 수득한 생성물 혼합물을 반응기 (1)으로부터 필터 유닛 (2)에 통과시켜 생성물 혼합물로부터 고체 염화암모늄 (C)을 제거하고,
- 여과물을 필터 유닛 (2)로부터 증류 컬럼 (3)으로 통과시키고,
- 과잉 모노클로로실란 (A')을 증류 컬럼 (3)의 탑정으로 증류하고 응축시키고 액체 형태로 반응기 (1)로 공급하고, 또한
- 기상 물질 (D)를 증류 컬럼 (3)의 탑정으로부터 제거하고,
- 저부물 (E)을 증류 컬럼 (4)로 운송하고,
- 생성물 트리실릴아민 (G)를 증류 컬럼 (4) 탑정으로 증류하고 응축시키고,
- 보다 높은 비등물을 저부물 (F)을 통해 시스템으로부터 제거하는 것
을 포함하는, 액체상에서의 트리실릴아민의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 암모니아 (B)에 비해 모노클로로실란 (A 또는 A')을 몰 과량으로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응기 (1)이 반응을 수행하는 반응기 부피의 99% 이하가 모노클로로실란 (A 또는 A') 및 암모니아 (B)의 반응 혼합물로 충전되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응기 (1)에서의 반응을 -60 내지 +40℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 회분식 또는 연속식으로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- - 모노클로로실란 (A), 모노클로로실란 (A') 및 암모니아 (B)에 대한 유입구 및 생성물 혼합물 배출구를 갖는 반응기 (1), 및 상기 생성물 혼합물 배출구에 이어지는,
- 반응기 (1)의 하류에 있고, 고체 염화암모늄 (C)에 대한 고체 배출구 및 여과물을 필터 유닛 (2)로부터 하기 후속 증류 유닛으로 운송하기 위한 라인이 장착되어 있는 필터 유닛 (2), 및
- 2개 이상의 증류 컬럼 (3) 및 (4)로 이루어지고, 기상 스트림 (D)를 위한 배출구 탑정, 반응기 (1)로의 응축 모노클로로실란 (A')의 반환 라인이 있는 배출구 탑정 및 또한 증류 컬럼 (3)으로부터 저부물 (E)을 후속적 증류 컬럼 (4)로 수송하여 트리실릴아민 (G)를 회수하고 시스템으로부터 저부물 (F)을 제거하기 위한 라인이 상기 증류 컬럼 (3)에 장착되어 있는 후속적 증류 유닛
을 포함하는, 트리실릴아민을 제조하기 위해 적어도 반응물 모노클로로실란 (A 또는 A') 및 암모니아 (B)를 액체상에서 반응시켜 액체 생성물 혼합물을 형성하는 플랜트.
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