RU2129984C1 - Method of preparing high-purity monosilane - Google Patents

Method of preparing high-purity monosilane Download PDF

Info

Publication number
RU2129984C1
RU2129984C1 RU98112202A RU98112202A RU2129984C1 RU 2129984 C1 RU2129984 C1 RU 2129984C1 RU 98112202 A RU98112202 A RU 98112202A RU 98112202 A RU98112202 A RU 98112202A RU 2129984 C1 RU2129984 C1 RU 2129984C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
monosilane
silicon
disproportionation
alcohol
products
Prior art date
Application number
RU98112202A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Е.П. Белов
В.Г. Герливанов
В.В. Заддэ
С.И. Клещевникова
Н.Н. Корнеев
Е.Н. Лебедев
А.Б. Пинов
Саймон Тсуо
Е.А. Рябенко
Д.С. Стребков
Е.А. Чернышев
Original Assignee
Государственный научный центр Российской Федерации - Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений
Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственный научный центр Российской Федерации - Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений, Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства filed Critical Государственный научный центр Российской Федерации - Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений
Priority to RU98112202A priority Critical patent/RU2129984C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2129984C1 publication Critical patent/RU2129984C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: organosilicon compounds and semiconductor engineering. SUBSTANCE: invention aims at preparing high-purity monosilane suitable for fabrication of thin-layer semiconductor products and also at preparing high-purity poly- and monocrystalline silicon suitable for semiconductor and solar engineering. Monosilane is prepared by interaction of silicon metal with an alcohol in presence of catalyst at elevated temperature followed by isolation of desired alkoxysilanes, purification thereof and their catalytic disproportionation to form gaseous monosilane, which is further purified by absorbing impurities and liquid disproportionation products including active catalytic materials, teraalkoxysilane and traces of compounds with Si-H bonds. Resultant monosilane is freed of unreacted alcohol which is recycled into reaction with silicon. Concentrated mixture of alkoxysilanes is subjected to catalytic disproportionation at temperature from -20 to +40 C and reaction time from 1 to 50 hr to release gaseous monosilane, which is further purified by preliminary absorption, whereas, to liquid disproportionation products, alcohol is added and tetraalkoxysilane isolated. The latter is completely hydrolyzed to yield commercial silica sol and alcohol, which is dried with tetraalkoxysilane and returned into reaction with silicon. EFFECT: increased yield of product and its purity. 5 cl, 2 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к способу получения моносилана высокой чистоты, пригодного для формирования тонких полупроводниковых и диэлектрических слоев, а также поли- и монокристаллического кремния высокой чистоты различного назначения (электроника, солнечная энергетика). The invention relates to a method for producing high-purity monosilane suitable for the formation of thin semiconductor and dielectric layers, as well as high-purity poly- and single-crystalline silicon for various purposes (electronics, solar energy).

Получение кремния высокой чистоты может быть осуществлено различными способами, из которых наиболее предпочтительным, даже по сравнению с наиболее распространенным способом восстановления трихлорсилана водородом, является термическое разложение моносилана. Основание для такого утверждения состоит в следующем:
- термическое разложение моносилана требует меньших энергозатрат, так как происходит при температуре около 850oC вместо 1100oC;
- в продуктах реакции отсутствуют агрессивные агенты (хлористый водород, хлорсиланы и др.), снижающие чистоту получаемого кремния;
- очистка моносилана от большинства вредных примесей идет более эффективно из-за значительного различия физических и химических свойств моносилана и соединений примесных элементов;
- наряду с кремнием товарным продуктом является моносилан и его газовые смеси, необходимые для тонкопленочной технологии изготовления полупроводниковых изделий.
The production of high purity silicon can be carried out in various ways, of which the most preferred, even compared with the most common method of trichlorosilane reduction with hydrogen, is the thermal decomposition of monosilane. The basis for such a statement is as follows:
- thermal decomposition of monosilane requires less energy, as it occurs at a temperature of about 850 o C instead of 1100 o C;
- in the reaction products there are no aggressive agents (hydrogen chloride, chlorosilanes, etc.) that reduce the purity of the resulting silicon;
- purification of monosilane from most harmful impurities is more effective due to a significant difference in the physical and chemical properties of monosilane and compounds of impurity elements;
- along with silicon, the commercial product is monosilane and its gas mixtures, which are necessary for thin-film technology for the manufacture of semiconductor products.

Однако многие существующие способы получения кремния через моносилан являются сложными, а затраты на их осуществление более существенными в сравнении с трихлорсиланом. По этой причине моносилан используют лишь для получения поликристаллического кремния особо высокой чистоты, переработку которого в монокристаллический кремний осуществляют методом бестигельной зонной плавки. Такой кремний необходим для изготовления приемников инфракрасного излучения и детекторов ядерных излучений и т.п. However, many existing methods for producing silicon through monosilane are complex, and the cost of their implementation is more substantial in comparison with trichlorosilane. For this reason, monosilane is used only to obtain polycrystalline silicon of particularly high purity, the processing of which into monocrystalline silicon is carried out by the method of zoneless melting. Such silicon is necessary for the manufacture of infrared radiation detectors and nuclear radiation detectors, etc.

Для снижения стоимости моносилана и кремния при сохранении их чистоты в мире проводятся интенсивные поиски новых более эффективных способов получения моносилана высокой чистоты. To reduce the cost of monosilane and silicon while maintaining their purity, intensive searches are being conducted in the world for new, more efficient methods for producing high purity monosilane.

Известен способ каталитического диспропорционирования трихлорсилана (патент ФРГ N 3311650, опубл. 13.10.83 г.). Первой стадией этого процесса является каталитическое гидрирование металлического кремния, протекающее по реакциям

Figure 00000001

Figure 00000002

Процесс идет при температуре 400-600oC и давлении 0,7-41,4 бар с последующим выделением ди- и трихлорсилана.A known method for the catalytic disproportionation of trichlorosilane (German patent N 3311650, publ. 13.10.83,). The first stage of this process is the catalytic hydrogenation of silicon metal, proceeding by reactions
Figure 00000001

Figure 00000002

The process proceeds at a temperature of 400-600 o C and a pressure of 0.7-41.4 bar, followed by the allocation of di - and trichlorosilane.

Второй стадией является каталитическое диспропорционирование хлорсиланов, выполняемое в несколько этапов по следующей результирующей реакции:

Figure 00000003

В качестве катализатора используются анионообменные смолы с третичными аминами, а диспропорционирование проводят при температуре до 150oC. Далее моносилан подвергают очистке от примесей.The second stage is the catalytic disproportionation of chlorosilanes, performed in several stages according to the following resulting reaction:
Figure 00000003

Anion exchange resins with tertiary amines are used as a catalyst, and the disproportionation is carried out at a temperature of up to 150 o C. Next, monosilane is subjected to purification from impurities.

В этом способе осуществляют повторное гидрирование тетрахлорида кремния, образующегося в качестве попутного продукта при получении моносилана каталитическим диспропорционированием хлорсиланов, что обеспечивает высокую эффективность использования исходного металлического кремния и существенно снижает стоимость моносилана и поликристаллического кремния. In this method, the hydrogenation of silicon tetrachloride formed as a by-product during the production of monosilane by the catalytic disproportionation of chlorosilanes is carried out, which ensures high efficiency of the use of the initial metal silicon and significantly reduces the cost of monosilane and polycrystalline silicon.

Однако этот способ не лишен существенных недостатков, заключающихся в следующем:
- необходимость создания и эксплуатации уникального оборудования, функционирующего при высоких температурах и давлениях на стадии гидрированния тетрахлорида кремния;
- наличие агрессивных соединений хлора, способствующих переносу примесей со стенок аппаратуры в моносилан;
- сложность очистки моносилана до высокой степени чистоты;
- неудовлетворительная экологическая характеристика способа, связанная с наличием соединений хлора.
However, this method is not without significant disadvantages, which are as follows:
- the need to create and operate unique equipment that operates at high temperatures and pressures at the stage of hydrogenation of silicon tetrachloride;
- the presence of aggressive chlorine compounds that facilitate the transfer of impurities from the walls of the equipment to monosilane;
- the difficulty of cleaning monosilane to a high degree of purity;
- unsatisfactory environmental characteristics of the method associated with the presence of chlorine compounds.

Основы каталитического диспропорционирования алкоксисиланов, в частности триэтоксисилана, были развиты в СССР в 1957-59 г.г. (Журнал технической физики, 1957, т. 27, вып. 8, 1645-1548 и Физика твердого тела, 1959, т. 1, 999-1001). The fundamentals of the catalytic disproportionation of alkoxysilanes, in particular triethoxysilane, were developed in the USSR in 1957-59. (Journal of Technical Physics, 1957, v. 27, issue 8, 1645-1548 and Solid State Physics, 1959, v. 1, 999-1001).

Развитие этого способа, особенно в части получения алкоксисилана прямым взаимодействием этилового спирта с металлическим кремнием, описано в патенте Японии N 7427517 от 18.07.74 г. , принятым нами за прототип настоящего изобретения. The development of this method, especially in terms of the production of alkoxysilane by direct interaction of ethyl alcohol with metal silicon, is described in Japanese patent N 7427517 from 07/18/74, adopted by us for the prototype of the present invention.

Согласно прототипу получение моносилана высокой чистоты проводят путем взаимодействия металлического кремния с этиловым спиртом в присутствии катализатора при повышенной температуре, после чего полученные продукты взаимодействия разделяют, очищенный триэтоксисилан подвергают диспропорционированию в присутствии катализатора с получением целевого моносилана, который выделяют и очищают от примесей низкотемпературной конденсацией и сорбцией на различных адсорбентах. According to the prototype, the production of high-purity monosilane is carried out by reacting silicon metal with ethyl alcohol in the presence of a catalyst at elevated temperature, after which the obtained interaction products are separated, the purified triethoxysilane is subjected to disproportionation in the presence of a catalyst to obtain the target monosilane, which is isolated and purified from impurities by low-temperature condensation and sorption on various adsorbents.

Способ осуществляют следующим образом. Взаимодействие порошкообразного кремния с этиловым спиртом проводят при температуре 190-200oC с использованием в качестве катализатора элемента 1б группы Периодической системы (Cu, Ag) в среде высококипящего растворителя, например, гексаизопропоксисилоксана (температура кипения 280oC) или додекаэтоксипентасилоксана (температура кипения 290-300oC).The method is as follows. The interaction of powdered silicon with ethyl alcohol is carried out at a temperature of 190-200 o C using as a catalyst element 1b of the group of the Periodic system (Cu, Ag) in a medium of high boiling solvent, for example, hexaisopropoxysiloxane (boiling point 280 o C) or dodecaethoxypentasiloxane (boiling point 290 -300 o C).

Реакция кремния со спиртом протекает по уравнению

Figure 00000004

В идеальном случае n=1, однако обычно n<1, и реакция сдвигается в ту или иную сторону в зависимости от свойств катализатора и среды.The reaction of silicon with alcohol proceeds according to the equation
Figure 00000004

In the ideal case, n = 1, but usually n <1, and the reaction shifts in one direction or another, depending on the properties of the catalyst and medium.

Полученный триэтоксисилан выделяют, очищают от примесей многократной перегонкой и проводят его диспропорционирование в присутствии катализатора из элементов групп Ia, IIa Периодической системы (Na, K, Ca и др.), при этом получают целевой моносилан, который очищают от примесей низкотемпературной конденсацией и сорбцией на адсорбентах, наиболее эффективными из которых являются активированный уголь, активированный алюмогель, силикагель и т.п. The obtained triethoxysilane is isolated, purified from impurities by repeated distillation and disproportionation is carried out in the presence of a catalyst from elements of groups Ia, IIa of the Periodic system (Na, K, Ca, etc.), and the target monosilane is obtained, which is purified from impurities by low-temperature condensation and sorption on adsorbents, the most effective of which are activated carbon, activated alumogel, silica gel, etc.

В прототипе остается нерешенным целый ряд проблем, связанных с обеспечением высокой чистоты получаемого моносилана, а также повышением эффективности процесса, позволяющих снизить стоимость и повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции. The prototype remains unsolved a number of problems associated with ensuring high purity of the obtained monosilane, as well as increasing the efficiency of the process, allowing to reduce the cost and increase the competitiveness of products.

Использование большого количества безводного спирта (расходный коэффициент спирта на единицу получаемого моносилана составляет 18-20) отрицательно сказывается на стоимости этого продукта. Кроме того, химия процесса накладывает ограничительные требования к содержанию воды в спирте (менее 500 ppm). Выпускаемый промышленностью абсолютированный спирт содержит воду до 0,1%, что требует тщательной дополнительной очистки, которую проводят с применением специальных обезвоживающих агентов, как например, бензол, щелочные металлы и т.п. Использование полученного таким образом спирта сопровождается введением в процесс примесей, загрязняющих получаемые целевые и побочные продукты, а также увеличивает стоимость спирта. The use of a large amount of anhydrous alcohol (the consumption coefficient of alcohol per unit of monosilane obtained is 18-20) negatively affects the cost of this product. In addition, the chemistry of the process imposes restrictive requirements for the water content in alcohol (less than 500 ppm). Absolute alcohol produced by industry contains water up to 0.1%, which requires thorough additional purification, which is carried out using special dehydrating agents, such as benzene, alkali metals, etc. The use of alcohol thus obtained is accompanied by the introduction into the process of impurities that pollute the resulting target and by-products, and also increases the cost of alcohol.

Примененная для выделения триэтоксисилана многократная перегонка продуктов взаимодействия металлического кремния и спирта (ди-, три- и тетраэтоксисилан, непрореагировавший спирт и т.п.) недостаточно эффективна, поскольку является очень энергоемким процессом. The multiple distillation of the products of the interaction of metallic silicon and alcohol (di-, tri- and tetraethoxysilane, unreacted alcohol, etc.) used to isolate triethoxysilane is not effective enough because it is a very energy-intensive process.

Применение щелочных и щелочноземельных металлов в качестве катализатора диспропорционирования малоэффективно, так как поверхность катализатора покрывается слоем кремния за счет протекания побочных реакций, и катализатор дезактивируется. Кроме того, замена катализатора является чрезвычайно опасной операцией, к тому же сопровождаемой внесением в процесс большого количества примесей. Повышение температуры, при которой катализатор становится работоспособным, сопровождается значительным увеличением содержания паров этоксисиланов в получаемом моносилане. The use of alkali and alkaline earth metals as a disproportionation catalyst is ineffective, since the surface of the catalyst is covered with a layer of silicon due to the occurrence of side reactions, and the catalyst is deactivated. In addition, the replacement of the catalyst is an extremely dangerous operation, in addition, accompanied by the introduction of a large amount of impurities into the process. The increase in temperature at which the catalyst becomes operational is accompanied by a significant increase in the content of ethoxysilane vapors in the resulting monosilane.

В прототипе совершенно не решен вопрос использования жидких продуктов диспропорционирования, которых получается в 25-30 раз больше, чем моносилана, что увеличивает расход сырья. In the prototype, the question of the use of liquid disproportionation products, which are obtained 25-30 times more than monosilane, is increased, which increases the consumption of raw materials.

Очистка моносилана низкотемпературной конденсацией является малоэффективной из-за возможного образования дисперсной жидкой фазы при переохлаждении газовой фазы. The purification of monosilane by low-temperature condensation is ineffective because of the possible formation of a dispersed liquid phase during supercooling of the gas phase.

Применение адсорбционной очистки моносилана при содержании в нем паров кремне- и элементоорганических соединений выше 1 об.% также является малоэффективным, т.к. требует больших количеств и частой замены адсорбента. The use of adsorption purification of monosilane with the content of vapors of organosilicon and organoelement compounds in it above 1 vol.% Is also ineffective, because requires large quantities and frequent replacement of the adsorbent.

Задачей настоящего изобретения является увеличение выхода моносилана, повышение его чистоты при одновременном снижении расходных норм сырья и энергозатрат. Указанная задача решена предложенным способом получения моносилана высокой чистоты, при котором проводят взаимодействие металлического кремния с органическим спиртом в присутствии катализатора при повышенной температуре, с последующим выделением из продуктов реакции соответствующих алкоксисиланов, их очистки, каталитического диспропорционирования с образованием моносилана, очищаемого сорбцией примесей, и жидких продуктов диспропорционирования, включающих тетраалкоксисилан, активную каталитическую часть и примесь соединений с кремневодородной связью, в котором согласно изобретению:
- из продуктов реакции металлического кремния с органическим спиртом выделяют непрореагировавший спирт, который возвращают на реакцию с кремнием, а полученную концентрированную смесь алкоксисиланов после очистки от примесей подвергают каталитическому диспропорционированию при температуре минус 20 - плюс 40oC и времени пребывания реакционной массы 1-50 ч с выделением моносилана, очищаемого предварительно абсорбцией примесей, а к жидким продуктам диспропорционирования добавляют органический спирт, выделяют тетраалкоксисилан, который подвергают полному гидролизу с образованием товарного кремнезема и органического спирта, который после осушки возвращают на реакцию с кремнием;
- к жидким продуктам диспропорционирования добавляют органический спирт в количестве, обеспечивающем отсутствие в реакционной массе соединений с кремневодородной связью, после чего выделяют тетраалкоксисилан, а оставшуюся активную каталитическую часть возвращают на диспропорционирование;
- осушку органического спирта, образующегося при полном гидролизе тетраалкоксисилана, осуществляют выделенным из жидких продуктов диспропорционирования тетраалкоксисиланом, который сначала направляют на осушку спирта, а затем на полный гидролиз;
- предварительно абсорбцию примесей из моносилана проводят абсорбентом, охлажденным до температуры выше его точки замерзания, в режиме противотока при времени контакта 5-60 мин и перепаде температуры между моносиланом и абсорбентом не более 5oC;
- в качестве абсорбента берут тетраалкоксисилан, выделенный из жидких продуктов диспропорционирования.
The objective of the present invention is to increase the yield of monosilane, increasing its purity while reducing consumption rates of raw materials and energy consumption. This problem is solved by the proposed method for producing high purity monosilane, in which metal silicon is reacted with organic alcohol in the presence of a catalyst at an elevated temperature, followed by the isolation of the corresponding alkoxysilanes from the reaction products, their purification, catalytic disproportionation with the formation of monosilane, purified by sorption of impurities, and liquid disproportionation products, including tetraalkoxysilane, the active catalytic part and an admixture of compounds with remnevodorodnoy bond, wherein according to the invention:
- unreacted alcohol is isolated from the reaction products of metallic silicon with an organic alcohol, which is returned to the reaction with silicon, and the resulting concentrated mixture of alkoxysilanes after purification from impurities is subjected to catalytic disproportionation at a temperature of minus 20 - plus 40 o C and the residence time of the reaction mixture is 1-50 h with the release of monosilane, pre-purified by absorption of impurities, and organic alcohol is added to the liquid disproportionation products, tetraalkoxysilane is isolated, which they undergo complete hydrolysis with the formation of commercial silica and organic alcohol, which, after drying, return to the reaction with silicon;
- organic alcohol is added to the liquid disproportionation products in an amount that ensures that there are no compounds with a silicon-hydrogen bond in the reaction mass, then tetraalkoxysilane is isolated, and the remaining active catalytic portion is returned to the disproportionation;
- the drying of the organic alcohol formed during the complete hydrolysis of tetraalkoxysilane is carried out using tetraalkoxysilane isolated from the liquid disproportionation products, which is first sent to dry the alcohol, and then to the complete hydrolysis;
- preliminarily, the absorption of impurities from monosilane is carried out with an absorbent cooled to a temperature above its freezing point in countercurrent mode at a contact time of 5-60 minutes and a temperature difference between monosilane and absorbent not more than 5 o C;
- as an absorbent take tetraalkoxysilane isolated from liquid disproportionation products.

Способ осуществляют следующим образом. Сначала для получения моносилана высокой чистоты проводят взаимодействие металлического кремния с органическим спиртом (предпочтительно этиловым спиртом) в присутствии катализатора при повышенной температуре с образованием алкоксисиланов, из которых целевым продуктом является триалкоксисилан. Этот способ осуществляют по одному из двух известных вариантов: в газовой фазе (пат. США N 5260471, опубл. 9.11.93 г. ) или в среде высококипящего растворителя (пат. США N 5362897, опубл. 8.11.94 г.). The method is as follows. First, to obtain high-purity monosilane, silicon metal is reacted with an organic alcohol (preferably ethyl alcohol) in the presence of a catalyst at an elevated temperature to form alkoxysilanes, of which the target product is trialkoxysilane. This method is carried out according to one of two known options: in the gas phase (US Pat. US N 5260471, publ. 9.11.93 g.) Or in the medium of a high boiling solvent (US Pat. US N 5362897, publ. 8.11.94 g.).

По первому варианту взаимодействие псевдоожиженного металлического кремния и органического спирта проводят в газовой фазе в присутствии галоида (метил-, этилхлорид) в качестве катализатора. Снижение давления ниже атмосферного позволяет снизить температуру процесса и повысить выход целевого продукта за счет исключения конденсации высококипящих соединений на частицах кремния и стенках оборудования. При этом достигают высокой конверсии металлического кремния и высокой селективности образования триалкоксисилана. According to the first embodiment, the interaction of fluidized metal silicon and organic alcohol is carried out in the gas phase in the presence of a halogen (methyl, ethyl chloride) as a catalyst. Lowering the pressure below atmospheric allows you to lower the process temperature and increase the yield of the target product by eliminating the condensation of high-boiling compounds on silicon particles and equipment walls. In this case, a high conversion of metallic silicon and a high selectivity for the formation of trialkoxysilane are achieved.

По второму варианту взаимодействие металлического кремния и органического спирта проводят в среде высококипящего растворителя с использованием в качестве катализатора соединения меди (ацетат, оксалат или хлорид), а также добавок алюминия или сплава Al-Si. В этом случае достигают высокой конверсии металлического кремния (до 99,8%), что облегчает отделение твердого осадка от высококипящего растворителя, повторно используемого в процессе. Сконденсированные продукты взаимодействия металлического кремния и органического спирта по одному из двух вышеперечисленных вариантов содержат триалкоксисилан (около 50 мас.%), тетраалкоксисилан (около 10 мас.%), непрореагировавший спирт (около 25 мас.%), примеси диэтоксисилана (до 3 мас.%), соединений хлора (до 1 мас.%) и т.д. In the second embodiment, the interaction of metallic silicon and organic alcohol is carried out in a high-boiling solvent using copper compounds (acetate, oxalate or chloride) as well as aluminum or Al-Si alloy as a catalyst. In this case, a high conversion of silicon metal (up to 99.8%) is achieved, which facilitates the separation of the solid precipitate from the high-boiling solvent reused in the process. The condensed products of the interaction of metallic silicon and organic alcohol according to one of the two options listed above contain trialkoxysilane (about 50 wt.%), Tetraalkoxysilane (about 10 wt.%), Unreacted alcohol (about 25 wt.%), Diethoxysilane impurities (up to 3 wt. %), chlorine compounds (up to 1 wt.%), etc.

Известно, что кремневодородная связь особенно в кислой среде нестабильна, и водород достаточно легко может быть заменен алкоксигруппой по реакции
SiH(OR)3+ROH _→ Si(OR)4+H2, где R - алкил.
Чтобы устранить это явление, на первой стадии очистки сконденсированных продуктов сначала выделяют органический спирт. Процесс осуществляют путем ректификации при пониженном давлении (около 100 мм рт.ст.), что позволяет провести выделение органического спирта при температуре, близкой к комнатной, и практически не допустить разрушения кремневодородной связи. Выделенный органический спирт не содержит влаги, а небольшая примесь в нем алкоксисиланов и летучих соединений хлора не препятствует его повторному использованию при реакции с кремнием для получения алкоксисиланов. Дальнейшую очистку алкоксисиланов проводят по известной технологии.
It is known that a silicon-hydrogen bond, especially in an acidic environment, is unstable, and hydrogen can easily be replaced by an alkoxy group by the reaction
SiH (OR) 3 + ROH _ → Si (OR) 4 + H 2 , where R is alkyl.
To eliminate this phenomenon, in the first stage of purification of the condensed products, organic alcohol is first isolated. The process is carried out by distillation under reduced pressure (about 100 mm Hg), which allows the separation of organic alcohol at a temperature close to room temperature and practically does not allow the destruction of the silicon-hydrogen bond. The isolated organic alcohol does not contain moisture, and a small admixture of alkoxysilanes and volatile chlorine compounds in it does not prevent its reuse in the reaction with silicon to produce alkoxysilanes. Further purification of alkoxysilanes is carried out according to known technology.

В случае получения алкоксисиланов в присутствии соединений хлора в сконденсированных продуктах взаимодействия металлического кремния и органического спирта в основном образуются хлорэфиры, из которых наиболее вероятным является монохлортриэтоксисилан, а именно ClSi(OR)3, с примесью растворенного HCl, твердого хлористого алюминия и т.п. При обработке этой смеси алкоксисиланов газообразным аммиаком происходит образование твердых продуктов по реакциям

Figure 00000005

В результате этих реакций происходит осаждение хлорсодержащих соединений в виде объемного твердого осадка с развитой поверхностью, который является прекрасным адсорбентом для примесей металлов и т.п. Далее смесь алкоксисиланов с твердым осадком разделяют (преимущественно фильтрацией). Осадок направляется на биохимическую очистку сточных вод в качестве азотсодержащей добавки. Полученная после отделения твердого осадка смесь алкоксисиланов имеет содержание примесей, представленное в табл. 1.In the case of the production of alkoxysilanes in the presence of chlorine compounds in the condensed products of the interaction of metallic silicon and organic alcohol, mainly chloroesters are formed, of which the most probable is monochlorotriethoxysilane, namely ClSi (OR) 3 , with an admixture of dissolved HCl, solid aluminum chloride, etc. When processing this mixture of alkoxysilanes with gaseous ammonia, the formation of solid products by reactions
Figure 00000005

As a result of these reactions, the deposition of chlorine-containing compounds occurs in the form of a bulk solid precipitate with a developed surface, which is an excellent adsorbent for metal impurities, etc. Next, a mixture of alkoxysilanes with a solid precipitate is separated (mainly by filtration). The precipitate is sent to biochemical wastewater treatment as a nitrogen-containing additive. The mixture of alkoxysilanes obtained after separation of the solid precipitate has an impurity content shown in Table 1. 1.

Предлагаемая технология выделения и очистки смеси алкоксисиланов из сконденсированных продуктов взаимодействия металлического кремния и органического спирта имеет следующие преимущества. The proposed technology for the isolation and purification of a mixture of alkoxysilanes from the condensed products of the interaction of metallic silicon and organic alcohol has the following advantages.

Выделение наиболее летучего компонента из сконденсированных продуктов, а именно органического спирта, по предлагаемому способу позволяет провести этот процесс с наименьшими энергетическими затратами, снизить температуру и практически исключить разрушение кремневодородной связи в ди- и триалкоксисилане, а следовательно, и увеличить выход моносилана при диспропорционировании по сравнению, например, с многократной перегонкой, предлагаемой в прототипе. The selection of the most volatile component from condensed products, namely organic alcohol, according to the proposed method allows this process to be carried out with the lowest energy costs, lower the temperature and virtually eliminate the destruction of the silicon-hydrogen bond in di- and trialkoxysilane, and therefore increase the yield of monosilane during disproportionation for example, with multiple distillation, proposed in the prototype.

Выделяемый совместно с ди- и триалкоксисиланами теетраалкоксисилан не влияет на процесс диспропорционирования и будет использоваться по предлагаемому способу, как показано далее. Theetraalkoxysilane isolated with di- and trialkoxysilanes does not affect the disproportionation process and will be used according to the proposed method, as shown below.

Предлагаемая аммиачная очистка смеси алкоксисиланов проста в аппаратурно-технологическом оформлении и позволяет получить продукты практически свободными от примесей. В процессе отсутствуют нереализуемые отходы. The proposed ammonia purification of a mixture of alkoxysilanes is simple in instrumentation and technology and allows you to get products almost free from impurities. There are no unsold waste in the process.

Далее смесь очищенных алкоксисиланов, состоящих из ди-, три- и тетраaлкоксисиланов направляется на каталитическое диспропорционирование, протекающее по реакциям

Figure 00000006

Figure 00000007

В качестве катализатора используют растворы алкоголятов и триаaлкоксисиланолятов щелочных, щелочноземельных металлов и алюминия в тетралкоксисилане. Подачу алкоксисиланов и катализатора в реактор диспропорционирования осуществляют в периодическом или непрерывном режимах (предпочтительнее в непрерывном режиме) при соотношении 20:1 - 10:1. Использование в качестве катализатора щелочных или щелочноземельных металлов, как уже отмечено выше, нецелесообразно из-за осаждения на поверхности катализатора кремния, который блокирует контакт между алкоксисиланами и катализатором и приводит к его дезактивации. Это происходит при протекании побочных реакций, из которых наиболее вероятной является реакция
SiH(OR)3+3Na _→ Si+1/2H2+3C2H5ONa.
Выделяющийся моносилaн насыщается парами алкоксисиланов, причем при увеличении температуры диспропорционирования увеличивается концентрация паров алкоксисиланов в моносилане. Поэтому диспропорционирование проводят при возможно более низких температурах в интервале минус 20 - плюс 40oC. Предпочтительней проводить диспропорционирование при комнатной температуре. Это позволяет упростить конструкцию реактора и исключить подачу хладагента.Next, a mixture of purified alkoxysilanes consisting of di-, tri- and tetraalkoxysilanes is sent to catalytic disproportionation proceeding by reactions
Figure 00000006

Figure 00000007

As a catalyst, solutions of alkoxides, alkaline earth metal alkali metals and aluminum trialoxoxysilanolates and aluminum in tetralkoxysilane are used. The alkoxysilanes and catalyst are supplied to the disproportionation reactor in batch or continuous modes (preferably in a continuous mode) at a ratio of 20: 1 to 10: 1. The use of alkali or alkaline earth metals as a catalyst, as already noted above, is impractical due to deposition of silicon on the surface of the catalyst, which blocks the contact between alkoxysilanes and the catalyst and leads to its deactivation. This occurs when adverse reactions occur, of which the reaction is most likely
SiH (OR) 3 + 3Na _ → Si + 1 / 2H 2 + 3C 2 H 5 ONa.
The emitted monosilane is saturated with vapors of alkoxysilanes, and with increasing temperature of disproportionation, the concentration of vapors of alkoxysilanes in monosilane increases. Therefore, the disproportionation is carried out at the lowest possible temperature in the range of minus 20 - plus 40 o C. It is preferable to carry out the disproportionation at room temperature. This simplifies the design of the reactor and eliminates the flow of refrigerant.

Важнейшей характеристикой процесса диспропорционирования является конверсия алкоксисиланов, содержащих кремневодородную связь, в моносилан. Для достижения максимальной конверсии помимо прочих условий существенную роль играет время проведения реакции. В случае проведения диспропорционирования в непрерывном режиме необходимое время контакта выбрано в интервале 1-50 ч, предпочтительнее 10-25 ч. При этом с учетом пожаро- и взрывоопасности моносилана, а также возможности загрязнения его примесями из окружающей среды диспропорционирование проводят в герметичном оборудовании, не требующем перемешивающих устройств, приводимых в движение располагаемыми вне реактора двигателями. При соблюдении предлагаемых режимов диспропрционирования конверсия алкоксисиланов достигает 98%. The most important characteristic of the disproportionation process is the conversion of alkoxysilanes containing a silicon-hydrogen bond to monosilane. Among other conditions, the reaction time plays a significant role to achieve maximum conversion. In the case of disproportionation in continuous mode, the necessary contact time is selected in the range of 1-50 hours, preferably 10-25 hours. In this case, taking into account the fire and explosion hazard of monosilane, as well as the possibility of contamination with environmental impurities, the disproportionation is carried out in sealed equipment, not requiring mixing devices, driven by engines located outside the reactor. Subject to the proposed modes of disproportionation, the conversion of alkoxysilanes reaches 98%.

Необходимо отметить, что диспропорционирование алкоксисиланов с имеющейся кремневодородной связью является избирательным процессом. Из наиболее нежелательных электроактивных элементов в полупроводниковом кремнии являются элементы третьей и пятой групп Периодической системы, так называемые акцепторы (бор и др.) и доноры (фосфор, мышьяк и др.), не имеющие в составе элементоорганических соединений готовой связи элемент-водород (B(OR)3, P(OR)3, As(OR)3 и т.п.), а следовательно, неспособные диспропорционировать с образованием летучих гидридов (диборан, арсин, фосфин и т.п.). Благодаря этому факту очистка моносилана от соединений этих вредных примесей значительно упрощается. Практически переход этих примесей в моносилан может осуществляться только в виде паров элементоорганических соединений, примеры которых приведены выше.It should be noted that the disproportionation of alkoxysilanes with the existing silicon-hydrogen bond is a selective process. Of the most undesirable electroactive elements in semiconductor silicon are the elements of the third and fifth groups of the Periodic system, the so-called acceptors (boron, etc.) and donors (phosphorus, arsenic, etc.) that do not have a ready-made element-hydrogen bond in the organoelement compounds (B (OR) 3 , P (OR) 3 , As (OR) 3 , etc.), and therefore, are unable to disproportionate with the formation of volatile hydrides (diborane, arsine, phosphine, etc.). Due to this fact, the purification of monosilane from compounds of these harmful impurities is greatly simplified. In practice, the transition of these impurities into monosilane can be carried out only in the form of vapors of organoelement compounds, examples of which are given above.

В предлагаемом изобретении очистка моносилана имеет своей целью отделение элементоорганических и органических примесей наиболее эффективными способами. Если диспропорционирование алкоксисиланов осуществляется без охлаждения, то возможное повышение температуры за счет выделения теплоты реакции диспропорционирования невелико, и реальная температура диспропорционирования составляет 30-40oC. В этом случае максимальная упругость насыщенных паров кремнеорганических соединений в моносилане составит 1-2 об.%. Для очистки моносилана от значительных концентраций примесей элементоорганических соединений предложена предварительная абсорбция.In the present invention, the purification of monosilane has as its goal the separation of organoelement and organic impurities in the most effective ways. If the disproportionation of alkoxysilanes is carried out without cooling, then the possible temperature increase due to the release of the heat of the disproportionation reaction is small, and the actual temperature of the disproportionation is 30-40 o C. In this case, the maximum elasticity of saturated vapors of organosilicon compounds in monosilane will be 1-2 vol.%. For the purification of monosilane from significant concentrations of impurities of organoelement compounds, preliminary absorption is proposed.

При использовании в качестве абсорбента охлажденного тетраэтоксисилана, в котором практически все элементоорганические примеси неограниченно растворимы, можно достичь снижения их концентрации в моносилане до уровня, соответствующего давлению насыщенных паров при температуре абсорбента. Условиями такой очистки являются достаточное время контакта между моносиланом и охлажденным адсорбентом, а также небольшой перепад температур между ними в любой точке контакта, исключающий образование дисперсной жидкой фазы (конденсации паров примесей в объеме). When using chilled tetraethoxysilane as an absorbent in which practically all organoelement impurities are unlimitedly soluble, it is possible to reduce their concentration in monosilane to a level corresponding to the saturated vapor pressure at the temperature of the absorbent. The conditions for such cleaning are a sufficient contact time between monosilane and a cooled adsorbent, as well as a small temperature difference between them at any point of contact, excluding the formation of a dispersed liquid phase (condensation of vapor of impurities in the volume).

Реально абсорбцию примесей из моносилана осуществляют тетраaлкоксисиланом, предпочтительнеe тетраэтоксисиланом, охлажденным до температуры выше его точки замерзания, в режиме противотока при времени контакта 5-60 мин и перепаде температур между моносиланом и тетраалкоксисиланом не более 5oC, предпочтительней 2oC. При соблюдении этих условий концентрация элементоорганических примесей в моносилане после абсоорбционной очистки снижается до 0,001 об.%.In reality, the absorption of impurities from monosilane is carried out with tetraalkoxysilane, preferably tetraethoxysilane, cooled to a temperature above its freezing point, in countercurrent mode at a contact time of 5-60 minutes and a temperature difference between monosilane and tetraalkoxysilane of not more than 5 o C, preferably 2 o C. conditions, the concentration of organoelement impurities in monosilane after absoorption purification decreases to 0.001 vol.%.

Дальнейшую очистку моносилана от примесей осуществляют адсорбцией на активированном угле при комнатной температуре и атмосферном давлении. Сниженная за счет абсорбции концентрация элементоорганических примесей может быть легко уменьшена с 0,001 до 0,00001-0,00005 об.% даже в одноступенчатом адсорбере, заполненном активированным углем. Further purification of monosilane from impurities is carried out by adsorption on activated carbon at room temperature and atmospheric pressure. The concentration of organoelement impurities reduced due to absorption can be easily reduced from 0.001 to 0.00001-0.00005 vol.% Even in a one-stage adsorber filled with activated carbon.

Полученный моносилан высокой чистоты может быть использован в газообразном виде при 100%-ной концентрации или в виде газовых смесей для формирования любых тонкослойных структур полупроводниковых изделий, включая применение его для изготовления наиболее ответственных структур интегральных схем. The obtained monosilane of high purity can be used in gaseous form at 100% concentration or in the form of gas mixtures for the formation of any thin-layer structures of semiconductor products, including its use for the manufacture of the most critical structures of integrated circuits.

Путем термического разложения полученного моносилана высокой чистоты получают поликристаллический кремний высокой чистоты, который может быть использован в самых различных областях электронной техники. By thermal decomposition of the obtained high-purity monosilane, high-purity polycrystalline silicon is obtained, which can be used in various fields of electronic technology.

При формировании стержней на цилиндрических подложках, нагреваемых электрическим током, получают наиболее чистый поликристаллический кремний, который после переработки в монокристаллический кремний путем бестигельной зонной плавки можно использовать для изготовления инфракрасных приемников и детекторов ядерных излучений. When rods are formed on cylindrical substrates heated by electric current, the purest polycrystalline silicon is obtained, which, after processing into single crystal silicon by crucibleless zone melting, can be used for the manufacture of infrared detectors and nuclear radiation detectors.

При проведении термического разложения моносилана в более производительных и менее энергоемких аппаратах, например аппаратах с псевдоожиженным слоем зародышевых частиц кремния, получают поликристаллический кремний солнечного класса, который благодаря его низкой стоимости целесообразно использовать для создания солнечных батарей. When thermal decomposition of monosilane is carried out in more productive and less energy-intensive devices, for example, devices with a fluidized bed of silicon germ particles, polycrystalline silicon of the solar class is obtained, which, due to its low cost, can be used to create solar cells.

Образовавшиеся после диспропорционирования алкоксисиланов и выделения моносилана жидкие продукты реакции содержат тетраалкоксисилан, активную каталитическую часть - раствор алкоголятов или триалкоксисиланолятов, а также примесь непрореагировавших алкоксисиланов с кремневодородной связью. На первом этапе переработки этих продуктов проводят алкоксисилирование кремневодородной связи
SiH(OR)3+ROH _→ Si(OR)4+H2.
Для этого добавляют расчетное количество органического спирта и проводят перемешивание при температуре 50oC. В присутствии катализатора реакция алкоксисилирования протекает со степенью превращения, близкой к 100%.
The liquid reaction products formed after the disproportionation of alkoxysilanes and the isolation of monosilane contain tetraalkoxysilane, the active catalytic part is a solution of alcoholates or trialkoxysilanolates, as well as an admixture of unreacted alkoxysilanes with a silicon-hydrogen bond. At the first stage of processing of these products, alkoxysiliation of the silicon-hydrogen bond is carried out
SiH (OR) 3 + ROH _ → Si (OR) 4 + H 2 .
To do this, add the calculated amount of organic alcohol and carry out stirring at a temperature of 50 o C. In the presence of a catalyst, the alkoxysilane reaction proceeds with a degree of conversion close to 100%.

На втором этапе проводят ректификационное выделение тетраaлкоксисилана. Этот процесс проводят при остаточном давлении 100 мм рт.ст., что позволяет снизить температуру до 90oC. Выделение тетраалкоксисилана продолжают до тех пор, пока концентрация катализатора в тетраалкоксисилане не достигнет требуемой. Оставшуюся после выделения тетраалкоксисилана активную каталитическую часть возвращают повторно на диспропорционирование алкоксисиланов. Выделенный тетраалкоксисилан с примесью органического спирта направляют в верхнюю часть насадочной абсорбционно-реакционной колонны для осушки органического спирта, образовавшегося после полного гидролиза тетраалкоксисилана водой.At the second stage, distillation of tetraalkoxysilane is carried out. This process is carried out at a residual pressure of 100 mm Hg, which allows to reduce the temperature to 90 o C. The release of tetraalkoxysilane is continued until the concentration of catalyst in tetraalkoxysilane reaches the desired. The active catalytic part remaining after the isolation of tetraalkoxysilane is returned again to the disproportionation of alkoxysilanes. The isolated tetraalkoxysilane with an admixture of organic alcohol is sent to the top of the packed absorption reaction column to dry the organic alcohol formed after the complete hydrolysis of tetraalkoxysilane with water.

Частично гидролизованный тетраалкоксисилан после прохождения насадочной колонны с температурой 90-100oC направляют для полного гидролиза и формирования коллоидной дисперсии диоксида кремния, что сопровождается десорбцией органического спирта. Полученную коллоидную дисперсию диоксида кремния (кремнезоль) направляют на реализацию как дополнительный товарный продукт.Partially hydrolyzed tetraalkoxysilane after passing the packed column with a temperature of 90-100 o C sent for complete hydrolysis and the formation of a colloidal dispersion of silicon dioxide, which is accompanied by the desorption of organic alcohol. The obtained colloidal dispersion of silicon dioxide (silica sol) is sent for sale as an additional commercial product.

Десорбированный органический спирт в виде паров подают в нижнюю часть насадочной абсорбционно-реакционной колонны, в которой в результате контакта с тетраалкоксисиланом происходит абсорбция и взаимодействие паров воды с образованием продуктов гидролиза. Осушенный органический спирт возвращают на стадию получения алкоксисиланов для взаимодействия с металлическим кремнием. Desorbed organic alcohol in the form of vapors is fed into the lower part of the packed absorption-reaction column, in which, as a result of contact with tetraalkoxysilane, absorption and interaction of water vapor with the formation of hydrolysis products occurs. Dried organic alcohol is returned to the alkoxysilane production step for reaction with silicon metal.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить ценный товарный продукт - кремнезоль и возвратить практически весь осушенный органический спирт на реакцию с металлическим кремнием. В результате потребность в осушенном органическом спирте, используемом в качестве сырья, снижается до 3% от полной потребности. Thus, the proposed method allows to obtain a valuable commercial product - silica sol and return almost all of the dried organic alcohol to the reaction with metallic silicon. As a result, the need for dried organic alcohol used as raw material is reduced to 3% of the total demand.

Все это позволяет снизить стоимость моносилана высокой чистоты и повысить его конкурентоспособность на мировом рынке. В частности, получение поликристаллического кремния путем термического разложения моносилана оказывается целесообразным для его широкого использования при создании солнечных батарей. All this allows us to reduce the cost of high purity monosilane and increase its competitiveness in the world market. In particular, the preparation of polycrystalline silicon by thermal decomposition of monosilane is appropriate for its widespread use in the creation of solar cells.

Предложенный способ иллюстрируется следующими примерами. The proposed method is illustrated by the following examples.

Пример 1. Example 1

Порошок металлического кремния с содержанием последнего 98,2 мас.% и дисперсностью не более 100 меш, смешанный с хлористой медью (5% от веса металлического кремния) и термообработанный в нейтральной атмосфере, диспергируют в додекаэтоксипентасилоксане и после добавления порошка алюминия осуществляют взаимодействие с безводным этиловым спиртом при температуре 200oC. Пары образовавшихся этоксисиланов и непрореагировавшего спирта конденсируют при охлаждении, и из полученных продуктов конденсации отгоняют этиловый спирт, который возвращают на реакцию с кремнием.Silicon metal powder with a content of the latter of 98.2 wt.% And a dispersion of not more than 100 mesh, mixed with copper chloride (5% by weight of silicon metal) and heat-treated in a neutral atmosphere, is dispersed in dodecaethoxypentasiloxane and, after addition of aluminum powder, react with anhydrous ethyl alcohol at a temperature of 200 o C. Vapors formed ethoxysilanes and unreacted alcohol are condensed under cooling and condensation of the resulting product was distilled ethyl alcohol, which is recycled and the reaction with silicon.

Смесь этоксисиланов, содержащую 87 мас.% триэтоксисилана, очищают от примесей барботированием газообразного аммиака с последующим фильтрационным отделением твердых продуктов. Очищенные этоксисиланы подвергают каталитическому диспропорционированию в непрерывном режиме в присутствии однопроцентного раствора триэтоксисиланолята натрия в тетраэтоксисилане в качестве катализатора. Весовое отношение подаваемых на диспропорционирование катализатор и этоксисиланов - 1:15. Температура процесса составляет 20oC, а время пребывания реакционной массы на диспропорционировании - 20 ч. При этих условиях конверсия триэтоксисилана составляет 98,5%.A mixture of ethoxysilanes containing 87 wt.% Triethoxysilane, cleaned of impurities by bubbling ammonia gas, followed by filtration separation of solid products. Purified ethoxysilanes are subjected to continuous catalytic disproportionation in the presence of a one percent solution of sodium triethoxysilanolate in tetraethoxysilane as a catalyst. The weight ratio of catalyst and ethoxysilanes fed to the disproportionation is 1:15. The process temperature is 20 o C, and the residence time of the reaction mass in disproportionation is 20 hours. Under these conditions, the conversion of triethoxysilane is 98.5%.

Выделившийся моносилан очищают от примесей элементоорганических соединений абсорбцией охлажденным до температуры минус 80oC тетраэтоксисиланом в непрерывном режиме при времени контакта 30 мин. В процессе абсорбции осуществляют противоток газообразного моносилана и охлажденного тетраэтоксисилана. При этом температура моносилана снижается с 20oC до минус 80oC, а тетраэтоксисилана повышается с минус 80oC до 20oC при перепаде температур между моносиланом и тетраэтоксисиланом не выше 5oC в любой точке контакта.The released monosilane is cleaned of impurities of organoelement compounds by absorption of tetraethoxysilane cooled to a temperature of minus 80 o C in a continuous mode at a contact time of 30 minutes. In the absorption process, a countercurrent of gaseous monosilane and chilled tetraethoxysilane is carried out. The temperature of monosilane decreases from 20 o C to minus 80 o C, and tetraethoxysilane rises from minus 80 o C to 20 o C when the temperature difference between monosilane and tetraethoxysilane is not higher than 5 o C at any point of contact.

Содержание элементоорганических соединений в моносилане, контролируемое хроматографическим методом по содержанию углерода в пересчете на метан, после абсорбционной очистки составляет 0,001 об.%. После финишной адсорбционной очистки на активированном угле качество моносилана оценивалось по удельному сопротивлению полученных из него стержней поли- и монокристаллического кремния. Удельное сопротивление монокристаллического кремния при бестигельной зонной плавке после одного и семи проходов зоны составляет соответственно 900 и 28000 Ом•см. The content of organoelement compounds in monosilane, controlled by the chromatographic method according to the carbon content in terms of methane, after absorption purification is 0.001 vol.%. After the final adsorption treatment on activated carbon, the quality of monosilane was evaluated by the specific resistance of the poly- and single-crystal silicon rods obtained from it. The specific resistance of single-crystal silicon during crucible-free zone melting after one and seven passes of the zone is 900 and 28000 Ohm • cm, respectively.

К жидким продуктам диспропорционирования добавляют этиловый спирт в количестве 0,85% от веса жидких продуктов для разрушения кремневодородной связи в непрореагировавших этоксисиланах, после чего из них выделяют тетраэтоксисилан до тех пор, пока оставшаяся активная каталитическая часть не достигнет требуемого состава, т.е. однопроцентного раствора триэтоксисиланолята натрия в тетраэтоксисилане, после чего его возвращают на диспропoрционирование. Ethyl alcohol is added to the liquid disproportionation products in an amount of 0.85% by weight of the liquid products to break the silicon-hydrogen bond in unreacted ethoxysilanes, after which tetraethoxysilane is isolated from them until the remaining active catalytic part reaches the desired composition, i.e. a one percent solution of sodium triethoxysilane in tetraethoxysilane, after which it is returned to disproportionation.

Выделенный тетраэтоксисилан с примесью этилового спирта (0,43%) направляют в верхнюю часть насадочной абсорбционно-реакционной колонны для осушки этилового спирта, образовавшегося после полного гидролиза тетраэтоксисилана водой. После этого частично гидролизованный тетраэтоксисилан полностью гидролизуют при температуре 95oC и формируют коллоидную дисперсию диоксида кремния, что сопровождается десорбцией этилового спирта.The isolated tetraethoxysilane with an admixture of ethyl alcohol (0.43%) is sent to the top of the packed absorption-reaction column to dry the ethyl alcohol formed after the complete hydrolysis of tetraethoxysilane with water. After this, the partially hydrolyzed tetraethoxysilane is completely hydrolyzed at a temperature of 95 ° C. and a colloidal dispersion of silicon dioxide is formed, which is accompanied by the desorption of ethyl alcohol.

Полученную коллоидную дисперсию кремнезоля реализуют как товарный продукт, а этиловый спирт подают в нижнюю часть абсорбционно-реакционной колонны для осушки, после чего возвращают его на стадию взаимодействия с металлическим кремнием. Количество спирта, возвращаемого в процесс, составляет 96% от затраченного на стадии получения этоксисиланов взаимодействием спирта с металлически кремнием. Условия проведения эксперимента и его результаты представлены в табл. 2. The obtained colloidal dispersion of silica sol is sold as a commercial product, and ethyl alcohol is fed to the lower part of the absorption reaction column for drying, after which it is returned to the stage of interaction with metallic silicon. The amount of alcohol returned to the process is 96% of the reaction of the alcohol with metallic silicon during the production of ethoxysilanes. The conditions of the experiment and its results are presented in table. 2.

Пример 2. Example 2

Процесс проводится таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что в качестве катализатора диспрoпорционирования триэтоксисилана используют однопроцентный раствор этилацетата натрия в тетраэтоксисилане, а диспропорционирование ведут при температуре минус 20oC и времени контакта 50 ч. Абсорбцию примесей из моносилана проводят при времени контакта между моносиланом и тетраэтоксисиланом в течение 60 мин.The process is carried out in the same manner as in example 1, except that a one percent solution of sodium ethyl acetate in tetraethoxysilane is used as a disproportionation catalyst for triethoxysilane, and the disproportionation is carried out at a temperature of minus 20 o C and a contact time of 50 hours. Absorption of impurities from monosilane is carried out at the contact time between monosilane and tetraethoxysilane for 60 minutes

Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в табл. 2. The conditions of the experiment and its results are given in table. 2.

Пример 3. Example 3

Процесс проводится таким же образом, как в примере 1, 2, за исключением того, что диспропорционирование ведут при температуре 40oC и времени контакта 1 ч. Абсорбцию примесей из моносилана охлажденным тетраэтоксисиланом проводят при времени контакта между моносиланом и тетраэтоксисиланом в течение 5 мин. Условия проведения эксперимента и его результаты представлены в табл. 2.The process is carried out in the same manner as in example 1, 2, except that the disproportionation is carried out at a temperature of 40 ° C and a contact time of 1 hour. Absorption of impurities from monosilane by chilled tetraethoxysilane is carried out at a contact time between monosilane and tetraethoxysilane for 5 minutes. The conditions of the experiment and its results are presented in table. 2.

Пример 4. Example 4

Процесс проводится таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что взаимодействие металлического кремния проводят с метиловым спиртом, получают в результате этого смесь метоксисиланов и не прореагировавшего метилового спирта. Условия проведения эксперимента и его результаты представлены в табл. 2. The process is carried out in the same manner as in example 1, except that the interaction of metallic silicon is carried out with methyl alcohol, resulting in a mixture of methoxysilanes and unreacted methyl alcohol. The conditions of the experiment and its results are presented in table. 2.

Как видно из примеров и описания изобретения предложенный способ по сравнению с прототипом имеет следующие технические преимущества. As can be seen from the examples and description of the invention, the proposed method in comparison with the prototype has the following technical advantages.

1. Способ позволяет повысить чистоту получаемого целевого моносилана за счет:
- отделения от продуктов взаимодействия кремния со спиртом непрореагировавшего (безводного) спирта при температуре, близкой к комнатной, и возврата его в процесс;
- возврата активной каталитической части на диспропорционирование алкоксисиланов;
- осуществления предварительной абсорбционной очистки моносилана охлажденным абсорбентом с последующей адсорбционной очисткой;
- возврата безводного органического спирта, образующегося при полном гидролизе тетраалкоксисилана и последующей его очистки, на реакцию с кремнием.
1. The method allows to increase the purity of the resulting target monosilane due to:
- separation from the products of the interaction of silicon with alcohol of unreacted (anhydrous) alcohol at a temperature close to room temperature and its return to the process;
- return of the active catalytic part to the disproportionation of alkoxysilanes;
- the implementation of preliminary absorption purification of monosilane with a cooled absorbent followed by adsorption purification;
- return of anhydrous organic alcohol formed during the complete hydrolysis of tetraalkoxysilane and its subsequent purification to the reaction with silicon.

2. Способ позволяет снизить расходные нормы используемого сырья за счет:
- возврата спирта со всех стадий в начало процесса;
- возврата активной каталитической части;
- повышения выхода целевого моносилана путем снижения образования на всех стадиях побочных продуктов.
2. The method allows to reduce the consumption rates of the raw materials used due to:
- return of alcohol from all stages to the beginning of the process;
- return of the active catalytic part;
- increase the yield of the target monosilane by reducing the formation of by-products at all stages.

3. Способ обеспечивает снижение энергозатрат путем:
- отделения непрореагировавшего спирта из продуктов взаимодействия кремния со спиртом;
- проведения каталитической диспропорционирования при температуре, близкой к комнатной, в непрерывном режиме;
- введения стадии предварительной абсорбционной очистки моносилана.
3. The method provides a reduction in energy consumption by:
- separation of unreacted alcohol from the products of the interaction of silicon with alcohol;
- carrying out catalytic disproportionation at a temperature close to room temperature in a continuous mode;
- the introduction of the stage of preliminary absorption purification of monosilane.

4. Предложенный способ является безотходным и экологически чистым. 4. The proposed method is non-waste and environmentally friendly.

Снижение расхода сырья, энергозатрат, повышение выхода целевого моносилана и получение наряду с моносиланом ценного товарного продукта - кремнезоля - позволяет значительно снизить себестоимость моносилана, что обеспечивает возможность получения из него поликристаллического кремния необходимого качества, пригодного для изготовления всего спектра полупроводниковых приборов, включая солнечные батареи. Reducing the consumption of raw materials, energy consumption, increasing the yield of the target monosilane and obtaining, along with monosilane, a valuable commercial product - silica sol - can significantly reduce the cost of monosilane, which makes it possible to obtain polycrystalline silicon of the required quality suitable for the manufacture of the entire spectrum of semiconductor devices, including solar panels.

Таким образом, сочетание предложенных приемов и режимов проведения способа получения моносилана высокой чистоты позволяет решить поставленную задачу. Thus, the combination of the proposed techniques and modes of the method for producing monosilane of high purity allows us to solve the problem.

Claims (5)

1. Способ получения моносилана высокой чистоты взаимодействием металлического кремния с органическим спиртом в присутствии катализатора при повышенной температуре, выделением из продуктов реакции соответствующих алкоксисиланов, их очистки, каталитического диспропорционирования с образованием газообразного моносилана, очищаемого сорбцией примесей, и образованием жидких продуктов диспропорционирования, включающих тетраалкоксисилан, активную каталитическую часть и примесь соединений с кремневодородной связью, отличающийся тем, что из продуктов реакции металлического кремния с органическим спиртом выделяют непрореагировавший спирт, который возвращают на реакцию с кремнием, а полученную смесь триалкоксисилана с другими алкоксисиланами после очистки от примесей подвергают каталитическому диспропорционированию при температуре минус 20 - плюс 40oС и времени пребывания реакционной массы 1 - 50 ч с выделением газообразного моносилана, очищаемого предварительно абсорбцией примесей, а к жидким продуктам диспропорционирования добавляют органический спирт, выделяют тетраалкоксисилан, который подвергают полному гидролизу с образованием товарного кремнезоля и органического спирта, который после осушки направляют на реакцию с кремнием.1. The method of producing high purity monosilane by the interaction of metallic silicon with an organic alcohol in the presence of a catalyst at elevated temperature, the separation of the corresponding alkoxysilanes from the reaction products, their purification, catalytic disproportionation with the formation of gaseous monosilane purified by sorption of impurities, and the formation of liquid disproportionation products, including tetraalkoxysilane, active catalytic part and an admixture of compounds with a silicon-hydrogen bond, characterized in that unreacted alcohol is isolated from the reaction products of metallic silicon with an organic alcohol, which is returned to the reaction with silicon, and the resulting mixture of trialkoxysilane with other alkoxysilanes is subjected to catalytic disproportionation at a temperature of minus 20 - plus 40 o С and the residence time of the reaction mixture 1 - 50 h with the release of gaseous monosilane, pre-cleaned by absorption of impurities, and organic alcohol is added to the liquid disproportionation products, tet ralkoxysilane, which is subjected to complete hydrolysis with the formation of commercial silica sol and organic alcohol, which, after drying, are sent to react with silicon. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что к жидким продуктам диспропорционирования органический спирт добавляют в количестве, обеспечивающем отсутствие в реакционной массе соединений с кремневодородной связью, после чего выделяют тетраалкоксисилан, а оставшуюся активную каталитическую часть возвращают на диспропорционирование. 2. The method according to claim 1, characterized in that the organic alcohol is added to the liquid disproportionation products in an amount ensuring the absence of compounds with a hydrogen-hydrogen bond in the reaction mass, after which tetraalkoxysilane is isolated, and the remaining active catalytic portion is returned to disproportionation. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что осушку органического спирта, образующегося при полном гидролизе тетраалкоксисилана, осуществляют выделенным из жидких продуктов диспропорционирования тетраалкоксисиланом, который сначала направляют на осушку спирта, а затем на полный гидролиз. 3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the drying of the organic alcohol formed during the complete hydrolysis of tetraalkoxysilane is carried out isolated from the liquid disproportionation products of tetraalkoxysilane, which is first sent to dry the alcohol, and then to complete hydrolysis. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную абсорбцию примесей из моносилана осуществляют абсорбентом, охлажденным до температуры выше его точки замерзания, в режиме противотока при времени контакта 5 - 60 мин и перепаде температуры между моносиланом и абсорбентом не более 5oС.4. The method according to claim 1, characterized in that the preliminary absorption of impurities from monosilane is carried out by an absorbent cooled to a temperature above its freezing point in countercurrent mode at a contact time of 5-60 minutes and a temperature difference between monosilane and absorbent not more than 5 o C . 5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что в качестве абсорбента берут тетраалкоксисилан, выделенный из жидких продуктов диспропорционирования. 5. The method according to claim 1 or 4, characterized in that as the absorbent take tetraalkoxysilane isolated from liquid disproportionation products.
RU98112202A 1998-06-25 1998-06-25 Method of preparing high-purity monosilane RU2129984C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98112202A RU2129984C1 (en) 1998-06-25 1998-06-25 Method of preparing high-purity monosilane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98112202A RU2129984C1 (en) 1998-06-25 1998-06-25 Method of preparing high-purity monosilane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2129984C1 true RU2129984C1 (en) 1999-05-10

Family

ID=20207705

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98112202A RU2129984C1 (en) 1998-06-25 1998-06-25 Method of preparing high-purity monosilane

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2129984C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2479350C2 (en) * 2011-06-24 2013-04-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии, элементоорганических соединений" (ФГУП ГНИИХТЭОС) METHOD OF PRODUCING RnSiH4-n TYPE SILANES BY DISPROPORTIONATION OF RnSiH(OR')3-n (WHERE n=0; 1; R=Me; R'=Me, Et) TYPE HYDRIDE ALKOXYSILANES AND CATALYST FOR REALISING SAID METHOD

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2479350C2 (en) * 2011-06-24 2013-04-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии, элементоорганических соединений" (ФГУП ГНИИХТЭОС) METHOD OF PRODUCING RnSiH4-n TYPE SILANES BY DISPROPORTIONATION OF RnSiH(OR')3-n (WHERE n=0; 1; R=Me; R'=Me, Et) TYPE HYDRIDE ALKOXYSILANES AND CATALYST FOR REALISING SAID METHOD

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9139702B2 (en) Method for producing halogenated polysilanes
RU2368568C2 (en) Method of obtaining silicon
CN101607712A (en) The device of from halogenated silanes, removing the method for boron-containing impurities and implementing this method
US4112057A (en) Process for purifying halogenosilanes
EP3061727B1 (en) Method for manufacturing polycrystalline silicon
EP3296261B1 (en) Method for regenerating weakly basic ion-exchange resin
WO2004016629A1 (en) Method of making mercaptoalkylalkoxysilanes
RU2129984C1 (en) Method of preparing high-purity monosilane
US6103942A (en) Method of high purity silane preparation
JP2570409B2 (en) Purification method of chloropolysilane
KR101422080B1 (en) A method for preparing trialkoxysilane
US4892568A (en) Process for removing n-type impurities from liquid or gaseous substances produced in the gas-phase deposition of silicon
JPH04300206A (en) Purification of silicon chloride
JPH0641151A (en) Method for purifying organozing compound
JP5563471B2 (en) Method for producing monosilane and tetraalkoxysilane
CN1646542A (en) Method for producing halosilanes by impinging microwave energy
JP7028604B2 (en) Method for producing hexachlorodisilane
JP3658901B2 (en) Method for producing alkoxysilane
JP5566290B2 (en) Method for producing hydrogen gas from hydrogen halide, mixed gas containing hydrogen and silicon halide, method for producing silicon compound using the hydrogen gas, and plant for the method
RU2214362C1 (en) Method of production of high-purity monosilane
RU2279403C1 (en) High-purity monosilane production process
JPS641405B2 (en)
KR20140120507A (en) Method for producing polysilane
JP5861491B2 (en) Method for purifying trimethylsilane
JPS61275125A (en) Stabilizing method for hexachlorodisilane

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080626