RU2160706C1 - Method of production of monosilane and disilane - Google Patents
Method of production of monosilane and disilane Download PDFInfo
- Publication number
- RU2160706C1 RU2160706C1 RU99113530/12A RU99113530A RU2160706C1 RU 2160706 C1 RU2160706 C1 RU 2160706C1 RU 99113530/12 A RU99113530/12 A RU 99113530/12A RU 99113530 A RU99113530 A RU 99113530A RU 2160706 C1 RU2160706 C1 RU 2160706C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- silanes
- acid
- cleaning
- fluoride
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области химической технологии, в частности к получению силанов, и может быть использовано в производстве поликристаллического кремния, а также полупроводниковых структур методами газовой эпитаксии. The invention relates to the field of chemical technology, in particular to the production of silanes, and can be used in the production of polycrystalline silicon, as well as semiconductor structures by gas epitaxy methods.
В технологиях получения силанов моносилан, дисилан и высшие силаны, как правило, сопутствуют друг другу в тех или иных соотношениях. In silane production technologies, monosilane, disilane and higher silanes, as a rule, accompany each other in various proportions.
Известны способы получения силанов кислотными методами (Жигач А.Ф., Стасиневич Д. С. Химия гидридов. - Л.: Химия, 1969, с. 548-549). Моносилан и высшие силаны (Si2H6, Si3H8, Si4H10) получают взаимодействием силицида магния с 10-15%-ной соляной кислотой в инертной атмосфере при 50-65oC. Суммарный выход по кремнию, содержащемуся в силициде, составляет 25-30%, из них: 37% - SiH4, 30% Si2H6, 15% Si3H8 и 10% Si4H10.Known methods for producing silanes by acid methods (Zhigach A.F., Stasinevich D.S. Chemistry of hydrides. - L .: Chemistry, 1969, p. 548-549). Monosilane and higher silanes (Si 2 H 6 , Si 3 H 8 , Si 4 H 10 ) are obtained by reacting magnesium silicide with 10-15% hydrochloric acid in an inert atmosphere at 50-65 o C. The total yield of silicon contained in silicide, is 25-30%, of which: 37% - SiH 4 , 30% Si 2 H 6 , 15% Si 3 H 8 and 10% Si 4 H 10 .
Максимальный выход силанов (38%) достигается, если порошкообразный кремний сплавляют с магнием при 650oC в инертной среде или восстановительной. Увеличение выхода силанов до 50% может быть достигнуто заменой соляной кислоты серной, повышением температуры до 100oC.The maximum yield of silanes (38%) is achieved if the powdered silicon is alloyed with magnesium at 650 o C in an inert or reducing atmosphere. An increase in the yield of silanes up to 50% can be achieved by replacing hydrochloric acid with sulfuric acid, raising the temperature to 100 o C.
В технологии получения полупроводникового кремния используют главным образом моносилан и дисилан. In the technology for producing semiconductor silicon, monosilane and disilane are mainly used.
Известен способ получения моносилана и дисилана, основанный на реакции сплава, содержащего магний и кремний, с водными растворами соляной или серной кислот в температурном интервале 0-90oC (Япония в.з. N 60-141613, N 58-246139 от 28.12.83, МКИ C 01 B 33/04). Синтез протекает с получением в основном моносилана и дисилана.A known method of producing monosilane and disilane, based on the reaction of an alloy containing magnesium and silicon, with aqueous solutions of hydrochloric or sulfuric acids in the temperature range 0-90 o C (Japan VZ N 60-141613, N 58-246139 from 28.12. 83, MKI C 01 B 33/04). The synthesis proceeds with obtaining mainly monosilane and disilane.
Наиболее близким по достигаемому результату является способ, уточняющий вышеизложенный (Япония в.з. N 60-166216, акц.з. N 59-021892 от 10.02.84, МКИ C 01 B 33/04). Суть его состоит в том, что получение гидридов кремния, образующихся в результате реакции между сплавом магния и кремния, обработанного 1-50% соляной или серной кислоты, ведут при 60-100oC. После реакции жидкую фазу нагревают до температуры кипения, что ведет к переходу высших гидридов в моносилан и дисилан. Газообразные силаны, разработанные инертным газом-носителем, выделяют фракционной креогенной конденсацией в соответствии с температурами кипения. Очистку от примесей ведут методами ректификации и адсорбции.The closest to the achieved result is a method that clarifies the above (Japan c.z. N 60-166216, ac.z. n 59-021892 from 02.10.84, MKI C 01 B 33/04). Its essence is that the preparation of silicon hydrides resulting from the reaction between an alloy of magnesium and silicon treated with 1-50% hydrochloric or sulfuric acid is carried out at 60-100 o C. After the reaction, the liquid phase is heated to boiling point, which leads to to the transition of higher hydrides to monosilane and disilane. Gaseous silanes developed by an inert carrier gas are isolated by fractional creogen condensation in accordance with boiling points. Purification from impurities is carried out by rectification and adsorption methods.
Рассмотренным способам присущи следующие недостатки:
- низкие выходы силана и дисилана;
- использование дорогостоящих серной и соляной кислот (ЧДА);
- экологически сложный процесс очистки силанов от кислых паров;
- значительные технологические трудности выделения хлорида или сульфата магния из растворов для последующей регенерации металлического магния.The following methods have the following disadvantages:
- low yields of silane and disilane;
- the use of expensive sulfuric and hydrochloric acids (PSA);
- environmentally complex process of purification of silanes from acid fumes;
- significant technological difficulties in the allocation of magnesium chloride or sulfate from solutions for the subsequent regeneration of metallic magnesium.
Предложен способ получения моносилана и дисилана, включающий взаимодействие силицида магния с минеральной кислотой при нагревании в инертной атмосфере, очистку от примесей, разделение продуктов. В качестве минеральной кислоты используют кремнефтористо-водородную кислоту концентрацией 5-39%, при температуре 40-57oC, а в качестве инертной среды - гелий. Кремнефтористо-водородную кислоту (КФВК) предварительно обрабатывают гелием в течение 40-60 мин при температуре 15-40oC. Очистку силанов от паров проводят при температуре 10-12oC в водяном холодильнике. Очистку силанов от полисиленов и высших силанов проводят при температуре минус 76 - минус 80oC. От дисилоксана и фтористых соединений силаны очищают последовательно на фтористом алюминии и фториде натрия. Очистку на фториде натрия проводят в две стадии: при комнатной температуре и 140-150oC соответственно.A method for producing monosilane and disilane is proposed, including the interaction of magnesium silicide with mineral acid when heated in an inert atmosphere, purification from impurities, separation of products. Silicon fluorosilicic acid with a concentration of 5-39%, at a temperature of 40-57 o C, is used as a mineral acid, and helium as an inert medium. Silicon fluorosilicic acid (KFVK) is pre-treated with helium for 40-60 minutes at a temperature of 15-40 o C. Purification of silanes from vapors is carried out at a temperature of 10-12 o C in a water refrigerator. Silanes are purified from polysilanes and higher silanes at a temperature of minus 76 - minus 80 o C. Silanes are purified from disiloxane and fluoride compounds sequentially on aluminum fluoride and sodium fluoride. Purification on sodium fluoride is carried out in two stages: at room temperature and 140-150 o C, respectively.
Синтез моносилана и дисилана протекает по следующим уравнениям:
Mg2Si + 2H2SiF6 = 2MgSiF6 + SiH4 (1)
2Mg2Si + 4H2SiF6 = 4MgSiF6 + Si2H6 (2)
Использование КФВК позволяет получить кремнефторид магния, который при нагревании раствора соли до температуры свыше 80oC разлагается с выделением фторида магния, диоксида кремния и КФВК. Остаток (фторид и диоксид кремния) обрабатывают плавиковой кислотой, при этом диоксид кремния превращается в КФВК по реакции:
SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O (3)
КФВК предварительно обрабатывают гелием. Эта обработка выполняется для удаления растворенного в кислоте кислорода.The synthesis of monosilane and disilane proceeds according to the following equations:
Mg 2 Si + 2H 2 SiF 6 = 2MgSiF 6 + SiH 4 (1)
2Mg 2 Si + 4H 2 SiF 6 = 4MgSiF 6 + Si 2 H 6 (2)
Using KFVK allows you to get magnesium silicofluoride, which when heated, the salt solution to a temperature of more than 80 o C decomposes with the release of magnesium fluoride, silicon dioxide and KFVK. The residue (fluoride and silicon dioxide) is treated with hydrofluoric acid, while silicon dioxide is converted into CPVC by the reaction:
SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2H 2 O (3)
KFVK pre-treated with helium. This treatment is performed to remove oxygen dissolved in the acid.
Согласно изобретению способ осуществляют следующим образом. According to the invention, the method is as follows.
Порошкообразный силицид магния через герметичный питатель периодически подают в реактор с КФВК. В реактор также подают гелий. Перемешивание осуществляют магнитной мешалкой, а также за счет барботажа гелия. На выходе из реактора полученный продукт представляет собой парагазовую смесь, содержащую, кроме моносилана и дисилана, водорода и гелия, капельную жидкость (вода, КФВК), полисилены и высшие силаны, фтористый водород и тетрафторид кремния в небольшом количестве, дисилоксан. Эту смесь подают в обратный холодильник, установленный на крышке реактора, охлаждаемый водой до температуры 10-12oC, где происходит очистка от капельной жидкости. Далее смесь подают в конденсатор, где при температуре сухого льда ((-76) - (-80)oC) происходит очистка от полисиленов и высших силанов, а смесь поступает в сорбционную колонку с гранулированным фторидом алюминия. На фториде алюминия происходит очистка от дисилоксана, а очистку смеси от фтористого водорода и тетраторида кремния осуществляют в двух последовательно соединенных адсорбционных колоннах с гранулированным фторидом натрия. В первой колонне очистку проводят при комнатной температуре, во второй - при 140-150oC. Далее газовый поток пропускают через диффузионный фильтр (0,01 - 0,03 мкм) и фильтр Петрянова, где происходит очистка от твердых частиц (следы диоксида кремния, фторид натрия).Powdered magnesium silicide through a sealed feeder is periodically fed into the reactor with KFVK. Helium is also fed to the reactor. Mixing is carried out with a magnetic stirrer, as well as by sparging of helium. At the outlet of the reactor, the resulting product is a para-gas mixture containing, in addition to monosilane and disilane, hydrogen and helium, a dropping liquid (water, CPVC), polysilanes and higher silanes, a small amount of hydrogen fluoride and silicon tetrafluoride, disiloxane. This mixture is served in a reflux condenser mounted on the reactor lid, cooled with water to a temperature of 10-12 o C, where there is a cleaning of the dropping liquid. Next, the mixture is fed to a condenser, where, at dry ice temperature ((-76) - (-80) o C), polysylene and higher silanes are purified, and the mixture enters a sorption column with granular aluminum fluoride. On aluminum fluoride, the disiloxane is purified, and the mixture is purified from hydrogen fluoride and silicon tetrafluoride in two adsorption columns with granular sodium fluoride connected in series. In the first column, cleaning is carried out at room temperature, in the second - at 140-150 o C. Next, the gas stream is passed through a diffusion filter (0.01 - 0.03 μm) and a Petryanov filter, where there is cleaning from solid particles (traces of silicon dioxide , sodium fluoride).
Разделение силанов осуществляют на конденсационно-испарительном узле установки. Газовая смесь (моносилан, дисилан, водород гелий) охлаждается при температуре жидкого азота. Силаны выделяются в твердую фазу при давлении, близком к атмосферному, а следы силанов, водород и гелий удаляют через систему дожига барботажного типа. The separation of silanes is carried out on the condensation-evaporation unit of the installation. The gas mixture (monosilane, disilane, hydrogen helium) is cooled at the temperature of liquid nitrogen. Silanes are released into the solid phase at a pressure close to atmospheric, and traces of silanes, hydrogen and helium are removed through a bubble-type afterburning system.
После конденсации заданного количества силанов загрузка силицида магния в реактор прекращается, из конденсатора откачивают неконденсируемые газы (H2, He) в автономную вакуумную систему. Поднимают температуру в конденсаторе до минус 110-120oC. Моносилан перепускается в приемный баллон, охлажденный до температуры жидкого азота. После отделения моносилана температуру в конденсаторе увеличивают до минус 60 - минус 15oC. Дисилан конденсируют в другой приемный баллон аналогично моносилану. Коллектор приемных баллонов промывают гелием и откачивают в автономную вакуумную систему, силансодержащие газы сбрасывают через дожигатель.After condensation of a given amount of silanes, the loading of magnesium silicide into the reactor ceases, non-condensable gases (H 2 , He) are pumped from the condenser into an autonomous vacuum system. Raise the temperature in the condenser to minus 110-120 o C. Monosilane is transferred to the receiving cylinder, cooled to the temperature of liquid nitrogen. After separation of the monosilane, the temperature in the condenser is increased to minus 60 - minus 15 o C. The disilane is condensed into another receiving cylinder similar to monosilane. The collector of the receiving cylinders is washed with helium and pumped into an autonomous vacuum system, the silane-containing gases are discharged through the afterburner.
Состав газов перед конденсацией анализируют на ИК-спектрометре. The gas composition before condensation is analyzed on an infrared spectrometer.
Пример. Example.
В реактор из фторпласта-4 с магнитной мешалкой загрузили 350 мл КФВК с концентрацией 20,53%. Выполнена обработка раствора кислоты гелием с одновременным подогревом до 40oC.In a fluoroplast-4 reactor with a magnetic stirrer, 350 ml of CPVC with a concentration of 20.53% were loaded. Performed the processing of the acid solution with helium while heating to 40 o C.
После этого в течение двух часов небольшими порциями в реактор было подано 11,8 г силицида магния, содержание которого в навеске составляло 95,7%. В процессе эксперимента температура раствора в реакторе не превышала 50oC, а давление газов составляло 80-100 мм вод.ст. По окончании процесса концентрация КФВК снизилась до 12,2%. Раствор был отфильтрован и содержал кремнефторид магния и КФВК. После конденсации и разделения силанов было получено 1,34 г дисилана и 2,45 г моносилана. По результатам анализа было установлено, что выход реакции по магнию (соотношение в растворе и силициде магния) составил 77,54% и по кремнию 78,5%. Содержание силанов в их смеси: 37,26 мас.% дисилан и 62,74% моносилан. Это же соотношение силанов и по кремнию. В фильтрате (раствор из реактора) содержалось 39,71 г кремнефторида магния. Последний был подвергнут нагреву до 100-110oC в течение 6 часов, что привело к разложению соли на фторид магния и диоксид кремния. Осадок был отфильтрован и обработан 40% плавиковой кислотой. После фильтрации и сушки осадка при 200oC было получено 14 г фторида магния, выход которого составил 94,1%. Около 6% фторида магния оказалось в фильтрате в виде мелкодисперных кристаллов. Фильтрат (КФВК) был возвращен в реактор.After that, within two hours, in small portions, 11.8 g of magnesium silicide was fed into the reactor, the content of which in the sample was 95.7%. During the experiment, the temperature of the solution in the reactor did not exceed 50 o C, and the gas pressure was 80-100 mm of water. At the end of the process, the CPVC concentration decreased to 12.2%. The solution was filtered and contained magnesium silicofluoride and CPVC. After condensation and separation of the silanes, 1.34 g of disilane and 2.45 g of monosilane were obtained. According to the results of the analysis, it was found that the reaction yield for magnesium (ratio in solution and magnesium silicide) was 77.54% and for silicon 78.5%. The content of silanes in their mixture: 37.26 wt.% Disilane and 62.74% monosilane. The same ratio of silanes and silicon. The filtrate (solution from the reactor) contained 39.71 g of magnesium silicofluoride. The latter was subjected to heating to 100-110 o C for 6 hours, which led to the decomposition of salt into magnesium fluoride and silicon dioxide. The precipitate was filtered and treated with 40% hydrofluoric acid. After filtering and drying the precipitate at 200 ° C., 14 g of magnesium fluoride were obtained, the yield of which was 94.1%. About 6% of magnesium fluoride was in the filtrate in the form of fine crystals. The filtrate (KFVK) was returned to the reactor.
Вместе с тем было проведено исследование влияния концентрации КФВК на соотношение силанов в их смеси и суммарный выход реакции по кремнию (см. таблицу). At the same time, a study was conducted of the effect of the CPVC concentration on the ratio of silanes in their mixture and the total reaction yield for silicon (see table).
Из приведенного примера следует, что выход по кремнию реакций силицида магния с КФВК составляет 78-84%. Выход дисилана увеличился практически в 2-3 раза. Из примера видно, что с ростом концентрации КФВК с 14 до 39% концентрация дисилана в смеси силанов уменьшается с 38,5 до 21%, соответственно растет концентрация моносилана с 64,5 (68,9%) до 78,8%. Выработка кислоты возможна до 5%, а может быть и ниже. From the above example it follows that the silicon yield of the reactions of magnesium silicide with CPVC is 78-84%. The yield of disilane increased almost 2-3 times. It can be seen from the example that with an increase in the concentration of CPVC from 14 to 39%, the concentration of disilane in the mixture of silanes decreases from 38.5 to 21%, respectively, the concentration of monosilane increases from 64.5 (68.9%) to 78.8%. Acid production is possible up to 5%, and maybe even lower.
Оптимальная исходная рабочая концентрация кремнефтористо-водородной кислоты, обеспечивающая высокий выход моно- и дисилана, составляет 14-20%. Температура среды в реакторе 40-57oC. При температуре в реакторе менее 40oC синтез силанов идет с меньшей скоростью.The optimal initial working concentration of hydrofluoric acid, providing a high yield of mono- and disilane, is 14-20%. The temperature of the medium in the reactor is 40-57 o C. At a temperature in the reactor of less than 40 o C, the synthesis of silanes proceeds at a lower rate.
Из примера видно, что оптимальная температура разложения кремнефторида магния до фторида и двуокиси кремния в растворе составляет 100-110oC. Регенерация КФВК из двуокиси кремния делает предложенную технологию практически безотходной.It can be seen from the example that the optimal decomposition temperature of magnesium silicofluoride to fluoride and silicon dioxide in the solution is 100-110 o C. Regeneration of CPVC from silicon dioxide makes the proposed technology virtually waste-free.
Использование КФВК вместо соляной или серной позволяет удешевить процесс, т. к. эта кислота (30-31%) на порядок дешевле вышеупомянутых кислот. Синтез силана и дисилана в среде КФВК является и аффинажной операцией: кремнефториды натрия, калия, рубидия, кальция, бария слаборастворимы; кремнефториды других металлов (медь, серебро, магний, железо, цинк, кадмий, свинец, кобальт, никель) растворимы; бор также связан в виде растворимых фторидов, что позволяет достигать хорошей очистки от примесей. The use of CPVC instead of hydrochloric or sulfuric allows you to reduce the cost of the process, because this acid (30-31%) is an order of magnitude cheaper than the aforementioned acids. The synthesis of silane and disilane in the environment of KFVK is also a refining operation: sodium, potassium, rubidium, calcium, barium silicofluorides are slightly soluble; silicofluorides of other metals (copper, silver, magnesium, iron, zinc, cadmium, lead, cobalt, nickel) are soluble; boron is also bound in the form of soluble fluorides, which makes it possible to achieve good purification from impurities.
Другим преимуществом изобретения является то обстоятельство, что в результате дополнительной обработки раствора из реактора удается регенерировать до 70-80% кремнефтористо-водородной кислоты, а также получать достаточно чистый фторид магния, который может быть использован для получения специальных стекол или в качестве огнеупора. Another advantage of the invention is the fact that as a result of additional processing of the solution from the reactor, it is possible to regenerate up to 70-80% hydrofluoric acid, and also to obtain sufficiently pure magnesium fluoride, which can be used to produce special glasses or as a refractory.
Предложенный способ получения силанов, по существу, является безотходным. The proposed method for producing silanes is essentially waste-free.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99113530/12A RU2160706C1 (en) | 1999-06-21 | 1999-06-21 | Method of production of monosilane and disilane |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99113530/12A RU2160706C1 (en) | 1999-06-21 | 1999-06-21 | Method of production of monosilane and disilane |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2160706C1 true RU2160706C1 (en) | 2000-12-20 |
Family
ID=20221696
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99113530/12A RU2160706C1 (en) | 1999-06-21 | 1999-06-21 | Method of production of monosilane and disilane |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2160706C1 (en) |
-
1999
- 1999-06-21 RU RU99113530/12A patent/RU2160706C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2368568C2 (en) | Method of obtaining silicon | |
JP5632362B2 (en) | Method and system for producing pure silicon | |
US20090068081A1 (en) | Method for purifying chlorosilanes | |
JPH01261208A (en) | Method for purifying nitrogen trifluoride gas | |
US4515762A (en) | Process for processing waste gases resulting during the production of silicon | |
CN103998375B (en) | High-purity chloro is for the manufacture method of polysilane | |
JP2719211B2 (en) | Manufacturing method of higher order silane | |
JP2570409B2 (en) | Purification method of chloropolysilane | |
US20040042949A1 (en) | Method for removing aluminum from chlorosilanes | |
RU2160706C1 (en) | Method of production of monosilane and disilane | |
US6103942A (en) | Method of high purity silane preparation | |
JPH02196014A (en) | Production of high purity dichlorosilane | |
RU2155158C1 (en) | METHOD OF PREPARING MONOISOTOPIC SILICON Si28 | |
JPH0471007B2 (en) | ||
JP3309402B2 (en) | Method for producing high purity phosphorus | |
SU1225477A3 (en) | Method of producing aluminium chloride and silicon dioxide | |
RU2077483C1 (en) | Method of preparing monosilane | |
JPS641405B2 (en) | ||
RU2122971C1 (en) | Method of producing polycrystalline silicon in closed circuit | |
JP4437733B2 (en) | Method for purifying trimethylsilane | |
JP3512285B2 (en) | Method for producing purified hydrogen iodide | |
JPH0640710A (en) | Production of high-purity phosphorus | |
JPH07330318A (en) | Production of high-purity anhydrous hydrazine | |
JP4663079B2 (en) | Method for producing silane from trialkoxysilane and method for producing trialkoxysilane from tetraalkoxysilane | |
JP4498152B2 (en) | Method for purifying trimethylsilane |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060622 |