SE469029B - PROCEDURE CONCERNING THE formation of a high-purity material consisting mainly of silicon, nitrogen and wet matter and the product produced by the process - Google Patents

PROCEDURE CONCERNING THE formation of a high-purity material consisting mainly of silicon, nitrogen and wet matter and the product produced by the process

Info

Publication number
SE469029B
SE469029B SE8803258A SE8803258A SE469029B SE 469029 B SE469029 B SE 469029B SE 8803258 A SE8803258 A SE 8803258A SE 8803258 A SE8803258 A SE 8803258A SE 469029 B SE469029 B SE 469029B
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
silicon
reactant
nitrogen
reaction
hydrogen
Prior art date
Application number
SE8803258A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE8803258L (en
SE8803258D0 (en
Inventor
E A Pugar
P E D Morgan
Original Assignee
Us Energy
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 Us Energy filed Critical Us Energy
Publication of SE8803258D0 publication Critical patent/SE8803258D0/en
Publication of SE8803258L publication Critical patent/SE8803258L/en
Publication of SE469029B publication Critical patent/SE469029B/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/082Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals
    • C01B21/087Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals containing one or more hydrogen atoms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/068Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with silicon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Description

.O_\ 10 15 20 25 30 vb CD xD 2 Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry, vol. VI, New York: Wiley, 1961, sid. 163. Han upptäckte att ammoniak reagerar med kisel vid blankröd värme, varvid nitriden bildas under frigörande av väte. Högtemperaturnitrering av kisel beskrives även i detalj i US patent 4 235 857 och är i övrigt välkänd. Emellertid är ultrahögrent kisel synnerligen svårt att nitrera vid hög temperatur beroende på bildning av skyddande nitridskikt (exakt av den typ, som användes på halv- ledare för passivering). Enligt S.S. Lin i en artikel med titeln "Mass Spectrometric Studies on High Temperature Reaction Between Hydrogen Chloride and Silica/silicon" i the Journal Electrochem. Society, vol. 123, 1976, sid. 512-514 och en annan artikel med titeln "Comparative Studies of Metal Additives on the Nitridation of Silicon" i the Journal Am. Ceram. Soc., vol. 60 (1-2), sid. 78-81; erfordras halogenid, järn eller andra katjonkatalysatorer i sådana nitreringsförfaranden. D. .O_ \ 10 15 20 25 30 vb CD xD 2 Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry, vol. VI, New York: Wiley, 1961, p. 163. He discovered that ammonia reacts with silicon in bright red heat, forming nitride while releasing hydrogen. High temperature nitriding of silicon is also described in detail in U.S. Patent 4,235,857 and is otherwise well known. However, ultra-high-grade silicon is extremely difficult to nitrate at high temperatures due to the formation of protective nitride layers (exactly of the type used on semiconductors for passivation). According to S.S. Lin in an article entitled "Mass Spectrometric Studies on High Temperature Reaction Between Hydrogen Chloride and Silica / Silicon" in the Journal Electrochem. Society, vol. 123, 1976, p. 512-514 and another article entitled "Comparative Studies of Metal Additives on the Nitridation of Silicon" in the Journal Am. Ceram. Soc., Vol. 60 (1-2), p. 78-81; halide, iron or other cation catalysts are required in such nitration processes. D.

Campos-Loriz et al. utvecklade i en artikel med titeln "The Effects of Hydrogen on the Nitridation of Silicon" i the Journal Mat. Sci., vol. 14, 1979, sid. 1007-1008 och H.Campos-Loriz et al. developed in an article entitled "The Effects of Hydrogen on the Nitridation of Silicon" in the Journal Mat. Sci., Vol. 14, 1979, p. 1007-1008 and H.

Dervisbegovic et al. i en artikel med titeln "The Role of Hydrogen in the Nitridation of Silicon Powder Compacts" i the Journal Mat. Sci, vol. 16, 1979, sid. 1945-55 ytterligare de katalytiska effekterna av väte och vattenånga på nitrering av kisel med avsikt att överkomma förfarandets tröghet och höga kostnad.Dervisbegovic et al. in an article entitled "The Role of Hydrogen in the Nitridation of Silicon Powder Compacts" in the Journal Mat. Sci, vol. 16, 1979, p. 1945-55 further the catalytic effects of hydrogen and water vapor on the nitration of silicon with the intention of overcoming the inertia and high cost of the process.

I Mellor sid. 163 angavs att E. Vigouroux ej lyckades vid sina försök att bringa kisel att reagera med flytande ammoniak vid låga temperaturer. Dessa resultat gjorde det uppenbart för fackmän inom området att mer reaktiva kiselderivat, såsom kiselklorid, silan, etc. skulle behöva användas för framställ- ning av Si3N4 vid temperaturer under 100°C, det föredragna temperaturområdet för industriell bearbetning. 10 15 20 25 30 35 4> çn vD CD ßs \¿3 3 Kiselnitrid framställes därför nu industriellt i största skala genom lågtemperaturreaktion mellan kiseltetraklorid och fly- tande ammoniak såsom beskrives i den amerikanska patentskriften 4 196 178. Mellanprodukten av amorf kiseldiimid kan bringas att kristallisera till alfa-kiselnitrid vid värmebehandling i kväveatmosfär. Emellertid tenderar den bildade produkten att bibehålla klorid på partikelytorna, varigenom den ej uppvisar den erforderliga renheten, som erfordras för ovan beskrivna önskade tillämpningar. Långdragna extraktioner med flytande ammoniak eller vakuumbehandlingar för avlägsnande av halogeni- den från den färdiga produkten medför ytterligare process- kostnader. Syreförorening kan uppstår under detta renings- förfarande beroende på diimidmellanproduktens luft- och fukt- känslighet. Ej ens i gasfasreaktionen mellan kiseltetraklorid och ammoniak vid temperaturer över 700°C kan klorid- och syre- förorening rimligtvis uteslutas såsom beskrives av M. Rahaman et al. i en artikel med titeln "Surface Characterization of Silicon Nitride and Silicon Carbide Powders" i the Am. Ceram.In Between p. 163 stated that E. Vigouroux did not succeed in his attempts to react silicon with liquid ammonia at low temperatures. These results made it apparent to those skilled in the art that more reactive silicon derivatives, such as silicon chloride, silane, etc., would need to be used to produce Si3N4 at temperatures below 100 ° C, the preferred temperature range for industrial processing. Silicon nitride is therefore now produced industrially on a large scale by low temperature reaction between silicon tetrachloride and liquid ammonia as described in U.S. Pat. No. 4,196,178. The intermediate product of amorphous silicon diimide can be brought to crystallize to alpha-silicon nitride during heat treatment in a nitrogen atmosphere. However, the product formed tends to retain chloride on the particle surfaces, thereby not exhibiting the required purity required for the desired applications described above. Prolonged extractions with liquid ammonia or vacuum treatments to remove the halide from the finished product entail additional process costs. Oxygen contamination can occur during this purification process due to the air and moisture sensitivity of the diimide intermediate. Even in the gas phase reaction between silicon tetrachloride and ammonia at temperatures above 700 ° C, chloride and oxygen contamination can reasonably be ruled out as described by M. Rahaman et al. in an article entitled "Surface Characterization of Silicon Nitride and Silicon Carbide Powders" in the Am. Ceram.

SOC. Bull., V01. 65 (8), 1986, Sid. 1171-76.SOC. Bull., V01. 65 (8), 1986, p. 1171-76.

Användning av kiselhalogenider såsom källa för kisel för reak- tion med ett kvävehaltigt material för bildning av kiselnitrid är välkänd och sådana reaktioner finns beskrivna i ett antal amerikanska patentskrifter, såsom 3 959 446, 4 073 845, 4 113 830, 4 122 220, 4 145 224, 4 208 215, 4 368 180, 4 376 652 0Ch 4 399 115.The use of silicon halides as a source of silicon for reaction with a nitrogen-containing material to form silicon nitride is well known, and such reactions are described in a number of U.S. patents, such as 3,959,446, 4,073,845, 4,113,830, 4,122,220, 4. 145 224, 4 208 215, 4 368 180, 4 376 652 0Ch 4 399 115.

Bildning av kiselnitrid med användning av en silan såsom kiselkälla för reaktion med en kväveförening har även före- slagits. I de amerikanska patentskrifterna 4 122 155, 4 346 068, 4 387 079 och 4 612 297 beskrives användning av en silan såsom kiselkälla i en sådan reaktion. Användning av silan (SiH4), en högreaktiv gas vid temperaturer över -112°C, kan vara problematisk beroende på dess explosiva beskaffenhet, långdragna produktavsättningstider, otillräcklig kontroll av 10 15 20 25 30 QS CD \D 4 produktens stökiometri och morfologi och den totala höga kostnaden för processen. Reaktioner med halogensubstituerade silaner, såsom anges i de två sistnämnda patentskrifterna, kan medföra föroreningsproblem, som erfordrar extra reningskostna- der.Formation of silicon nitride using a silane as the silicon source for reaction with a nitrogen compound has also been proposed. U.S. Patents 4,122,155, 4,346,068, 4,387,079 and 4,612,297 disclose the use of a silane as a silicon source in such a reaction. Use of silane (SiH4), a highly reactive gas at temperatures above -112 ° C, can be problematic due to its explosive nature, prolonged product deposition times, insufficient control of the product stoichiometry and morphology of the product and the total high cost of the process. Reactions with halogen-substituted silanes, as set forth in the latter two patents, can lead to contamination problems which require additional purification costs.

Syntes av kiselnitrid kan uppnås vid förhöjda temperaturer (från 1000 till 1700°C) genom karbotermisk nitrering av kisel- dioxid. Detta förfarande beskrives i de amerikanska patent- skrifterna 4 122 152, 4 428 916 och 4 590 053.Synthesis of silica nitride can be achieved at elevated temperatures (from 1000 to 1700 ° C) by carbothermal nitration of silica. This process is described in U.S. Pat. Nos. 4,122,152, 4,428,916 and 4,590,053.

Förfaranden för framställning av kiselnitrid från mono- och disulfider av kisel och ammoniak har visats vid hög temperatur i de amerikanska patentskrifterna 3 211 527 och 4 552 740.Processes for producing silicon nitride from mono- and disulfides of silicon and ammonia have been disclosed at high temperature in U.S. Pat. Nos. 3,211,527 and 4,552,740.

Dessa syntetiska vägar är mer tilldragande än ovan nämnda hög- temperaturförfaranden då hög reaktivitet och varierande mor- fologier kan åstadkommas genom ångöverföring och VLS-mekanis- mer. Dessutom förångas svavel renare från produkten.These synthetic pathways are more attractive than the above-mentioned high-temperature processes as high reactivity and varying morphologies can be achieved through steam transfer and VLS mechanisms. In addition, sulfur evaporates cleaner from the product.

Det skulle vara lämpligt att ha ett förfarande, där elementärt kisel, som är ett tillgängligt högrent utgångsmaterial, skulle kunna bringas att reagera vid en temperatur, motsvarande vid atmosfärstryck, upp till under 200°C och företrädesvis under l00°C, med en kväve-vätereaktant i dess vätskeformiga tillstånd för bildning av en högren mellanprodukt bestående huvudsakligen av kisel, kväve och väte, varifrån högren kiselnitrid kan bildas genom en värmebehandling.It would be convenient to have a process in which elemental silicon, which is an available high-purity starting material, could be reacted at a temperature, corresponding to atmospheric pressure, up to below 200 ° C and preferably below 100 ° C, with a nitrogen solution. hydrogen reactant in its liquid state to form a highly pure intermediate consisting mainly of silicon, nitrogen and hydrogen, from which highly pure silicon nitride can be formed by a heat treatment.

Det är därför ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett förfarande för bildning av högren kiselnitrid från elementärt kisel och en reaktiv kväve-väteförening, som är i sitt vätskeformiga tillstånd vid temperaturer lämpliga för industriella ändamål. 10 15 20 25 30 35 $> O\ \O CD BJ xD 5 Det är ett annat ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett förfarande för bildning av högren kiselnitrid från en ursprunglig reaktion av elementärt kisel och en reaktiv kväve-vätevätska vid en låg temperatur, dvs. under 200°C och företrädesvis under 100°C.It is therefore an object of the present invention to provide a process for the formation of highly pure silicon nitride from elemental silicon and a reactive nitrogen-hydrogen compound which is in its liquid state at temperatures suitable for industrial purposes. It is another object of the present invention to provide a process for forming highly pure silicon nitride from an initial reaction of elemental silicon and a reactive nitrogen-hydrogen liquid at a low temperature. , i.e. below 200 ° C and preferably below 100 ° C.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att åstadkomma ett förfarande för bildning av högren kiselnitrid från en reaktionsmellanprodukt, som huvudsakligen består av kisel, kväve och väte, som i sin tur framställes vid en temperatur under 200°C och företrädesvis under 100°C, från en reaktion mellan högrent elementärt partikelformigt kisel och en högren kväve-vätereaktant i dess vätskeformiga tillstånd.It is a further object of the invention to provide a process for the formation of highly pure silicon nitride from a reaction intermediate consisting essentially of silicon, nitrogen and hydrogen, which in turn is produced at a temperature below 200 ° C and preferably below 100 ° C, from a reaction between highly pure elemental particulate silicon and a highly pure nitrogen-hydrogen reactant in its liquid state.

Det är ytterligare ett annat ändamål med uppfinningen att åstadkomma ett förfarande för att vid en temperatur under l00°C framställa en mellanprodukt, som väsentligen består av kisel, kväve och väte.It is still another object of the invention to provide a process for producing an intermediate product at a temperature below 100 ° C, which consists essentially of silicon, nitrogen and hydrogen.

Uppfinningen hänför sig således till ett förfarande för bild- ning av ett högrent material, som huvudsakligen består av kisel, kväve och väte, varvid man bringar elementärt partikel- formigt kisel att reagera med en kväve-vätereaktant i dess vätskeformiga tillstånd vid en låg temperatur, vilket känne- tecknas av att man a) avlägsnar ytbeläggningar på de elementära kiselpartiklarna för att gynna reaktion mellan kislet och kväve-väte-reaktanten och b) bringar de elementära kiselpartiklarna att reagera med en kväve-vätereaktant med formeln: NnH(n+m) vari: n=1-4; och m=2 då kväve-vätereaktanten är rakkedjig och 0 då kväve-vätereaktanten är cyklisk, vid en temperatur, mot- 469 029 10 15 20 25 30 35 6 svarande vid atmosfärstryck, upp till under ca 200°C, varefter man eventuellt upphettar reaktionsprodukten till en temperatur av ca 1200-1700°C i en icke-reaktiv atmosfär för omvandling av reaktionsprodukten till ett kristallint material, huvudsakligen bestående av alfa-kiselnitrid.The invention thus relates to a process for the formation of a highly pure material, which consists mainly of silicon, nitrogen and hydrogen, wherein elemental particulate silicon is reacted with a nitrogen-hydrogen reactant in its liquid state at a low temperature. which is characterized by a) removing coatings on the elemental silicon particles to promote reaction between the silicon and the hydrogen-hydrogen reactant and b) causing the elemental silicon particles to react with a nitrogen-hydrogen reactant of the formula: NnH (n + m) vari: n = 1-4; and m = 2 when the nitrogen-hydrogen reactant is straight chain and 0 when the nitrogen-hydrogen reactant is cyclic, at a temperature corresponding to atmospheric pressure, up to below about 200 ° C, after which it is optionally heated the reaction product to a temperature of about 1200-1700 ° C in a non-reactive atmosphere to convert the reaction product to a crystalline material, mainly consisting of alpha-silicon nitride.

Uppfinningen hänför sig även till det högrena materialet, huvudsakligen bestående av kisel, kväve och väte, vilket erhållits enligt detta förfarande.The invention also relates to the highly pure material, mainly consisting of silicon, nitrogen and hydrogen, which has been obtained according to this process.

Uppfinningen åskådliggöres närmare genom följande beskrivning.The invention is further illustrated by the following description.

Den enda figuren är ett flödesschema, som åskådliggör för- farandet enligt uppfinningen. Högren kiselnitrid bildas enligt uppfinningen genom en första bildning av en högren mellanpro- dukt, som bildas genom att högrent elementärt, partikelformigt kisel bringas att reagera med en högren kväve-vätereaktant i dess vätskeformiga tillstånd vid en temperatur, motsvarande vid atmosfärstryck, upp till under 200°C, och företrädesvis under 100°C, såsom visas i nedanstående reaktion: Si + [NnH (Si, N, H) -mellanprodukt (n+m)]1 vari: n=1-4; och m=2 då kväve-vätereaktanten är rakkedjig och 0 då kväve-vätereaktanten är cyklisk.The only figure is a flow chart illustrating the method according to the invention. High-purity silicon nitride is formed according to the invention by a first formation of a high-purity intermediate, which is formed by reacting high-purity elemental, particulate silicon with a highly pure nitrogen-hydrogen reactant in its liquid state at a temperature corresponding to atmospheric pressure up to below 200 ° C. ° C, and preferably below 100 ° C, as shown in the following reaction: Si + [NnH (Si, N, H) intermediate (n + m)] 1 wherein: n = 1-4; and m = 2 when the nitrogen-hydrogen reactant is straight chain and 0 when the nitrogen-hydrogen reactant is cyclic.

Den högrena reaktiva vätskeformiga kväve-väteföreningen, som i det följande kommer att betecknas med [NnH(n+m)]l-reaktant, består huvudsakligen av flytande ammoniak (NH3) då n=1 eller en hydrazinförening (NnHn+m) då n=2 eller mer. Den föredragna hydrazinföreningen är NZH4. Emellertid ligger även användning i av hydraziner med högre molekylvikt såsom reaktiv kväve-väte- vätska, t.ex. triazan (N3H5), tetrazin (N4H6) och isotetrazin (N4H6), samt cykliska hydraziner, såsom cyklotriazan (N3H3), inom ramen för uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 469 G29 7 Renheten för den högrena [NnH(n+m)]1-reaktanten bör vara åtmin- stone 99,9 vikt%, företrädesvis 99,995 vikt%, för erhållande av den önskade högrena mellanprodukten. Flytande ammoniak är lättillgänglig i sådan renhet, exempelvis genom kondensering därav från motsvarande gas, medan flytande vattenfri hydrazin (NZH4) vid sådan renhetsnivå finns tillgänglig kommersiellt (i Mil Spec. grade) såsom en komponent för raketbränsle.The highly pure reactive liquid hydrogen-hydrogen compound, hereinafter referred to as [NnH (n + m)] 1 reactant, consists mainly of liquid ammonia (NH3) when n = 1 or a hydrazine compound (NnHn + m) when n = 2 or more. The preferred hydrazine compound is NZH4. However, the use of higher molecular weight hydrazines such as reactive nitrogen-hydrogen liquid, e.g. triazane (N3H5), tetrazine (N4H6) and isotetrazine (N4H6), as well as cyclic hydrazines, such as cyclotriazane (N3H3), within the scope of the invention. The purity of the highly pure [NnH (n + m)] 1 reactant should be at least 99.9% by weight, preferably 99.995% by weight, to obtain the desired high-purity intermediate. Liquid ammonia is readily available in such purity, for example by condensing it from the corresponding gas, while liquid anhydrous hydrazine (NZH4) at such purity level is available commercially (in Mil Spec. Grade) as a component for rocket fuel.

Den andra reaktanten omfattar elementärt kisel i partikelform.The second reactant comprises elemental silicon in particulate form.

Produkten erhållen vid reaktion mellan elementärt kisel och flytande ammoniak är en fast imid, som ej lätt kan renas. Överraskande ger emellertid reaktionen med flytande hydrazin en klar vätska, vilket omedelbart tyder på att kemiska reningsför- faranden i detta fall är möjliga. Följaktligen kan behovet av högrent utgångsmaterial av kisel undvikas då en vätskeformig hydrazin användes och användning av kisel med lägre renhet, t.ex. 95 vikt% eller högre, kan till och med föredragas ekono- miskt. De välkända reningsförfarandena för vätskor skulle kunna tillämpas i ett sådant fall: destillation, lösningsmedels- extraktion, kristallisation, etc.The product obtained by reaction between elemental silicon and liquid ammonia is a solid imide which cannot be easily purified. Surprisingly, however, the reaction with liquid hydrazine gives a clear liquid, which immediately indicates that chemical purification procedures are possible in this case. Consequently, the need for high purity silicon feedstock can be avoided when a liquid hydrazine is used and the use of lower purity silicon, e.g. 95% by weight or higher, may even be economically preferable. The well-known purification procedures for liquids could be applied in such a case: distillation, solvent extraction, crystallization, etc.

Således varierar kravet på kislets renhet beroende på huruvida n=1 eller större än 1 för reaktanten [NnH(n+m)]1. Då n=2-4 (se följande exempel II) erfordras ej användning av högrent kisel och ett kisel med en renhet av 95 vikt% eller högre kan använ- das för denna reaktion. Då emellertid produkten som bildas då n=1 (se följande exempel I) ej lätt kan renas, erfordras användning av högrent kisel då flytande ammoniak användes såsom den andra reaktanten. Med högrent kisel avses ett kisel med en renhet av 99,9 vikt% eller bättre, företrädesvis en renhet av 99,999 vikt%.Thus, the requirement for the purity of the silicon varies depending on whether n = 1 or greater than 1 for the reactant [NnH (n + m)] 1. When n = 2-4 (see the following Example II), the use of high-purity silicon is not required and a silicon with a purity of 95% by weight or higher can be used for this reaction. However, since the product formed when n = 1 (see the following Example I) cannot be easily purified, the use of high purity silicon is required when liquid ammonia is used as the second reactant. By high-purity silicon is meant a silicon with a purity of 99.9% by weight or better, preferably a purity of 99.999% by weight.

Partikelstorleksområdet för reaktanten av elementärt kisel är företrädesvis ca 100 mesh (Tyler) eller mindre, dvs. mindre än ca 150 mikrometer. Även om större kíselpartiklar kan användas 46 10 15 20 25 30 35 Ü 9 / L 8 _ p för reaktion med [NnH(n+m)]1-reaktanten, bör man förstå att det för en noggrann och effektiv reaktion är viktigt att kiselets ytarea i kontakt med den reaktiva kväve-vätevätskan är stor.The particle size range of the elemental silicon reactant is preferably about 100 mesh (Tyler) or less, i.e. less than about 150 micrometers. Although larger silicon particles can be used 46 10 15 20 25 30 35 Ü 9 / L 8 _ p for reaction with the [NnH (n + m)] 1 reactant, it should be understood that for an accurate and efficient reaction it is important that the silicon surface area in contact with the reactive nitrogen-hydrogen liquid is large.

Större kiselpartiklar, till och med klumpar (dvs. en diameter v av 2,5 cm) med minskad ytarea kommer att reagera långsammare.Larger silicon particles, even lumps (ie a diameter v of 2.5 cm) with reduced surface area will react more slowly.

Användning av så stora partiklar skulle kunna vara önskvärd i en kontinuerlig ström av reaktanter i en industriell process- 'W tillämpning av föreliggande uppfinning. Den nedre gränsen för kiselpartikelstorleken kommer att bestämmas av tillgängligheten för mindre partiklar samt säkerhetsbegränsningar med hänsyn till utsträckningen av pyrofora egenskaper för de fina partik- larna. Ett partikelstorleksområde från ca 0,01 mikrometer (kolloidal) upp till ca 150 mikrometer, ger partiklar, som reagerar snabbt och grundligt med [NnH(n+m)]l-reaktanten utan att ge onödiga säkerhetsrisker.The use of such large particles could be desirable in a continuous stream of reactants in an industrial process application of the present invention. The lower limit for the silicon particle size will be determined by the availability of smaller particles as well as safety limitations with regard to the extent of pyrophoric properties for the fine particles. A particle size range from about 0.01 micrometers (colloidal) up to about 150 micrometers gives particles that react rapidly and thoroughly with the [NnH (n + m)] 1 reactant without giving unnecessary safety risks.

Om kisel med större partikelstorlek användes, t.ex. större än 150 um, kan sådana partiklar malas före reaktionen eller in situ under reaktionen, såsom diskuteras nedan, under sådana betingelser, som ej förstör den önskade renheten. Exempelvis kan större kiselpartiklar malas med användning av stora kisel- klumpar såsom malningsmedel.If silicon with larger particle size was used, e.g. greater than 150 μm, such particles can be ground before the reaction or in situ during the reaction, as discussed below, under conditions which do not destroy the desired purity. For example, larger silicon particles can be ground using large lumps of silicon as a grinding agent.

Eftersom det är känt att kisel tekniskt är en icke-metall och ej en metall användes uttrycket "elementär" häri med avseende på kiselreaktanten för att visa att elementärt kisel, dvs. reducerat kisel och ej en kiselförening, är vad som avses med den högrena reaktanten.Since it is known that silicon is technically a non-metal and not a metal, the term "elemental" is used herein with respect to the silicon reactant to show that elemental silicon, i.e. reduced silicon and not a silicon compound, is what is meant by the highly pure reactant.

I enlighet med uppfinningen bringas [NnH(n+m)]1-reaktanten och den partikelformiga reaktanten av elementärt kisel att reagera med varandra vid låg temperatur, omfattande en temperatur under kokpunkten för [NnH(n+m)]1-reaktanten vid det använda trycket, och företrädesvis vid en temperatur från ca 15°C till ca 100°C under motsvarande kokpunkt vid det använda trycket. Då exempel- 10 15 20 25 30 35 469 029 9 vis den reaktiva kväve-vätevätskan är ammoniak kommer reak- tionstemperaturen, vid atmosfärstryck, att vara under -33°C. Då hydrazin användes såsom den flytande reaktanten kommer reak- tionstemperaturen, vid atmosfärstryck, att vara under 113°C och företrädesvis under ca 98°C.In accordance with the invention, the [NnH (n + m)] 1 reactant and the elemental silicon particulate reactant are reacted with each other at low temperature, comprising a temperature below the boiling point of the [NnH (n + m)] 1 reactant at the use the pressure, and preferably at a temperature from about 15 ° C to about 100 ° C below the corresponding boiling point at the pressure used. For example, when the reactive nitrogen-hydrogen liquid is ammonia, the reaction temperature, at atmospheric pressure, will be below -33 ° C. When hydrazine is used as the liquid reactant, the reaction temperature, at atmospheric pressure, will be below 113 ° C and preferably below about 98 ° C.

Uttrycket "låg temperatur" användes häri för att avse en tem- peratur, motsvarande vid atmosfärstryck, av under 200°C, före- trädesvis under 100°C, för att skilja detta förfarande från tidigare kända förfaranden, där temperaturer över 1000°C användes vid den ursprungliga reaktionen mellan den kiselhal- tiga reaktanten och den kvävehaltiga reaktanten.The term "low temperature" is used herein to refer to a temperature corresponding to atmospheric pressure of below 200 ° C, preferably below 100 ° C, to distinguish this process from prior art processes where temperatures above 1000 ° C are used. in the initial reaction between the silicon-containing reactant and the nitrogen-containing reactant.

Det föredragna reaktionstemperaturområdet är, då ammoniak bringas att reagera, ett temperaturområde, motsvarande vid atmosfärstryck, från ca -33°C till ca -78°C. Det föredragna reaktionstemperaturområdet är, då hydrazin (NZH4) bringas att reagera, ett temperaturområde, motsvarande vid atmosfärstryck, från ca 0°C till ca 75°C, företrädesvis ca 15°C till 50°C.The preferred reaction temperature range, when reacting ammonia, is a temperature range, corresponding to atmospheric pressure, from about -33 ° C to about -78 ° C. The preferred reaction temperature range, when hydrazine (NZH 4) is reacted, is a temperature range, corresponding to atmospheric pressure, from about 0 ° C to about 75 ° C, preferably about 15 ° C to 50 ° C.

Det bör noteras att ovanstående diskussion med avseende på reaktionstemperaturområdet har uttryckts i ett språk, som Visar temperaturer motsvarande de angivna temperaturerna vid atmos- färstryck då det är möjligt, att reaktionen kan utföras vid annat tryck än atmosfärstryck. Då exempelvis flytande ammoniak användes såsom [NnH(n+m)]l-reaktanten kan det vara mer fördel- aktigt att bringa flytande ammoniak att reagera med partikel- formigt kisel vid högre temperatur än -33°C genom ökning av trycket, t.ex. att utföra reaktionen vid rumstemperatur under ett tryck av 12 atmosfärer. Således underförstås att de disku- terade reaktionstemperaturområdena ej är absoluta, utan står i relation till det använda trycket.It should be noted that the above discussion with respect to the reaction temperature range has been expressed in a language which shows temperatures corresponding to the indicated temperatures at atmospheric pressure when it is possible that the reaction may be carried out at a pressure other than atmospheric pressure. For example, when liquid ammonia is used as the [NnH (n + m)] 1 reactant, it may be more advantageous to react liquid ammonia with particulate silicon at a temperature higher than -33 ° C by increasing the pressure, t. ex. to carry out the reaction at room temperature under a pressure of 12 atmospheres. Thus, it is understood that the reaction temperature ranges discussed are not absolute, but are related to the pressure used.

Reaktanternas reaktionstid (eller uppehållstid för en kontinu- erlig reaktion) kommer att variera beroende på reaktanterna, 469 029 10 15 20 25 30 35 10 temperaturen/trycket, vid via reaktionen utföres, och andra reaktionsbetingelser, såsom diskuteras i det följande. Reak- tionstiden för en satsvis reaktion omfattande specificerade reaktantmängder (t.ex. 50 ml [NnH(n+m)]1 och 5 g kisel med en storlek av l mikrometer) kan variera från mindre än 1 timme till så mycket som 100 timmar, företrädesvis från ca 30 minuter till ca 50 timmar. Längre reaktionstider är möjliga vid större partikelstorlekar för kisel och ökning av Si02-skiktet på ytan.The reaction time of the reactants (or residence time of a continuous reaction) will vary depending on the reactants, the temperature / pressure, at which the reaction is carried out, and other reaction conditions, as discussed below. The reaction time for a batch reaction comprising specified amounts of reactant (eg 50 ml [NnH (n + m)] 1 and 5 g of silicon 1 micrometer in size) can vary from less than 1 hour to as much as 100 hours. , preferably from about 30 minutes to about 50 hours. Longer reaction times are possible with larger particle sizes for silicon and increase of the SiO 2 layer on the surface.

Exempelvis kan satsvis reaktion mellan hydrazin och partikel- formigt elementärt kisel vid 25°C (atmosfärstryck) utföras fullständigt på några timmar, medan den satsvisa reaktionen mellan flytande ammoniak och partikelformigt elementärt kisel vid -78°C (atmosfärstryck) kan utföras på 48 timmar.For example, batch reaction between hydrazine and particulate elemental silicon at 25 ° C (atmospheric pressure) can be carried out completely in a few hours, while the batch reaction between liquid ammonia and particulate elemental silicon at -78 ° C (atmospheric pressure) can be carried out in 48 hours.

Reaktionstiden kan accelereras enligt en föredragen utförings- form av uppfinningen genom utförande av en malning under reak- tionen. Detta tros accelerera reaktionen genom att hela tiden nya icke-reagerade kiselytor frilägges och kommer i kontakt med [NnH(n+m)]1 kiselpartiklar med en partikelstorlek av 150 pm och flytande ammoniak vid -78°C vid atmosfärstryck förkortas från 48 timmar eller mer ned till 1 timme eller mindre genom malning av kiselpartiklarna under reaktionen med den flytande ammoniak- -reaktanten. Exempelvis kan en reaktion mellan reaktanten.The reaction time can be accelerated according to a preferred embodiment of the invention by performing a grinding during the reaction. This is believed to accelerate the reaction by constantly exposing new unreacted silicon surfaces and coming into contact with [NnH (n + m)] 1 silicon particles having a particle size of 150 μm and liquid ammonia at -78 ° C at atmospheric pressure shortened from 48 hours or more down to 1 hour or less by grinding the silicon particles during the reaction with the liquid ammonia reactant. For example, a reaction between the reactant may.

Sådan malning eller krossning av det elementära kislet tjänar till avlägsnande av eventuella beläggningar på dess yta (dvs.Such grinding or crushing of the elemental silicon serves to remove any coatings on its surface (ie.

SiO2), vilka, om de ej avlägsnades, skulle kunna störa reak- tionen mellan kislet och [NnH(n+m)]l-reaktanten. Sådana belägg- ningar kan även valfritt avlägsnas före reaktionen genom kemisk behandling av det partikelformiga kislet med beläggningsav- lägsnande medel, såsom fluorvätesyra eller ammoniumbifluorid och/eller värmebehandling till åtminstone 1300°C i en reduce- rande atmosfär, såsom en argon/väteatmosfär, för att avsevärt 10 15 20 25 30 35 11 förbättra reaktionstiden, t.ex. till mindre än 0,5 timme.SiO2), which, if not removed, could interfere with the reaction between the silicon and the [NnH (n + m)] 1 reactant. Such coatings may also optionally be removed prior to the reaction by chemically treating the particulate silicon with coating removers such as hydrofluoric acid or ammonium bifluoride and / or heat treating to at least 1300 ° C in a reducing atmosphere, such as an argon / hydrogen atmosphere, for to significantly improve the reaction time, e.g. to less than 0.5 hour.

Man bör notera att då sådan krossning eller malning utföres såsom en del av reaktionen, kan man använda elementära kisel- partiklar med större storlek, t.ex. partiklar större än 150 pm, vilka nedmales in situ under reaktionens förlopp. Man bör vidare notera, att reaktionen kan utföras kontinuerligt, varvid produkten avlägsnas så snart den framställes, eller satsvis, och att användning av elementära kiselpartiklar med stor storlek, vilka males in situ under reaktionens förlopp, kan vara av speciellt värde då processen utföres kontinuerligt och vätska, som innehåller den genom reaktionen bildade mellanpro- dukten, kontinuerligt avlägsnas från reaktionszonen, varvid de stora partiklarna av elementärt kisel lämnas kvar för att malas ytterligare och reagera med ny [NnH(n+m)]1-reaktant, som konti- nuerligt matas in i reaktionszonen.It should be noted that when such crushing or grinding is performed as part of the reaction, elementary silicon particles of larger size may be used, e.g. particles larger than 150 μm, which are ground down in situ during the course of the reaction. It should further be noted that the reaction can be carried out continuously, the product being removed as soon as it is prepared, or batchwise, and that the use of large size elemental silicon particles, which are ground in situ during the course of the reaction, may be of particular value when the process is carried out continuously. liquid containing the intermediate formed by the reaction is continuously removed from the reaction zone, leaving the large particles of elemental silicon to be further ground and reacted with new [NnH (n + m)] 1 reactant, which is continuously fed into the reaction zone.

Då reaktionen utföres satsvis kan [NnH(n+m)]1-reaktanten använ- das i stökiometriskt överskott, vilket då möjliggör återvinning av reaktionsprodukten genom lösningsmedelsavdrivning av den återstående [NnH(n+m)]l-reaktanten. Då ett kontinuerligt för- farande användes, kan vätska kontinuerligt avlägsnas från reaktionszonen, vilken innehåller både mellanprodukten och [NnH(n+m)]1-reaktanten, som då kan frånskiljas från mellan- produkten och återföras till reaktionszonen, om så önskas.When the reaction is carried out batchwise, the [NnH (n + m)] 1 reactant can be used in stoichiometric excess, which then enables recovery of the reaction product by solvent evaporation of the remaining [NnH (n + m)] 1 reactant. When a continuous process is used, liquid can be continuously removed from the reaction zone, which contains both the intermediate and the [NnH (n + m)] 1 reactant, which can then be separated from the intermediate and returned to the reaction zone, if desired.

Mellanproduktslösningen, som bildas genom denna reaktion, om- fattar en lösning eller dispersion, som består av kisel, kväve och väte, med mindre än ca 5-10 ppm föroreningar. Denna mellan- produkt kan användas vid tillämpningar, som erfordrar ett eller flera element i vätskeform, t.ex. för polymerbearbetning till fibrer. Mellanprodukten bildad i enlighet med uppfinningen skulle även kunna användas såsom reaktant inom ett vidsträckt kemiområde för syntetisering av komplicerade molekyler inne- hållande kisel, kväve och väte och eventuellt andra element. I “az Åß .O,\ 10 15 20 2: 30 35 *xls O J 02 12 sin tur kan denna mellanprodukt även användas för framställning av keramiska kiselmaterial (t.ex. kiselnitrid eller kisel- karbid) genom lämpliga reaktionsvägar. Exempelvis skulle mellanprodukten kunna upphettas till 800°C i argonatmosfär för framställning av kiselnitrid med ammoniak och vätgas.The intermediate solution formed by this reaction comprises a solution or dispersion consisting of silicon, nitrogen and hydrogen with less than about 5-10 ppm of impurities. This intermediate can be used in applications which require one or more elements in liquid form, e.g. for polymer processing into fibers. The intermediate formed in accordance with the invention could also be used as a reactant in a wide range of chemistry for the synthesis of complex molecules containing silicon, nitrogen and hydrogen and optionally other elements. In this case, this intermediate can also be used for the production of ceramic silicon materials (eg silicon nitride or silicon carbide) by suitable reaction routes. For example, the intermediate could be heated to 800 ° C in an argon atmosphere to produce silicon nitride with ammonia and hydrogen.

Såsom angivits ovan kan utvinningen av reaktionsmellanprodukten utföras genom lösningsmedelavdrivning av den återstående [NnH(n+m)]1-reaktanten. Då [NnH(n+m)]1-reaktanten är hydrazin, är produkten en klar stabil lösning, som avsätter en vit återstod vid indunstning. Infraröd analys av lösningen visar en toppsplittring av N-N-sträckningen (normalt centrerad vid ca 1098 cm_1) till två toppar med lika stor intensitet vid 1050 och 1120 cm-1, som kan uppstå genom Si-N-förbindningen i lösning och ej tyder på närvaro av några andra element är kisel, kväve och väte i mängder över 0,05 vikt%, vilket tyder på att lösningen har hög renhet.As indicated above, the recovery of the reaction intermediate can be carried out by solvent evaporation of the remaining [NnH (n + m)] 1 reactant. When the [NnH (n + m)] 1 reactant is hydrazine, the product is a clear stable solution, which deposits a white residue on evaporation. Infrared analysis of the solution shows a peak splitting of the NN stretch (normally centered at about 1098 cm -1) to two peaks of equal intensity at 1050 and 1120 cm -1, which may occur through the Si-N junction in solution and do not indicate presence of some other elements are silicon, nitrogen and hydrogen in amounts above 0.05% by weight, which indicates that the solution has a high purity.

Efter indunstning av lösningsmedlet kan högren kistallin alfa- -kiselnitrid (Si3N4), dvs. en alfa-kiselnitridprodukt med en renhet av åtminstone 99,9 vikt%, företrädesvis 99,995 vikt%, bildas från den amorfa pulverformiga mellanproduktåterstoden genom upphettning av återstoden upp till ett temperaturområde av ca 1200-1700°C i en icke-reaktiv atmosfär, såsom argon, 'följt av att man håller återstoden vid denna temperatur under åtminstone ca 15 minuter upp till ca 2 timmar. Längre tids- perioder kan användas, men tros vara onödiga för uppnående av fullständig omvandling av återstoden till alfa-Si3N4 med ett partikelstorleksområde av ca 0,01-0,5 mikrometer. Man bör notera, att påvisandet av slutprodukten såsom alfa-kiselnitrid är ett annat tecken på materialets katjoniska renhet, då det är känt att amorf kiselnitrid med lägre renhet i allmänhet bildar såväl beta-kiselnitrid som alfa-formen vid värmebehandling vid hög temperatur. Om å andra sidan beta-kiselnitrid är en önskad produkt, kan denna uppnås genom tillsats av medel, som är kända 10 15 20 25 30 35 -e ch »o co ro w 13 för att gynna bildning av beta-formen.After evaporation of the solvent, high purity kistallin alpha-silicon nitride (Si3N4), ie an alpha-silicon nitride product having a purity of at least 99.9% by weight, preferably 99.995% by weight, is formed from the amorphous powdery intermediate residue by heating the residue up to a temperature range of about 1200-1700 ° C in a non-reactive atmosphere, such as argon , 'followed by keeping the residue at this temperature for at least about 15 minutes up to about 2 hours. Longer time periods can be used, but are believed to be unnecessary to achieve complete conversion of the residue to alpha-Si3N4 with a particle size range of about 0.01-0.5 micrometers. It should be noted that the detection of the final product as alpha-silicon nitride is another sign of the cationic purity of the material, as it is known that lower purity amorphous silicon nitride generally forms both beta-silicon nitride and the alpha form in high temperature heat treatment. On the other hand, if beta-silicon nitride is a desired product, this can be achieved by the addition of agents known in the art to promote the formation of the beta form.

Följande exempel tjänar till att bättre åskådliggöra förfaran- det enligt uppfinningen.The following examples serve to better illustrate the process of the invention.

Exempel I Ammoniakgas kondenserades över en sex timmars period i en polyetenflaska med användning av torris vid ca -78°C för bild- ning av 50 ml flytande ammoniak, som därefter bringades i kon- takt med 5 g partikelformigt kisel med en partikelstorlek av 1 mikrometer eller mindre och en renhet av 99,9 vikt%. Reak- tanterna maldes i reaktionskärlet i 3 timmar vid en temperatur av -78°C i 48 timmar. Mellanprodukten utvanns genom indunstning av återstående NH3 såsom en brunfärgad rest.Example I Ammonia gas was condensed over a six hour period in a polyethylene bottle using dry ice at about -78 ° C to give 50 ml of liquid ammonia, which was then contacted with 5 g of particulate silicon having a particle size of 1 micrometer. or less and a purity of 99.9% by weight. The reactants were ground in the reaction vessel for 3 hours at a temperature of -78 ° C for 48 hours. The intermediate was recovered by evaporation of the remaining NH 3 as a tan residue.

Denna rest visade sig vara amorf vid röntgendiffraktionsunder- sökning med någon del icke-reagerat kisel, varav följer den bruna färgen. Infraröd spektroskopi av återstoden visade toppar, som skilde sig från ett IR-referensmönster för kisel.This residue was found to be amorphous on X-ray diffraction examination with some unreacted silicon, of which the brown color follows. Infrared spectroscopy of the residue showed peaks, which differed from an IR reference pattern for silicon.

Skarpa absorptionstoppar visade sig vid 1180 cm_1, 1210 cm_1 och 5000 cm_1, vilket förbindes med närvaro av NH och NH2-grupper, och en förhöjd tröskel mellan 960 och 1050 cm' beroende på den breda Si-N-sträckningen. Undersökning med svepelektronmikroskopi (SEM) av återstoden visade icke-kris- tallint material fördelat bland kiselpartiklarna. 1 Ãterstoden upphettades till en temperatur av 1300°C i argon i 2 timmar. Möjlig syreförorening undveks med ett dubbelt inne- slutet degelarrangemang, varvid kiselnitridpulver omger väggar- na i den inre degeln. Den erhållna produkten gav ett röntgen- mönster, som tyder på alfa-kiselnitrid, vid 1400°C och icke-reagerat kisel. Bildning av endast alfa-kiselnitrid vid 1400°C, samt SEM EDS-analys, varvid endast kisel återfanns (kväve kan ej påvisas), bekräftar reaktionsproduktens höga 10 15 20 25 30 35 14 renhet.Sharp absorption peaks were found at 1180 cm -1, 1210 cm -1 and 5000 cm -1, which is associated with the presence of NH and NH 2 groups, and an elevated threshold between 960 and 1050 cm -1 depending on the wide Si-N range. Examination by scanning electron microscopy (SEM) of the residue showed non-crystalline material distributed among the silicon particles. The residue was heated to a temperature of 1300 ° C in argon for 2 hours. Possible oxygen contamination was avoided with a double enclosed crucible arrangement, whereby silicon nitride powder surrounds the walls of the inner crucible. The product obtained gave an X-ray pattern indicating alpha-silicon nitride at 1400 ° C and unreacted silicon. Formation of alpha-silicon nitride only at 1400 ° C, as well as SEM EDS analysis, whereby only silicon was found (nitrogen can not be detected), confirms the high purity of the reaction product.

Exemgel II Till 50 ml flytande hydrazin sattes 0,05 g partikelformigt kisel med en medelpartikelstorlek av omkring eller mindre än 10 pm och en renhet högre än 99,9 vikt% och blandningen bringades att reagera i ett reaktionskärl under inert argonatmosfär i 3 tim vid en temperatur av 25°C. Den erhållna reaktionsprodukten var en klar lösning, som innehöll kisel, vilket bekräftades genom induktivt kopplad plasmaatomabsorption.Example II To 50 ml of liquid hydrazine was added 0.05 g of particulate silicon having an average particle size of about or less than 10 microns and a purity greater than 99.9% by weight, and the mixture was reacted in a reaction vessel under an inert argon atmosphere for 3 hours at a temperature of 25 ° C. The resulting reaction product was a clear solution containing silicon, which was confirmed by inductively coupled plasma atom absorption.

Lösningsmedelsavdrivning i vakuum av hydrazinet lämnade en polymeråterstod, som uppvisade ett IR-absorptionsband vid 950 cm_l beroende på Si-N-sträckningen, en bred N-N-sträckning mellan 1100-1220 cm_1 och svängningarna och de anti-symmetriska sträckningarna beroende på NH, NH2-grupper inom 1250-1600 cm-1 - området respektive det breda 2800-3500 cm_1 det. Produkten alstrade en bredbandig Raman-topp, som hade centrum vid 800 cm_1 och som utplanas då produkten utsättes för luft. Upphettning av återstoden i luft förorsakade för- svinnande av Si-N-, NH- och NH2-grupperna, varvid dessa er- sattes av SiO vid 1150 cm-1. Si/NZH4-mellanproduktkomplexet absorberar även inom det ultravioletta området vid 240, 288 och har en bred tröskel vid 278 nm. Omvandlingen inom det nära- ultravioletta området vid 288 nm kan tyda på några dubbelbundna kväveatomer, dvs. -N=N-, beroende på en elektronövergång från pi-orbitaltillståndet till ett antibindande pi-orbitaltill- stånd. Elektronövergången från grundtillståndet till ett anti- bindande sigma-orbitaltillstånd, som normalt syns vid 220 nm i silanyl-hydrazinkomplex, är rödförskjuten till 240 nm, varvid återdonation från kväve till kisel kan inhiberas beroende på kväve-kväve-multipelbindningen. Termisk gravimetrisk analys i argon av återstoden visade en förlust av 79 vikt%. Detta mot- svarar ungefär sex N H4-molekyler för varje kiselatom. Röntgen- -sträckningsområ- 2 10 15 20 25 30 35 -D> CN vD CD BJ »O 15 diffraktionsanalys av mellanprodukten visade att denna var amorf. SEM-undersökning tydde på att mellanproduktåterstoden efter avdunstning är ett fint kolloidalt pulver. Ãterstoden upphettades därefter till en temperatur av l400°C i 3 tim i argonatmosfär under en kvävebuffert såsom beskrives i exempel I. Finfördelade kristaller utvanns, som vid röntgen- diffraktion visade sig vara alfa-Si3N4.Solvent evaporation in vacuo of the hydrazine left a polymer residue which showed an IR absorption band at 950 cm -1 depending on the Si-N range, a wide NN range between 1100-1220 cm -1 and the oscillations and the anti-symmetrical ranges due to NH, NH groups within 1250-1600 cm-1 - the area respectively the wide 2800-3500 cm_1 it. The product produced a broadband Raman top, which had a center at 800 cm_1 and which is flattened when the product is exposed to air. Heating of the residue in air caused the disappearance of the Si-N-, NH- and NH2 groups, these being replaced by SiO at 1150 cm-1. The Si / NZH4 intermediate complex also absorbs within the ultraviolet range at 240, 288 and has a wide threshold at 278 nm. The conversion in the near-ultraviolet range at 288 nm may indicate some double-bonded nitrogen atoms, ie. -N = N-, depending on an electron transition from the pi-orbital state to an anti-binding pi-orbital state. The electron transition from the ground state to an anti-binding sigma orbital state, which is normally seen at 220 nm in silanyl-hydrazine complexes, is redshifted to 240 nm, whereby re-donation from nitrogen to silicon can be inhibited depending on the nitrogen-nitrogen multiple bond. Thermal gravimetric analysis in argon of the residue showed a loss of 79% by weight. This corresponds to approximately six N H4 molecules for each silicon atom. X-ray stretching range 2 diffraction analysis of the intermediate showed that it was amorphous. SEM examination indicated that the intermediate residue after evaporation is a fine colloidal powder. The residue was then heated to a temperature of 140 DEG C. for 3 hours in an argon atmosphere under a nitrogen buffer as described in Example 1. Finely divided crystals were recovered, which on X-ray diffraction were found to be alpha-Si3 N4.

Exempel III För att ytterligare känneteckna mellanprodukten bildad genom reaktionen mellan elementärt kisel och [NnH +m)]1-reaktanten analyserades det lokala kiselområdet genom kisel-NMR för bestämning av den bindningstyp, som var närvarande i mellan- produkten i en hydrazinlösning. Toppar återfanns vid -73,1 ppm och -82,06 ppm, vilket är typiskt för en kisel-kvävebindning.Example III To further characterize the intermediate formed by the reaction between elemental silicon and the [NnH + m)] 1 reactant, the local silicon region was analyzed by silicon NMR to determine the type of bond present in the intermediate in a hydrazine solution. Peaks were found at -73.1 ppm and -82.06 ppm, which is typical of a silicon-nitrogen bond.

Inga andra toppar av märkbar storlek noterades, vilket visar att kisel-kväve-vätebindningen överväger i mellanprodukten.No other peaks of appreciable size were noted, indicating that the silicon-nitrogen-hydrogen bond predominates in the intermediate.

Speciellt påvisades ingen kisel-vätebindning vid användning av INEPT Cross Polarization Techniques, såsom beskrives av David T. Pegg och M. Robin Bendall i "Polarization Transfer Between Two Scalar-Coupled Systems of Arbitrary Numbers of Nuclei of Arbitrary Spins", Journal of Magnetic Resonance, vol. 55 (1983), sid. 51-63.In particular, no silicon-hydrogen bonding was detected using INEPT Cross Polarization Techniques, as described by David T. Pegg and M. Robin Bendall in "Polarization Transfer Between Two Scalar-Coupled Systems of Arbitrary Numbers of Nuclei of Arbitrary Spins", Journal of Magnetic Resonance , vol. 55 (1983), p. 51-63.

Provet analyserades även genom proton-NM. Den kemiska proton- förskjutningen var såsom den som typiskt är välkänd i silyl- -aminer. Detta visar att vätet är bundet genom kväve till kisel, dvs. ej helt enkelt såsom en kväve-vätebindning såsom i hydrazinlösningsmedlet. Detta bekräftar reaktionen mellan det elementära kislet och [NnH(n+m)]l-reaktanten. Då vidare zgkisel-NM-analyserna ej tydde på någon direkt kise1-vätebind- ning, måste mellanprodukten omfatta en förening med kisel- -kväve-vätebindning. 42:.The sample was also analyzed by proton NM. The chemical proton shift was similar to that typically known in silyl amines. This shows that the hydrogen is bound by nitrogen to silicon, ie. not simply as a nitrogen-hydrogen bond as in the hydrazine solvent. This confirms the reaction between the elemental silicon and the [NnH (n + m)] 1 reactant. Furthermore, as the silicon NM analyzes did not indicate any direct silicon-hydrogen bonding, the intermediate must comprise a compound having silicon-hydrogen-hydrogen bonding. 42 :.

C\ \O CI) i\3 xO 16 Medan en speciell utföringsform av förfarandet för bildning av högren Si N och dess utgångsmaterial har åskådliggjorts och beskrivit: i enlighet med föreliggande uppfinning, är modifie- ringar och ändringar av apparater och processer, omfattande parametrar och material, etc., uppenbara för en fackman och alla sådana modifieringar och förändringar omfattas av bifogade krav och ligger inom uppfinningens ram.While a particular embodiment of the process for forming high purity Si N and its starting materials has been illustrated and described: in accordance with the present invention, modifications and alterations of apparatus and processes are comprehensive parameters. and materials, etc., will be apparent to one skilled in the art and all such modifications and changes are within the scope of the appended claims and are within the scope of the invention.

V!V!

Claims (18)

10 15 20 25 30 17 Patentkrav10 15 20 25 30 17 Patent claims 1. Förfarande för bildning av ett högrent material, som huvud- sakligen består av kisel, kväve och väte, varvid man bringar elementärt partikelformigt kisel att reagera med en kväve-väte- reaktant i dess vätskeformiga tillstånd vid en låg temperatur, k ä n n e t e c k n'a t av att man a) avlägsnar ytbeläggningar på de elementära kiselpartiklarna för att gynna reaktion mellan kislet och kväve-väte-reaktanten och b) bringar de elementära kiselpartiklarna att reagera med en kväve-vätereaktant med formeln: NnH(n+m) gvari: n=1-4; och m=2 då kväve-vätereaktanten är radkedjig och O då kväve-vätereaktanten är cyklisk, vid en temperatur, mot- svarande vid atmosfärstryck, upp till under ca 200°C, varefter man eventuellt upphettar reaktionsprodukten till en temperatur av ca 1200-1700°C i en icke-reaktiv atmosfär för omvandling av reaktionsprodukten till ett kristallint material, huvudsakligen bestående av alfa-kiselnitrid.A process for forming a highly pure material, consisting essentially of silicon, nitrogen and hydrogen, wherein elemental particulate silicon is reacted with a nitrogen-hydrogen reactant in its liquid state at a low temperature, characterized in by a) removing coatings on the elemental silicon particles to promote reaction between the silicon and the hydrogen-hydrogen reactant and b) causing the elemental silicon particles to react with a nitrogen-hydrogen reactant of the formula: NnH (n + m) gvari : n = 1-4; and m = 2 when the nitrogen-hydrogen reactant is row chain and 0 when the nitrogen-hydrogen reactant is cyclic, at a temperature corresponding to atmospheric pressure, up to below about 200 ° C, after which the reaction product is optionally heated to a temperature of about 1200-1700 ° C in a non-reactive atmosphere to convert the reaction product to a crystalline material, mainly consisting of alpha-silicon nitride. 2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att ytbeläggningen på de elementära kiselpartiklarna avlägsnas 'genom kemisk behandling av kislet med en reaktant, som kan av- lägsna beläggningen.2. A method according to claim 1, characterized in that the surface coating on the elemental silicon particles is removed by chemical treatment of the silicon with a reactant which can remove the coating. 3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att beläggningen på de elementära kiselpartiklarna avlägsnas genom upphettning av det partikelformiga materialet till en tempera- tur av åtminstone 1300°C i en reducerande atmosfär. C]\ 10 15 20 25 30 vfl CD M3 vD 183. A method according to claim 1, characterized in that the coating on the elemental silicon particles is removed by heating the particulate material to a temperature of at least 1300 ° C in a reducing atmosphere. C] \ 10 15 20 25 30 v fl CD M3 vD 18 4. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att ytläggningen på de elementära kiselpartiklarna avlägsnas genom malning av kiselpartiklarna under reaktionen mellan det par- tikelformiga kiselmaterialet och N -reaktanten. f nH(n+m) a t av att eller högre k ä n n e t e c k n Vi4. A method according to claim 1, characterized in that the surface layer of the elemental silicon particles is removed by grinding the silicon particles during the reaction between the particulate silicon material and the N -reactant. f nH (n + m) a t of that or higher k n n e t e c k n Vi 5. Förfarande enligt krav 1, det elementära kislet har en renhet av 99,9 vikt% då n=1 och av 95 vikt% eller högre då n=2-4. a t av att 99,9 vikt%.The method of claim 1, the elemental silicon having a purity of 99.9% by weight when n = 1 and of 95% by weight or higher when n = 2-4. a t of that 99.9% by weight. 6. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n det elementära kislet har en renhet av åtminstone a t av att 99,999 vikt%.6. A method according to claim 1, characterized in that the elemental silicon has a purity of at least a t of 99.999% by weight. 7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n det elementära kislet har en renhet av åtminstone7. A method according to claim 6, characterized in that the elemental silicon has a purity of at least 8. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det partikelformiga elementära kislet använt i reaktionen har ett partikelstorleksområde från ca 0,01 mikrometer till ca 150 mikrometer.A process according to claim 1, characterized in that the particulate elemental silicon used in the reaction has a particle size range from about 0.01 micrometers to about 150 micrometers. 9. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att N H -reaktanten omfattar en förening med en kokpunkt, n (n+m) motsvarande vid atmosfärstryck, av under 200°C.9. A process according to claim 1, characterized in that the N H -reactant comprises a compound with a boiling point, n (n + m) corresponding to atmospheric pressure, of below 200 ° C. 10. Förfarande enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att NnH(n+m)-reaktanten väljes från gruppen bestående av ammoniak; en hydrazinförening med formeln NnH(n+2), vari n=2-4; en cyklisk hydrazinförening med formeln NnHn, vari n=3-4; och blandningar därav.10. A process according to claim 9, characterized in that the NnH (n + m) reactant is selected from the group consisting of ammonia; a hydrazine compound of the formula NnH (n + 2), wherein n = 2-4; a cyclic hydrazine compound of the formula NnHn, wherein n = 3-4; and mixtures thereof. 11. Förfarande enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att NnH(n+m)-reaktanten huvudsakligen består av ammoniak och att 9 ~ reaktionstemperaturområdet är en temperatur, som vid atmosfärs- tryck motsvarar från ca -40°C till ca -125°C. 10 15 20 25 30 35 19Process according to Claim 10, characterized in that the NnH (n + m) reactant consists mainly of ammonia and in that the reaction temperature range is a temperature which at atmospheric pressure corresponds to from about -40 ° C to about -125 °. C. 10 15 20 25 30 35 19 12. Förfarande enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att NnH(n+m)-reaktanten huvudsakligen består av hydrazin (NZH4) och att reaktionstemperaturområdet är en temperatur, motsvarande vid atmosfärstryck, från ca 0°C till ca 100°C.A process according to claim 10, characterized in that the NnH (n + m) reactant consists mainly of hydrazine (NZH4) and that the reaction temperature range is a temperature, corresponding to atmospheric pressure, from about 0 ° C to about 100 ° C. 13. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den låga temperaturen sträcker sig från ca 15°C till ca 100°C under kokpunkten för NnH(n+m)-reaktanten.13. The process of claim 1, wherein the low temperature ranges from about 15 ° C to about 100 ° C below the boiling point of the NnH (n + m) reactant. 14. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att NnH(n+m)-reaktanten är närvarande i stökiometriskt överskott i förhållande till reaktanten av elementärt kisel.14. A process according to claim 1, characterized in that the NnH (n + m) reactant is present in stoichiometric excess relative to the elemental silicon reactant. 15. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det elementära kislet bringas att reagera med NnH(n+m)-reaktan- ten under en tid av från mindre än 1 timme upp till ca 100 timmar.A process according to claim 1, characterized in that the elemental silicon is reacted with the NnH (n + m) reactant for a time of from less than 1 hour up to about 100 hours. 16. Förfarande enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a t av att reaktionstiden är från ca 30 minuter upp till ca 50 timmar.16. A process according to claim 15, characterized in that the reaction time is from about 30 minutes up to about 50 hours. 17. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att förfarandet utföres på kontinuerligt sätt och att reaktanterna har en kontakttid tillsammans från under 1 timme upp till ca 100 timmar.17. A process according to claim 1, characterized in that the process is carried out in a continuous manner and that the reactants have a contact time together from from 1 hour up to about 100 hours. 18. Produkt huvudsakligen bestående av kisel, kväve och väte, k ä n n e t e c k n a d av att den framställts genom att man a) avlägsnar ytbeläggningar på elementära kiselpartiklar b) bringar de elementära kiselpartiklarna att reagera med en kväve-vätereaktant med formeln NnH(n+m) vari: n=1-4; och m=2 då kväve-vätereaktanten är radkedjig och 0 u-.n I xO c: m ~o 20 då kväve-vätereaktanten är cyklisk, vid en temperatur, , mot- svarande vid atmosfärstryck, upp till under ca 200°C.18. A product consisting essentially of silicon, nitrogen and hydrogen, characterized in that it is prepared by a) removing coatings on elemental silicon particles b) causing the elemental silicon particles to react with a nitrogen-hydrogen reactant of the formula NnH (n + m) vari: n = 1-4; and m = 2 when the nitrogen-hydrogen reactant is row chain and 0 u-.n I xO c: m ~ o 20 when the nitrogen-hydrogen reactant is cyclic, at a temperature, corresponding to atmospheric pressure, up to below about 200 ° C.
SE8803258A 1987-09-15 1988-09-15 PROCEDURE CONCERNING THE formation of a high-purity material consisting mainly of silicon, nitrogen and wet matter and the product produced by the process SE469029B (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US9657787A 1987-09-15 1987-09-15

Publications (3)

Publication Number Publication Date
SE8803258D0 SE8803258D0 (en) 1988-09-15
SE8803258L SE8803258L (en) 1989-03-16
SE469029B true SE469029B (en) 1993-05-03

Family

ID=22258024

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE8803258A SE469029B (en) 1987-09-15 1988-09-15 PROCEDURE CONCERNING THE formation of a high-purity material consisting mainly of silicon, nitrogen and wet matter and the product produced by the process

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JPH01103907A (en)
DE (1) DE3831423A1 (en)
GB (1) GB2209743B (en)
SE (1) SE469029B (en)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1313174A (en) * 1969-06-02 1973-04-11 Exxon Research Engineering Co High surface area nitride catalysts of boron aluminium and silicon for hydrocarbon conversion reactions

Also Published As

Publication number Publication date
GB2209743A (en) 1989-05-24
DE3831423A1 (en) 1989-03-23
GB8821956D0 (en) 1988-10-19
GB2209743B (en) 1991-08-14
JPH01103907A (en) 1989-04-21
SE8803258L (en) 1989-03-16
SE8803258D0 (en) 1988-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3959446A (en) Synthesis of high purity, alpha phase silicon nitride powder
US4122155A (en) Preparation of silicon nitride powder
US4264565A (en) Method for producing powder of α-silicon nitride
JPS60145903A (en) Synthesis of inorganic polysilazane
JPS6112844B2 (en)
US4929432A (en) Process for producing crystalline silicon nitride powder
US4515762A (en) Process for processing waste gases resulting during the production of silicon
US4935214A (en) Process for producing high purity silicon nitride by the direct reaction between elemental silicon and nitrogen-hydrogen liquid reactants
SE469029B (en) PROCEDURE CONCERNING THE formation of a high-purity material consisting mainly of silicon, nitrogen and wet matter and the product produced by the process
US5248490A (en) Process for the preparation of silicon nitride having a small crystallite size
CA1260227A (en) Method of making high purity silicon nitride precursor
CA1301430C (en) Method for production of high purity aluminum nitrides
JP3584218B2 (en) Chlorosilane purification method
Pugar et al. Process for producing high purity silicon nitride by the direct reaction between elemental silicon and nitrogen-hydrogen liquid reactants
KR970002028B1 (en) Metal/metalloid nitride/carbide ceramic powders prepared by flash pyrolysis
JPS5930645B2 (en) Manufacturing method of high purity α-type silicon nitride
JPH01226712A (en) Production of dichlorosilane
US4795622A (en) Method for producing silicon-imide
JPH0535084B2 (en)
JPH0357047B2 (en)
RU2116963C1 (en) Silicon production process
Scantlin et al. Borane-catalyzed condensation of trisilazane and N-methyldisilazane
EP0225412B1 (en) Production of silicon imides and of silicon nitride thereof
US3207581A (en) Process for purifying boron trichloride
RU2071938C1 (en) Method of silicon carbide producing

Legal Events

Date Code Title Description
NAL Patent in force

Ref document number: 8803258-6

Format of ref document f/p: F

NUG Patent has lapsed

Ref document number: 8803258-6

Format of ref document f/p: F