UA57126C2 - Спосіб одержання силану - Google Patents

Abstract

Спосіб одержання силану, який використовують у напівпровідниковій промисловості. Спосіб одержання силану включає обробку дрібнодисперсної кремнієвмісної речовини розбавленою кислотою, причому додатково здійснюють депасивацію поверхні частинок кремнієвмісної речовини, та подальше очищення силану фільтрацією при температурі від -95°С до -110°С зі швидкістю 0,5-1,5 см3/секּсм2, а як кремнієвмісну речовину використовують реакційну масу, одержану сплавленням доменного шлаку з алюмінієм при їх масовому співвідношенні 1: 0,2-0,5 відповідно. Запропонований спосіб забезпечує підвищення виходу чистого силану при одночасному підвищенні технологічності способу.

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до металургії а саме до способів одержання силану, який використовують у 2 напівпровідниковій промисловості.

Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до винаходу, що заявляється, є спосіб одержання силану (див. з. Франції Мо 2556708 від 19.12,83, опубл. 21.06.85, М. кл. 5 со18в 33/04), який включає обробляння дрібнодисперсної кремнієвмісної речовини розбавленою кислотою та подальше очищення силану. то Як кремнієвмісну речовину використовують сплав кремнію промислового виробництва, який містить 30 - 3595 алюмінію, 15 - 2095 кальцію та 35 - 4095 кремнію. Обробляння дрібнодисперсного сплаву кремнію здійснюють розбавленою соляною кислотою (2н-бн) у герметичному реакторі при температурі 50 - 9070.

Внаслідок взаємодії сплаву кремнію з кислотою утворюється силан у суміші з дисиланом та полісиланами.

Очищення одержаного силану здійснюють таким чином. Газ, що утворився у реакторі, охолоджують для т конденсації парів води, фільтрують для видалення слідів металевого пилу, а далі конденсують гідриди кремнію при температурі рідкого азоту і розподіляють їх фракційною перегонкою. При температурі -782С і тиску З О107Па виділяють силанову фракцію, при 0"С і тиску 5 П 107Па - дисиланову фракцію, при температурі 807 і тиску 1 о 107Па - полісиланову фракцію.

Одержаний відомим способом силан містить 9795 силану, 2,595 дисилану і 0,595 інших домішок і після додаткового очищення може бути використаний в електронній промисловості.

Вихід силану, згідно з прикладом, наведеним в опису, складає 1295, а сумарний вихід гідридів кремнію не перевищує 2095 від стехіометричного.

Відомий спосіб характеризується низьким виходом чистого силану, що пояснюється недостатньо високою с активністю кремнієвмісної речовини, що використовується у способі. Це призводить до неповної взаємодії о кремнію з кислотою і утворення поряд з силаном складної суміші вищих гідридів кремнію і обумовлено структурним, хімічним та мінералогічним складом кремнієвого сплаву та утворенням на поверхні його частинок плівки, яка перешкоджає взаємодії кремнію з кислотою.

Утворення складної суміші гідридів кремнію, частка силану в якій не перевищує 6095, обумовлює необхідність «о проведення багатоступінчастого очищення силану, що знижує технологічність відомого способу.

Послідовність дій по очищенню силану у відомому способі, а саме: с охолодження газової суміші в конденсаторі для видалення сконденсованої води; «-- фільтрація газу для очищення від слідів металевого пилу; конденсація гідридів кремнію при температурі рідкого азоту (-1967С); - фракційна перегонка для розділення суміші гідридів кремнію на фракції: силанову, дисиланову та ою полісиланову, потребує складного апаратного оформлення та пов'язана із значними енерговитратами, що підвищує собівартість силану і при цьому не забезпечує високого ступеня його очищення від води. Після конденсації води « у конденсаторі місткість її у газі складає приблизно 15г/м?. Подальша фільтрація не змінює місткість води у газі, оскільки фільтрацією очищують газ від твердих домішок. - с При конденсації гідридів кремнію шляхом охолодження газу до температури рідкого азоту вода а кристалізується з утворенням аерозольних частинок у суміші рідких гідридів. При фракційній перегонці гідридів "» кремнію вода знову потрапляє до газових потоків. Оскільки виділення силанової фракції здійснюють при температурі -782С і тиску З 0 107Па місткість залишкової води у силані становить не менше 1 0 10Зоб.95. Для використання одержаного відомим способом силану в електронній промисловості необхідно проводити його о додаткове очищення, що також підвищує енерговитрати і, як наслідок, собівартість силану. -1 В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу одержання силану, в якому шляхом виконання нових дій, нової їх послідовності та нових умов виконання відомих дій забезпечують підвищення виходу чистого -й силану при одночасному підвищенні технологічності способу, і за рахунок цього досягається зниження 7 50 собівартості одержаного силану.

Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі одержання силану, який включає обробляння 4; дрібнодисперсної кремнієвмісної речовини розбавленою кислотою та подальше очищення силану, новим, згідно з винаходом, що заявляється, є те, що при оброблянні кремнієвмісної речовини кислотою додатково здійснюють депасивацію поверхні частинок кремнієвмісної речовини, очищення силану проводять фільтрацією при температурі (-9572) - (-1107С), а як кремнієвмісну речовину використовують реакційну масу, одержану о сплавленням доменного шлаку з алюмінієм при їх масовому співвідношенні 1 : (0,2 - 0,5) відповідно.

Новим є також те, що фільтрацію силану ведуть із швидкістю 0.5 - 1,5ем3/сек. 9 см, о Між сукупністю суттєвих ознак винаходу, що заявляється, та технічним результатом, що досягається, є такий причинно-наслідковий зв'язок. бо Сукупність дій, їх послідовність та умови їх виконання, що заявляються, а саме: обробляння дрібнодисперсної кремнієвмісної речовини розбавленою кислотою з одночасною депасивацією поверхні частинок кремнієвмісної речовини; використання як кремнієвмісної речовини реакційної маси, одержаної сплавленням доменного шлаку з алюмінієм у співвідношенні, що заявляється; бо очищення силану, який одержують, фільтрацією при температурі, що заявляється, забезпечують підвищення виходу чистого силану при одночасному підвищенні технологічності способу, і за рахунок цього досягається зниження собівартості силану, який одержують.

Використання як кремнієвмісної речовини реакційної маси, одержаної сплавленням доменного шлаку з алюмінієм у співвідношенні, що заявляється, забезпечує підвищення виходу силану і знижує при цьому утворення вищих гідридів кремнію. Це пояснюється високою активністю реакційної маси, що, в свою чергу, обумовлено структурним, хімічним та мінералогічним складом доменного шлаку і оптимальним проходженням окислювально-відновних реакцій при алюмотермічному відновленні доменного шлаку.

Депасивація поверхні частинок реакційної маси, яку здійснюють при її оброблянні розбавленою кислотою, забезпечує більш повну взаємодію кремнію з кислотою з утворенням переважно силану. Це обумовлено /о підвищенням активності реакційної маси за рахунок руйнування плівки на поверхні її частинок і призводить до підвищення виходу силану.

Переважне утворення силану при кислотному оброблянні реакційної маси з одночасною депасивацією поверхні її частинок і умови очищення силану, що заявляються, а саме очищення силану фільтрацією при температурі (-9572)-(-1107С2), обумовлюють також підвищення технологічності способу, оскільки дозволяють /5 Знизити енерговитрати і спростити технологічну схему в цілому за рахунок виключення конденсації силану у суміші з іншими гідридами кремнію і фракційної перегонки суміші гідридів.

Очищення силану фільтрацією при температурі, що заявляється, забезпечує одержання високочистого силану, який може бути використаний у напівпровідниковій промисловості без проведення додаткового очищення. При охолодженні силану до температури, що заявляється, близької до температури кипіння силану (71127"С), вода, присутня в газоподібному силані, кристалізується з утворенням аерозольних частинок.

Фільтрація такого газу при температурі, що заявляється, забезпечує відділення аерозольних частинок від силану на фільтрі, в результаті місткість води в силані складає 1 П 1075 -- 1 Од 10-7об.95, що відповідає рівноважній місткості парів води в силані для температури (-957С) - (-1107С).

Температура фільтрації силану, яка заявляється, є необхідною і достатньою для забезпечення указаної Га

Чистоти силану. При температурі фільтрації нижче -1107"С відбувається конденсація силану, що недоцільно.

Фільтрація при температурі вище -957С призводить до зростання вмісту води у силані. і9)

Співвідношення, що заявляється, доменного шлаку і алюмінію при одержанні реакційної маси сплавленням указаних компонентів є оптимальним і установлено експериментальне. Саме таке співвідношення доменного шлаку і алюмінію обумовлює оптимальне проходження окислювально-відновних реакцій при алюмотермічному «о зо відновленні доменного шлаку з утворенням найбільш активної реакційної маси, що забезпечує підвищення виходу чистого силану, а також підвищення технологічності способу. с

Підвищення частки доменного шлаку у співвідношенні з алюмінієм вище заявленої обумовлює зниження «ч- виходу силану внаслідок неповного відновлення кремнію і зниження активності реакційної маси.

Підвищення частки алюмінію у співвідношенні з доменним шлаком вище заявленої недоцільно, тому що не - призводить до подальшого підвищення активності реакційної маси. ю

Заявлена швидкість фільтрації охолодженого газу є оптимальною і установлена експериментально. При більш високих швидкостях фільтрації погіршується якість очищення газу, що призводить до підвищення місткості води у силані. Зниження швидкості фільтрації нижче заявленої недоцільне, тому що підвищує тривалість « процесу і при цьому не поліпшує якість очищення силану.

Спосіб, що заявляється, реалізується таким чином. - с В нагріту електропіч послідовно завантажують здрібнений доменний шлак та алюміній у заявленому ц співвідношенні. Після завершення реакції алюмотермічного відновлення кремнію розплав виливають у "» виливницю і відділяють вторинний шлак. Одержану реакційну масу здрібнюють до дисперсності частинок менше 1мм у кульовому млині.

Дрібнодисперсну реакційну масу загружають до герметичного реактора, в якому здійснюють її обробляння ос розбавленою соляною кислотою (2н - бн) при температурі 30 - 907С з одночасною депасивацією поверхні частинок реакційної маси, що може бути реалізовано, наприклад, шляхом збудження імпульсних коливань в 7 реакційному об'ємі реактора, шляхом барботування хлористого водню в реакційний об'єм, шляхом здійснення - взаємодії реагентів в реакторі типу кульового млина або іншим чином.

Утворений у реакторі газ охолоджують ступінчасто, спочатку у холодильнику для конденсації основної ді частини парів води, далі у кріогенному апараті, спорядженому фільтром. Газ у кріогенному апараті

ФО охолоджується до температури (-95723 - (-1107С) і фільтрується для відділення аерозольних частинок закристалізованої води від силану. Швидкість фільтрації підтримують у межах 0,5 - 1,5см/сек-см7.

Одержаний силан характеризується високим ступенем чистоти (місткість у ньому води складає 1 0 107 - 1 29 до 107о06,965) і може бути використаний у напівпровідниковій промисловості безпосередньо без проведення

Ф! додаткового очищення.

Спосіб, що заявляється, було випробувано в лабораторних умовах. В експериментах змінювали о співвідношення доменного шлаку і алюмінію при сплавленні для одержання реакційної маси, змінювали температуру та швидкість фільтрації. Хімічний склад одержаної реакційної маси визначали хімічним аналізом. У 60 різних експериментах у межах заявленого співвідношення доменного шлаку і алюмінію реакційна маса як основний компонент містила такі сплави кремнію поряд з іншими інтерметалідами: СазгАї»Зів; МаСаю 4)АІ: 5Зів;

Ма 17Саї вАА даЗів.

Склад одержаного силану визначали газохроматографічним методом, а вихід силану - на підставі розрахунків з урахуванням складу реакційної маси, яка використовувалася в експерименті, та складу одержаного бо силану.

Найкращі результати, а саме вихід силану, який дорівнює 85-8895 від стехіометричного, з місткістю у ньому води 1 0 109 - 1 Од 107о6.95, були досягнуті при здійсненні заявленої сукупності і послідовності дій та заявлених умовах їх виконання.

Claims (2)

Формула винаходу

1. Спосіб одержання силану, який включає обробку дрібнодисперсної кремнієвмісної речовини розбавленою 7/0 Кислотою та подальше очищення силану, який відрізняється тим, що при обробці кремнієвмісної речовини кислотою додатково здійснюють депасивацію поверхні частинок кремнієвмісної речовини, очищення силану проводять фільтрацією при температурі від -957С до -1107С, а як кремнієвмісну речовину використовують реакційну масу, одержану сплавленням доменного шлаку з алюмінієм при їх масовому співвідношенні 1: 0,2-0,5 відповідно.

2. Спосіб одержання силану за п. 1, який відрізняється тим, що фільтрацію силану здійснюють із швидкістю 0,5-1,5см З /сек.см, Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних мікросхем", 2003, М 6, 15.06.2003. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України. с щі 6) (Се) с «- ча ІС в) -

с . и? 1 -І - з 50 4) іме) 60 б5