СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛАНА Российский патент 2005 года по МПК C01B33/04 

Изобретение относится к технологии получения силана из природных кварцитов для изготовления особо чистого полупроводникового кремния, используемого в силовой электронике, а также кремниевых пластин для изготовления сверхбольших интегральных схем, и для формирования различных кремний содержащих слоев и пленочных покрытий в микроэлектронике.

Известны различные способы получения силана из кремниевых продуктов, не встречающихся в природе. Чаще всего это алкокси-, хлор- или другие галогенпроизводные силана.

Известен способ получения силана по патенту ЕР №85303827, МКИ С 01 В 33/04, 1985, в котором для получения силана используется диоксид кремния, выделенный из геотермальных вод. При этом порошки диоксида кремния и металлического магния смешивают и сплавляют при 400-600°С. Образующийся при этом силицид магния обрабатывают далее соляной кислотой либо аммиаком или галогенидом аммония. Выход силана составляет 14%. Если силицид магния получать при более высокой температуре (до 800°С) в присутствии водорода и спрессовать его в таблетки и обработать далее 1 н. соляной кислотой (по каплям), то можно повысить выход силана до 60%. При этом наряду с моносиланом образуются и его гомологи Si₂H₆ и Si₃H₈.

Еще одним близким к данному изобретению является способ, разработанный индийскими исследователями (РЖХ 108624, Л-61П, Ahagava H.N., Dutta Sw.K., Baneijee H.D. // Solar Energy Matter, 3 (3), P.441-445, 1980).

Основным отличием его является способ получения диоксида кремния - сжиганием рисовой скорлупы. При этом образуется очень чистый аморфный SiO₂, из которого получают соответственно и чистый Mg₂Si и далее SiH₄.

Основным недостатком обоих аналогов является использование искусственно полученного диоксида кремния, имеющего значительно более высокую стоимость по сравнению с природным кварцитом - минералом, содержащим диоксид кремния около 90%.

Кроме того, использование в ходе процесса соляной кислоты приводит к загрязнению силана этим веществом. В связи с чем требуются дополнительные усилия по очистке целевого продукта от НСl, а это трудоемкий процесс.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату - прототипом - является способ по патенту №2173297, МПК 7 С 01 В 33/04, 2001, использующий для получения силана реакцию взаимодействия тетрахлорида кремния с гидридом лития. Реакцию осуществляют при нагревании до 300°С с обязательным предварительным измельчением гидрида лития. Образующийся в ходе реакции хлорид лития поступает на регенерацию в гидрид лития. При этом выделяется хлористый водород.

Основным недостатком прототипа является необходимость использования в технологической цепочке тетрахлорида кремния. Тетрахлорид кремния является более дорогим продуктом, чем кварцит и к тому же он очень агрессивен.

Еще одним недостатком является необходимость очистки силана от следовых остатков хлористого водорода, что является трудоемким процессом.

Задача изобретения - использование дешевого природного сырья - кварцита (SiO₂) - для синтеза силана, а также разработка наиболее безопасной технологии получения целевого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что способ получения силана взаимодействием кремнийсодержащих соединений природного происхождения с гидридом лития согласно формуле изобретения отличается тем, что в качестве кремнийсодержащего соединения используют кварцит (SiO₂) и реакцию спекания осуществляют при температуре 790-820°С с последующим измельчением плава и разложением его на поверхности пластинок льда, выполненных из дистиллированной воды.

Указанная совокупность признаков является новой и обладает изобретательским уровнем, так как в качестве исходного сырья используют дешевый, свободно добываемый природный продукт - кварцит (SiO₂) и гидрид лития. Образующийся при этом силицид лития измельчают и обрабатывают не водой или водными растворами протонных кислот, а посыпают его на поверхность ледяных пластинок из дистиллированной воды. Дело в том, что силицид лития, в отличие от наиболее часто используемых для получения силана по этой реакции силицидов магния или железа, обладает существенно большей реакционной способностью и поэтому с водой, водными растворами протонных кислот и различными аминами взаимодействует очень бурно и процесс может сопровождаться самовоспламенением. А это чревато взрывоопасными ситуациями. Вместе с тем, даже глубокое охлаждение реакционной смеси хоть и несколько снижает опасность, но не решает полностью проблемы самовоспламенения. Использование же льда при взаимодействии с силицидом лития полностью освобождает от опасности самовоспламенения реакционной системы. При этом выделяется силан, и процесс протекает плавно и практически без разогрева.

В ходе процесса необходимо обеспечить такой режим движения пластин на конвейере, при котором крупинки силицида лития все время падают не в одно место, а на свежую (новую) поверхность льда. В противном случае, образующийся оксид лития успевает прореагировать до гидроокиси лития. Последняя активно взаимодействует с выделяющимся силаном, связывая его в силоксаны, что может снижать выход целевого продукта на 15-20%.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример 1.

Кварцит Искитимского месторождения - маршалит с содержанием SiO₂ 92.6% - предварительно обогащают простой водной отмывкой до содержания SiO₂ 98.8%, сушат и измельчают до порошка. Затем сплавляют его с гидридом лития в инертной атмосфере при температуре 790-820°С и выдерживают в электропечи в течение 2 ч. При этом выделяется 10-12% силана. Оптимальное соотношение Li и Si в исходной смеси реагентов составляло 8:1.

Плав после остывания измельчают, и этот порошок из бункера посыпают на поверхность пластинок льда из дистиллированной воды толщиной 1.5-2.0 см, которые медленно движутся на транспортере. Выход силана на этой стадии составлял 50-54%. Таким образом, извлечение кремния в виде силана из исходного маршалита достигает 60% и более.

Изобретение относится к технологии получения силана из природных кварцитов для изготовления особо чистого полупроводникового кремния, используемого в силовой электронике. Силан получают взаимодействием кремнийсодержащих соединений природного происхождения с гидридом лития. В качестве кремнийсодержащего соединения используют кварцит. Реакцию спекания осуществляют при температуре 790 - 820°С с последующим измельчением плава. Плав раскладывают на постоянно обновляющейся поверхности движущихся пластинок льда, выполненных из дистиллированной воды. Техническим результатом является использование дешевого природного сырья для синтеза силана и разработка наиболее безопасной технологии получения целевого продукта.

Способ получения силана взаимодействием кремнийсодержащих соединений природного происхождения с гидридом лития, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего соединения используют кварцит, и реакцию спекания осуществляют при температуре 790-820°С с последующим измельчением плава и разложением его на постоянно обновляющейся поверхности движущихся пластинок льда, выполненных из дистиллированной воды.