СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛИЦИДА МАГНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C01B33/06 

Изобретение относится к области получения кремнийсодержащих реагентов и может быть использовано в производстве моносилана для его дальнейшего преобразования в полупроводниковый или электронный кремний, а также для синтеза кремнийорганических соединений.

Известен способ (Некрасов Б.В. Курс неорганической химии, М., 1952 г.) получения силицида магния (Mg₂Si) путем взаимодействия двуокиси кремния с магнием:

Этот способ не находит практического применения из-за большого тепловыделения (92 ккал/моль), приводящего к взрыву, что делает реакцию трудноуправляемой.

Известен способ получения силицида магния из металлургического кремния (Пат. RU № 2295802 С2 от 20.03.2007 г.) по реакции:

При этом реагенты нагревают до температуры свыше 1420°С, что значительно превышает температуру плавления Mg₂Si (t_пл.=1102°С) и температуру кипения магния (t_кип.=1100°С). Такие температуры, по мнению заявителей патента, необходимы для полного расплавления кремния (t_пл.=1420°С). Дальнейшие этапы реакции осуществляются при высокотемпературной выдержке расплавленных ингредиентов в течение 1 часа, в атмосфере аргона, при давлении 2-30 атм. После чего осуществляется медленное охлаждение продуктов реакции до комнатной температуры.

Недостатком известного способа является то, что при указанной температуре реакции, даже в заданном диапазоне давлений в реакторе, будет происходить интенсивное испарение кипящего магния, что из-за нарушения стехиометрии будет приводить к затруднению в управлении процессом. Кроме того, примеси, содержащиеся в металлургическом кремнии, при этом не исчезают, а переходят в образующийся силицид магния, что требует дальнейших сложных процессов для их выведения.

Известен способ получения силицида магния, применяемый японской фирмой KOMATSU MFG CO LTD («Моносилан в технологии полупроводниковых материалов». Обзорная информация, серия «Элементорганические соединения и их применение», НИИЭТХИМ, Химическая промышленность, 1989 г.). В указанном способе получение силицида магния из металлургического кремния проводят в инертной среде, по реакции (2), описанной в предыдущем аналоге, но при температуре 550-600°С. Способ является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявленному техническому решению и принят за прототип.

Существенным недостатком способа-прототипа также является отсутствие возможности очистки силицида магния от примесей, вводимых вместе с металлургическим кремнием, что требует последующей многоступенчатой очистки.

Целью предлагаемого технического решения является получение силицида магния с повышенной чистотой.

Указанный технический результат достигается тем, что реакция получения силицида магния осуществляется при непрерывном перемешивании ингредиентов, в виде дисперсных частиц кремниевой кислоты (H₂SiO₃) и кремнекислого магния

(MgSiO₃) с кусковыми фрагментами магния (Mg). Причем соотношение масс перемешиваемых компонентов смеси следующее:

M_(H2SiO3):M_MgSiO3:M_Mg=1,0:(0÷1,0):(1,0÷1,5)

при этом максимальный размер частиц кремнийсодержащих компонентов не превышает 2 мм, а соотношение размеров последних с размерами кусковых фрагментов магния определяется выражением:

D_{(MgSiO3) (Н2SiO3)}:D_Mg=1:(10÷20)

Скорость проведения реакции увеличивается в температурном интервале реакционной зоны 650-800°.

Необходимость использования, при получении силицида магния, в качестве кремнийсодержащего сырья, кремниевой кислоты Н₂SiO₃ и кремнекислого магния MgSiO₃ вызвана чистотой исходных компонентов по сравнению с металлургическим кремнием.

Соотношение масс реагирующих компонентов: М_(H2SiO3):M_MgSiO3:M_Mg=1,0:(0÷1,0):(1÷1,5) определяется из стехиометрии общей реакции (3):

Из соотношения следует, что при отсутствии реагирующего ингредиента MgSiO₃ образование силицида магния пойдет по реакции (4):

что приводит к двукратному снижению массы реагирующего магния. Образующаяся в результате реакций (3, 4) окись магния, существенно отличающаяся от силицида магния размером зерна и плотностью, удаляется из образующейся смеси продуктов реакций физическими методами, например рассевом через набор сит, седиментацией в инертных жидких средах или сегрегацией в потоке газов.

Получение силицида магния по реакции (3) сопровождается значительным выделением тепла, что, при одновременном (объемном) взаимодействии частиц магния с кремниевой кислотой или окислами кремния, приводит к неуправляемой взрывной реакции. Для снижения тепловыделения, при взаимодействии частиц кремниевой кислоты или окиси кремния с магнием, последний вводится в реакцию в виде кусковых фрагментов, что препятствует полной объемной реакции, приводящей к взрыву, т.к. в восстановлении участвуют только те частицы кремниевой кислоты, которые находятся в непосредственном контакте с магниевым фрагментом. Для проведения полной, объемной реакции, смесь частиц необходимо перемешивать для возобновления контактов магниевых кусковых фрагментов с новыми, ранее непрореагировавшими частицами кремниевых оксидов. Перемешивание может производиться, например, во вращающихся или качающихся реакторах. Процесс перемешивания, как и весь процесс реакции в целом, проводится до полного исчезновения («съедания») кусковых фрагментов магния.

Максимальный размер частиц двуокиси кремния 2 мм и соотношение размеров последних с размерами кусковым фрагментам магния:

D_{(MgSiO3) (H2SiO3)}:D_Mg=1:(10÷20)

определялось опытным путем, из соображений минимизации выделяемого при реакции восстановления тепла, для оптимизации времени проведения магнийтермической реакции. Взаимодействие магния с частицами двуокиси кремния размером свыше 2 мм приводит к локальному минивзрыву. Размер кусковых фрагментов магния менее десятикратного размера частиц кремниевой кислоты также приводит к минивзрыву из-за большой поверхности межчастичного взаимодействия. Более чем двадцатикратное увеличение размеров кусковых фрагментов магния по отношению к частицам двуокиси кремния приводит к необоснованному увеличению общего времени реакции.

Проведение реакции синтеза силицида магния в температурном интервале 650-800°С обосновано необходимостью регулирования скорости проведения реакции, которая определяется контактным взаимодействием кремнийсодержащих частиц с фрагментами магния. Нагрев реакционной зоны в температурном интервале 650-800°С приводит к плавлению магния и «растеканию» фрагментов последнего в объеме реакционной зоны и соответственно увеличению вероятности его взаимодействия с кремнийсодержащими частицами.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна». Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень». Сущность изобретения поясняется примером практической реализации способа.

Пример практической реализации

Предлагаемое техническое решение конкретно осуществлялось при получении силицида магния при прокалке в среде водорода следующих компонентов: Н₂SiO₃+MgSiO₃+8Mg=2Mg₂Si+5MgO+H₂O

Пример 1. Размер частиц кремниевой кислоты и кремнекислого магния не превышал 1,5 мм, а размер фрагментов магния не превышал 20 мм. Реакция проводилась при температуре 650°С во вращающейся печи с нихромовым нагревателем. Скорость вращения печи составляла 5 об/мин. Навеска шихты реакции включала следующие компоненты: кремниевая кислота 2 кг, кремнекислый магний 2 кг, кусковой магний 3 кг. Время прокалки 8 часов.

Пример 2. Во втором эксперименте температура реакционной зоны (при прочих равных параметрах) увеличивалась до 800°С. При этом время проведения реакции сократилось до 6 часов.

Пример 3. В третьем эксперименте получение силицида магния производилось с соблюдением режима первого примера по реакции с нулевым содержанием кремнекислого магния H₂SiO₃+4Mg=Mg₂Si+2MgO+Н₂О

В результате трех реакций, проведенных с указанными параметрами, получены смеси Mg₂Si и MgO. Окись магния удалялась путем рассева продуктов реакции через сито 0,35. После проведения химического анализа остаточных реагентов Н₂SiO₃, MgSiO₃ и MgO в продуктах реакции не обнаружено. Не обнаружено также иных примесей. Указанный пример реализации подтверждает соответствие заявленного способа условию «изобретательский уровень».

Изобретение может быть использовано для получения моносилана в производстве кремния полупроводникового или электронного качества и синтеза кремнийорганических соединений. Способ заключается во взаимодействии дисперсных частиц кремниевой кислоты и кремнекислого магния с кусковыми фрагментами магния в инертной среде при непрерывном перемешивании и температуре 650-800°С. Соотношение масс перемешиваемых компонентов смеси: M_(H2SiO3):M_(MgSiO3):M_(Mg)=1,0:(0÷1,0):(1÷1,5). Максимальный размер частиц кремнийсодержащих компонентов не превышает 2 мм, а соотношение размеров последних с размерами кусковых фрагментов магния: D_{(MgSiO3) (H2SiO3)}:D_(Mg)=1:(10÷20). Изобретение позволяет получать силицид магния с повышенной чистотой. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения силицида магния путем термического взаимодействия в инертной среде дисперсных частиц металлургического кремния и магния, отличающийся тем, что реакция получения силицида магния осуществляется при непрерывном перемешивании ингредиентов в виде дисперсных частиц кремниевой кислоты H₂SiO₃ и кремнекислого магния MgSiO₃ с кусковыми фрагментами магния Mg, причем соотношение масс перемешиваемых компонентов смеси следующее:

максимальный размер частиц кремнийсодержащих компонентов не превышает 2 мм, а соотношение размеров последних с размерами кусковых фрагментов магния определяется выражением

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что синтез силицида магния проводят в температурном интервале 650-800°С.