Разработка и исследование метода синтеза трихлорсилана по реакции гидрирования тетрахлорида кремния в водородной плазме

• Автор: Корнев, Роман Алексеевич
• Шифр специальности: 02.00.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 130 с. : ил.

1.1. Химические методы синтеза хлорсиланов и силана из тетрахлорида кремния

1.1.1. Гидрирование вЮЦ с использованием высокоактивных восстановителей

1.1.2. Гидрирование С при высоких температура

1.1.3. Гидрирование 8Ю с использованием катализаторов

1.1.4. Сравнительный анализ методов гидрирования БЮЦ.

1.2. Термодинамика реакций восстановления хлорсиланов водородом.

1.3. Особенности восстановления тетрахлорида кремния в плазме.

1.3.1. Плазмохимические методы восстановления тетрахлорида кремния

1.3.2. Термодинамика плазмохимического восстановления тетрахлорида кремния.

1.3.3. Некоторые характерные особенности плазмообразующих газов Н2, Аг и Не

1.3.4. Специфика плазмы в электроотрецательных газах.

Глава 2. Разработка методики водородного восстановления тетрахлорида
кремния в ВЧразряде.
2.1. Подготовка плазмообразующего газа и
выбор типа разряда.
2.1.1. Методика подготовки водорода и СЦ.
2.1.2. Устройство смешения реагентов.
2.1.3. Выбор типа разряда для проведения плазмохимического восстановления С.
2.2. Стадии формирования реакционной плазмы и оптимизация реакционной камеры
2.2.1. Стадии формирования реакционной плазмы
2.2.2. Оптимизация реакционной камеры
Глава 3. Исследование выхода трихлорсилана от параметров процесса
плазмохимического гидрирования 8Ю
3.1. Зависимость выхода трихлорсилана от удельного энерговклада
3.1.1. Установка для плазмохимического синтеза
трихлорсилана
3.1.2. Определение мощности вкладываемой в разряд и температуры газа в плазме
3.1.3. Определение удельного энерговклада и удельных энергозатрат.
3.2. Зависимость выхода продуктов реакции от мольного
соотношения Н2СЦ и давления в реакционной зоне
3.2.1. Зависимость выхода трихлорсилана и кремния от соотношения ЕЦЛЗЮЦ.
3.2.2. Зависимость выхода трихлорсилана от давления в реакторе.
3.2.3. Обсуждение механизма образования трихлорсилана
в ВЧразряде.
Глава 4. Исследование поведения углеродсодержащих примесей
в процессе плазмохимического гидрирования тетрахлорида кремния
4.1. Исследование взаимодействия четыреххлористого углерода с тетрахлоридом кремния и водородом в ВЧразряде
при сравнимых концентрациях
4.1.1. Методика эксперимента.
4.1.2. Явления, наблюдаемые в ходе эксперимента
4.2. Исследования поведения примесей четыреххлористого углерода и хлороформа в процессе плазмохимического восстановления тетрахлорида кремния
4.2.1. Исследование поведения примесей ССЦ и СНС1з от давления .
4.2.2. Исследование поведения примесей ССЦ и СНСЦ от мольного соотношения НзБЮЦ
4.2.3. Оценка коэффициента разделения а для примеси ССЦ
Глава 5. Исследование процессов разделения водородсодержащих
смесей на мембранах из сплавов на основе палладия
5.1. Исследование водородопроницаемости и разделительной способности сплава Рб 1п 5,5 Яи 0,5.
5.1.1. Исследование водородопроницаемости сплава
Рб1п Яи.
5.1.2. Исследование разделительной способности сплава
Рб1п Яи.
5.2. Исследование водородопроницаемости и разделительной
способности сплава Рб Яи 6.
5.2.1. Исследование водородопроницаемости сплава
5.2.2. Исследование разделительной способности сплава
РсИи.,.
5.3. Разработка технологической схемы безотходного метода синтеза трихлорсилана в водородной плазме.
5.3.1. Установка для переработки хлористого водорода
5.3.2. Технологическая схема безотходного метода синтеза трихлорсилана.
ЛИТЕРАТУРА
Введение


Целью настоящей работы является разработка и исследование метода, сочетающего процесс синтеза высокочистого трихлорсилана по реакции плазмохимического гидрирования тетрахлорида кремния с отделением водорода от хлорсиланов диффузией через металлические мембраны. Данные исследования включают в себя выбор типа разряда, подготовку плазмообразующего газа, оптимизацию реакционной камеры. Необходимость этих исследований объясняется сильным различием характеристик, описанных в литературе, плазмохимических методов водородного восстановления тетрахлорида кремния, что обусловлено многообразием возможных вариантов реализации данного процесса, а так же недостаточно полной информацией, имеющейся в патентах и статьях. Глава 1. Литературный обзор. Химические методы синтеза хлорсиланов и силана из тетрахлорнда кремния. Необходимость перевода тетрахлорида кремния в хлорсиланы и в первую очередь в трихлорсилан обусловлена тем, что методы металлотермического и водородного восстановления i4 до кремния оказались не перспективными. Метод металлотермического восстановления не позволяет получить кремний достаточно высокой чистоты, а метод водородного восстановления тетрахлорида кремния требует высоких энергозатрат кВт чкг против кВт чкг при восстановлении из i3 2. Столь высокие энергозатраты при восстановлении i4 объясняются высокой прочностью связи ii энергия разрыва связи Есв7 кДжмоль. Отделяя процесс восстановления i до i3 от процесса восстановления i3 до кремния, появляется возможность дополнительной очистки трихлорсилана, а так же возможность перевода i3 в силан, по методу диспропорционирования трихлорсилана на ионообменных смолах, и очистки силана. Это позволяет получать высокочистый кремний полупроводникового качества. Гидрирование С с использованием высокоактивных восстановителей. Впервые изучение восстановления БЮЦ было проведено в работах 8. Так восстановление БЮЦ водородом Н2 С1 над алюминием при 0С позволяет получить Н2С и 8ШС. Восстановление НС в соотношении Н2НС1з2 над измельченным алюминием при 0С получается смесь кремнийгидридов, содержащая Н4, Н3С1 и Н2С. Структура исходного хлорсилана оказывает существенное влияние на скорость восстановления. СНС СНЮ НС вЮЦ. В была установлена возможность восстановления хлорсиланов водородом при С при пропускании смеси их над кремнием, содержащим небольшое количество хлористого и бромистого алюминия. По данным работы , ЭЮЦ Выше 0С над ферросилицием дает НС с выходом до . Применение в данном случае в качестве катализаторов меди и никеля позволяет ускорить реакцию. Известен способ восстановления тетрахлорида кремния гидридом титана . Реакция проходит при температуре 0С С путем пропускания газообразной смеси, содержащей 3 тетрахлорида кремния, водорода и аргона над гидридом титана. Продукты реакции содержат трихлорсилана, дихлорсилана, монохлорсилана и 8 моносилана. В тетрахлорид кремния и водород в молярном соотношении 1, при нормальном давлении, пропускают при температуре С через микропористые частицы силицида кремния, содержащие металл. Основной недостаток рассмотренных способов необходимость переработки побочных продуктов реакции хлоридов металлов алюминия, магния, титана. В работах описано восстановление тетрахлорида кремния алюмогидридом лития. ИСЦ 1ЛА1Н Н4 ПС 1 А1С. Реакция протекает необратимо. Выход моносилана достигает . Реакцию не удается остановить на стадии образования промежуточных продуктов даже при низких температурах, большом избытке тетрахлорида или другими способами. Для восстановления также могут быть использованы алюмогидриды натрия, калия, кальция. В качестве восстановителей могут быть использованы дешевые гидриды натрия и лития. При взаимодействии их с тетрахлоридом кремния требуется специальная активация предварительная обработка в кислотах. Для гидрида лития процесс осуществляют при температуре 0С в расплаве солей эфтектическая смесь хлоридов лития и калия и соответственно . БЮЦ ЛН Н4 4ЫС1. К недостаткам метода относятся высокие энергозатраты и значительное загрязнение продукта примесями щелочных металлов. Использование в качестве катализаторов соединений алюминия или бора позволяет проводить взаимодействие тетрахлорида кремния с гидридом натрия при температуре до 0С и выходом моносилана до .