Разделение изотопов кремния химическим обменом между тетрафторидом кремния и его комплексным соединением с триметилфосфатом

• Автор: Иванова, Светлана Николаевна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 210 с. : ил.

Введение.

1 Литературный обзор

1.1 Основные свойства, области применения и технология изготовления моноизотопного кремния.

1.1.1 Теплопроводность кремния и его применение в микроэлектронике

1.1.2 Уточнение постоянной Авогадро

1.1.3 Создание квантового компьютера.

1.1.4 Другие области применения изотопнообогащенного

кремния

1.1.5 Технология получения моноизотопного кремния

1.2 Методы разделения изотопов кремния

1.2.1 Газоцентробежное разделение

1.2.2 Электромагнитное разделение
1.2.3 Термодиффузионное разделение.
1.2.4 Ректификация кремнийсодержащих соединений
1.2.5 Лазерное разделение
1.2.6 Химический изотопный обмен.
1.2.6.1 Общие сведения.
1.2.6.2 Выбор рабочих систем для метода ХИО
1.2.6.3 Мольное отношение как один из основных
признаков применимости растворителя
1.2.6.4 Строение комплексных соединений тетрафторида кремния .
1.2.6.5 Свойства комплсксообразователей алифатических спиртов и их соответствующих соединений с тетрафторидом кремния .
1.2.6.6 Однократный эффект разделения
1.2.6.7 Результаты применения метода химического изотопного обмена для разделения изотопов кремния в лабораторных условиях
1.2.6.8 Полнота обращения потоков при осуществлении процесса химобмена в системах Р4 Р4п1ЮН.
1.2.6.9 Недостатки химобменных систем на основе алифатических спиртов
1.3 Выводы из литературного обзора и задачи исследования
2 Физикохимические свойства комплексообразователсй и комплексов тетрафторида кремния на их основе. Фазовое равновесие в системах 1р4 Р4пСНззР и
Р4 8р4пС5НцОН. Влияние температуры
2.1 Физикохимические свойства тетрафторида кремния, триметилфосфата и пентанола1.
2.1.1 Тетрафторид кремния Р
2.1.2 Триметилфосфат СНР и пентанол1 С5Н, 1ОН
2.2 Подготовка реактивов
2.2.1 Общие сведения
2.2.2 Синтез тетраф горида кремния
2.2.2.1 Методы синтеза тетрафторида кремния и анализ
возможности их реализации
2.2. Результаты предварительных опытов синтеза
тетрафторида кремния.
2.2.2.3 Используемые методики синтеза
2.2.3 Порядок подготовки органических
комплексообразователей
2.2.4 Определение массовой доли воды в органических растворителях методом кондуктометрического титрования реактивом Фишера
2.2.5 Очистка комплексообразователей методом ректификации
при пониженном давлении
2.3 Мольное отношение комплексов тетрафторида кремния с органическими растворителями.
2.3.1 Общие сведения.
2.3.2 Насыщение комплексообразователя путем пропускания
через него потока тетрафторида кремния методика
2.3.3 Насыщение комплексообразователя тетрафторидом
кремния под давлением методика 2.
2.3.4 Расчет мольного отношения при использовании
методики 1
2.3.5 Расчет мольного отношения при использовании
методики 2.
2.3.6 Влияние методики синтеза тетрафторида кремния на
мольное отношение
2.3.7 Методические особенности измерения мольного
отношения при использовании методики 1
2.3.8 Влияние скорости уноса паров комплексообразователя на величину мольного отношения
2.3.9 Анализ побочных процессов при насыщении пентанола
и ТМФ тетрафторидом кремния
2.3. Температурная зависимость величины мольного отношения комплексов тетрафторида кремния с
органическими комплексообразователями
2.4 Плотность комплексных соединений тетрафторида кремния с пентанолом1 и триметилфосфатом.
2.5 Вязкость комплексных соединений Р4пС5НцОН и 1Е4пСНззР
2.5.1 Определение температуры кристаллизации СНцОН,
Р4 пС5НмОН, СНз3Р и Р4 пСНз3Р.
2.5.2 К вопросу о строении комплексных соединений тетрафторида кремния с триметилфосфатом.
2.5.3 Расчет энтальпии образования комплексного соединения Р4пСНз3РО,
3 Изотопное равновесие в системах 8Р4 8Р4пС5НцОН и Р4 Р4пСНР определение коэффициента разделения изотопов кремния. Влияние температуры на величину коэффициента разделения
3.1 Схема установки для определения коэффициента разделения изотопов кремния методом однократного уравновешивания.
3.2 Изотопный анализ проб газовой фазы и способ расчета коэффициента разделения изотопов кремния
3.3 Температурная зависимость коэффициента разделения изотопов кремния в системах 8Р4 ЗЬТпСзНцОН и
8Р4 8Р4 пСН3зР.
3.4 Расчет термодинамических характеристик реакции изотопного обмена из данных о величине коэффициента разделения в системе тетрафторид кремния его комплексное соединение с пентанолом1 или триметилфосфатом.
4 Полнота обращения потоков в системе
З Н 8К4пСНззРЖ.
5 Умножение однократного эффекта разделения изотопов кремния методом химического изотопного обмена в насадочной колонне
5.1 Общие сведения.
5.2 Схема, параметры установки для разделения изотопов
кремния методом ХИО и порядок проведения экспериментов.
5.3 Особенности подготовки комплексообразователя и
проведения экспериментов.
5.4 Условия и результаты разделения изотопов кремния в экспериментах с использованием триметилфосфата в качестве комплексообразователя
5.5 Обработка и обсуждение результатов процесса разделения изотопов кремния в насадочной колонне
5.5.1 Методика расчета массообменных характеристик
системы i4 i4
5.5.2 Оценка величины коэффициента разделения по данным
работы колонны изотопного обмена
5.5.3 Влияние нагрузки на эффективность массообмена
5.5.4 Влияние температуры
5.5.5 Полнота нижнего обращения потоков
5.5.6 Особенности организации процесса разделения изотопов кремния
5.6 Сравнение химобменных систем i4 i4 пСНз3Р и i4i.5,,.
Список литературы.
Введение


Что касается применения моноизотпоного кремния в изготовлении сверхрешеток, то Остеном и сотрудниками было показано, что ширина перехода в кремнии в зависимости от изотпоного состава может составлять порядка нескольких нм. Анализируя вышеупомянутые области использования изотопов кремния, можно отметить, что применение его изотопов весьма разнообразно, и расширяется с развитием науки и техники, именно это определяет необходимость производства изотопнообогащенного кремния в промышленных количествах. Как уже было упомянуто, для практического применения необходим в основном монокристаллический моноизотопный кремний. Поскольку наибольшее количество такого кремния 8 на данный момент наработано в рамках проекта Авогадро, то основные стадии его получения изложены согласно упомянутому проект. Процесс получения моноизотопного монокристаллического кремния включает в себя несколько основных стадий, представленных на рис. Рис. В качестве исходного соединения используют тетрафторид кремния. Стадия синтеза и очистки исходных компонентов заключается в превращении металлического кремния в гексафторсиликат натрия, последующем термическом разложении гексафторсиликата натрия до тетрафторида кремния и очистке получившегося тетрафторида кремния методом низкотемпературной ректификации 5,. Анализ примесей в тетрафториде кремния осуществляют методами массспсктромегрии и газовой хроматографии . Далее очищенный тетрафторид кремния подвергается газоцентробежному обогащению. По данным анализа после центробежного обогащения количество примесей превышает их концентрация находится в интервале 5 0,2 мол. Основной примесыо является 2Р и другие продукты гидролиза тетрафторида кремния . Па следующей стадии Р4 превращают в силан с помощью реакции нуклеофильного замещения с СаН2 5,,,, возможен процесс с МаА1Н4 9. Количество примесей на стадии синтеза силана возрастает до , причем основными являются фторсодержащие примеси и углеводороды СС4 5. Силан подвергают глубокой очистке низкотемпературной ректификацией , сорбционным способом или фильтрацией , . После очистки из силана путем пиролитического разложения в газовой фазе при температуре около 0 С на вертикально расположенный
стержень, изготовленный из , осаждают поликристаллический кремний 5, , , . В литературе имеются данные об осаждении эпитаксиального слоя кремния на подложку из молибдена . В полученном поликристалле наблюдается относительно высокое содержание углерода и кислорода, поэтому поликристалл очищают методом бестигельной зонной плавки в вакууме и в атмосфере аргона 5. Наряду с указанным методом для очистки используют метод Чохральского . Далее методом бестигельной зонной плавки получают монокристалл кремния 5, , . Интересным представляется обобщение данных о достигнутой изотопной чистоте и количестве полученных изотопнообогащенных соединений кремния за последние годы табл. Из данных табл. Авогадро находится на уровне более , . Таблица 1. Образец Чистота, ат. Возможно, что в дальнейшем это приведет к некоторому упрощению технологии получения и очистки монокристаллического кремния. На данный момент центробежный метод является основным для получения изотопов кремния в промышленных количествах. Авогадро моноизотопный Б1 получали на протяжении многих лег небольшими партиями порядка нескольких сотен грамм . Рабочее вещество в центробежной технологии разделения должно удовлетворять требованиям по молекулярной массе от до 0, термической стабильности и иметь давление насыщенного пара при комнатной температуре более мм рт. Соединение не должно быть коррозионноактивным но отношению к материалам используемого оборудования . Кроме того, желательно, чтобы в газовом соединении было как можно меньше изотопных перекрытий. Авторы , предлагали в качестве альтернативного рабочего вещества использовать БШСЬ трихлорсилан по причине того, что в технологии полупроводникового кремния в России он использовался в качестве исходного кремнийсодержащего вещества для получения полупроводникового кремния 9,. Однако в молекуле трихлорсилана присутствуют изотопных разновидностей, а многокомпонентность является нежелательным фактором для изотопного разделения газоцентробежным методом, поэтому был сделан вывод о невозможности замены Р4 на ЭП Юз .