Способ получения моносилана

 

Изобретение относится к способам конверсии тетрафторида кремния в моносилан и фторид водорода. Использование: в микроэлектронной промышленности для получения моносилана, как сырье для производства поликристаллического кремния высокой чистоты. Сущность изобретения: смесь тетрафторида кремния и водорода конвертируют во фторсиланы путем возбуждения неконтрагированного сверхвысокочастотного разряда. Смесь фторсиланов направляют в колонну со фторидом натрия, находящегося при температуре 280 350°С, где осуществляют конверсию фторсиланов в моносилан. Образующуюся смесь направляют во вторую колонну с фторидом натрия при температуре 100 150°С, где проводят сорбцию фторида водорода. Регенерацию фторида натрия в первой и второй колоннах ведут при температуре 550 600°С и 450°С соответственно. 1 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к способам получения соединений кремний, а именно моносилана, используемого в микроэлектронной промышленности как сырье для производства поликристаллического кремния высокой чистоты.

Наиболее близким к изобретению является способ конверсии тетрафторида кремния в моносилан и фторид водорода. Способ реализуется путем плазменно-водородной обработки тетрафторида кремния с образованием смеси фторсиланов общей формулы SiHxF4-x, в котором основная масса кремния содержится в виде SiF3H с небольшим количеством SiF2H2, SiFH3 и SiH4. Полученную смесь SiHxF4-x, HF и H2 пропускают через колонку с фторидом натрия при температуре 200-250оС. При этом протекают химические реакции, описываемые следующими уравнениями: 4SiF3H+6NaF __ 3Na2SiF6+SiH4 (1) 2SiF2H2+2NaF __ Na2SiF6+SiH4 (2) 4SiH3F+2NaF __ Na2SiF6+3SiH4 (3) NaF+HF __ NaHF2 (4) Выход моносилана в первой, второй и третьей реакциях составляет 25, 50 и 75% от всего кремния, вступающего в процесс соответственно.

Фторид водорода, сорбированный фторидом натрия в виде гидрофторида натрия NaF HF, выделяют нагреванием колонки до 400-650оС при пониженном давлении.

Известный способ имеет ряд недостатков, препятствующих его широкой промышленной реализации.

Невысокая степень конверсии тетрафторида кремния во фторсиланы (преимущественно получается SiF3H) из-за конкурирующей рекомбинации водорода. Поэтому за один цикл только 25% SiF4 конвертируется в SiH4. Следовательно 75% исходного сырья возвращается в виде Na2SiF6 на последующую переработку, заключающуюся в разложении на SiF4 и NaF и последующей конверсии SiF4 по вышеизложенному способу. Следовательно интегральная производительность процесса по конечному продукту SiH4составляет около 25% от теоретического.

При пропускании смеси SiHxF4-х и HF через слой таблеток NaF при температуре 200-250оС протекают реакции (1-4). При этом постепенно происходит, во-первых, снижение емкости колонны по фторсиланам, а во-вторых, при взаимодействии фторсиланов с фтористым водородом, сорбированным на NaF, могут протекать побочные реакции, описываемые уравнением типа (для одного их фторсиланов SiF2H2) 2NaFHF+SiF2H2__ SiF4+2H2+2NaF (5) из-за которых уменьшаются выход целевого продукта силана и производительность процесса.

Режим сорбционной конверсии фторсиланов на NaF в моносилан при 200-250оС характеризуется сравнительно низкой производительностью как из-за низкой скорости собственно конверсии, так и из-за конкурирующей сорбции HF. Это уменьшает производительность процесса и приводит к повышению затрат на производство моносилана.

Предлагаемый способ заключается в том, что смесь SiF4 с водородом превращают в неравновесную плазму неконтрагированного сверхвысокочастотного разряда, характеризующуюся высокой электронной (Те) и колебательной (Tv) температурами и сравнительно низкой температурой газа (Тg), так что Te > Tv > Tg. При этом Те достигает величин около 8000-10000оС, Tv около 4000оС, а температура газа в зависимости от давления находится в диапазоне 300-3000оС.

В этих условиях SiF4 при взаимодействии с атомарным водородом конвертируется преимущественно в смесь SiF2H2 и SiFH3. Это позволяет на стадии сорбционной конверсии фторсиланов в моносилан (реакции 1-3) увеличить выход моносилана до 50-70% от теоретического, т.е. в 2-3 раза.

Продукты реакции в неравновесной плазме, представляющие собой смесь преимущественно SiF2H2 и SiFH3, избыточный водород, следы SiF4 и SiH4, направляют в теплообменник, где газовая смесь релаксирует к состоянию обычной газовой смеси с температурой 400-600оС. Образовавшуюся газовую смесь направляют в первую колонну, наполненную пористым фторидом натрия. Температура в первой колонне поддерживается в диапазоне 280-350оС. Эта температура обеспечивает приемлемые полноту и скорость сорбционной конверсии фторсиланов в моносилан по реакциям (1-3) и подавляет конкурирующий процесс сорбции фторида водорода. В результате устраняется побочная реакция (5). Время контакта фторсиланов с фторидом натрия в первой колонне составляет не менее 1 с, затем смесь SiH4, HF и Н2 направляют во вторую колонну с NaF, температуру в которой поддерживают на уровне 100-150оС. Здесь происходит количественная сорбция фторида водорода. Указанный диапазон температур обеспечивает оптимальную полноту сорбции фторида водорода.

На заключительной стадии процесса смесь моносилана и водорода направляют в стержневую печь для получения кремния.

Первую колонну с NaF после насыщения тетрафторидом кремния и образование Na2SiF6 отключают от системы и переводят в режим регенерации при температуре 550-600оС и пониженном давлении производят разложение Na2SiF6, при этом регенерируют NaF и освобождают SiF4 для последующего включения в цикл конверсии.

Вторую колонну с NaF, на которой улавливают HF, после насыщения фторидом водорода отключают от системы и переводят в режим регенерации ее нагревают до температуры 350-450оС при пониженном давлении. При этом протекает десорбция HF. Выделившийся фторид водорода конденсируют в баллон с запорной аппаратурой.

П р и м е р. 0,25 кг (57,7 нл) SiF4 смешивают с водородом в зоне сверхвысокочастотного разряда (частота 2400 МГц). Тетрафторид кремния, содержащий 99,99% SiF4, H2O 510-4% HF 310-3% CO2 10-3% H2SiF6510-3% CF4 210-4% SO2 10-3% Мольное соотношение SiF4/H2 1/5. Давление в зоне образования (Si-F-H)-плазмы составляет 150 Торр. Разряд имеет ярко выраженную неконтрагированную форму. Колебательная мощность 4 кВт. Разряды такого типа в молекулярных газах характеризуются неравномерностью плазмы (Те 10000оС, Tv 4000оС, Tg 1000оС).

Смесь на выходе из реактора содержит смесь фторсиланов брутто-формулы SiH1,8F2,2. Эту смесь направляют в колонну с NaF, нагретым до температуры 330оС. Линейная скорость движения смеси SiH1,8F2,2, HF и H2 через колонну диаметром 0,2 м составляет при расходе 0,026 нм3/с около 7,05 м/с. Время контакта фторсилана с фторидом натрия составляет не менее 1 с. Выход SiH4 составляет 40,3% от теоретического.

Чистота SiH1,8F2,2 составляет по данным масс-спектрометрического анализа, B 710-5, O 210-4, Na 810-5, F 910-6, S 410-6, Cl 410-5, K 210-5, Ca 310-5, Sc 210-5, Cr 610-5, P 9 10-6, Fe 5 10-5, Ni 3 10-5, Cu 9 10-5, Zr 6 10-5, As 4 10-5, Ag 5 10-7, Ba 2 10-6, Hf 5 10-6, W 910-6.

Содержание ряда примесей (Fe, J, Cs, La, Pr, Na, Sm, Eu, Ca, Tb, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Re, Os, Yr, Pt, Au, Hg, Te, Bi, Th) меньше 10-6(условный нуль).

Чистота полученного силана по данным масс-спектрометрических исследований, B 3 10-6, C 10-5, O 2 10-5% P 5 10-5, S 6 10-6, Cl 10-5, K 2 10-6, Ca 3 10-6, Ge 7 10-5, As 4 10-5, Sc 2 10-6, Zr 6 10-6, Sn 5 10-6. По остальным примесям содержание < 10-.

Затем смесь SiH4, HF и H2 направляют во вторую колонну с фторидом натрия, температура которой 100оС, здесь происходит количественная сорбция фторида водорода.

После насыщения тетрафторидом кремния и образования Na2SiF6 первую колонну с NaF отключают от системы и переводят в режим регенерации при температуре 575оС и давлении меньше 1 Торр производят разложение Na2SiF6, при этом регенерируют NaF и освобождают SiF4 для последующего включения в цикл конверсии.

Вторую колонну с NaF, на которой улавливают Hf, после насыщения фторидом водорода отключают от системы и переводят в режим регенерации, ее нагревают до температуры 400оС при пониженном давлении. При этом протекает десорбция фторида водорода. Выделяющийся фторид водорода конденсируют в баллон с запорной арматурой. Температура в диапазоне 280-350оС является оптимальной для осуществления процесса сорбционной конверсии фторсиланов в моносилан на фториде натрия. При температуре ниже 280оС выход моносилана уменьшается вследствие протекания конкурирующей сорбции фторида водорода (реакция 4) и побочной реакции (5) взаимодействия фторсиланов с фторидом водорода, сорбированным на фториде натрия. При повышении температуры фторида натрия выше 350оС начинает протекать реакция разложения моносилана на водород и кремний.

Не c NaF обеспечивает полноту сорбции фторида водорода. Как ниже, так и выше этой температуры процесс хемосорбции фторида водорода протекает с выходом, меньшим чем 99% от теоретического. Ниже 100оС образуются легкоплавкие полигидрофториды натрия NaF nHF (n 2-4), разрушающие сорбент.

Процессы регенерации фторида натрия в первой колонне, как показывают экспериментальные результаты, наиболее полно протекают при температуре 550-580оС и давлении 1 Торр. При более высокой температуре наблюдаются спекание гранул фторида натрия и ухудшение его сорбционных свойств в последующих циклах, а при температурах ниже 550оС значительно увеличивается продолжительность десорбции SiF4.

Предлагаемый режим регенерации фторида натрия во второй колонне 350-450оС обеспечивает высокую скорость и полноту десорбции фторида водорода. При температуре ниже 350оС значительно возрастает продолжительность десорбции, а более высокая температура нежелательна из-за дополнительных энергозатрат.

Реализация предлагаемого способа позволяет устранить эти недостатки, то есть повысить выход моносилана и увеличить производительность процесса.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОСИЛАНА, включающий плазменно-водородную обработку тетрафторида кремния, пропускание образовавшейся смеси фторсиланов и фторида водорода через слой предварительно нагретого фторида натрия до образования моносилана, фторсиликата натрия и гидрофторида натрия, регенерацию слоя фторида натрия при повышенной температуре и пониженном давлении, отличающийся тем, что обработку тетрафторида кремния ведут в смеси с водородом в плазме неконтрагированного сверхвысокочастотного неравновесного разряда, пропускание образовавшейся смеси ведут сначала через слой фторида натрия, не содержащего фторид водорода, при 280-350oС, затем через второй слой фторида натрия при 100-150oС, регенерацию первого слоя ведут при 550-600oС и давлении менее 1 торр и второго слоя при 350-450oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что неконтрагированный сверхвысокочастотный разряд в смеси тетрафторида кремния и водорода возбуждают при пониженном давлении, при котором температура электронного газа выше температуры колебательного возбуждения и температуры газа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам получения моносилана

Изобретение относится к получению кремнеземной реакционной массы в виде свободнотекущего порошка с содержанием меди менее 2%, используемого для получения метилхлорсиланов

Изобретение относится к способу получения моносилана высокой степени чистоты, пригодного для формирования тонкопленочных полупроводниковых изделий, а также поли- и монокристаллического кремния высокой чистоты различного назначения (полупроводниковая техника, солнечная энергетика)

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении кремния

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к получению силанов, и может быть использовано в производстве поликристаллического кремния, а также полупроводниковых структур методами газовой эпитаксии

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к устройствам для проведения гетерогенных процессов между твердым телом и газом
Изобретение относится к технологии получения моносилана, который может быть использован при получении особо чистого полупроводникового кремния
Изобретение относится к способу получения силана, применяемого в полупроводниковой промышленности
Изобретение относится к технологии получения полупроводникового кремния, а также к технологии формирования различных кремнийсодержащих слоев в микроэлектронике
Изобретение относится к технологии получения полупроводникового кремния, а также к технологии формирования различных кремнийсодержащих слоев в микроэлектронике

Изобретение относится к способу получения моносилана высокой чистоты и низкой стоимости, пригодного для формирования тонких полупроводниковых и диэлектрических слоев, а также поли- и монокристаллического кремния высокой чистоты различного назначения
Наверх