Пиролиз кремнийсодержащих соединений

Наиболее известным методом из этой подгруппы является термическое разложение силана:

SiH₄          Si + 2 H₂.

 

Другой известный способ пиролиза - разложение тетраиодида кремния, основанный на смещении равновесия реакции

Si + 2I₂ ó SiI₄

вправо при изменении температур от 700 – 850^оС (в низкотемпературной зоне реактора или отдельного реактора) и влево при температурах 1100 – 1200^оС (в высокотемпературной зоне). В ряде технологических схем предусмотрена очистка SiI₄ перед разложением.

Рассмотрим два варианта метода. В первом используют ячейку, в кото-рой совмещены синтез и разложение SiI₄. В ячейку помещают исходный кремний и вводят некоторое количество йода. Ячейку нагревают до 700 – 850 ^оС. При этом кремний реагирует с йодом с образованием SiI₄. Последний со-прикасаясь с нитью, нагретой до 1100 – 1200 ^оС, разлагается с осаждением на ней кремния.

По второму варианту синтез и разложение тетройодида кремния осу-ществляют отдельно, а промежуточный продукт тетройодид кремния очища-ется от примесей в дистилляционной колонне.

Синтез тетройодида кремния может быть осуществлен в реакторе с ки-пящим слоем. Основой конструкции реактора является кварцевая труба, ус-тановленная вертикально в печи. Йод испаряется в стальном бойлере, обог-реваемом до 330 ^оС горячим маслом. Образовавшийся SiI₄ поступает в кон-денсатор-испаритель, а затем в кварцевую ректификационную вакуумную колонну. Очищенным SiI₄ собирают в кварцевый сборник, помещаемый в испаритель. Испаренный SiI₄ направляют в аппарат разложения, состоящий из вертикальной кварцевой трубки, установленной на верхней части сборни-ка SiI4. Внутри трубки крепится кремниевый пруток, нагреваемый до 1100 ^оС токами высокой частоты. Выходящие от аппарата непрореагировавший SiI₄ и продукт реакции йод конденсируются в вакуумном конденсаторе.

Помимо возможности получения кремния высокой чистоты, йодидный метод обладает еще одним важным достоинством – сравнительно высокой безопасностью. Однако высокая стоимость йода и сложность аппаратурного оформления сдерживает его широкое распространение.

Имеются также публикации о получении в опытно-промышленном масштабе кремния термическим разложением трибромсилана. Однако перспектива метода на сегодня остается неясной. В настоящее время основными химико-технологическими системами (ХТС), применяемыми всеми ведущими производителями кремния в мире являются производства, использующие трихлорсилан (78-90% всего производства кремния) и моносилан (18-20%).

Разработки технологий на основе моносилана начались в 70-х годах, когда повысился спрос на сверхчистый кремний для ИК-детекторов, и были реализованы после 1985 года фирмами Union Carbide и Komatsu Electronic Metals, Advanced Silicon Materials, MEMC Pasadena.

Химико-технологические системы с использованием силана (SiH₄) имеют основные отличия в способах получения силана. Рассмотрим несколько примеров.

Получение поликристаллического полупроводникового кремния пиролизом SiH₄. Процесс состоит из следующих основных стадий:

- получение силицида магния (Mg₂Si), например, сплавлением технических кремния и магния (содержание основных веществ не менее 98%) в атмосфере водорода при 550 – 600^оС:

2Mg + Si = Mg₂Si;

- разложение силицида магния хлоридом аммония при –40 ^оС в

среде жидкого аммиака:

Mg₂Si + NH₄Cl = SiH₄ + 2MgCl₂ + 4NH₃;

-очистка моносилана кремния ректификацией (остаточное содержание примесей 10^-7 – 10^-8%);

-термическое разложение (пиролиз) моносилана при 850-1000 ^оС:

SiH₄          Si + 2 H₂.

Необходимо отметить, что получаемый при пиролизе водород обладает высокой степенью чистоты и используется на первой стадии химико-технологического процесса или сопутствующих производствах.

Функциональная схема такого производства поликристаллического по-лупроводникового кремния приведена на рис.

 

Функциональная схема производства поликристаллического по-лупрводникового кремния пиролизом моносилана.

В схеме, показанной на рис. сырьем служат технический кремний, тетрахлорсилан(SiCl₄) и водород. На первом этапе получают трихлорсилан(SiHCl₃) по реакциям:

Si(техн) + SiCl₄ + 2Н₂ = 4SiHCl₃,

H₂ + SiCl₄ = SiHCl₃ + HCl.

Непрореагировавший SiCl₄ после очистки возвращают в реактор синтеза SiHCl₃.

Из трихлорсилана получают дихлорсилан:

4SiHCl₃ = 2SiH₂Cl₂ + 2SiCl₄,

а затем и моносилан:

2SiH₂Cl₂ = SiCl₄ + SiH₄.

Полученный на этих этапах SiCl₄ выделяют, очищают и вновь используют.

Силан после предварительной очисткой или без нее подвергают термическому разложению.

Моносилан может быть получен в результате комплексного использования сырья при производстве суперфосфатных удобрений. Так, при обработке фторида кальция (CaF₂), содержащегося в сырье вместе с оксидом кремния, серной кислотой происходит образование тетрафторсилана (SiF₄) через фторкремниевую кислоту (H₂SiF₆) по реакции:

H₂SiF₆ = SiF₄ + 2HF.

Далее процесс получения моносилана протекает по реакции:

SiF₄ + NaAlH₄ = SiH₄ + NaAlF₄.

Моносилан подвергается комплексной очистке, включающей конденсацию, ректификацию. В данной схеме использован вариант гомогенного разложения очищенного моносилана с получением гранулированного крем-ния.

 

 

Функциональная схема производства поликристаллического по-лупрводникового кремния пиролизом моносилана