Метод за получаване на силициеви хидриди
Собственици на патент RU 2357924:
Изобретението може да се използва в химическата и електронната промишленост. Силициев хидрид - моносилан се получава чрез взаимодействие на магнезиев силицид с минерални киселини. Получаването на магнезиев силицид се извършва чрез термично взаимодействие на смес, съдържаща 1 тегл. част от диспергираните частици силициев оксид, до 10 тегл. части силиций и от 3,5 до 4 тегл. части бучки от магнезий, при непрекъснато разбъркване. Размерът на частиците на силициевия оксид не надвишава 3 mm, а съотношението на размера на частиците на силициевия оксид и размера на бучките на магнезиевите фрагменти е 1: (10-20). Взаимодействието на реагиращите компоненти по време на процеса на смесване се осъществява в температурния диапазон 550-680°C. Предложеното изобретение позволява да се разшири суровинната база за производство на моносилан и да се намали цената на продукта. 2 т.п. летя.
Изобретението се отнася до производството на силициеви хидриди, включително моносилан с висока чистота, предназначени за образуване на полупроводникови и диелектрични слоеве, синтез на органосилициеви съединения, термично отлагане (дисоциация) на поликристален силиций.
Известен метод за производство на силициеви хидриди (моносилан) чрез каталитично диспропорциониране на трихлорсилан (патент на САЩ № 331165 на Германия от 13.10.83 г.), чиято същност е каталитичното хидрогениране (при температура 400-500 ° C) на диспергиран силиций и силициев тетрахлорид съгласно реакцията:
и последваща дисоциация на това съединение съгласно реакцията:
Съществен недостатък на този метод е наличието на токсичен хлор, участващ във всички реакции, което рязко ограничава (по екологични причини) производственото развитие на този метод.
92 kcal/mol), при които температурата в реакционната зона достига стойности над 3000°C,с изпаряване на реакционните продукти, което води до неконтролирана експлозия. Въвеждането на инертна добавка - алуминиева сол, предназначена да компенсира топлината на реакцията, води до намаляване на вероятността от директен контакт на магнезиеви частици с всички кварцитни частици, което причинява локално отклонение на взаимодействащите реагенти от стехиометрията, с образуването на магнезиев силицид (Mg2Si), чиято топлина на образуване
19 kcal/mol. Образуването на това съединение води до факта, че част от силициевия диоксид остава нередуциран. По този начин, пълното термично възстановяване на магнезий на силициев диоксид при условията, дадени в известното техническо решение, е много трудно.
Известен метод за производство на силициеви хидриди, използван от японската компания Komatsu MFG CO LTD ("Моносилан в технологията на полупроводниковите материали". Обзор, серия от "органоелементни съединения и тяхното приложение", NIIETHIM, Химическа промишленост, 1983 г.). Техническата същност на този метод се състои в това, че в първия етап магнезиевият силицид се образува чрез реакция, проведена при температура 500-600 ° C в неутрална среда:
Във втория етап магнезиевият силицид се подлага на взаимодействие с минерални киселини или соли, с освобождаване на газообразни силициеви хидриди, например, съгласно реакцията на киселинна хидролиза:
или ацидолиза на магнезиев силицид:
Този метод е най-близък по техническа същност и постигнат ефект до заявеното техническо решение и се приема за прототип.
Съществен недостатък на прототипа е, че за получаване на силиций, който отговаря на свойствата, приложими за използването му в електронната или полупроводниковата техника (чистота 99,9999%), се използват суровини под формата на силиций с чистота 98-99%, т.е.съдържащи примеси. Това значително намалява суровинната база, т.е. елиминира възможността за използване на различни от силиций, негови съединения, като кварцит (SiO2) или силициева киселина (H2SiO3).
Целта на предложеното техническо решение е да разшири суровината на процеса чрез създаване на възможност за участие в реакцията за получаване на магнезиев силицид (Mg2Si), силициев диоксид (SiO2), силициев диоксид или кварцит, който е широко разпространен в природата, както и силициева киселина (H2SiO3).
Посоченият технически резултат се постига чрез въвеждане в реакцията за получаване на магнезиев силицид от силиций-съдържащи съединения, включително SiO2 и H2SiO3, добавка, която е инертна по отношение на взаимодействащите компоненти и не въвежда допълнителни химични елементи в общата реакция. Такова допълнение към реакцията
е диспергиран силиций. Добавянето на силиций е необходимо, за да се разсее топлината, отделена по време на тази реакция, без да се въвеждат допълнителни химични елементи, които могат да внесат "замърсяване" в крайния продукт.
За да се намали отделянето на топлина по време на едновременното взаимодействие на частици от силициев оксид (силициева киселина) с магнезий, последният се въвежда в реакцията под формата на бучки, което предотвратява пълната обемна реакция, водеща до експлозия, т.к. само онези частици силициев диоксид, които са в контакт с магнезиевия фрагмент, участват в редукцията. За да се извърши цялостна реакция в насипно състояние, сместа от частици трябва да се разбърква, за да се подновят контактите на магнезиевите бучки с нови, нереагирали преди това частици от силициев оксид. Смесването може да се извърши, например, във въртящи се или осцилиращи реактори. Процесът на смесване, както целият реакционен процес като цяло, се извършва до пълното изчезване („изяждане“) на бучките фрагментимагнезий.
Масите на реагиращите компоненти трябва да съответстват на съотношението:
до 10:(3.5÷4.0), т.к Тъй като топлинният капацитет на силиция в температурния диапазон 0-1000°C е равен на 3,58 cal/mol×deg, тогава за пълно компенсиране на топлинната енергия от 92 kcal/mol, освободена по време на стехиометричната, магнезиево-термична реакция на редукция на силициев диоксид, допълнително добавяне на до 20 мола чист диспергиран силиций или до 10 тегловни части (масата на един мол Si O2
два пъти мол Si). Масата на добавените силициеви частици е баласт и не участва в крайната реакция за получаване на силициеви хидриди, когато сместа взаимодейства с минерални киселини и соли. Този силиций е технологична оборотна суровина на предложения метод за производство на силани.
Добавянето на 3,5-4 части магнезий е оправдано от факта, че са необходими 1,5-2 части магнезий за възстановяване на силиций от неговия диоксид според реакцията:
добавянето на още две части магнезий е необходимо за образуването на магнезиев силицид от редуциран силиций чрез реакцията Si+2Mg=Mg2Si.
Максималният размер на частиците на силициевия диоксид е 3 mm и съотношението на размерите на последния с размерите на бучките на магнезиевите фрагменти:
се определя емпирично, от съображения за минимизиране на топлината, отделена по време на реакцията на редукция, за да се оптимизира времето на магнезиево-термичната реакция. Взаимодействието на магнезий с частици силициев диоксид, по-големи от 3 мм, води до локална мини-експлозия. Размерът на бучките от магнезий, по-малък от десет пъти размера на силициевия диоксид, също води до миниексплозия поради голямата повърхност на взаимодействие между частиците и незначителното поглъщане на топлина за образуването на магнезиев силицид. Повече от двадесеткратно увеличение на размера на бучките от магнезий по отношение на частицитесилициевият диоксид води до необосновано увеличаване на общото време за реакция.
Температурният диапазон на реакцията за синтез на магнезиев силицид 550-680 ° C е оправдан от факта, че увеличаването на общата маса на реагиращите компоненти в сравнение със стехиометричното съотношение води до необходимостта от увеличаване на интензивността на нагряване, както и до създаване на възможност за промяна на състоянието на агрегация на магнезиевите фрагменти преди топене. Това води до намаляване на цената на процеса чрез намаляване на цената на магнезиевите суровини. Пазарната цена на магнезиевите отливки е 80-90 рубли / кг, цената на диспергирания магнезий (включително магнезиеви стърготини) е 400-600 рубли. килограма. В даден температурен диапазон бучките магнезий се топят (tмелт=620°C) поради външно нагряване и отделяне на топлина и се разпределят равномерно в реакционната зона.
Анализът на предшестващото състояние на техниката показа, че претендираният набор от съществени характеристики, посочени в претенциите, е неизвестен. Това ни позволява да заключим, че отговаря на критерия "новост". За проверка на съответствието на заявеното изобретение с критерия "изобретателско ниво" беше извършено допълнително търсене на известни технически решения, за да се идентифицират характеристики, които съответстват на отличителните характеристики на заявеното техническо решение от прототипа. Установено е, че заявеното техническо решение не следва изрично от нивото на техниката. Следователно заявеното изобретение отговаря на критерия "изобретателско ниво". Същността на изобретението е илюстрирана с пример за практическото изпълнение на метода.
Пример за практическо изпълнение
Предложеното техническо решение е конкретно извършено при производството на силициеви хидриди чрез киселинна хидролиза в солна киселина на смес от силиций и магнезиев силицид:
смессилициевият и магнезиевият силицид е получен преди това чрез калциниране на следните компоненти във водородна среда:
(предишната реакция не показва реакцията на разтваряне на магнезиев оксид, който се образува по време на термичната редукция на магнезий на силициев диоксид съгласно реакцията). Размерът на частиците на силиция и силициевия диоксид не надвишава 1 mm, а размерът на магнезиевите фрагменти не надвишава 2,5 mm. Реакцията се провежда при температура 650°С във въртяща се пещ с нихромов нагревател. Скоростта на въртене на пещта е 5 rpm. Претеглената реакционна смес включваше следните компоненти: силициев диоксид 2 kg, диспергиран силиций 20 kg, магнезий на бучки 8 kg. Време за печене 2 часа. В резултат на проведената реакция при посочените параметри се получава смес от Mg2Si и Si със съотношение на компонентите 1:4. Остатъчен силициев диоксид в реакцията (в остатъка след киселинна хидролиза) не е открит. Посоченият пример за изпълнение потвърждава съответствието на заявения метод с условието за "изобретателска стъпка"
1. Метод за получаване на силициев хидрид - моносилан от магнезиев силицид, получен чрез термично взаимодействие на диспергиран силиций с активен магнезий в инертна среда, последвано от взаимодействие на това съединение с минерални киселини, характеризиращ се с това, че магнезиевият силицид се получава чрез термично взаимодействие на смес, включваща 1 тегл.ч. диспергирани частици силициев оксид, до 10 тегл.ч. силиций и от 3,5 до 4 тегл.ч. бучки от магнезий, при непрекъснато разбъркване.
2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че размерът на частиците на силициевия оксид не надвишава 3 mm и съотношението на размерите на частиците на силициевия оксид към размера на бучките на магнезиевите фрагменти е 1: (10-20).
3. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че взаимодействието на реагиращите компоненти по време на смесванепроизвеждат в температурния диапазон 550-680°C.