DE2805824A1 - Verfahren zur reinigung von siliziumtetrachlorid - Google Patents

Verfahren zur reinigung von siliziumtetrachlorid

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DE2805824A1
DE2805824A1 DE19782805824 DE2805824A DE2805824A1 DE 2805824 A1 DE2805824 A1 DE 2805824A1 DE 19782805824 DE19782805824 DE 19782805824 DE 2805824 A DE2805824 A DE 2805824A DE 2805824 A1 DE2805824 A1 DE 2805824A1
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DE
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halogen
silicon tetrachloride
silicon
light
irradiation
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Pending
Application number
DE19782805824
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English (en)
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Masaaki Aoyama
Kazuo Kooya
Haruo Okamoto
Minoru Takamizawa
Mitsuo Umemura
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Shin Etsu Chemical Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Chemical Co Ltd
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/08Compounds containing halogen
    • C01B33/107Halogenated silanes
    • C01B33/10778Purification

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Description

  • VERFAHREN ZUR REINIGUNG VON
  • SILIZIUMTETRACHLORID Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reinigung von Siliziumtetrachlorid, insbesondere im Hinblick darauf, Siliziumtetrachlorid zu erhalten, das frei von Silanen als Verunreinigung ist, welche Silane direkt an die Siliziumatome gebundene Wasserstoffatome aufweisen.
  • Siliziumtetrachlorid ist bei vielerlei Anwendungsmöglichkeiten eine wertvolle Verbindung, zum Beispiel als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Alkylsilikaten oder Alkylpolysilikaten und fein verteilten Silikatpulvern mittels nasser oder trockener Prozesse und als Trägergas beim epitaxialen Aufwachsen von Siliz iumhalbleitern.
  • Siliziumtretrachlorid wird in der Regel durch Reagieren von Chlor oder Wasserstoffchlorid mit metallischem Silizium hergestellt; man erhält es aber auch als Nebenprodukt bei der Darstellung von Trichlorsilan durch die Reaktion des Chlorwasserstoffs mit metallischem Silizium.
  • Wegen seiner hohen Reinheit an Phosphor, Bor od. dgl.
  • gelangt das Nebenprodukt Siliziumtetrachlorid mit besonderem Vorteil bei verschiedenen Anwendungsfällen zum Einsatz. Es enthält jedoch praktisch immer ins Gewicht fallende Mengen verschiedener Silanvcrunreiniqunqen, wobei diese Silane direkt an die Siliziumatome gebundene Wasserstoffatome aufweisen, wie zum beispiel Trichlorsilan (IlSiCI3) mit einem Kochpunkt von 320C und Dichlorsilan (Tf2SiC12) mit einem Kochpunkt von 8°C.
  • Derart mit Silanen, die siliziumgebundene Wasserstoffatome aufweisen, verunreinigtes Siliziumtetrachlorid ist besonders dann von Nachteil, wenn es als Rohmaterial zur erstellung von synthetischen Silikatqläsern (SiO2) verwendet werden soll, und zwar wegen des möqlichen Einschlusses von direkt an die Siliziumatome gebundenen ilydroxylgruppen (-siOII) in die Struktur des Glases.
  • Dieser Nachteil wird besonders deutlich, wenn man sich die jungste Entwicklunssnhase optischer Kommunikationssysteme vor Augen hält. Die hierbei zum Einsatz gelangenden optischen Fasern müssen hohe Leistunq aufweisen und aus synthetischem Silikatglas herqestellt sein, das seinerseits aus Siliziumtetrachlorid als Ausgangsmaterial gefertigt ist. Es ist bekannt, daß ein Silikatglas mit kleinerem Gehalt an siliziumgebundenen Hydroxylgruppen dann zu gerinqeren Verlusten bei der Lichtübertragung führen kann, wenn es in den Kern der optischen oder Lichtleitfasern eingeführt wird, die mittels chemischer Aufdampfverfahren (chemical vapour deposition = CVD) oder andererMittel gedopt sind.
  • Beispielsweise entspricht 1 ppm der siliziumgebundenen Hydroxylgruppen etwa 1 db/km Verlust an Lichtübertragung.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren anzugeben, das Nebenprodukt Siliziumtetrachlorid als Ausgangsmaterial für optische Silikatfasern durch Entfernen jeglicher Spuren an solchen Silanverunreinigungen zu reinigen, die siliziumgebundene Wasserstoffatome aufweisen. Hierbei ist davon auszugehen, daß herkt3mmliche Reiniqungsverfahren, wie zum Beispiel Destillieren, keine befriediqende h:rqcbnisse bei der entfernung der Silanverunreinigungen erheben.
  • Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindunq dadurch qelN5st, daß man das verunreinigte Siliziumtetrachlorid mit Licht in der Gegenwart eines Haloqens bestrahlt. Ilierdurch erhält man dann das von den Silanverunreinigungen befreite Siliziumtetrachlorid.
  • Der Mechanismus, auf Grund dessen die Silanverunreiniqungen mit siliziumgebundenen Wasserstoffatomen erfindunqsqemäß wirksam entfernbar sind, kann wohl mit den folgenden Gleichungen aussedrückt werden, wobei X ein Halogenatom ist: Das dem verunreiniqten Siliziumtetrachlorid zugemischte Halogen X2 dissoziiert durch die Bestrahlung mit Licht und erzeugt haloqenfreie Radikale X (Gleichung (1)), die ihrerseits mit den Verunreinigungssilanen reagieren, um die siliziumqehundenen Wasserstoffatome abzuziehen und Trihaloqensilylradikale #SiX3 zu bilden (Gleichunq (2)).
  • Die auf diese Weise erzeuqten Trihalogensilylradikale #SiX3 und die halogenfreien Radikale X verbinden sich miteinander zu SiX4 Molekülen, siehe Gleichung (3).
  • Im folgenden wird auf Einzelheiten des erfindungsgemfinen Verfahrens eingegangen: Wie bereits ausgeführt, wird erfindungsgemäß Siliziumtetrachlorid, das Silane als Verunreinigungen enthalt, wobei die Silane siliziumgebundene Wasserstoffatome auFweisen,mit Licht in Gegenwart eines Halogens oder einer Halogenmischung bestrahlt. Hierfür geeignete Halogene sind unter anderem Chlor, Brom und Jod; Chlor wird jedoch im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und ebenso bez@glich der Reaktivität mit in den Verunreinigungssilanen enthaltenen siliziumgebundenen Wasserstoffatomen bevorzugt. Das Halogen soll eine möglichst große Rcinheit auFweisen.
  • Als Lichtquelle bei der Bestrahlung können jegliche Lampen Verwendung finden, die bevorzugt im Ultravioletbereich strahlen, zum Beispiel Nieder- oder Hochdruckquecksilberlampen und Xenonlampen, obgleich weißes Licht aussendende Lampen cbenso unter einer gewissen Verlängerung der Bestrahlungszeit herangezonen werden kannen.
  • wenn der Gehalt der Silanverunreinigungen im verunreiniaten Siliziumtetrachlorid 10 Cew.-% überschreitet, sollte die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Sorgfalt betrieben werden, da die Reaktion durch die Lichtbestrahlunq dann zu heftig erfolgen und unter Umständen in eine Explosion fibergehen könnte.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann entweder so durchgeführt werden, daß das verunreinigte Siliziumtetrachlorid bestrahlt wird, wobei das Halogen zuvor eingemischt wurde, oder unter kontinuierlicher Zuführung des tralosens zu verunreinigtem Siliziumtetrachlorid unter Bestrahlunq mit dem Licht. Die Reaktionstemperatur wird im Bereich zwischen Raumtemperatur und Siedepunkt des Siliziumtetrachlorids unter Atmosphärendruck, also 580C, qewählt. Die Gesamtmenge des verwendeten Halogens liest naturgemäß über dem Äguimolarbetrag hinsichtlich der siliziumgebundenen Wasserstoffatome in den Verunreinigungssilanen, die in dem Siliziumtetrachlorid vorliegen. In der Reqel soll aber das Halogen mit einem erheblichen Überschußbetrag eingesetzt werden.
  • Das auf diese Weise gereinigte Siliziumtetrachlorid weist keine feststcllharen Mengen an Verunreinigungssilanen mit siliziumgebundenem WasserstoFF mehr auf, und es kann mit Vorteil als Rohmaterial bei der llerstellunq von svnthetischem Silikatglas Verwendung finden, das frei von siliziumgebundenen llydroxylqrupnen ist.
  • Die lierstellunq von synthetischem Silikatglas mit Siliziumtetrachlorid erfolgt durch die oxydative Dekomposition des Siliziumtetrachlorids in einer Flamme eines brennbaren Gases gefolgt von der Anlagerung des Silikatprodukts auf einem Substrat und Überführen des so gesammelten Silikatprodukts in Glas durch Aufschmelzen.
  • Silikatgläser, die aus nach dem erfindungsgemN.ßen Verfahren gereinigtem Siliziumtetrachlorid hergestellt wurden, weisen in ihrer Struktur extrem geringe Beträge an siliziumgebundenen Hydroxylgruppen auf, beisnielsweise 1 ppm oder weniger. Sie eignen sich als Material für die Herstellung von optischen Silikatfasern mit sehr geringen Verlusten bei der Lichtübertragung.
  • Die folgenden Beispiele dienen der Verdeutlichung der Erfindung; eine Beschränkung des angestrebten Schutzbereiches ist durch ihre Wiederqabe nicht gegeben.
  • Beisniel 1 Es wurden 315 g verunreiniqtes Siliziumtetrachlorid mit 4,3 Gew.-t oder 0,1 Mol Trichlorsilan in eine 300 ml Flasche mit drei Anschlossen, die ein Gaseinlaßrohr, einen Kondensator und ein Thermometer enthielt, gegeben. Nach dem Spülen mit trockenem Stickstoff wurde trockenes Chlorgas in das Siliziumtetrachlorid mit einer Rate von 5 Liter pro Minute eingeführt. Hierbei wurde die Flasche von außen mit einer weißen Lampe von 500 W Leistung bestrahlt. Während dieses Vorgangs wurde Siliziumtetrachlorid entnommen und mittels Gaschromatographie zur Bestimmung des Gehaltes an Trichlorsilan analysiert; es wurden die Resultate gemäß der folgenden Tabelle erhalten.
  • Zu Vergleichs zwecken wurde das gleiche Verfahren ohne Bestrahlung mit der weißen Lampe durchgeführt und ebenfalls mittels Gaschromatograohie der Gehalt an Trichlorsilan im Siliziumtetrachlorid bestimmt; die entsprechenden Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle wiedergegeben.
  • GEHALT AN TRICHLORSILAN IM SILIZIUMTETRACHLORID (Gew.-%) nach nach nach nach nach 15 Minuten 30 Minuten 1 Stunde 1,5 Std. 10 Std. nichtnicht-Erfindung 2,4 0,4 0,001-feststellbar Vergleich 4,2 4,2 4,1 4,1 4,1 Beispiel 2 Eine 500 ml Flasche mit einem Gaseinlaßrohr, einem Destillationsadaptor, einem Thermometer sowie einer Hochdruck-Quecksilberlampe von 100 W Leistung wurde mit 500 g verunreinigten Siliziumtetrachlorid beschickt, welches 0,-27 Gew.-% oder 0,01 Mol Trichlorsilan enthielt. Nach dem Spülen mit trockenem Stickstoff wurde etwa 0,1 Mol trockenes Chlorgas eingeführt und im Siliziumtetrachlorid verteilt, gefolgt von einer Restrahlung mittels der Quecksilberlampe während 30 Minuten unter Kühlen der Flasche von außen. Die Gaschromatographie-Analyse des so behandelten und destillierten Siliziumtetrachlorids erbrachte keine feststellbaren Mengen an Trichlorsilan.
  • Das auf diese Weise gereinigte Siliziumtetrachlorid wurde durch Einführen in eine Sauerstoff-Wasserstofflamme mit einer Temperatur von 1200 bis 1300 OC oxydativ zersetzt, und die erhaltenen Silikatprodukte wurden gesammelt und in Silikatglas umgeschmolzen. Die Infrarotabsorption-Spektralanalyse dieses Silikatglases zeigte die Abwesenheit jeglicher siliziumgebundener Hydroxylgruppen an.
  • Zu Vergleichszwecken wurde das 0,27 Gew.-% Trichlorsilan enthaltende Siliziumtetrachlorid in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben einer oxydativen Zersetzung unterzogen. Das sich einstellende Silikatprodukt wurde in Silikatqlas übergeführt.
  • Die anschließende Infrarotabsorption-Spektralanalyse zeigte einen Gehalt von 20 bis 40 ppm siliziumgebundener Hydroxylgruppen.

Claims (5)

  1. VERFAHREN ZUR REINIGUNG VON SILIZIUMTETRACHLORID PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Reinigung von Siliziumtetrachlorid, das als Verunreinigung ein Silan enthält, welches in einem Molekül wenigstens ein direkt an das Siliziumatom gebundenes Wasserstoffatom aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man das Siliziumtetrachlorid in Gegenwart von wenigstens einem Halogen mit Licht bestrahlt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen Chlor ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht reich an Ultravioleästrahlen ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zum Siedepunkt des Siliziumtetrachlorids ausgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Siliziumtetrachlorid das Halogen wenigstens in äquimolarer Menge zu den Wasserstoffatomen zugeführt wird, die direkt an die Siliziumatome des Siliziumtetrachlorids gebunden sind.
DE19782805824 1977-02-14 1978-02-11 Verfahren zur reinigung von siliziumtetrachlorid Pending DE2805824A1 (de)

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