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    硅烷热分解法制取高纯硅的化学原理

    2008-11-11 10:38:00

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    SiH4热分解法制取高纯硅的化学原理
    来源:海川论坛


    在高纯硅的制备方法中,有发展前途的是SiH4热分解法。这种方法的整个工艺流程可分为三个部分:SiH4的合成、提纯和热分解。
    (1)SiH4的合成
    桂花镁热分解生成SiH4是目前工业上广泛采用的方法。硅化镁(Mg2Si)是将硅粉和镁粉在氢气(也可真空或在Ar气中)中加热500~550℃时混合合成的,其反应式如下:
    2Mg+Si= Mg2Si
    然后使硅化镁和固体氯化铵在液氨介质中反应得到SiH4。
    Mg2Si+4NH4Cl=SiH4↑+ 2MgCl2+4NH3↑
    其中液氨不仅是介质,而且它还提供一个低温的环境。这样所得的SiH4比较纯,但在实际生产中尚有未反应的镁存在,所以会发生如下的副反应:

    Mg+ 2NH4Cl=MgCl2+2NH3+H2↑
    所以生成的SiH4气体中往往混有氢气。
    生产中所用的氯化铵一定要干燥,否则硅化镁与水作用生成的产物不是SiH4,而是氢气,其反应式如下:
    2Mg2Si+8 NH4Cl+H2O=4 MgCl2+Si2H2O3+8 NH3↑+6 H2↑
        由于SiH4在空气中易燃,浓度高时容易发生爆炸,因此,整个系统必须与氧隔绝,严禁与外界空气接触。
    (2)SiH4的提纯
    SiH4在常温下为气态,一般来说气体提纯比液体和固体容易。因为SiH4的生成温度低,大部分金属杂货在这样低的温度下不易形成挥发性的氢化物,而即便能生成,也因其沸点较高难以随SiH4挥发出来,所以SiH4在生成过程中就已经经过一次冷化,有效地除去了那些不生成挥发性氢化物的杂质。
    SiH4是在液氨中进行的,在低温下乙硼烷(B2H6)与液氨生成难以挥发的络合物(B2H6•2NH3)而被除去,因而生成的SiH4不合硼杂质,这是SiH4法的优点之一。但SiH4中还有氨、氢及微量磷化氢(PH3)、硫化氢(H2S)、砷化氢(AsH3)、锑化氢(SbH3)、甲烷(CH4)、水等杂质。由于SiH4与它们的沸点相差较大,所以,可用低温液化方法除去水和氨,再用精馏提纯除去其它杂质。此外,还可用吸附法、预热分解法(因为除SiH4的分解温度高达600℃外,其它杂质氢化物气体的分解温度均低于380℃,所以把预热炉的温度控制在380℃左右,就可将杂质的氢化物分解,从而达到纯化SiH4的目的),或者将多种方法组合使用都可以达到提纯的目的。
    (3)  SiH4的热分解

    将SiH4气体导入SiH4分解炉,在800~900℃的发热硅芯上,SiH4分解并沉积出高纯多晶硅,其反应式如下:SiH4=Si+ 2H2 ↑
         SiH4热分解法有如下优点:
    ①     分解过程不加还原剂,因而不存在还原剂的玷污。
    ②     SiH4纯度高。在SiH4合成过程中,就已有效地去除金属杂质。尤其可贵的是因为氨对硼氢化合物有强烈的络合作用,能除去硅中最难以分离的有害杂质硼。然后还能用对磷烷、砷烷、硫化氢、硼烷等杂质有很高吸附能力的分子筛提纯SiH4,从而获得高纯度的产品,这是SiH4法的又一个突出的优点。
    ③     SiH4分解温度一般为800~900℃,远低于其它方法,因此由高温挥发或扩散引入的杂质就少。同时,SiH4的分解产物都没有腐蚀性,从而避免了对设备的腐蚀以及硅受腐蚀而被玷污的现象。而四氯化硅或三氯氢硅氢气还原法都会产生强腐蚀性的氯化氢气体。
    因SiH4气是易燃易爆的气体,所以整个吸附系统以及分解室都要有高度严密性,必须隔绝空气。贮藏和运输SiH4常采用两种方法:一种是用分子筛吸附SiH4,使用时可用氖气携带;另一种是把SiH4压入钢瓶,再以氢气稀释,使其浓度降低5%以下,从而避免爆炸、燃烧的危险。

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    相关产品链接:高纯硅烷SiH4

     
     
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