Получение высокочистого тетрафторида кремния и исследование его физико-химических свойств тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Введение.

1. Свойства, методы синтеза, анализа и глубокой очистки тетрафторида кремния. Аналитический обзор.

1.1. Свойства тетрафторида кремния.

1.1.1. Химические свойства.

1.1.2. Физические и физико-химические свойства.

1.2. Методы получения тетрафторида кремния.

1.3. Методы анализа тетрафторида кремния.

1.3.1. ИК спектроскопия.

1.3.2. Масс-спектрометрия.

1.3.3. Газовая хроматография.

1.4. Методы очистки 81Р4.

1.4.1. Химические методы.

1.4.2. Абсорбционные методы.

1.4.3. Адсорбционные методы.

1.4.4. Мембранные методы.

1.4.5. Сублимационные и дистилляционные методы.

2. Синтез тетрафторида кремния по реакции термораспада гексафторсиликата натрия.

2.1. Аппаратура и методика проведения эксперимента.

3. Анализ тетрафторида кремния.

3.1. ИК-спектроскопический метод анализа.

3.1.1. Спектральная аппаратура и методика анализа газообразного тетрафторида кремния.

3.1.2. Методика определения интегральных коэффициентов поглощения и содержания примесных веществ в ИК спектрах тетрафторида кремния.

3.1. Масс-спектрометрический анализ.

3.1.1. Аппаратура и методика анализа.

4. Глубокая очистка тетрафторида кремния.

4.1. Термодинамический расчет коэффициента разделения в системах на основе тетрафторида кремния.

4.2. Экспериментальное определение коэффициента разделения в системе 81Р4-812ОР6.

4.2.1. Аппаратура и методика проведения эксперимента.

4.2.2. Результаты и обсуждение.

4.3. Глубокая очистка тетрафторида кремния методом ректификации.

4.3.1. Аппаратура и методика проведения эксперимента.

4.3.2. Результаты и обсуждение.

5. Исследование свойств высокочистого тетрафторида кремния.

5.1. Уравнение состояния газообразного тетрафторида кремния.

5.1.1. Аппаратура и методика измерений.

5.1.2. Результаты и обсуждение.

5.2. Диаграмма состояния тетрафторида кремния.

5.2.1 . Аппаратура и методика измерений.

5.2.2. Результаты и обсуждение.

5.3. Определение критических параметров тетрафторида кремния.

Выводы.L.

Высокочистый тетрафторид кремния (Б^) находит применение в ряде отраслей современной науки и техники. Например, с использованием этого соединения получают легированные фтором аморфные пленки кремния [37], сплавы на основе кремния и германия [1], производят имплантацию ионов кремния и фтора в поверхностный слой арсенида галлия [2]. В [3] описан способ восстановления кремния из фторида кремния чистым натрием. Полученный таким способом продукт используют для изготовления солнечных батарей. Был разработан процесс очистки кремния, в основе которого лежат транспортные фторидные реакции [23].

В качестве легирующей добавки тетрафторид кремния эффективно понижает показатель преломления кварцевого стекла, не имея при этом собственных полос поглощения, что весьма важно для производства кварцевых волоконных световодов [38]. Тетрафторид кремния является также технологически удобным соединением для разделения изотопов кремния и получения в конечном итоге изотопно- и химически чистого кремния -перспективного материала для микроэлектроники [4].

Применение тетрафторида кремния для указанных выше целей ограничивают некоторые примеси и прежде всего содержащие водород и кислород.

Содержание водородсодержащих примесей в тетрафториде кремния, используемом для легирования кварцевых заготовок волоконных световодов (фтороводород, гидроксильные производные полифторсилоксанов, силаны, в л том числе фторированные) не должно превышать 10 % мольн.

Для разделения изотопов кремния методом ультрацентрифугирования необходимо использовать тетрафторид кремния с содержанием силоксанов различного строения не более 10"1 % мольн., поскольку при изотопном обогащении происходит их концентрирование, полимеризация до жидких и твердых полифторсилоксанов, и как следствие, срыв технологического процесса.

Производимый в настоящее время коммерческий тетрафторид кремния не удовлерворяет указанным выше требованиям. Содержание гексафтордисилоксана находится на уровне нескольких процентов, а содержание гидроксилпроизводных фторсилоксанов и фторсиланов не контролируется совсем. Для его очистки предложен ряд методов, однако большая их часть относится либо к химическим, либо к сорбционным, применение которых может повлечь за собой дополнительное загрязнение.

Таким образом, для получения тетрафторида кремния в высокочистом состоянии необходимо применение высокоэффективных методов глубокой очистки, позволяющих избежать использования каких-либо дополнительных реактивов. В наибольшей степени таким требованиям соответствуют дистилляционные методы, применение которых требует наличия информации о физико-химических свойствах тетрафторида кремния, и в первую очередь, о фазовых равновесиях в области существования твердой и жидкой фаз и состоянии газообразного 8^4.

Имеющиеся в литературе сведения о свойствах тетрафторида кремния весьма ограниченны, и порой противоречивы. Диаграмма состояния подробно изучена лишь для равновесия кристалл -пар. Для равновесия жидкостъ-пар известны лишь несколько экспериментальных значений в области критической точки. Информация о зависимости температуры плавления от давления отсутствует. Имеющиеся уравнения состояния для газообразного 8Ш4 применимы лишь для давлений не более 10 атм. Поэтому детальное исследование свойств тетрафторида кремния является важной задачей, для решения которой необходимо проведение экспериментов с использованием высокочистых образцов во избежание искажения результатов.

Целью настоящей работы являлось получение высокочистого тетрафторида кремния и исследование его свойств. Для этого было необходимо:

- разработать методику синтеза тетрафторида кремния;

- разработать методики анализа тетрафторида кремния, в том числе и на содержание фторсилоксанов;

- разработать метод глубокой очистки тетрафторида кремния;

- исследовать ряд свойств высокочистого тетрафторида кремния: температурную зависимость давления пара над твердой и жидкой фазами, зависимость температуры плавления от давления, параметры тройной и критической точек и уравнение состояния газообразного тетрафторида кремния.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка цитируемой литературы. В первой главе содержится обзор работ, посвященных физико-химическим свойствам тетрафторида кремния, методам его получения, очистки и анализа. Во второй главе описан разработанный нами способ синтеза тетрафторида кремния по реакции термораспада гексафторсиликата натрия. В третьей главе изложены методики анализа 8^4 методами ИК-спектроскопии и масс-спектрометрии. Четвертая глава посвящена глубокой очистке тетрафторида кремния методом низкотемпературной ректификации. Пятая глава включает исследование диаграммы состояния тетрафторида кремния для фазовых равновесий кристалл - пар, жидкость - пар и кристалл - жидкость, определение критических параметров и вириального уравнения состояния для газообразного тетрафторида кремния.