[发明专利]甲硅烷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及甲硅烷的制备方法，属于无机合成技术领域。

背景技术

甲硅烷分子式SiH₄，在大规模集成电路制造方面具有重要的作用，近年来随着多晶硅工业技术的发展，以甲硅烷为原料的流化床多晶硅生产工艺备受重视，这进一步提升了甲硅烷在工业领域的重要性。因此，甲硅烷生产工艺的开发也随之备受关注。经典的小规模生产甲硅烷的方法是以硅化镁和氯化铵为原料的日本小松法，中国专利201010136418.7也公开了以硅化镁和氯化铵为原料生产甲硅烷的工艺技术，但小松法每生产1吨甲硅烷将副产2.1吨氨气和5.9吨氯化镁。中国专利201010563176.X报道使用柠檬酸与硅化镁反应制备甲硅烷的方法，该方法也只适合小规模生产，且每生产1吨硅烷副产9吨柠檬酸镁。中国专利201210097153.3公开了一种利用硅化镁与无水氟化氢反应生产甲硅烷的方法，该方法产生副产物氟化镁。

但是上述方法均无法实现物料的闭环使用，工艺流程中都会产生无法再返回系统的副产物，且都只适合小规模生产。随着未来以甲硅烷为原料的多晶硅工艺的推广，上述甲硅烷生产方法显然存在副产物过剩的弊病，无法用于配套多晶硅生产。为了实现甲硅烷在多晶硅生产领域的应用，必须寻找一种能实现闭环生产甲硅烷的工艺。目前已经开发的一种工艺是利用氯硅烷的歧化原理来生产甲硅烷，该工艺由美国UCC（联合碳化）公司开发，基于三氯氢硅的歧化反应是典型的可逆反应，且该反应在机理上需要进行三级反应才能转化为甲硅烷，其反应式如下：

上述每一级反应都受到反应平衡的制约，因此三氯氢硅转化为甲硅烷的转化率较低，根据美国国家航空航天局公开文档显示，上述反应中三氯氢硅转化为二氯二氢硅的转化率约为10%，二氯二氢硅转化为一氯三氢硅的转化率约为10%，该文档未提及甲硅烷的产率但可以推测三氯氢硅经过三步反应转化为甲硅烷的平衡转化率必定低于1%。并且由于反应在树脂负载型催化剂上进行，容易造成树脂活性基团流失和引入低沸点碳杂质。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种甲硅烷的制备方法。

本发明甲硅烷的制备方法，步骤如下：

a、将氢化物和四氯化硅进行复分解反应制得甲硅烷和氯化物；

b、将步骤a得到的氯化物电解得到单质氯和金属单质；

c、步骤b得到的单质氯与金属硅反应得到四氯化硅，金属单质与氢气反应得到氢化物，得到的四氯化硅和氢化物再返回a步骤；

其中，氢化物为氢化钠或氢化锂。

四氯化硅与氢化物的复分解反应生用反应式（1）表示，甲硅烷以气态形式产生，氯化物以固体微粒形式析出，用XH表示氢化物化学式，其反应式为：

SiCl₄+4XH→4XCl+SiH₄     (1)

反应（1）产生的氯化物从反应体系中分离出来后被用于电解生产单质氯和金属单质，其反应式为：

反应（2）产生的单质氯被用于和金属硅进行氯化反应制备反应（1）的原料四氯化硅，由此实现氯元素的闭路循环，单质氯和金属硅的氯化反应式为：

2Cl₂+Si→SiCl₄           （3）

反应（2）产生的金属单质被用于和氢气进行氢化反应制备反应（1）的原料氢化物，由此实现金属单质元素的闭路循环，金属单质和氢气的反应式为：

2X+H₂→2XH           （4）

由反应（1）～（4）可以得出这样的结论：整个反应过程只消耗了H₂和Si，反应（1）～（3）中的氯元素和金属单质X均在反应系统内部实现闭路循环，只需要向系统补充氢气和金属硅即可实现甲硅烷的制备。

进一步的，为了提高反应速率，氢化物的粒径应该尽可能的小，综合考虑反应速率和成本，氢化物平均粒径优选为小于100微米。

其中，反应体系中允许有过量的四氯化硅，反应原料四氯化硅:氢化物的摩尔比优选为1～10:0.25～1,更优选为1～2:0.25～1。

进一步的，为了提高反应速率，氢化物和四氯化硅进行复分解反应的温度优选为50～300℃，更优选为80～280℃。

进一步的，为了提高反应速率，氢化物和四氯化硅进行复分解反应的压力优选为0.01～5MPa，更优选为0.2～3.0MPa。