FR2989073A1 - Preparing a silane compound, comprises mixing silicide or silicon alloy with an aqueous solvent, fluidizing the mixture, and reacting the fluidized alloy with hydrochloric acid, which is pre-dissolved in aqueous solution - Google Patents
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Abstract
Description
Production de silanes à partir d'alliages fluidisés de silicium et de métaux alcalino-terreux ou siliciures de métaux alcalino-terreux. La présente invention concerne la production des hydrures de silicium ou silanes à partir d'alliages de silicium ou de siliciures. Certains silanes et plus particulièrement le monosilane, ou tétrahydrure de silicium (SiH4) et le disilane (Si2H6) sont utilisés comme vecteur de silicium dans des techniques de dépôts de silicium amorphe, silicium polycristallin, silicium nanocristallin ou microcristallin aussi appelé nano ou micromorphe, de silice, de nitrure de silicium, ou autre composé de silicium par exemple dans des techniques de dépôt en phase vapeur. Les dépôts en couche mince de silicium amorphe, et silicium microcristallin obtenu à partir de silane et/ou de disilane, permettent de fabriquer des piles solaires. Production of silanes from fluidized alloys of silicon and alkaline earth metals or silicides of alkaline earth metals. The present invention relates to the production of silicon hydrides or silanes from silicon alloys or silicides. Certain silanes and more particularly monosilane, or silicon tetrahydride (SiH4) and disilane (Si2H6) are used as a silicon vector in deposition techniques of amorphous silicon, polycrystalline silicon, nanocrystalline silicon or microcrystalline silicon also called nano or micromorph, of silica, silicon nitride, or other silicon compound for example in vapor deposition techniques. Thin film deposition of amorphous silicon, and microcrystalline silicon obtained from silane and / or disilane, make it possible to manufacture solar cells.
On peut également obtenir des revêtements résistants à la corrosion par les acides, par craquage de silane et fabrication de composés tels que le carbure de silicium. Enfin, le silane est susceptible de s'additionner sur les liaisons simples ou multiples des hydrocarbures insaturés pour donner des organosilanes. It is also possible to obtain coatings resistant to acid corrosion, by cracking silane and to manufacture compounds such as silicon carbide. Finally, the silane is capable of adding to the single or multiple bonds of the unsaturated hydrocarbons to give organosilanes.
Le marché du monosilane et du disilane va connaître une très forte expansion pour la fabrication des semiconducteurs intégrés et la fabrication des piles solaires (photovoltaïques), ainsi que pour les composants semiconducteurs et la fabrication d'écrans plats. Plusieurs types de procédés décrits ci-dessous ont été utilisés jusqu'à 25 maintenant. Tout d'abord, la réduction de SiCI4 par LiH dans un bain de KCl/LiCI à des températures entre 450°C et 550°C est connue. Le rendement de la réaction est intéressant mais le procédé repose, d'une part, sur la disponibilité de LiH alors que les ressources de lithium sont très limitées et d'autre part sur la possibilité de 30 recycler le lithium métal par électrolyse. Le milieu réactionnel est très corrosif et met en oeuvre des matériaux particuliers. Ce procédé a été utilisé pour produire des petites quantités de silane. La réduction de SiF4 par NaAIH4 en milieu solvants organiques est un autre exemple. Ce procédé n'est industriellement viable que lorsqu'il existe du SiF4, sous-produit d'une autre production chimique et du sodium pour fabriquer l'hydrure d'aluminium sodium. Ce procédé n'est pas facilement utilisable, notamment pour ces deux raisons. Une autre réaction connue est l'attaque acide en milieu NH3 liquide d'un alliage stoechiométrique Mg2Si. Le bilan de la réaction est le suivant : Mg2Si + 4 HCI SiH4 + 2 MgCl2 NH3 liq. Ce procédé est réalisé à température proche de la température ambiante à pression atmosphérique. Le siliciure de magnésium (Mg2Si) a été abondamment testé en milieu aqueux et ammoniac. Bien que suffisamment acceptable pour conduire à des unités de productions industrielles, le procédé présente les inconvénients majeurs suivants : - le siliciure de magnésium industriel du fait de la volatilité du magnésium ne contient que 70% à 80 % du composé stoechiométrique. Les conditions de fabrication du composé stoechiométrique en font un produit trop cher pour cette industrie ;en parallèle de la production du monosilane par cette voie, beaucoup de silanes supérieurs dont des polychlorosilanes, des siloxanes et des gommes de silicones sont fabriqués, rendant le bilan de matière en monosilane peu intéressant et induisant des difficultés importantes de gestion du procédé. Ce procédé n'est pas satisfaisant à cause de la difficulté du pilotage du procédé et de la mise en oeuvre d'ammoniac liquide très réglementée. Une autre réaction connue est la dismutation du SiHCI3 sur des résines comportant des groupes aminés greffés ou autres. Le procédé complet se décrit ainsi : a) 4 Si Métal. + 12 HCI 4 SiHCI3 + 4 H2 (température comprise entre environ 300°C et environ 1000°C) b) 4 SiHCI3 SiH4+ 3 SiCl4 (température proche de l'ambiante) c) 3 SiCl4 + 3 H2 3 SiHCI3 + 3 HCI (température d'environ 1000°C), soit le bilan réactionnel suivant: 4 Si Métal + 9 HCI 3 SiH4+ 3 SiHCI3+ H2 Une variante de la réaction ci-dessus se décrit ainsi : a) 4 Si Métal + 16 HCI 4 SiCl4 + 8 H2 (température comprise entre environ 1000°C et environ 1100°C) 2 9890 73 3 b) 4 SiCI4 + 4 H2 4 SiHC13+ 4 HCI (température d'environ 1000°C) 4 SiHCI3 SiH4 + 3 SiCI4, soit le bilan réactionnel suivant: 4 Si métal + 12 HCI SiH4 + 3 SiCI4 + 4 H2. 5 Ce procédé demande des hautes températures dans un milieu extrêmement corrosif et consomme beaucoup d'énergie (environ 50 kWh/kg pour l'étape b)). Pour atteindre le maximum de rendement, l'étape b) requiert de nombreuses boucles de recirculation de mélanges de chlorosilanes. Outre la mise 10 en oeuvre de produits extrêmement corrosifs, toxiques et inflammables, un tel type de procédé est très couteux en énergie et présente beaucoup de risques industriels. La génération de monosilane et silanes supérieurs a été décrite dans le Handbook of Inorganic Chemistry Gmelin Si-Silicon, en faisant réagir en phase 15 aqueuse, des siliciures et alliages de silicium en milieu acide ou basique. Dans les demandes de brevet EP146456 et W02006/041272, la synthèse du monosilane en phase aqueuse en faisant tomber une poudre de Alx Siy Caz, x, y et z représentant les pourcentages respectivement d'aluminium, de silicium et de calcium, dans une solution de HCI, est décrite. La composition des gaz produits 20 était environ 80% de monosilane, 10% de disilane et 5% de trisilane ainsi que des traces de disiloxane. Un inconvénient d'un tel procédé est la formation en abondance d'une mousse dans le milieu réactionnel, ce qui diminue le rendement de la réaction et nécessite la présence d'un anti-moussant. Une telle réaction est très exothermique et des températures supérieures à 100°C sont assez vite 25 atteintes si la vitesse d'introduction de la poudre d'alliage n'est pas considérablement réduite. Tous ces travaux décrits ci-dessus ne garantissent pas les conditions nécessaires à la réalisation d'un procédé rentable pour un développement industriel. La mise au point de procédés impliquant des conditions de réaction 30 moins difficiles et/ou permettant d'être utilisés pour des petites et moyennes unités dans la quasi-totalité des environnements et à proximité de l'usage du monosilane est un enjeu majeur pour les industries citées plus haut. Ainsi, il y a un besoin de mettre en oeuvre une nouvelle voie d'approvisionnement de silane permettant : - une réduction des transports de matières dangereuses ; - des conditions opératoires moins contraignantes ; - une taille d'unité modulable et adaptée aux besoins du client ; - d'éviter la présence d'air dans le réacteur. Un des objectifs atteint par la demanderesse à travers la présente invention est de permettre d'affiner les conditions opératoires et ainsi d'accroître les rendements de conversion de l'alliage en monosilane et en disilane. The market for monosilane and disilane will experience a very strong expansion for the manufacture of integrated semiconductors and the manufacture of solar cells (photovoltaic), as well as for semiconductor components and the manufacture of flat screens. Several types of methods described below have been used up to now. First, the reduction of SiCl 4 by LiH in a KCl / LiCl bath at temperatures between 450 ° C and 550 ° C is known. The yield of the reaction is interesting, but the method is based, on the one hand, on the availability of LiH while the lithium resources are very limited and on the other hand on the possibility of recycling the lithium metal by electrolysis. The reaction medium is very corrosive and uses particular materials. This process has been used to produce small amounts of silane. The reduction of SiF4 by NaAIH4 in organic solvent medium is another example. This process is industrially viable only when there is SiF4, a by-product of another chemical production and sodium to make sodium aluminum hydride. This method is not easily usable, especially for these two reasons. Another known reaction is the acid attack in liquid NH 3 medium of a stoichiometric Mg 2 Si alloy. The balance of the reaction is as follows: Mg 2 Si + 4 HCl SiH 4 + 2 MgCl 2 NH 3 Liq. This process is carried out at a temperature close to ambient temperature at atmospheric pressure. Magnesium silicide (Mg2Si) has been extensively tested in aqueous media and ammonia. Although sufficiently acceptable to lead to industrial production units, the process has the following major drawbacks: industrial magnesium silicide due to the volatility of magnesium only contains 70% to 80% of the stoichiometric compound. The conditions of manufacture of the stoichiometric compound make it a product too expensive for this industry, in parallel with the production of monosilane by this route, many higher silanes including polychlorosilanes, siloxanes and silicone gums are manufactured, making the balance of monosilane material unattractive and inducing significant difficulties in the management of the process. This process is not satisfactory because of the difficulty of controlling the process and the implementation of highly regulated liquid ammonia. Another known reaction is the disproportionation of SiHCI 3 on resins containing grafted amino groups or the like. The complete process is described as follows: a) 4 Si Metal. +12 HCl 4 SiHCI3 + 4H2 (temperature between about 300 ° C and about 1000 ° C) b) 4 SiHCI3 SiH4 + 3 SiCl4 (near ambient temperature) c) 3 SiCl4 + 3H2 3 SiHCI3 + 3HCl ( temperature of about 1000 ° C), ie the following reaction balance: 4 Si Metal + 9 HCl 3 SiH4 + 3 SiHCI3 + H2 A variant of the above reaction is described as follows: a) 4 Si Metal + 16 HCl 4 SiCl 4 + 8 H2 (temperature between about 1000 ° C. and about 1100 ° C.) 2 9890 73 3 b) 4 SiCl 4 + 4H 2 SiHC13 + 4HCl (temperature of about 1000 ° C.) 4 SiHCI 3 SiH 4 + 3 SiCl 4, ie the reaction balance next: 4 Si metal + 12 HCI SiH4 + 3 SiCI4 + 4 H2. This process requires high temperatures in an extremely corrosive environment and consumes a lot of energy (about 50 kWh / kg for step b)). To achieve maximum efficiency, step b) requires many recirculation loops of chlorosilane mixtures. In addition to the use of highly corrosive, toxic and flammable products, such a type of process is very expensive in energy and presents many industrial risks. The generation of monosilane and higher silanes has been described in the Handbook of Inorganic Chemistry Gmelin Si-Silicon, by reacting silicon silicides and alloys in an acidic or basic medium in the aqueous phase. In patent applications EP146456 and WO2006 / 041272, the synthesis of monosilane in aqueous phase by dropping a powder of Alx Siy Caz, x, y and z representing the percentages respectively of aluminum, silicon and calcium, in a solution of HCI, is described. The composition of the gases produced was about 80% monosilane, 10% disilane and 5% trisilane as well as traces of disiloxane. A disadvantage of such a process is the formation in abundance of a foam in the reaction medium, which decreases the yield of the reaction and requires the presence of an anti-foaming agent. Such a reaction is very exothermic and temperatures above 100 ° C are achieved quite rapidly if the rate of introduction of the alloy powder is not significantly reduced. All these works described above do not guarantee the conditions necessary for the realization of a profitable process for an industrial development. The development of processes involving less difficult reaction conditions and / or which can be used for small and medium units in almost all environments and near the use of monosilane is a major challenge for industries mentioned above. Thus, there is a need to implement a new silane supply route allowing: - a reduction in the transport of hazardous materials; - less stringent operating conditions; - modular unit size and customized; to avoid the presence of air in the reactor. One of the objectives achieved by the applicant through the present invention is to allow to refine the operating conditions and thus to increase the conversion efficiency of the alloy to monosilane and disilane.
Il a été trouvé un procédé simple, utilisant des matières premières peu coûteuses et produisant des hydrures de silicium avec un rendement industriel et ne présentant pas tous les inconvénients vus ci-dessus. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. L'objet de l'invention décrite ci- après est de proposer des optimisations supplémentaires du procédé partant des alliages AISiCa en réduisant au maximum les inconvénients mentionnés ci-dessus. A cette fin, l'invention a pour objet un procédé de préparation d'un composé ou d'un mélange de composés de formule Sin1-12,+2 dans laquelle n est un entier supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 3, comprenant au moins les étapes suivantes : étape a) de mélange d'au moins un siliciure ou alliage de silicium sous forme de poudre de formule M1xM2ySiz dans laquelle M1 est un métal réducteur, M2 un métal alcalin ou alcalino-terreux, x, y et z varient de 0 à 1, z étant différent de 0 et la somme x+y différente de 0, avec un solvant aqueux et fluidisation dudit mélange ; étape b) de réaction de l'alliage fluidisé issu de l'étape a) avec de l'acide chlorhydrique préalablement dissous en solution aqueuse. Les métaux réducteurs sont par exemple Al, B, Ga, In. Les métaux alcalins sont par exemple Li, Na, K, Cs. Les métaux alcalino-terreux sont par exemple Mg, Ca, Sr, Ba. It has been found a simple process, using inexpensive raw materials and producing silicon hydrides with an industrial yield and not having all the disadvantages seen above. An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above. The object of the invention described hereinafter is to propose additional optimizations of the process starting from the alloys AISiCa while minimizing the disadvantages mentioned above. To this end, the subject of the invention is a process for preparing a compound or a mixture of compounds of formula Sin1-12, + 2 in which n is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to 3 , comprising at least the following steps: step a) of mixing at least one silicide or silicon alloy in the form of a powder of formula M1xM2ySiz in which M1 is a reducing metal, M2 an alkaline or alkaline earth metal, x, y and z ranges from 0 to 1, z being different from 0 and the sum x + y different from 0, with an aqueous solvent and fluidizing said mixture; step b) reaction of the fluidized alloy from step a) with hydrochloric acid previously dissolved in aqueous solution. The reducing metals are, for example, Al, B, Ga, In. The alkali metals are, for example, Li, Na, K, Cs. The alkaline earth metals are, for example, Mg, Ca, Sr, Ba.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit solvant est choisi parmi l'eau ou un éther couronne. Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following features: Process as defined above, characterized in that said solvent is selected from water or a crown ether.
Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'étape b) est réalisée en présence de CaCl2 en quantité comprise entre 0,1% et 2% en poids de l'ensemble des alliages introduits dans le milieu réactionnel. Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que M1 est l'aluminium et M2 est le calcium ou le magnésium. Process as defined above, characterized in that step b) is carried out in the presence of CaCl 2 in an amount of between 0.1% and 2% by weight of all the alloys introduced into the reaction medium. Process as defined above, characterized in that M1 is aluminum and M2 is calcium or magnesium.
Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'alliage de silicium a pour formule CaAI2Si2. Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'étape a) est réalisée sous atmosphère inerte d'hydrogène ou d'azote. Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'étape b) est 15 conduite à une température comprise entre 20°C et 100°C et à une pression comprise entre 1 bar et 10 bars. Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que la granulométrie de l'alliage de silicium est comprise entre 50 pm et 0,9 mm et de préférence entre 0,1 mm et 0,4 mm. 20 Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que les composés de formule Sin1-12,+2 : silane, disilane et trisilane sont condensés sous forme liquide, puis séparés par évaporation fractionnée, chaque fraction étant ensuite soumise à une purification. Procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que la première 25 fraction correspondant au monosilane est isolée par évaporation à - 78°C sous 3. 104 pascals, la deuxième fraction correspondant au disilane est isolée par évaporation à 0°C sous 5.104 pascals. Procédé tel que défini précédemment de préparation d'un mélange gazeux comprenant jusqu'à 90% de monosilane et au moins 10% de disilane, de 30 préférence comprenant 80% de monosilane et 20% de disilane. Procédé tel que défini précédemment de préparation de disilane. Process as defined above, characterized in that the silicon alloy has the formula CaAl2Si2. Process as defined above, characterized in that step a) is carried out under an inert atmosphere of hydrogen or nitrogen. Process as defined above, characterized in that step b) is carried out at a temperature between 20 ° C and 100 ° C and at a pressure between 1 bar and 10 bar. Process as defined above, characterized in that the particle size of the silicon alloy is between 50 μm and 0.9 mm and preferably between 0.1 mm and 0.4 mm. Process as defined above, characterized in that the compounds of formula Sin1-12, + 2: silane, disilane and trisilane are condensed in liquid form and then separated by fractional evaporation, each fraction then being subjected to purification. Process as defined above, characterized in that the first fraction corresponding to the monosilane is isolated by evaporation at -78 ° C. at 3. 104 pascals, the second fraction corresponding to disilane is isolated by evaporation at 0 ° C. under 5.104 pascals. A process as defined above for the preparation of a gaseous mixture comprising up to 90% monosilane and at least 10% disilane, preferably comprising 80% monosilane and 20% disilane. Process as defined above for the preparation of disilane
L'alliage de silicium est choisi parmi CaAI2Si2, SiMg2, SiCa2, AISiCa, CaSi, CaSi2, MgSi, AISiNa, AISiMg, SiNa, AISiLi, SiK, CaMgSi, CaMg6Sii4, Ca0,5AISio,33 et Ca0,5AISio,75, ou un mélange de ceux-ci, de préférence Sio,5Mg, AISiNa, SiNa, Sio,25Li, Si0,25Na, Sio,25K, ou SiK. D'autres alliages de silicium qui conviennent pour la présente invention sont les alliages de type ferosilicium, par exemple FeSi, FeSiMg, FeSiCa. De préférence, l'alliage mis en oeuvre dans le procédé objet de la présente invention est la composition CaAI2Si2 qui est la phase la plus active donnant les meilleurs rendements. The silicon alloy is selected from CaAl 2 Si 2, SiMg 2, SiCa 2, AlSiCa, CaSi, CaSi 2, MgSi, AisiNa, AlSiMg, SiNa, AlSiLi, SiK, CaMgSi, CaMgSiSi4, Ca0, 5SiO, 33 and Ca0, 5Si, 75, or a mixture thereof, preferably SiO, 5Mg, AISiNa, SiNa, SiO, 25Li, SiO, 25Na, SiO, 25K, or SiK. Other silicon alloys that are suitable for the present invention are ferosilicon-type alloys, for example FeSi, FeSiMg, FeSiCa. Preferably, the alloy used in the process that is the subject of the present invention is the CaAl 2 Si 2 composition, which is the most active phase giving the best yields.
Par silanes supérieurs, on comprend les composés de formules Sir,H2,2, n 2 dont le disilane, trisilane ou tétrasilane. Les alliages ou siliciures employés dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sont des alliages ou siliciures servant également à piloter le moussage et la désoxygénation des laitiers en fonderies d'acier. Ce sont des produits industriels à bas coût et facilement produits. Un des avantages du procédé objet de l'invention est de pouvoir mener les réactions dans les conditions proches des conditions ambiantes (température et pression) dans des matériels courants dans l'industrie chimique minérale tels que des réacteurs en verre armé par exemple. Les procédés mettant en jeu ces alliages ou siliciures peuvent permettre de produire le silane dans des unités de petites et moyennes tailles au plus proche des marchés. Quels que soient les alliages et siliciures disponibles et les contraintes d'exploitation et d'environnement, la même unité peut être utilisée en ajustant les paramètres de fonctionnement. Dans tous les cas, les sous-produits sont des produits minéraux valorisables ou réutilisables. By higher silanes, the compounds of formulas Sir, H 2, 2, n 2, including disilane, trisilane or tetrasilane, are understood. The alloys or silicides used in the implementation of the process according to the invention are alloys or silicides also used to control the foaming and deoxygenation of slags in steel foundries. These are low-cost, easily produced industrial products. One of the advantages of the process that is the subject of the invention is that it can conduct the reactions under conditions close to ambient conditions (temperature and pressure) in materials that are common in the mineral chemical industry, such as glass-reinforced reactors, for example. Processes involving these alloys or silicides can make it possible to produce silane in small and medium size units closest to the markets. Regardless of the alloys and silicides available and the operating and environmental constraints, the same unit can be used by adjusting the operating parameters. In all cases, the by-products are valuable or reusable mineral products.
Il a également été découvert que la granulométrie de la poudre d'alliage a une influence sur la cinétique de la réaction et par conséquent, sur le rendement de la réaction. La cinétique croît lorsque la taille des particules diminue. La formation de mousses au cours de la réaction constitue le facteur limitant la taille des particules. Toutes conditions égales par ailleurs, lorsque la taille des particules est divisée par 10, la quantité de silane produite dans le même temps est multipliée par environ 15. Selon un mode préféré de la présente invention, l'alliage mis en oeuvre est CaAl2Si2. Les inventeurs ont constaté que-de manière surprenante et inattendue, il s'agissait de l'alliage procurant les meilleurs résultats. It has also been found that the particle size of the alloy powder has an influence on the kinetics of the reaction and therefore on the reaction efficiency. The kinetics increase when the particle size decreases. Foaming during the reaction is the limiting factor for particle size. All other conditions being equal, when the particle size is divided by 10, the quantity of silane produced at the same time is multiplied by about 15. According to a preferred embodiment of the present invention, the alloy used is CaAl 2 Si 2. The inventors have found that surprisingly and unexpectedly, it was the alloy providing the best results.
Le mécanisme réactionnel de la réaction, entre l'alliage et l'acide chlorhydrique, de production de monosilane s'écrit comme suit : (1) Al2CaSi2+ HC1 A1C13 + CaCJ2 + SiH2 + H2 (2) 2S/H2 + H2O SIH4 [S11120]72 (3) 3S/H2 + H2O S/2H6 [SIH2O]n (4) 2S/H2 2H2 2S/H4 La première réaction fait apparaître un intermédiaire réactionnel, SiH2, qui se recombine avec l'eau de la solution aqueuse. Par cette recombinaison, deux molécules d'intermédiaires de SiH2 produisent une molécule de silane SiH4 et une molécule de silice [SiH20], qui précipite. Le rendement maximal de conversion de l'alliage ternaire se trouve donc réduit. Une solution objet d'un mode de mise en oeuvre du procédé de la présente invention proposée pour passer outre cette limitation consiste à réduire l'activité de l'eau en ajoutant dans le système un additif tiers qui, une fois hydraté, a le potentiel de créer un complexe avec les molécules d'eau et ainsi réduit l'activité chimique de l'eau. L'ajout de CaCl2 anhydre en solution est privilégié : - le CaCl2 est fortement soluble dans l'eau (750 g/L à 20°C) ; - CaCl2 forme dans l'eau un complexe CaCl2, 6H20 (jusqu'à 30°C), puis CaCl2, 2H20 ; - CaCl2 est déjà un produit de la réaction et n'introduit pas de produit tiers à séparer ; - le mécanisme réactionnel fait apparaître un intermédiaire réactionnel SiH2 partiellement consommé par le solvant aqueux, l'ajout d'un corps tiers permet donc de réduire la réactivité chimique de l'eau et favorise la production du silane. The reaction mechanism of the reaction between the alloy and the hydrochloric acid, for the production of monosilane is written as follows: (1) Al2CaSi2 + HC1AlCl3 + CaCl2 + SiH2 + H2 (2) 2S / H2 + H2O SIH4 [S11120 ] 72 (3) 3S / H2 + H2O S / 2H6 [SIH2O] n (4) 2S / H2 2H2 2S / H4 The first reaction reveals a reaction intermediate, SiH2, which recombines with the water of the aqueous solution. By this recombination, two molecules of SiH2 intermediates produce a silane molecule SiH4 and a silica molecule [SiH20], which precipitates. The maximum conversion efficiency of the ternary alloy is therefore reduced. A solution object of an embodiment of the method of the present invention proposed to overcome this limitation is to reduce the activity of the water by adding in the system a third additive which, once hydrated, has the potential to create a complex with the water molecules and thus reduces the chemical activity of the water. The addition of anhydrous CaCl 2 in solution is preferred: the CaCl 2 is highly soluble in water (750 g / L at 20 ° C); CaCl 2 forms in water a CaCl 2 complex, 6H 2 O (up to 30 ° C.), then CaCl 2, 2H 2 O; - CaCl2 is already a product of the reaction and does not introduce any third product to separate; - The reaction mechanism shows a reaction intermediate SiH2 partially consumed by the aqueous solvent, the addition of a third body thus reduces the chemical reactivity of the water and promotes the production of silane.
En outre, en restant à une température largement inférieure à 200°C, les risques de formation de chlorosilanes par réaction entre les silanes légers et HCI sont très faibles. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures 1 et 2. La figure 1 représente un schéma d'une installation servant à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. La figure 2 représente un schéma d'une installation d'alimentation situé en amont du réacteur de la figure 1. In addition, remaining at a temperature well below 200 ° C, the risk of formation of chlorosilanes by reaction between light silanes and HCl are very low. Other features and advantages will appear on reading the following description, made with reference to Figures 1 and 2. Figure 1 shows a diagram of an installation for implementing the method according to the invention. FIG. 2 represents a diagram of a feed installation located upstream of the reactor of FIG. 1.
L'unité de production 1 comporte au moins quatre parties contenant un réacteur 2, un système 7 d'alimentation du générateur de silane, un système d'épuration 3 et un système de recyclage 4 du solvant issu du réacteur 2. La réaction de production de silanes a lieu dans un réacteur 2 muni d'un moyen de mélange 40 (tel qu'un racleur ou un malaxeur). Le réacteur 2 est rempli à l'aide d'un alliage de silicium, tel que le CaAI2Si2, issu d'une source 5 d'une part ainsi qu'à l'aide d'un additif tel que le CaCl2, issu d'une source 20 et d'autre part, depuis une source 6, d'une solution contenant un acide, tel que HCI par exemple, préalablement mélangé à un solvant aqueux pour atteindre une concentration définie par l'utilisateur, par exemple 10% en masse. L'additif sera préférentiellement mélangé avec la solution d'acide avant l'introduction dans le réacteur. Les proportions du mélange sont choisies préalablement à la réaction par l'utilisateur dans le but d'obtenir le meilleur rendement possible compte tenu des problèmes à résoudre identifiés plus haut. Le réacteur 2 peut par exemple être solidaire d'un couvercle amovible par le haut fixé par des arceaux. Le 25 couvercle dispose d'une ouverture étanche permettant de connecter une trémie étanche. De préférence, le réacteur est entouré d'une gaine d'isolation thermique. Au voisinage du réacteur 2, un moyen 7 d'écoulement de l'alliage de silicium est présent. Un tel moyen d'écoulement comprend par exemple une trémie initialement remplie d'un alliage de silicium sous forme de poudre de 30 formule M1xM2ySiz dans laquelle M1 est un métal réducteur, M2 un métal alcalin ou alcalino-terreux, x, y et z variant de 0 à 1, z étant différent de 0. De préférence, l'alliage est le CaAI2Si2. Par exemple, la trémie comporte une vis sans fin et un boyau de constriction permettant d'isoler la trémie du réacteur 2. La conception de la trémie est par exemple similaire aux trémies utilisées pour verser le carbure de calcium dans les réacteurs d'acétylène. L'alliage est amené dans des fûts semblables aux fûts utilisés pour transporter le carbure de calcium dans les unités de production d'acétylène. The production unit 1 comprises at least four parts containing a reactor 2, a feed system 7 of the silane generator, a purification system 3 and a recycling system 4 of the solvent from the reactor 2. The production reaction silanes takes place in a reactor 2 provided with a mixing means 40 (such as a scraper or a kneader). The reactor 2 is filled with a silicon alloy, such as CaAl 2 Si 2, from a source 5 on the one hand and with the aid of an additive such as CaCl 2, derived from a source 20 and on the other hand, from a source 6, a solution containing an acid, such as HCl for example, premixed with an aqueous solvent to reach a concentration defined by the user, for example 10% by weight . The additive will preferably be mixed with the acid solution before introduction into the reactor. The proportions of the mixture are chosen prior to the reaction by the user in order to obtain the best possible yield given the problems to be solved identified above. The reactor 2 may for example be secured to a removable cover at the top fixed by arches. The lid has a sealed opening for connecting a sealed hopper. Preferably, the reactor is surrounded by a thermal insulation sheath. In the vicinity of the reactor 2, a means 7 for the flow of the silicon alloy is present. Such a flow means comprises, for example, a hopper initially filled with a silicon alloy in the form of a powder of formula M1xM2ySiz in which M1 is a reducing metal, M2 an alkaline or alkaline earth metal, x, y and z varying from 0 to 1, z being different from 0. Preferably, the alloy is CaAl 2 Si 2. For example, the hopper comprises a worm and a constriction hose for isolating the hopper of the reactor 2. The design of the hopper is for example similar to the hoppers used to pour the calcium carbide into the acetylene reactors. The alloy is fed into drums similar to the drums used to transport the calcium carbide in the acetylene production units.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, au-dessus du couvercle du réacteur 2, sont disposées deux vannes étanches en série assurant l'isolement du réacteur. Un piquage latéral intégré entre ces deux vannes permet de purger le réacteur 2 avant déconnection. Un dispositif 8 analogue équipe la sortie du fond du réacteur 2 pour évacuer les liquides. Le fond du réacteur 2 est obturé par un moyen 9, par exemple un dôme, évitant aux produits liquides de stagner dans le canal de fond. Ce dôme se soulève en actionnant la vanne 8 de fond. Les liquides sont stockés provisoirement dans une capacité tampon, puis traversent le système de filtration et sont enfin envoyés vers un système de cristalliseur 10 via une conduite 11. According to a particular embodiment of the invention, above the reactor cover 2 are arranged two sealed valves in series ensuring the isolation of the reactor. An integrated lateral stitching between these two valves makes it possible to purge the reactor 2 before disconnection. An analogous device 8 equips the outlet of the bottom of the reactor 2 to evacuate the liquids. The bottom of the reactor 2 is closed by means 9, for example a dome, preventing the liquid products from stagnating in the bottom channel. This dome is raised by actuating the bottom valve 8. The liquids are stored temporarily in a buffer capacity, then pass through the filtration system and are finally sent to a crystallizer system 10 via line 11.
Afin de récupérer les silanes désirés, les produits issus du réacteur 2 qui ne sont pas envoyés vers le système cristalliseur 10 sont dirigés vers un système d'épuration 3 par une conduite 12 ou une conduite 19. Ledit système d'épuration 3 comporte au moins une colonne de fractionnement présente pour séparer les silanes des autres produits présents, et enfin une colonne de double distillation servant à récupérer le monosilane pur, utilisé ensuite pour les applications désirées. Il est également prévu un système de fractionnement apte à délivrer un mélange silane/disilane. En effet, l'utilisation d'un mélange contenant jusqu'à 90% de SiH4 et au moins 10% de Si2H6 peut être envisagée dans des techniques de dépôts de silicium. Ainsi, selon un mode particulier, l'invention a pour objet un procédé et une unité de production permettant de produire en continu des mélanges de silanes gazeux dont les mélanges monosilane/disilane. Ces mélanges sont utilisables directement pour la fabrication des piles solaires en couches minces. Le procédé permet de produire des mélanges de composition typique 80% de monosilane et 20% de disilane en volume. Le procédé selon l'invention permet également de produire en continu un flux de disilane (Si2H6). La poudre du composé (l'alliage de silicium, par exemple CaAl2Si2) est introduite dans le réacteur 2 en continu par la trémie. Le réacteur 2 peut être constitué d'un premier fond légèrement tronconique 13 constitué d'un média filtrant métallique 15 sur lequel est ajouté un média filtrant organique 14, par exemple un papier filtre, dont le but est de retenir les particules n'ayant pas réagi. Le fond tronconique 13 contient en son milieu un trou obturé par une bonde 5 amovible mécaniquement de l'extérieur. Le réacteur 2 renferme également un système d'agitation 40 dont la fonction est de brasser la poudre du composé. De l'acide, par exemple l'acide chlorhydrique (HCI), est injecté par des diffuseurs 16 au-dessus du niveau maximum 17 prévu pour le niveau de solide contenu dans le fond tronconique. Le solvant entraîné avec le gaz est liquéfié 10 dans le ou les condenseurs 18 puis est réinjecté dans le réacteur 2. Le complément en solvant est assuré par le recyclage de l'eau contenue dans les effluents liquides. La figure 2 représente un exemple de mise en oeuvre d'un système 7 d'alimentation du réacteur 2, ledit système d'alimentation 7 servant à mettre en 15 oeuvre l'étape a) du procédé objet de la présente invention. Le rôle de ce sous-ensemble 7 est de réaliser l'introduction de la poudre d'alliage dans le réacteur 2 en excluant tout contact entre le gaz de la réaction et l'air. Ces contacts peuvent tout aussi bien avoir lieu dans le réacteur (par exemple suite à une entrée d'air avec l'alliage) ou à l'extérieur du réacteur (par exemple 20 suite à une remontée du gaz de réaction dans le système d'approvisionnement du réacteur). Le procédé est constitué des étapes suivantes : ^ Introduction de l'alliage dans une trémie de stockage 21. L'alliage pourra alors être brassé ou non afin de faciliter son écoulement. 25 ^ L'alliage est ensuite entraîné par une vis sans fin 22 jusqu'à un bac isolé et agité 23. ^ Le solvant du procédé, ici de l'eau est également injecté dans ce bac 23. L'agitation du mélange va permettre de fluidiser et de maintenir en fluidisation l'alliage dans le liquide. 30 ^ Le bac isolé et agité 23 sera sous atmosphère inerte (par exemple l'azote ou l'hydrogène) afin d'éviter la dissolution d'oxygène dans le liquide. ^ Le mélange agité solvant-alliage est ensuite entraîné par une vis doseuse 5 pour injection directe dans le réacteur 2 représenté sur la figure 1. Un réacteur 23 en verre d'un volume de 2.5 litres est utilisé pour mener à bien la réaction. Ce réacteur 23 dispose d'un agitateur mécanique 24 à pales droites. L'agitateur 24 est inséré à travers le couvercle démontable du réacteur 23, celui-ci assurant l'étanchéité du système. Le réacteur 23 est également équipé d'une double enveloppe alimentée en eau afin d'appliquer une température de consigne au sein du réacteur. Un thermocouple plongeant dans le réacteur permet de mesurer la température du milieu réactif et l'eau de la double enveloppe est thermostatée par le biais d'un bain marie. Un dispositif d'injection 25 de solution aqueuse est intégré au couvercle ainsi qu'un dispositif d'injection de solide 26. La solution liquide est issue d'un réservoir de solution préalablement créée puis transférée par le biais d'une pompe. Le solide injecté provient d'un réservoir 21 initialement chargé puis traverse un sas qui est mis sous vide afin d'éviter toute entrée d'air par ce biais. Une sortie gazeuse est également intégrée au couvercle du réacteur afin de collecter les gaz générés. Ces gaz sont ensuite échantillonnés et analysés. Une soupape de sécurité réglée à une pression de 1.7 bar est connectée à ce circuit gaz pour assurer la sécurité de l'opération du système. La sortie de cette soupape est connectée à une cartouche de détoxification. L'ensemble des gaz générés est stocké dans une bouteille initialement purgée à pression proche du vide. Le contrôle de la pression en fin de réaction dans la bouteille ainsi que la connaissance précise de son volume permet de déterminer la quantité de matière ainsi capturée. Une vanne est intégrée au fond du réacteur afin de collecter les liquides et solides résiduels en fin de réaction. Le déroulement d'un essai est le suivant : ^ Une solution initiale d'alliage de silicium tel que défini ci-dessus mélangé à de l'eau est préparée. Un exemple de cette solution est : 20g d'alliage mélangés à 50mL. ^ Cette solution peut être préparée immédiatement avant l'essai ou bien plusieurs heures à l'avance. Un exemple de la durée préalable de la préparation est : 100 heures. ^ La solution alliage-eau est injectée dans le réacteur préalablement à toute autre étape. ^ Le réacteur ainsi que les lignes de gaz sont purgés de toute présence d'oxygène par un inertage du système à l'azote. ^ Une consigne de température est fournie à l'eau circulant dans la double enveloppe. Un exemple de consigne donné est : 50°C. ^ L'agitateur dans le réacteur est mis en marche. Un exemple de vitesse d'agitation est : 365 rpm. ^ Le système est mis sous vide. Un exemple de pression régnant dans le système est : 200mbar. ^ Le volume total de liquide dans le réacteur sera à terme de 1L pour une concentration moyenne fixée. Un exemple de concentration est : 3.7M. ^ Une solution d'acide chlorhydrique est alors préparée à une concentration précise, prenant en compte la dilution générée par l'apport d'eau avec l'alliage. Un exemple de concentration est : 3.9M. ^ La solution d'acide chlorhydrique est progressivement injectée dans le réacteur pour atteindre le volume requis (1L). La réaction a alors lieu. Un exemple de vitesse d'injection est : 100mL/min. ^ La pression dans le réacteur et la bouteille de stockage étant mesurée, l'avancement de la réaction est suivi grâce au profil de pression dans l'atmosphère gazeuse. La réaction est considérée terminée lorsque le profil de pression dans la bouteille de stockage fait apparaître un plateau stable. Le diagramme de la figure 3 fait apparaître les résultats de différents essais : ^ Les quantités de gaz générés (H2, SiH4, Si2H6) ^ Les quantités de déchets solides générés.In order to recover the desired silanes, the products from the reactor 2 that are not sent to the crystallizer system 10 are directed to a purification system 3 via a pipe 12 or pipe 19. Said purification system 3 comprises at least a fractionation column present to separate the silanes from the other products present, and finally a double distillation column used to recover the pure monosilane, which is then used for the desired applications. There is also provided a fractionation system capable of delivering a silane / disilane mixture. Indeed, the use of a mixture containing up to 90% of SiH 4 and at least 10% of Si 2 H 6 can be envisaged in silicon deposition techniques. Thus, according to one particular embodiment, the subject of the invention is a process and a production unit making it possible to continuously produce mixtures of gaseous silanes, including monosilane / disilane mixtures. These mixtures can be used directly for the manufacture of thin-film solar cells. The process makes it possible to produce mixtures with a composition of 80% monosilane and 20% disilane by volume. The process according to the invention also makes it possible to continuously produce a stream of disilane (Si 2 H 6). The powder of the compound (the silicon alloy, for example CaAl2Si2) is introduced into the reactor 2 continuously through the hopper. The reactor 2 may consist of a first slightly frustoconical bottom 13 consisting of a metal filtering medium 15 to which is added an organic filter media 14, for example a filter paper, the purpose of which is to retain the particles that do not have reacted. The frustoconical bottom 13 contains in its center a hole closed by a bung 5 mechanically removable from the outside. The reactor 2 also contains an agitation system 40 whose function is to stir the powder of the compound. Acid, for example hydrochloric acid (HCl), is injected by diffusers 16 above the maximum level 17 provided for the level of solid contained in the frustoconical bottom. The solvent entrained with the gas is liquefied in the condenser (s) 18 and is then re-injected into the reactor 2. The additional solvent is provided by the recycling of the water contained in the liquid effluents. FIG. 2 represents an exemplary implementation of a reactor supply system 7, said supply system 7 serving to implement step a) of the method that is the subject of the present invention. The role of this sub-assembly 7 is to carry out the introduction of the alloy powder into the reactor 2, excluding any contact between the reaction gas and the air. These contacts can just as easily take place in the reactor (for example following an air inlet with the alloy) or outside the reactor (for example following a rise in the reaction gas in the reactor system. supply of the reactor). The process consists of the following steps: Introduction of the alloy into a storage hopper 21. The alloy can then be stirred or not to facilitate its flow. The alloy is then driven by a worm 22 to an insulated tank and agitated 23. The solvent of the process, here water is also injected into this tank 23. The agitation of the mixture will allow to fluidize and maintain fluidization of the alloy in the liquid. The insulated and stirred tank 23 will be under an inert atmosphere (eg, nitrogen or hydrogen) to prevent dissolution of oxygen in the liquid. The stirred solvent-alloy mixture is then driven by a metering screw for direct injection into the reactor 2 shown in FIG. 1. A glass reactor 23 with a volume of 2.5 liters is used to carry out the reaction. This reactor 23 has a mechanical stirrer 24 with straight blades. The stirrer 24 is inserted through the removable lid of the reactor 23, the latter sealing the system. The reactor 23 is also equipped with a jacket supplied with water in order to apply a set temperature within the reactor. A thermocouple immersed in the reactor makes it possible to measure the temperature of the reactive medium and the water of the jacket is thermostatically controlled by means of a water bath. An injection device 25 of aqueous solution is integrated in the lid and a solid injection device 26. The liquid solution is derived from a solution tank previously created and then transferred via a pump. The injected solid comes from a tank 21 initially charged then passes through an airlock which is evacuated to prevent any entry of air through this. A gas outlet is also integrated in the reactor lid to collect the generated gases. These gases are then sampled and analyzed. A safety valve set at a pressure of 1.7 bar is connected to this gas circuit to ensure the safe operation of the system. The outlet of this valve is connected to a detoxification cartridge. All the gases generated are stored in a bottle initially purged at near vacuum pressure. The control of the pressure at the end of the reaction in the bottle and the precise knowledge of its volume makes it possible to determine the quantity of material thus captured. A valve is integrated at the bottom of the reactor to collect residual liquids and solids at the end of the reaction. The course of a test is as follows: An initial solution of silicon alloy as defined above mixed with water is prepared. An example of this solution is: 20 g of alloy mixed with 50 ml. This solution can be prepared immediately before the test or several hours in advance. An example of the previous duration of the preparation is: 100 hours. The alloy-water solution is injected into the reactor prior to any other step. The reactor as well as the gas lines are purged of any presence of oxygen by inerting the system with nitrogen. A temperature setpoint is supplied to the water circulating in the jacket. An example of a given instruction is: 50 ° C. The agitator in the reactor is started. An example of a stirring speed is: 365 rpm. ^ The system is evacuated. An example of pressure in the system is: 200mbar. The total volume of liquid in the reactor will eventually be 1 L for a fixed average concentration. An example of concentration is: 3.7M. A solution of hydrochloric acid is then prepared at a precise concentration, taking into account the dilution generated by the addition of water with the alloy. An example of concentration is: 3.9M. The hydrochloric acid solution is gradually injected into the reactor to reach the required volume (1L). The reaction then takes place. An example of injection speed is: 100mL / min. The pressure in the reactor and the storage bottle being measured, the progress of the reaction is monitored by the pressure profile in the gaseous atmosphere. The reaction is considered complete when the pressure profile in the storage bottle shows a stable plateau. The diagram in FIG. 3 shows the results of various tests: The quantities of gas generated (H2, SiH4, Si2H6) The quantities of solid waste generated.
2 9890 73 13 Le premier essai est un point de référence obtenu à l'aide d'un système d'injection par sas sous vide et est à comparer aux trois essais suivants, réalisés avec différentes dates de préparation des mélanges alliage de silicium - eau. Ainsi, l'injection de l'alliage de silicium pré-mélangé avec de l'eau permet 5 d'obtenir 119 g de SiH4 pour 1 kg d'alliage lorsque le mélange est réalisé juste avant l'essai. Lorsque le mélange est préparé 6 jours à l'avance, celui-ci permet d'obtenir 113 g de SiH4 pour 1 kg d'alliage. Ce système d'injection fournit des rendements similaires, voire meilleurs, à ceux de l'injection par sas sous vide (113 g SiH4 pour 1 kg d'alliage).2 9890 73 13 The first test is a reference point obtained with the aid of an airlock injection system and is to be compared to the following three tests, carried out with different preparation dates of the silicon-water alloy mixtures. . Thus, injection of the pre-mixed silicon alloy with water provides 119 g of SiH 4 per 1 kg of alloy when mixing is carried out just before the test. When the mixture is prepared 6 days in advance, it makes it possible to obtain 113 g of SiH4 per 1 kg of alloy. This injection system provides similar or even better yields than those of the vacuum airlock injection (113 g SiH4 per 1 kg of alloy).
10 Cette similitude de rendement est également observée sur les autres gaz (H2 et Si2H6) et sur la quantité de déchets générés. This similarity of yield is also observed on the other gases (H2 and Si2H6) and on the quantity of waste generated.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
ST | Notification of lapse |
Effective date: 20151231 |