Агрегований кристалічний порошкоподібний кремній, спосіб його одержання і застосування

1. Агрегований кристалічний порошкоподібний кремній, який відрізняється тим, що він є легованим за допомогою фосфору, арсену, сурми, вісмуту, бору, алюмінію, галію, індію, талію, європію, ербію, церію, празеодиму, неодиму, самарію, гадолінію, тербію, диспрозію, гольмію, тулію, лютецію, літію, ітербію, германію, заліза, рутенію, осмію, кобальту, родію, іридію, нікелю, паладію, платини, міді, срібла, золота, цинку та має площу 2 поверхні БЕТ, яка дорівнює від 20 до 150 м /г. 2. Агрегований кристалічний порошкоподібний кремній за п. 1, який відрізняється тим, що площа поверхні БЕТ знаходиться в діапазоні між 40 та 2 120 м /г. 3. Агрегований кристалічний порошкоподібний кремній за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що частка легуючих компонентів фосфору, арсену, сурми, вісмуту, бору, алюмінію, галію, індію, талію, європію, ербію, церію, празеодиму, неодиму, самарію, гадолінію, тербію, диспрозію, гольмію, тулію, ітербію, лютецію становить аж до 1 мас. %. 4. Агрегований кристалічний порошкоподібний кремній за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що частка легуючого компонента літію становить аж до 53 мас. %. 2 (19) 1 3 87672 4 13. Спосіб за будь-яким з пп. 8-12, який відрізнямарію, гадолінію, тербію, диспрозію, гольмію, тується тим, що як інертні гази використовують азот, лію, ітербію, лютецію, літію, германію, заліза, ругелій, неон, аргон. тенію, осмію, кобальту, родію, іридію, нікелю, па14. Застосування агрегованого порошкоподібного ладію, платини, міді, срібла, золота, цинку. 12. Спосіб за будь-яким з пп. 8-11, який відрізнякремнію за будь-яким з пп. 1-7 для виготовлення ється тим, що як легуючу речовину використовуелектронних компонентів, електронних схем та електрично-активних наповнювачів. ють металічний літій або амід літію LiNH2. Даний винахід стосується нанометрового кристалічного порошкоподібного кремнію та його одержання та застосування. Відомо, що агрегований нанометровий порошкоподібний кремній можна одержати в реакторі з гарячими стінками (Roth та ін., Chem. Eng. TechnoL, т.24 (2001), с.3). Показано, що недоліком цього способу є те, що цільовий кристалічний кремній одержується разом з аморфним кремнієм, що утворюється за реакцією силану на гарячих стінках реактора. Крім того, кристалічний кремній має малу площу поверхні БЕТ (визначену за ізотермою Брунауера-Еметта-Теллера), що становить менше 20м2/г і звичайно є занадто грубозернистим для застосування в електроніці. Крім того, Roth та ін. не розкрили спосіб, за допомогою якого одержують легований порошкоподібний кремній. Такий легований порошкоподібний кремній, що має напівпровідникові властивості, дуже важливий для електронної промисловості. Крім того, недоліком є те, що порошкоподібний кремній осаджується на стінках реактора й діє як теплоізолятор. Це приводить до зміни температурного профілю в реакторі, а також до зміни властивостей порошкоподібного кремнію. Об'єктом даного винаходу є порошкоподібний кремній, якому не властиві недоліки попереднього рівня техніки. Зокрема, порошкоподібний кремній повинен мати однорідну модифікацію. Даний винахід також стосується способу, за допомогою якого цей порошок можна одержати в промисловому масштабі та економічним чином. Даний винахід стосується агрегованого кристалічного порошкоподібного кремнію, що має площу поверхні БЕТ від 20 до 150м2/г. У кращому варіанті здійснення порошкоподібний кремній, пропонований у даному винаході, може мати площу поверхні БЕТ від 40 до 120м2/г. Термін "агрегований" слід розуміти як такий, який означає, що сферичні або переважно сферичні частинки, які спочатку утворилися за реакцією, при подальшому протіканні реакції злипаються з утворенням агрегатів. На ступінь росту можна вплинути шляхом зміни параметрів способу. При подальшому протіканні реакції ці агрегати можуть утворювати агломерати. На відміну від агрегатів, які не можуть або лише частково можуть розпадатися на первинні частинки, агломерати являють собою лише нещільні асоціації агрегатів і легко можуть розпадатися на агрегати. Термін "кристалічний" слід розуміти як такий, який означає, що не менше 90% порошку є кристалічним. Цей ступінь кристалічності можна визначити шляхом зіставлення інтенсивності сигналів [111], [220] та [311] порошку, пропонованого в даному винаході, з інтенсивністю для порошкоподіб ного кремнію, що має відомий ступінь кристалічності та розмір кристалітів. У контексті даного винаходу є кращим порошкоподібний кремній зі ступенем кристалічності, що дорівнює принаймні 95%, а особливо кращим - зі ступенем кристалічності, що дорівнює принаймні 98%. Дослідження зображень, одержаних за допомогою ТЕМ (трансмісійна електронна мікроскопія) і підрахунок первинних частинок, які перебувають на лініях решітки, як особливості кристалічного стану, є придатним для визначення цього ступеня кристалічності. Крім того, порошкоподібний кремній, пропонований у даному винаході, можна легувати. Легуючими компонентами можуть бути фосфор, миш'як, сурма, вісмут, бор, алюміній, галій, індій, талій, європій, ербій, церій, празеодим, неодим, самарій, гадоліній, тербій, диспрозій, гольмій, тулій, лютецій, літій, ітербій, германій, залізо, рутеній, осмій, кобальт, родій, іридій, нікель, паладій, платина, мідь, срібло, золото або цинк. При використанні як напівпровідник в електронних компонентах, особливо кращими легуючими компонентами можуть бути елементи фосфор, миш'як, сурма, вісмут, бор, алюміній, галій, індій, талій, європій, ербій, церій, празеодим, неодим, самарій, гадоліній, тербій, диспрозій, гольмій, тулій, ітербій, лютецій. Частка цих елементів у порошкоподібному кремнії, пропонованому в даному винаході, може становити аж до 1мас.%. Звичайно необхідний порошкоподібний кремній, у якому легуючий компонент міститься в концентраціях у діапазоні част./млн або навіть част./млрд. Кращим є діапазон вмісту від 1013 до 1015 атомів легуючого компонента в 1см3. Крім того, порошкоподібний кремній, пропонований у даному винаході, може містити літій як легуючий компонент. Частка літію, що міститься в порошкоподібному кремнії, може становити аж до 53мас.%. Порошкоподібний кремній, що містить від 20 до 40мас.% літію, може бути особливо кращим. Аналогічним чином, порошкоподібний кремній пропонований у даному винаході, може містити германій як легуючий компонент Частка германію, що міститься в порошкоподібному кремнії, може становити аж до 40мас.%. Порошкоподібний кремній, що містить від 10 аж до 30мас.% германію, може бути особливо кращим. Нарешті, елементи залізо, рутеній, осмій, кобальт, родій, іридій, нікель, паладій, платина, мідь, срібло, золото, цинк також можуть бути легуючими компонентами в порошкоподібному кремнії. Частка вмісту цих елементів може становити аж до 5мас.% порошкоподібного кремнію. 5 87672 6 Легуючі компоненти можуть бути рівномірно SiH4 є особливо кращим. Крім того, також можна розподілені в порошку або вони можуть збагатити використовувати N(SіН3)3, HN(SiH3)2, H2N(SiH3), оболонку або ядро первинних частинок або бути (H3Si)2NN(SiH3)2, (H3Si)NHNH(SiH3), H2NN(SiH3)2. включені в них. Легуючі компоненти можуть бути Переважно можна використовувати водневміпереважно включені у вузли кристалічної решітки сні сполуки фосфору, арсену, сурми, вісмуту, бору, кремнію. В основному це залежить від типу легуюалюмінію, галію, індію, талію, європію, ербію, цечої речовини та від режиму проведення реакції. рію, празеодиму, неодиму, самарію, гадолінію, Легуючий компонент у контексті даного винатербію, диспрозію, гольмію, тулію, ітербію, лютеходу слід розуміти як елемент, що міститься в поцію, літію, германію, заліза, рутенію, осмію, кобарошку, пропонованому в даному винаході. Легуючу льту, родію, іридію, нікелю, паладію, платини, міді, речовину слід розуміти як сполуку, що застосовусрібла, золота, цинку. Особливо кращими є дибоється в способі для одержання легуючого компоран і фосфат або заміщені фосфани, такі як нента. tBuPH2, tBu3P, tBuPh2P і трисметиламінофосфан Порошкоподібний кремній, пропонований у ((CH3)2N)3P. У випадку літію виявлено, що як легуданому винаході, також може мати вміст водню, ючу речовину найбільш краще використовувати що становить аж до 10мол.%, а діапазон від 1 до металевий літій або амід літію, LiNH2. 5мол.% є особливо кращим. Для його визначення Як інертний газ можна використовувати голозастосовні методики ЯМР-спектроскопії, такі як, вним чином азот, гелій або аргон, причому аргон є наприклад, 1H-ЯМР-спектроскопія при обертанні особливо кращим. зразка під магічним кутом (ОМК) та ІЧДаний винахід також стосується застосування спектроскопія. порошку, пропонованого в даному винаході, для Даний винахід також стосується способу одевиготовлення електронних компонентів, електроржання порошкоподібного кремнію, пропонованого нних схем та електрично активних наповнювачів в даному винаході, який характеризується тим, що Порошкоподібний кремній, пропонований у - принаймні один пароподібний або газоподібданому винаході, не містить аморфних компоненний силан та необов'язково принаймні одну паротів і має велику площу поверхні БЕТ. Спосіб, проподібну або газоподібну легуючу речовину, інертпонований у даному винаході, не приводить до ний газ та осадження кремнію на стінці реактора, як це від- водень бувається в попередньому рівні техніки. Крім того, - нагрівають у реакторі з гарячими стінками, спосіб, пропонований у даному винаході, дозволяє - реакційну суміш охолоджують або дають їй одержувати легований порошкоподібний кремній. охолонути та Приклади: - продукт реакції відокремлюють від газоподібМетодики аналізу: Площу поверхні БЕТ визнаних речовин у вигляді порошку, чають відповідно зі стандартом DIN 66131. Ступінь - у якому частка силану знаходиться в діапалегування визначають за допомогою масзоні між 0,1 та 90мас.% у перерахунку на сумарну спектрометрії з тліючим розрядом (МСТЛ). Вміст кількість силану, легуючої речовини та інертних водню визначають за допомогою 1H-ОМК-ЯМРгазів, та спектроскопії. - у якому частка водню в перерахунку на сумаВикористана апаратура: рну кількість водню силану, інертних газів і необоЯк реактор з гарячими стінками використовув'язково легуючої речовини знаходиться в діапають трубу довжиною 200см і діаметром 6см. Вона зоні від 1 до 96мол.%. виготовлена із кварцового скла або Si/SiC з поОсобливо краще можна використовувати реакриттям із кварцового скла. Ззовні трубу по довктор з гарячими стінками з підігрівом стінок, прижині 100см нагрівають до 1000°С за допомогою чому реактор з гарячими стінками має такий розелектронагрівання. мір, щоб забезпечити можливе найбільш повне За допомогою пневморозпилювачів у реактор перетворення сировини та необов'язково легуючої з гарячими стінками зверху подають суміш речовини. Звичайний час перебування в реакторі з SiH4/apгон (суміш 1), що містить 1000см3 силану 3 3 гарячими стінками становить від 0,1 до 2с. Макси(стандартних см /хв; 1см газу за хвилину в перемальну температуру в реакторі з гарячими стінкарахунку на 0°С та атмосферний тиск) та 3000 см3 ми краще вибирати так, щоб вона не перевищувааргону та суміш аргону з воднем (суміш 2), по ла 1000°С. 5000см3 кожного. Тиск у реакторі дорівнює Охолодження реакційної суміші можна прово1080мбар. Порошкоподібний продукт відокремлюдити, наприклад, шляхом охолодження зовнішніх ють від газоподібних речовин у розташованій нижстінок реактора або шляхом введення інертного че за потоком фільтруючій установці. газу для швидкого охолодження. Одержаний порошок має площу поверхні БЕТ, Силаном у контексті даного винаходу може що дорівнює 20м2/г. бути кремнієвмісна сполука, що поставляє кремПриклади 2-6 проводять у такий же спосіб, як і ній, водень, азот і/або галогени в умовах провеприклад 1, але змінюють параметри. Параметри дення реакції. Бажано можна використовувати наведені в таблиці 1. SiH4, Si2H6, CISiH3, CI2SiH2, CI3SiH і/або SiCI4 та 7 87672 8 Таблиця 1 Параметри способу та фізико-хшічні характеристики порошкоподібного кремнію Приклад Суміш 1 SiH4 Аргон В2Н6 (tBu)3P Суміш 2 Водень Аргон Площа поверхні БЕТ порошку Si (приблизно) Вміст Η Ступінь легування 1 2 3 4 5 6 см3 см3 см3 см3 1000 3000 250 3750 500 3500 1000 2800 200 250 3150 600 2000 1000 см3 см3 5000 5000 25000 5000 10000 5000 5000 5000 25000 5000 0 5000 м2/г 20 140 50 20 140 7,5 мол. % 1,3 3,5 част./млн Не визначено 2400 Не визначено 480 Не визначено Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601