Brevet FR2503125A1 — publié le 19821008

PROC()C:k tDE 1f'BRICAT)ION DE SILANE La prsentel invention c(ncerne un procédé de fabrication de silane. Elle a trait plus particulièrement à un procédé de fabrica- tion de si]ane àl partir d'hlialognosilanes. Le silane constitue une matière première de choix pour obte- nir, par décomposition, du silicium utilisable notamment dans les dispositifs 5 semi-conducteurs ou photovoltaïques (cellules solaires). On sait qu'il est possible d'obtenir du silane par dismu- tation de trichlorosilane en présence de divers catalyseurs selon les réactions équilibrées suivantes: (1) 2HSiCI - it2SiC1l + SiCi4 ()2HSiC13x (2) 2Hi 2SiCi 2- HSiC1 + H SiC (3) 213SiCI X SiH4 + HgSiC12 soit globalement (4) 4HSiCI3 - \SiH + 3SIC14 3\---- 4 4 Ainsi selon le bievet français n 2 261 977 il a été proposé de produire du silane par réaction de dismutation ou de redis- tribution de HSiCI3 dans un lit de résine solide d'échange d'an- ions à une température suffisante pour provoquer la vaporisation, hors de la zone de réaction, des produits à plus faible point d'ébullition de la réaction et pour provoquer la condensation du produit liquide à point supérieur d'ébullition résultant de -la réaction, SiC14, et son écoulement loin de la zone de réaction. On maintient la température au sommet du lit à une valeur supérieure au point d'ébullition de Si}4 et inférieure au point d'ébullition de H3SiC1; et l'on récupère du lit SiH4 qui ne comporte sensible- ment pas d'hydrure de chlorosilicium. Ce procédé extrêmement complexe et délicat à mettre en oeuvre opère une distillation continue des produits des différentes réactions équilibrées (1) (2) et (3) et permet une certaine sépa- ration des divers produits en présence; l'obtention de SiH4 nécessite une purification complémentaire sur piège à charbon. 2503 1 25 Par ailleurs, on connaît différents procédés de fabrication de dichlorosilane par dismutation du trichlorosilane en présence de catalyseurs divers. Lors de cette dismutation selon la réaction (1) on obtient également dans certains cas les autres silanes chlorés dans des proportions très faibles; les rendements en dichlorosilane obtenus étant toujours bien supérieurs aux rende- ments dans les autres chlorosilanes. Parmi les catalyseurs connus dans ce but, on a proposé notamment: les amines tertiaires de formule générale NR'R"R''' dans laquelle R',R",R'' sont des radicaux alcoyles identiques ou différents (Brevet français n I 111 925), les chlorhydrates d'amines (Brevet français n 2 096 605), les pyrrolidones N-substituées (Brevet français n 2 290 447) et les tétraalcoylurées (Brevet français n 2 290 448). La demanderesse a mis au point un procédé de fabrication de silane qui permet notamment d'obtenir celui-ci très aisément et avec une excellente sélectivité sans avoir recours à une série de distillations successives comme dans le procédé selon le BF 2 261 977. Ce procédé comporte la mise en contact d'au moins un halogèno-silane avec un composé comportant au moins un groupement " oxo-amine: o X_ C/O Z pour réaliser la dismutation et/ou la redistribution de l'halo- génosilane en silane, tétrahalogénure de silicium et halogéno- silanes résiduels et à mettre en contact ces produits avec ledit composé pour opérer la séparation du silane des autres produits de réaction. La demanderesse a découvert en effet de façon totalement inattendue que, d'une part, les composés ci-dessus permettaient d'obtenir du silane à partir d'un halogéno-silane par dismutation et/ou redistribution avec une bonne sélectivité et que, d'autre part, ces composés réalisaient la séparation du silane des autres produits de réactions par solvatation sélective de ceux-ci. Autrement dit, et sans limiter la présente invention à la théorie, il semble que les composés décrits ci-dessus jouent à la fois le rôle de catalyseur permettant d'obtenir le silane et de solvant des sous-produits des réactions permettant ainsi une séparation très aisée entre le silane et ces sous-produits. Ainsi, la présente invention concerne un procédé de fabrica- tion de silane caractérisé en ce que l'on opère la dismutation et/ou la redistribution d'un halogéno-silane par mise en contact d'au moins un halogèno-silane comportant au moins une liaison Si - H avec un composé comportant au moins un groupement a oxo- amine et en ce que l'on sépare le silane formé en mettant en contact les produits de réaction avec ledit composé comportant au moins un groupement a oxo-amine. Les halogèno-silane comportant au moins une liaison Si - H que l'on peut mettre en oeuvre selon le procédé de l'invention sont notamment ceux qui ont pour formule R H Si C4l(n+m) dans n m 4(nm laquelle n peut avoir les valeurs 0, 1, 2 ou 3 et m les valeurs 1, 2 ou 3 et R, quand il existe, est choisi parmi les radicaux alcoyle ou aryle et de préférence les radicaux: méthyle, éthyle, propyle, isopropyle et phényle. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, on utilise le trichlorosilane, le dichlo- rosilane, le méthyldichlorosilane, le diméthylchlorosilane, le phényldichlorosilane ou l'éthyldichlorosilane. Les composés comportant au moins un groupement a oxo-amine que l'on peut mettre en oeuvre selon le procédé de l'invention répondent à la formule générale o X -Cf y N \1 z dans laquelle X est choisi parmi les radicaux comportant des groupements: alkyle, aryle, cycloaliphatique, amine tertiaire, éther dont le nombre d'atomes de carbone est compris de préférence entre 1 et 10); Y et Z étant choisis parmi les radicaux compor- tant des groupements alkyle, aryle, cycloaliphatique, éther dont le nombre d'atomes de carbone est compris de préference entre I et 10. Panrmi ces composés, on utilise notamment ceux de formules générales: R R3 N-C -N / 1 \ 2 0 R4 R6 N N - R7 1 C Il O R8 N. _C -N R O R13 Rl N- C - Ro-C -N / 10I i R14 O O R12 dans lesquelles Rn avec n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, Il 12, 13, 14 représentent des groupements alkyle, aryle, cycloaliphatique ayant de préférence entre 1 et 10 atomes de carbone. Selon le procédé de l'invention on préfère mettre en oeuvre les tétraalcoylurées et les pyrrolidones N-substituées. Les tétraalcoylurées qui conviennent plus particulièrement aux fins de l'invention répondent à la formule générale R15 I /R17 N - C - N R16 N 18 Ri61OR8 dans laquelle les radicaux R 15, R16, R17, R18 identiques ou différents représentent des groupements alcoyle à chaîne droite ou ramifiée comportant de 1 à 6 atomes de carbone. Parmi celles-ci on peut citer la tétraméthylut'rée, la t:traéthylurée et la tétrabutylurée Les pyrrolidones N-substituées qui conviennent plus particu- lièrement aux fins de l'invention répondent à la formule générale: R21 R22 l C C - R20 R I, 23 1 CH2 C N 0 I R19 dans laquelles les radicaux R20, R21, R22, R23 identiques ou dif- férents représentent l'hydrogène ou un radical méthyle, le radical R19 représente un radical alcoyle ou alcenyle à chaîne droite ou ramifiée comportant de 1 à 6 atomes de carbone, ou un radical cyclohexyle ou phényle. Parmi celles-ci on peut citer la N-méthylpyrrolidone et la N-éthylpyrrolidone. La mise en contact entre l'halogèno-silane et le composé comportant au moins un groupement a-oxo-amine conduit à la forma- tion du silane, du tétrahalogénure de silicium et d'halogénures résiduels. Le nombre de groupements a oxo-amine mis en oeuvre est de préférence au moins égal au nombre de moles d'halogéno-silane résiduel formé. De préférence le rapport molaire entre le composé comportant au moins un groupement î oxo-amine et l'halogèno-silane est com- pris entre 1 et 10 et de préférence entre 2 et 5. Selon une variante du procédé de l'invention, il est égale- ment possible de fabriquer le silane par réaction de redistribu- tion entre le composé comportant au moins un groupement ca oxo- amine et deux halogèno-silanes ou un halogèno-silane et le tétra- chlorure de silicium. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre à une pression qui peut être inférieure, égale ou supérieure à la pression atmosphérique; on opère généralement à la pression atmosphérique. La température et les débits des divers produit. sont ajustés de façon connue par l'homme de l'art pour permettre d'une part les dismutations désirées et d'autre part la récupéra- tion du silane. La mise en contact peut être effectuée éventuellement en présence d'un solvant. Le procédé selon l'invention peut être réalisé en continu ou en discontinu. Dans une forme de réalisation préférée, le procédé de l'in- vention est mis en oeuvre dans une colonne dans laquelle l'halo- géno-silane est introduit en bas de la colonne sous forme liquide dans une z6ne présentant une température comprise entre environ 00C et environ 100C, et de préférence entre 25 C et 90'C, le composé comportant au moins un groupement a oxo-amine circule à contre-courant dans la colonne et est alimenté en tête de celle-ci. On maintient dans la colonne un gradient de température compris entre environ - 30 et environ 150C, et de préférence entre - 300C et 900C de façon à fonctionner de préférence à reflux. La température en tête de la colonne est maintenue à une valeur supérieure au point d'ébullition de SiH4 et telle que les autres produits de la dismutation restent dissouts dans la phase liquide. Cette température est de préférence comprise entre - 30oC et 250C. On recueille en pied de colonne du tétrahalogénosilane, des halogénosilanes résiduels et le composé comportant au moins un groupement a oxoamine. Si on le désire, on peut facilement séparer le composé comportant au moins un groupement a oxo-amine du tétrahalogénosilane et des halogénosilanes résiduels par distillation et le recycler en tête de la colonne. Par ailleurs, le tétrahalogénosilane peut également, après séparation, être transformé en halogéno-silane et recyclé également dans le procédé avec les halogéno-silanes résiduels. di La présente invention constitue ainsi un procédé parfaitement intégré d'une mise en oeuvre aisée pour la fabrication de silane à partir d'halogéno-silane. L'exemple ci-après illustre l'invention sans en limiter la portée. Exemple Dans une colonne (hauteur 800 mm, diamètre intérieur 30 mm, surmontant un réacteur de 500 ml) garnie d'un remplissage à base de billes de verre et préalablement purgée à l'argon sec, on alimente dans le réacteur en pied du trichlorosilane avec un débit de 30ml/h, on alimente en tête avec un débit de lOml/h de la tétraméthylurée à contre-courant avec les vapeurs montantes dans la colonne. On porte le réacteur en pied de colonne à une température comprise entre 63 et 650C. La température dans la colonne est maintenue entre - 250C et 40'C. La température en tête de colonne est maintenue à - 250C. Il sort en tête du silane pur avec un débit de 0,4 I/heure. En 32 heures de fonctionnement, on atteint une conversion de 100 % en silane. REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication de silane caractérisé en ce que l'on opère la dismutation et/ou la redistribution d'un halogéno- silane par mise en contact d'au moins un halogéno-silane compor- tant au moins une liaison Si-H avec un composé comportant au moins un groupement oxo-amine et en ce que l'on sépare le silane formé en mettant en contact les produits de réaction avec ledit composé comportant au moins un groupement oxo-amine. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé comportant au moins un groupement oxo-amine a pour formule générale: o XC y ( entre I et 10; Y et Z étant choisis parmi les radicaux compor- tant des groupements alkyle, aryle, cycloaliphatique, éther dont te nombre d'atomes de carbone est compris de préférence entre 1 et 10. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé est choisi parmi le groupe comportant les composés de formule générale: R1 R3 x -J N- C -N 2 R4 R 5\ R6- N N-R7 Cy Il o R8 N - C --N R9 R13 R11 N -C - R6- C - -N R14 O O R12 dans lesquelles Rn avec n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 représentent des groupements alkyle, aryle, cycloaliphatique ayant de préférence entre 1 et 10 atomes de carbone. 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le compose est choisi parmi le groupe comportant les tétraalcoylurées et les pyrrolidones N-substituées et de préférence la tétraméthyl- urée, la tétraéthylurée, la têtrabutylurée, la N-méthylpyrrolidone et la N-tthylpyrrolidone. ) t'rocdle selon l'une quelconque des revendications précé- dtntes caracturisé en ce qu'il::;t mis.n oeuvre dans one colonne dans laque l'e l'halogéno-sil[ne te t introduit en bas de la colonne sous forme I iquide dans Ut,,e zone présentant une température comprise entre environ 0 C et environ 100 C et de préférence entre C et 90 C, le composé comportant au moins un groupement a oxo-amine circule a contre-courant dans la colonne et est ali- menté en tête de celle-ci; on maintient dans la colonne un gradient de température compris entre environ - 30 C et environ C, et de préférence entre - 30 C et 90 C, de façon à fonction- ner de préférence à reflux; la température en tête de la colonne est maintenue à une valeur supérieure au point d'ébullition de SiH4 et telle que les autres produits de la dismutation restent dissouts dans la phase liquide; cette température est de préférence comprise entre - 30 C et 25 C; on recueille en pied de colonne du tétrahalogénosilane, des halogéno-silanes résiduels et le composé comportant ail mooins in groupement a oxo-amine.