Исследование примесного состава тетрахлорида кремния методом хромато-масс-спектрометрии

В связи с высокими требованиями к чистоте тетрахлорида кремния, используемого в полупроводниковой и оптоэлектронной промышленности, необходима информация о присутствующих в нем примесях. Методом хромато-масс-спектрометрии исследовали примесный состав образцов тетрахлорида кремния, полученных по разным технологиям: хлорированием диатомита и древесного угля, диспропорционированием трихлорсилана и хлорированием изотопно-обогащенного кремния. Для разделения примесей изучена возможность применения капиллярной колонки DB-5MS 30 м × 0,32 мм × 0,25 мкм с метилсилоксаном в качестве неподвижной жидкой фазы. Показано, что при ее использовании большинство установленных веществ элюируется в виде отдельных хроматографических пиков, что упрощает их определение. Исключением являются примеси N₂, O₂, Ar, CO₂, SiF₄, CHClF₂, HCl и H₂S, которые определяли по характеристическим пикам в масс-спектре. Для идентификации примесей экспериментальные масс-спектры сравнивали со спектрами библиотеки NIST и литературными данными. Расширены сведения о примесном составе SiCl₄: всего идентифицировано 30 соединений — постоянные газы, алифатические и хлорсодержащие углеводороды, хлориды, серосодержащие вещества, кремнийорганические соединения, из них 19 обнаружено впервые. Получен и описан отсутствующий в литературных источниках масс-спектр C₂H₆Cl₄OSi₂. Впервые получены данные о примесном составе изотопно-обогащенного тетрахлорида кремния. Проведено сравнение примесного состава исследованных образцов и определены характерные для каждого из них примеси. Полученные данные могут быть востребованы при разработке технологии глубокой очистки SiCl₄ и при его характеристике предприятиями-изготовителями.

1. Таиров Ю. М., Цветков В. Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. — СПб.: Лань, 2002. — 424 с.

2. Фурман А. А. Неорганические хлориды. — М.: Химия, 1980. — 416 с.

3. Фалькевич Э. С., Пульнер Э. О., Червонный И. Ф. Технология полупроводникового кремния. — М.: Металлургия, 1992. — 408 с.

4. Патент РФ № 2488462. Власов О. А. Способ получения нанопорошка аморфного диоксида кремния. Опубл. 2013.

5. Прохоров А. М., Дианов Е. М. Лазеры и волоконная оптика / Фотон-экспресс. 2016. Т. 219. № 1. С. 8 – 17.

6. Патент РФ № 2692310. Чурбанов М. Ф., Буланов А. Д., Трошин О. Ю. и др. Способ получения изотопно-обогащенных диоксидов кремния. Опубл. 2019.

7. Трошин О. Ю., Буланов А. Д., Салганский М. Ю. и др. Кварцевый световод на основе изотопно обогащенного 28SiO2 / Неорганические материалы. 2023. Т. 59. ¹ 6. С. 618 – 623. DOI: 10.31857/S0002337X23060143

8. Silicon Tetrachloride Semiconductor. Matheson. 2023. https://www.mathesongas.com/pdfs/puregas/silicon-tetrachloride.pdf (дата обращения 20.10.2023).

9. Тетрахлорид кремния. HORSTechnologies, 2023. https://horst.ru/products/29-sicl4 (дата обращения 20.10.2023).

10. Тетрахлорид кремния высокой чистоты (SiCl4). АО НПП «Салют», 2023. https://nppsalut.ru/product-category/vysokochistye-veshchestva (дата обращения 20.10.2023).

11. Девятых Г. Г., Карпов Ю. А., Осипова Л. И. Выставка-коллекция веществ особой чистоты. — М.: Наука, 2003. — 236 с.

12. Девятых Г. Г., Крылов В. А., Ковалев И. Д. и др. Примесный состав образцов выставки-коллекции веществ особой чистоты / Высокочистые вещества. 1990. № 4. С. 7 – 17.

13. Крылов В. А., Салганский Ю. М., Чернова О. Ю. Высокочувствительное газохроматографическое определение примесей углерод- и водородсодержащих веществ в тетрахлориде кремния / Журн. аналит. химии. 2001. Т. 56. № 9. С. 956 – 961.

14. Крылов В. А., Краснова С. Г., Салганский Ю. М. Газохроматографический метод определения примесей в четыреххлористом кремнии и треххлористом фосфоре. Получение и анализ веществ особой чистоты. — М.: Наука, 1978. С. 190 – 195.

15. Сапрыкин Ю. А., Головко Б. М., Паздерский Ю. А. и др. Хроматографическое определение водорода в хлоридах кремния при помощи высокочастотного эмиссионного детектора / Журн. аналит. химии. 1987. Т. 42. № 11. С. 2017 – 2021.

16. Сапрыкин Ю. А., Головко Б. М., Паздерский Ю. А. и др. Хроматографическое определение углерода в хлоридах кремния с использованием высокочастотного эмиссионного детектора / Журн. аналит. химии. 1986. Т. 41. № 12. С. 2210 – 2214.

17. Девятых Г. Г., Рудневский Н. К., Демарин В. Т. и др. Хромато-атомно-абсорбционное определение примесей трихлорсилана и триметилхлорсилана в тетрахлориде кремния / Журн. аналит. химии. 1981. Т. 36. № 12. С. 2335 – 2338.

18. Девятых Г. Г., Рачков В. Г., Агафонов И. Л. Количественный масс-спектрометрический анализ тетрахлоридов германия и кремния на содержание микропримесей хлоридов некоторых элементов III – V групп / Журн. аналит. химии. 1969. Т. 24. № 3. С. 439 – 442.

19. Агафонов И. Л., Девятых Г. Г. Масс-спектрометрический анализ газов и паров особой чистоты. — М.: Наука, 1980. — 336 с.

20. Kometani T. Y., Wood D. L., Luongo J. P. Infrared spectrophotometric determination of hydrogen-containing impurities in silicon tetrachloride / Anal. Chem. 1987. Vol. 59. N 8. P. 1089 – 1093. DOI: 10.1021/ac00135a005

21. Rand M. J. Purity examination of silicon and germanium halides by long-path infrared spectrophotometry / Anal. Chem. 1963. Vol. 35. N 13. P. 2126 – 2131. DOI: 10.1021/ac6020a043

22. Главин Г. Г., Степанов А. И., Квин В. Е. Хромато-масс-спектрометрическая идентификация высококипящих примесей в тетрахлориде кремния / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1981. Т. 47. № 5. С. 12 – 16.

23. А. с. № 211524. Способ непрерывного получения четыреххлористого кремния / Фурман А. А., Мичкова З. И. Опубл. 1968.

24. Гришнова Н. Д., Мочалов Г. М., Гусев А. В. и др. Аналитическая активность анионообменных смол в реакции диспропорционирования трихлорсилана / Журн. прикладной химии. 1999. Т. 72. Вып. 10. С. 1667 – 1672.

25. Воротынцев В. М., Перевощиков В. А., Скупов В. Д. Базовые процессы микро- и наноэлектроники. — Н. Новгород: НГТУ, 2006. — 358 с.

26. Созин А. Ю., Крылов В. А., Чернова О. Ю. и др. Хромато-масс-спектрометрический анализ высокочистых летучих неорганических гидридов / Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 5. С. 387 – 398. DOI: 10.31857/S0044450221030129

27. Лебедев А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2003. — 493 с.