트라이클로로실레인

트라이클로로실레인(Trichlorosilane, TCS)은 화학식 HCl₃Si를 가지는 무기 화합물이다. 이것은 무색의 휘발성 액체이다. 정제된 트라이클로로실레인은 반도체 산업에서 초고순도 실리콘의 주요 전구체이다. 물에서는 급속히 분해되어 염산을 방출하면서 실록세인 중합체를 생성한다. 반응성과 넓은 가용성 때문에 실리콘을 함유한 유기 화합물 합성에 자주 사용된다.^[2]

트라이클로로실레인

이름
IUPAC 이름 트라이클로로실레인
별칭 실릴 트라이클로라이드, 실리코클로로포름
식별자
CAS 번호	10025-78-2 예
3D 모델 (JSmol)	Interactive image
ChemSpider	23196 예
ECHA InfoCard	100.030.026
EC 번호	233-042-5
PubChem CID	24811
RTECS 번호	VV5950000
UNII	QZY2645L6V 예
UN 번호	1295
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID4029301
InChI InChI=1S/Cl3HSi/c1-4(2)3/h4H 예 Key: ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N 예 InChI=1/Cl3HSi/c1-4(2)3/h4H Key: ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYAH
SMILES Cl[SiH](Cl)Cl
성질
화학식	HCl3Si
몰 질량	135.45 g/mol
겉보기	무색 액체
밀도	1.342 g/cm3
녹는점	−126.6 °C (−195.9 °F; 146.6 K)
끓는점	31.8 °C (89.2 °F; 304.9 K)
물에서의 용해도	가수분해
위험[1]
물질 안전 보건 자료	ICSC 0591
GHS 그림문자
신호어	위험
GHS 유해위험문구	H224, H250, H302, H314, H332
GHS 예방조치문구	P310, P231, P280, P305+351+338+310, P370+378
NFPA 704 (파이어 다이아몬드)	4 3 2 W
인화점	−27 °C (−17 °F; 246 K)
발화점	185 °C (365 °F; 458 K)
폭발 한계	1.2–90.5%
관련 화합물
관련 클로로실레인	클로로실레인 다이클로로실레인 다이클로로메틸실레인 클로로다이메틸실레인 사염화 규소
관련 화합물	트라이플루오로실레인 트라이브로모실레인 클로로포름
달리 명시된 경우를 제외하면, 표준상태(25 °C [77 °F], 100 kPa)에서 물질의 정보가 제공됨. 아니오 확인 (관련 정보 예아니오 ?) 정보상자 각주

생산

트라이클로로실레인은 수소화염소화 공정에서 300°C에서 분말화된 야금 등급 실리콘에 염화 수소를 불어넣어 생산된다.^[3] 화학반응식에 설명된 대로 수소도 생성된다.

Si + 3 HCl → HCl₃Si + H₂

80-90%의 수율을 달성할 수 있다. 주요 부산물은 사염화 규소 (화학식 SiCl₄), 헥사클로로다이실레인 (Si₂Cl₆) 및 다이클로로실레인 (H₂SiCl₂)이며, 이들로부터 트라이클로로실레인은 증류를 통해 분리될 수 있다.

트라이클로로실레인 탱크차. 유엔 번호: 2988 (클로로실레인). 국가 간 위험물질의 수송에 관한 유럽 협약 위험 식별 번호: X338 (고도로 인화성 액체, 부식성, 물과 위험하게 반응함)

또한 직접 염소화 공정에서 사염화 규소로부터도 생산된다.^[4][5]

Si + 3 SiCl₄ + 2 H₂ → 4 HCl₃Si

두 가지 방법 모두 널리 사용된다. 첫 번째 방법은 더 저렴하지만 수율을 제어하기 어렵다. 두 번째 방법은 그만큼의 제어가 필요하지 않지만, 첫 번째 방법에 비해 두 배의 자본 투자가 필요하고 65-90 kWh/kg 대신 120-200 kWh/kg을 소비한다. TCS의 증류는 TCS를 상당히 정제하며, 실리콘의 대부분의 불순물이 제거된다.^[6]

용도

트라이클로로실레인은 정제된 폴리실리콘 생산에 사용되는 기본 성분이다.

HCl₃Si → Si + HCl + Cl₂

이는 지멘스 공정이라는 화학기상증착 공정에서 사용될 수 있다.^[7][8]

하이드로실릴화의 성분

하이드로실릴화를 통해 트라이클로로실레인은 다른 유용한 유기실리콘 화합물의 전구체이다.

RCH=CH₂ + HSiCl₃ → RCH₂CH₂SiCl₃

이 반응 또는 유사한 반응의 유용한 제품으로는 옥타데실트라이클로로실레인 (OTS), 퍼플루오로옥틸트라이클로로실레인 (PFOTCS), 퍼플루오로데실트라이클로로실레인 (FDTS)이 있다. 이들 시약은 표면 과학 및 나노기술에서 자기 조립 단분자막을 형성하는 데 사용된다. 불소를 포함하는 이러한 층은 표면 에너지를 감소시키고 점착성을 줄인다. 이 효과는 일반적으로 MEMS 및 나노임프린트 리소그래피 (NIL)용 미세가공 스탬프 및 사출 성형 도구의 코팅으로 활용된다.^[9]

유기 합성

트라이클로로실레인은 벤조산에서 톨루엔 유도체로의 전환에서 시약이다. 2단계 반응의 첫 번째 단계에서 카르복실산은 먼저 트라이클로로실릴벤질 화합물로 전환된다. 두 번째 단계에서 벤질 실릴 유도체는 염기 존재 하에 톨루엔 유도체로 전환된다.^[10]

안전

트라이클로로실레인은 반응성이 매우 높으며, 많은 화합물에 격렬하게 (심지어 폭발적으로) 반응할 수 있다.^[11] 여기에는 물도 포함되며, 잠재적으로 이산화 규소, 염소 (원소), 수소, 염화 수소 (및 그 수용성 형태인 염산) 및 열을 생성할 수 있다. 트라이클로로실레인은 수분 (물) 및 습도만으로도 위험한 화학 반응을 일으킬 수 있으므로 비반응성 기체 하에서 취급 및 보관해야 한다.^[11] 트라이클로로실레인 유출은 수산화 나트륨 1:1 비율 또는 탄산수소 나트륨과 트라이클로로실레인 2:1 비율을 사용하여 중화할 수 있다.^[12] 화재는 알코올 내성 수성막 형성 폼 (AR-AFFF)을 사용하여 진압할 수 있다.^[11][12]