シラン (7803-62-5) の物理的および化学的特性

化学プロフィール

シラン

無色の可燃性のシリコン水素化物ガスで、産業的には半導体や特殊材料合成のシリコン堆積の反応性前駆体として使用されます。

CAS番号	7803-62-5
化学族	シラン類（シリコン水素化物）
一般的形態	無色気体（圧縮）
一般的等級	EP

主に半導体や太陽光発電製造におけるシリコン膜堆積（例：CVD）の反応性前駆体として供給・使用されており、また有機シラン合成の原料としても用いられます。調達、品質保証、エンジニアリングチームは通常、プロセス適合性を評価するために供給者の等級と不純物プロファイルを検討し、本物質の可燃性および吸入毒性に起因するガス相の取り扱い、換気、窒素置換の適切な計画を行います。

シランは、最も単純なシリコン水素化物であり（化学式 H4Si または SiH4）、単核の無機水素化物でシラン族の親化合物です。構造的には、1つのシリコン原子が4つの水素原子と結合した正四面体分子であり、その形状と結合はメタンに類似していますが、より大きく、極性が強い Si–H 結合を持ちます。電子構造は主にシリコンの sp3 軌道と水素の 1s 軌道間のσ結合で特徴付けられ、分子は中心対称で非極性であり、永久双極子モーメントはほぼゼロで、計算されたトポロジカル極性表面積は0です。

常温常圧下でのシランは、非常に軽く、低分子量で揮発性が高く、分子間の結合が弱いガスです。水素結合の供与体・受容体機能を持たず、回転結合はゼロ、分子量は32.117です（以下の分子パラメータ参照）。化学的には強力な還元剤であり、酸化されやすく、また分解されやすいです。空気中では自然発火（自然発火性）し、酸化剤、ハロゲン、特定の共有結合性塩化物と反応します。水とゆっくり加水分解して水素と水和シリカ酸化物を生成し、高温熱分解では水素を放出し高純度シリコンを堆積させます。

産業的な重要性は主にシランが気体シリコン源として機能していることによります。化学気相成長（CVD）や単結晶成長に用いられ、半導体や太陽光発電製造で使用されるアモルファスや多結晶シリコン膜の前駆体です。その揮発性とシリコンへのクリーンな分解特性により、電子・太陽光発電プロセスの標準的な原料となっています。

この物質の一般的な商業等級にはEPが含まれます。

基本物理的特性

密度

液体密度：-185 °Cで0.68（液体）。
気体／相対密度：1.11（相対気体密度）、および相対蒸気密度（空気=1）は1.3。
比重（気体）：1.44 g L⁻¹（気体比重として報告）。

説明：標準条件でシランは非常に軽い気体であり、報告される相対蒸気密度が1を少し超えることは、条件や測定法によっては蒸気が空気に近いかやや重いことを示しています。液体密度はシランが凝縮する極低温で報告されています。

融点

報告融点：-185 °C（-301 °Fとしても報告）。

液化シランの取扱いに必要な場合、これらの極低温の相転移温度は固化／液化の温度範囲を示します。

沸点

報告沸点：-112 °C（-169 °Fとしても報告）；1気圧（760 mmHg）での-169 °Fと特記される場合もあります。

シランの非常に低い沸点は、常温で気体で存在する理由および凝縮状態保持のため圧縮ガスボンベや極低温容器が必要な理由を説明します。

蒸気圧

報告蒸気圧：>1 atm。

定性的には、蒸気圧の記載は通常温度でシランが気体であり、かなりの蒸気圧を発揮することを示し、シリンダーでの保管が標準的であることを意味します。

引火点

報告：該当なし（気体）。

シランは極度に可燃性かつ自然発火性のガスに分類され、圧縮または常温の気相において引火点は適用されません。

化学的特性

溶解性および相挙動

溶解性：水中で分解する（「水中でゆっくり分解」）、水溶性は「遅い反応」と報告。
常温の相：気体または蒸気；無色ガスで特有の（不快な）臭気あり。

解釈：シランは一般的な有機溶媒に安定に溶解せず（アルコール、エーテル、ベンゼン、クロロホルム等には実質的に不溶解と報告）、水性媒体では化学的に反応性が高く、ゆっくりと加水分解してケイ素化合物種と水素を生成します。使用プロセスでは気相輸送と急速な拡散が主で、液体シランは圧縮または極低温条件下でのみ存在します。

反応性および安定性

安定性：常温で安定だが高温で分解（約400 °Cで完全分解）し、水素を放出してシリコンを堆積。500 °Cで急速分解、400 °C付近で完全分解と報告。
自然発火性／自然発火性：自然発火性とされ、空気中で自然発火し、着火エネルギーが低い。
反応性警告／不適合性：強力な還元剤で、水（特に塩基存在下）反応性あり、ハロゲン（臭素、塩素）や特定の共有結合性塩化物と接触すると激しく反応または燃焼、酸化剤とも反応。窒素酸化物や亜酸化窒素との混合は爆発しやすい。
分解挙動：加熱または燃焼でシリコンと水素に分解；閉鎖空間では爆発的分解の可能性あり。

運用上の注意：シランを取り扱うシステムは酸化剤やハロゲンとの接触防止、着火源除去、蓄積や誤放出を防ぐ設計・管理が必須。混合物中の微量不純物や他のシラン類も着火挙動に影響を及ぼします。

熱力学データ

標準エンタルピーおよび熱容量

現在のデータコンテキストで実験的に確立された値はありません。

コメント：小分子水素化物の熱力学表はまとめやデータベースに存在しますが、本資料ではシランの標準生成エンタルピーや熱容量の具体的な数値は提供されていません。

分子パラメータ

分子量および式

分子式：H4Si（SiH4としても報告）。
分子量：32.117（単位はg mol⁻¹）。

計算記述子： - 正確質量／単一同位体質量：32.008226662。 - 重原子数：1。 - 形式上の電荷：0。 - 共有結合単位数：1。 - 化合物は正規化済み：はい。

LogPおよび極性

トポロジカル極性表面積（TPSA）：0。
水素結合供与体数：0。
水素結合受容体数：0。
回転可能結合数：0。
複雑度：0。

解説：シランは基本的に非極性で極性官能基を欠くため、古典的な分配係数指標（logPなど）は気体の無機水素化物にはあまり意味がありません。極性表面積や水素結合能の欠如は分子レベルでの分子間極性の低さに対応しますが、Si–H結合の高い分極性および気相での反応性が多くの物理化学的挙動を支配しています。

構造的特徴

シランは四面体形状のSiH4種（Siは名目上sp3混成）です。Si–H結合はC–H結合よりも分極性が高く長いです。シリコンの原子半径が大きく、炭素より電気陰性度が低いため、これらの結合はより容易に分極し、酸化反応やラジカル攻撃を受けやすくなっています。分子の対称性（Td）により永久双極子モーメントはありませんが、反応性はSi–H結合の還元特性と、適切なエネルギー条件や触媒条件下での容易なSi–H結合の均裂または異裂によって支配されます。気相および表面反応（例：高温基板上での熱分解）はシリコン源としての用途の中核をなしています。

識別子および同義語

登録番号とコード

CAS登録番号：7803-62-5
EC番号：232-263-4
国連番号 / 輸送番号：2203
国連輸送記述：UN 2203; Silane
国連ID（DOT）：UN2203
国連危険クラス：2.1（可燃性ガス）
UNII：5J076063R1
RTECS番号：VV1400000
ChEBI：CHEBI:29389
DSSTox物質ID：DTXSID6052534
ICSC番号：0564
供給業者リストにあるニッカジなどのその他の登録コード（出典資料に記載）
InChI: InChI=1S/H4Si/h1H4
InChIKey: BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N
SMILES: [SiH4]

（上記識別子は報告された登録および構造記述表から取得）

同義語および構造名

報告された同義語（選択的、供給元記載による）： - モノシラン - シリケイン - シリコン四水素化物 - SILANE - Silicane - Monosilane - Silicon hydride - SiH4 - テトラヒドリドシリコン - H4Si - Silicon hydride (SiH4) - [SiH4] - Silicon tetrahydride

これらの代替名称およびコードは供給業者、規制、科学文献で混用されており、上記CAS番号が主たる数値登録番号です。

産業・商業用途

代表的用途および産業分野

主な用途：半導体および太陽光発電製造におけるシリコン堆積の気体前駆体；CVDおよびエピタキシャル成長用の超高純度シリコン供給源。
その他プロセス用途：固体素子製造におけるドーピング剤；制御添加や熱分解により非晶質シリコンおよび特定の有機シリコン誘導体の原料。
産業分野：半導体製造、電子材料、太陽電池製造、特殊ガス供給。

シランの揮発性および元素シリコンと水素へのクリーンな分解反応により、高純度シリコン層が要求されるプロセスガスとして選択されています。

合成や製剤における役割

シランは付加反応や制御された炭化水素官能基化を通じて、高次シラン類や有機シラン類を生成する基本的構築単位です。産業的には主に気相プロセス（CVD、低圧CVD）および特定の合成段階での還元剤として用いられています。
加熱基板上でのシランの熱分解によりシリコン膜が堆積され、選択的熱分解は膜の形態や純度の制御に利用されます。

液体取り扱いや貯蔵が必要な場合は混合物や高次シラン類が配合されることもあります。商用ガスに報告される不純物には微量のホスフィンやアルシンなどの揮発性水素化物を含む場合があり、半導体用途ではこれらの管理が必要です。

安全性および取扱い概要

急性および職業性毒性

急性吸入毒性データ（報告）：LC50（ラット）値は9,600 \(\mathrm{ppm}\) / 4時間、または異なる研究で4,000 \(\mathrm{ppm}\) / 4時間と報告。高濃度曝露（例：10,000 \(\mathrm{ppm}\) 4時間）でのマウス死亡例も報告されています。LD50（ウサギ、皮下投与）は3,540 \(\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}\）と報告。
標的器官および影響：眼、皮膚、呼吸器系および中枢神経系。曝露症状には咳、頭痛、吐き気、喉の痛みなどがあり、液体接触は凍傷を引き起こす可能性があり、皮膚および眼への刺激性があります。
職業曝露限界（報告）：TWA 5 ppm（同等物では7 mg/m³報告）；超過曝露推奨値および国別基準は異なる場合があります。
AEGL（暫定値、単位 ppm）（報告）：
10分：100、170、300（AEGL-1、AEGL-2、AEGL-3）
30分：100、170、300
60分：100、130、270
4時間：該当データなし（NR）、80、170
8時間：NR、42、80
（NR＝データ不足により推奨されない。）

ハザード概要：シランは極めて可燃性かつ自然発火性のあるガスで、空気中で自発的に点火する可能性があります。主な急性の危険性は火災、爆発、閉鎖空間での化学的窒息および呼吸器刺激です。プロセス環境では曝露監視と工学的管理が不可欠です。

貯蔵および取扱い上の注意

貯蔵：シリンダーおよびプロセスガスシステムは、酸化剤、ハロゲンおよび塩基と隔離された涼しく乾燥した換気の良い場所に保管してください。耐火性換気設備付きの貯蔵施設を使用し、衝撃から保護し、静電気放電防止のため接地してください。
取扱い：取扱場所では着火源を排除し、防爆電気設備および本質安全な計装を使用してください。シラン使用時には密閉系および局所排気装置を使用し、ガス検知と自動停止インターロックによるプロセス安全を確保してください。ガスラインの逆流や交差汚染を防止してください。
個人用保護具（PPE）：漏出や消火時には正圧式自給式呼吸器（SCBA）と全面保護服を着用してください。日常作業では適切なガス取り扱い用PPE、眼保護具および低温絶縁手袋（低温または液化シラン取り扱い時）を使用してください。
消火および漏洩対応：流出したシランガス火災を消火する試みは、リークが止められない限り行わないでください。可能ならば供給を遮断し、燃焼によって放出物を消費させてください。小規模火災には乾燥化学消火剤またはCO2を使用し、大規模火災には水噴霧または霧で容器を冷却し、曝露を防護しつつ安全距離を保ってください。点状漏れに直接水をかけることは避けてください。水噴霧は蒸気濃度を下げますが着氷を起こす場合があります。重大な漏洩時は風下区域を隔離し避難させてください。
廃棄および緊急対応計画：制御されない漏洩時は現場を避難・隔離し、蒸気が蓄積する閉鎖空間への立入りを防いでください。製品固有の安全資料および地域規制に従い、適切な廃棄処理および除染を行ってください。

詳細な危険性、輸送および規制情報については、製品別安全データシート（SDS）および適用される地域の法令を参照してください。