一种制备电子级二氯二氢硅的方法及装置

技术领域

本发明涉及化工领域，具体地涉及三氯氢硅歧化反应，精馏分离技术，更具体地涉及制备电子级二氯二氢硅的方法及装置。

背景技术

电子气体是半导体制作过程的基础关键材料，被称为电子工业“血液。”电子级二氯二氢硅是半导体制造过程中重要的硅源特气，应用于先进集成电路芯片制程中应变硅外延生长，氧化硅、氮化硅以及金属硅化物等薄膜沉积生产工艺，具有沉积速度快、沉积薄膜均匀、温度较低等特点，在半导体行业具有广阔的市场。

目前，电子级二氯二氢硅主要从多晶硅生产副产物中分离、吸附络合制备以及采用三氯氢硅为原料歧化反应制备。以多晶硅制备过程产生的副产物为原料，采用多级精馏的工艺进行纯化，主要目的是进行物料的综合回收，降低能耗，但精馏存在分离极限，难以对痕量杂质实现分离。吸附络合是利用分子间的范德华力进行杂质分离，但是对ppb级杂质的分离能力受限，同样存在吸附极限的问题。以三氯氢硅为原材料，歧化反应制备二氯二氢硅，是比较常见的方法，三氯氢硅转化率普遍偏低，产物中三氯氢硅为主要成分，仅对产品进行组分分离即可制备纯度高的二氯二氢硅，但分离过程复杂，投资大。

发明内容

本发明旨在提出一种电子级二氯二氢硅的装置及方法，在一定程度上解决了现有制备电子级二氯二氢硅产品不满足要求，产品纯度不稳定及流程复杂的问题。

为达到上述目的，本发明的方法是这样实现的：

一种制备电子级二氯二氢硅的方法，包括以下步骤：

S1三氯氢硅原材料在催化剂的作用下进行歧化反应，生成含有二氯二氢硅的反应产物，进行收集，冷却为液体；

S2含有二氯二氢硅的反应产物的液体进行精馏初分脱出部分重组分，得到二氯二氢硅和剩余重组分混合物；

S3二氯二氢硅和剩余重组分混合物脱除轻组分；

S4脱除剩余重组分；

S5吸附去除金属杂质，得到电子级二氯二氢硅。

优选的，S1中三氯氢硅原材料中三氯氢硅的质量百分数含量大于等于2N；

歧化反应前催化剂中水分小于5ppm；

歧化反应温度为40～70℃，操作压力为0.2～0.5MPa；

收集温度为0～15℃，操作压力为0.1～0.3MPa。

优选的，S1中所述催化剂为弱碱性阴离子交换树脂。

优选的，S2精馏初分过程在精馏塔中进行，塔顶操作温度为30～60℃，塔顶压力为0.15～0.3MPa，回流比为5～10。

优选的，S3中脱轻过程在脱轻塔中进行，塔顶操作温度为30～60℃，塔顶操作压力为0.1～0.2MPa；脱轻采用精馏过程，产物从脱轻塔侧线采出，不存在塔顶回流比。

优选的，S4精馏脱除重组分操作温度为40～70℃，操作压力为0.15～0.4MPa，回流比为5～10。优选的，S5中吸附所用的吸附剂为吸附树脂，吸附温度为20～40℃，所述吸附过程是在吸附塔中进行，吸附塔塔顶操作压力为0.1～0.4MPa。

优选的，S1歧化反应前用40-60℃热氮气吹扫催化剂，直至氮气中的水分小于5ppm停止吹扫。

一种制备电子级二氯二氢硅的装置，包括依次连通的固定床反应器、产品收集罐、初分塔、脱轻塔、脱重塔和吸附塔；所述固定床反应器上连接计量泵。

优选的，S1在固定床反应器中进行歧化反应；在产品收集罐中进行收集；

S2在初分塔中进行精馏初分；

S3在脱轻塔中脱除轻组分；

S4在脱重塔中精馏去脱重组分；

S5在吸附塔中吸附去除金属杂质。

本发明是连续生产，三氯氢硅原材料进料量是1-1.5kg/hr，催化剂的体积占固定床反应器体积的45-68％，催化剂重复使用，吸附树脂和吸附塔的体积比为5:8，吸附树脂也可以重复使用。

本发明的有益效果：

本发明的方法，能够高效、稳定的制备电子级二氯二氢硅，并且该发明工艺步骤简单，实验条件安全，实验能耗较低，得到的二氯二氢硅产品纯度较高。

应用本发明的技术方案，固定床反应器中的三氯氢硅在歧化反应催化剂下生成二氯二氢硅，收集在产品收集罐中，之后产品进入精馏塔去除轻组分和重组分，为了保证产品的质量，在脱重塔塔顶后设置吸附塔，进一步去除杂质，得到电子级二氯二氢硅。工艺成熟，步骤简单，产品质量高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1示出了本发明实施方式的制备电子级二氯二氢硅的流程及设备示意图。

附图标记说明：1-固定床反应器；2-产品收集罐；3-初分塔；4-脱轻塔；5-脱重塔；6-吸附塔。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了下列技术方案。应用本发明的技术方案，固定床反应器中的三氯氢硅在歧化反应催化剂的催化下生成二氯二氢硅，收集在产品收集罐中，之后产品进入精馏塔去除轻组分和重组分，为了保证产品的质量，在脱重塔塔顶后设置吸附塔，进一步去除杂质，得到电子级二氯二氢硅。工艺成熟，步骤简单，产品质量高。

实施例一如图1所示，根据本发明的实施方式，提供一种电子级二氯二氢硅的制备装置，该装置包括依次连通的固定床反应器1、产品收集罐2、初分塔3、脱轻塔4、脱重塔5以及吸附塔6。

三氯氢硅原材料进料量为1-1.5Kg/hr通过计量泵从固定床反应器1下端进入，在歧化反应催化剂下，产生二氯氢硅和四氯化硅，从固定反应器1上端进入产品收集罐2，产品收集罐2下端和初分塔3进料口连接，初分塔3塔顶和脱轻塔3进料口连接，脱轻塔3侧线口和脱重塔5进料口连接，脱重塔5塔顶和吸附塔6进料口连接，上端出口得到电子级二氯二氢硅。

本发明是连续生产，催化剂的体积为10L，固定床反应器的体积为22L，催化剂重复使用，吸附树脂的体积为5L和吸附塔的体积为8L，吸附树脂也可以重复使用。

实施例二

本实施例和实施例一区别点在于催化剂的体积为15L,三氯氢硅原材料进料量为1.5Kg/hr，其余与实施例一相同。

实施例三

一种制备电子级二氯二氢硅的方法，采用实施例一的设备，包括以下步骤：

S1，反应前用40℃热氮气吹扫弱碱性阴离子交换树脂后，氮气中的水分小于5ppm停止吹扫，三氯氢硅原材料在弱碱性阴离子交换树脂的作用下进行歧化反应，生成含有二氯二氢硅的反应产物，进行收集，冷却为液体；三氯氢硅原料中三氯氢硅的质量百分数含量大于等于2N；

S2含有二氯二氢硅的反应产物的液体进行精馏初分脱出部分重组分，得到二氯二氢硅和剩余重组分混合物；

S3二氯二氢硅和剩余重组分混合物脱除轻组分O

S4脱除剩余重组分三氯氢硅和四氯化硅；

S5吸附树脂吸附去除金属杂质，得到电子级二氯二氢硅。

具体试验参数如表：

在上述条件下，产品二氯二氢硅的纯度达到5N，金属杂质总量在1ppb以内。

实施例四

一种制备电子级二氯二氢硅的方法，利用实施例一的装置，包括以下步骤：将采购的三氯氢硅原材料(三氯氢硅原料中三氯氢硅的质量百分数含量大于等于2N)通过计量泵送入装有弱碱性阴离子交换树脂的固定床反应器1，进行歧化反应，反应前用60℃热氮气吹扫弱碱性阴离子交换树脂后，氮气中的水分小于5ppm停止吹扫，生成含有二氯二氢硅的反应产物，进入产品收集罐2，通过冷媒冷却为液体；将产品罐中的反应产物依次经过初分塔3，脱出部分重组分，塔顶得到二氯二氢硅；将从初分塔分离得到的二氯二氢硅，经过脱轻塔4和脱重塔5，脱除轻组分和重组分，得到纯度较高的二氯二氢硅；将分离后的二氯二氢硅经过吸附塔6，去除金属杂质，得到电子级二氯二氢硅。

具体试验参数如表：

在上述条件下，产品二氯二氢硅的纯度达到5N，金属杂质总量在1ppb以内。

实施例五

本实施例和实施例四区别点在于具体实验参数，其他地方相同；

具体试验参数如表：

在上述条件下，产品二氯二氢硅的纯度达到5N，金属杂质总量在1ppb以内。

对比例一本对比例和实施例五区别点在于：催化剂为弱酸性阴离子交换树脂，其他地方相同。

在上述条件下，产品二氯二氢硅的纯度达到4N，金属杂质总量在1ppb以内。

对比例二本对比例和实施例五区别点在于：歧化反应前催化剂中水分为7ppm，其他地方相同。

在上述条件下，产品二氯二氢硅的纯度达到4N，金属杂质总量在1ppb以内。

通过对比例一、对比例二与实施例四的对比可以看出，催化剂为弱碱性阴离子交换树脂，且歧化反应前催化剂中水分小于5ppm对产品的纯度影响很大。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。