乙硅烷制备设备和制备方法

技术领域

本发明涉及化工技术领域，具体涉及一种乙硅烷制备设备和制备方法。

背景技术

乙硅烷(Si2H6)是一种先进的成膜电子特气，在薄膜沉积工艺中相对其他硅源气体具有沉积温度更低、成膜速率更快、膜均匀度更高等特点，目前许多先进集成电路芯片制造厂已开始广泛使用。相关技术中，已有的生产乙硅烷的技术方面主要有三种(1)硅化镁与氯化铵合成法。此方法以硅化镁与氯化氨为原料，在液氨及催化剂存在下生成硅烷，同时副产乙硅烷气体因此乙硅烷占比较少、生产效率低。(2)卤代乙硅烷还原法。使用氢化铝锂或氢化铝钠还原六氯乙硅烷制备乙硅烷，该反应利用氢化铝锂或氢化铝钠等络合金属氢化物还原六氯乙硅烷制备乙硅烷。采用的原料六氯乙硅烷昂贵，不易得到且纯度较低，在溶剂中反应速度慢，生产效率低。且在反应过程中会副产有机硅化合物，存在分离困难，同时，过程易引入杂质，进而影响产品质量的问题。(3)硅烷直接合成法，以硅烷为初始原料，通过原子激发、热分解、光解、静电场、辉光放电等方法可以使硅烷转化为乙硅烷。但是该方法转化率较低，且过程很容易产生棕黄色无定型硅固态物质，产业化应用价值不高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种乙硅烷制备设备。

根据本发明实施例的乙硅烷制备设备，包括：

加热装置，所述加热装置具有第一进气口和第一出气口；

催化脱氢反应器，所述催化脱氢反应器具有第二进气口和第二出气口，所述第二进气口与所述第一出气口连通；

深冷装置，所述深冷装置具有第三进气口、第三出液口和第三废气出口，所述第三进气口与所述第二出气口连通；

脱轻分离塔，所述脱轻分离塔具有第四进料口、第四出气口和第四出液口，所述第四进料口与所述第三出液口连通,所述第四出气口与所述第一进气口连通；

吸附装置,所述吸附装置具有第五进料口和第五出料口,所述第五进料口与所述第四出液口连通；和

脱重分离塔,所述脱重分离塔具有第六进料口、第六出气口和第六出液口，所述第六进料口与所述第五出料口连通。

因此，根据本发明实施例的乙硅烷制备设备具有乙硅烷的转化率高、生产效率高、减少资源浪费和降低生产成本等优点。

在一些实施例中，还包括压缩机,所述压缩机具有第七进气口和第七出气口,所述第七进气口与所述第二出气口相连,所述第七出气口与所述第三进气口连通。

在一些实施例中，还包括：

第一精密过滤器,所述第一精密过滤器具有第一过滤进口和第一过滤出口,所述第一过滤进口与所述第一出气口相连,所述第一过滤出口与所述第二进气口相连；和

第二精密过滤器,所述第二精密过滤器具有第二过滤进口和第二过滤出口,所述第二过滤进口与所述第二出气口相连,所述第二过滤出口与所述第七进气口相连。

在一些实施例中，还包括：

第一预热器,所述第一预热器包括第一加热腔体和第一冷却腔体,所述第一加热腔体与所述第一冷却腔体相互配合,所述第一加热腔体具有第一加热进口和第一加热出口,所述第一冷却腔体具有第一冷却进口和第一冷却出口,所述第一加热出口与所述第一进气口相连,所述第一冷却进口与所述第二过滤出口相连,所述第一冷却出口与所述第七进气口相连；和

第二预热器,所述第二预热器包括第二加热腔体和第二冷却腔体,所述第二加热腔体与所述第二冷却腔体相互配合,所述第二加热腔体具有第二加热进口和第二加热出口,所述第二冷却腔体具有第二冷却进口和第二冷却出口,所述第二冷却进口与所述第七出气口相连,所述第二冷却出口与所述第三进气口相连,所述第二加热进口与所述第四出气口相连,所述第二加热出口与所述第一加热进口相连。

在一些实施例中，所述催化脱氢反应器为管式反应器,所述催化脱氢反应器内装填有催化剂，可选地,所述催化剂包括锌、镍、铁、铜的氧化物中的至少一种。

在一些实施例中，所述催化脱氢反应器内设有多孔载体，可选地，所述多孔载体包括活性炭、氧化铝和分子筛。

本申请还提供了利用上述的乙硅烷制备设备实施的乙硅烷制备方法，包括以下步骤：

A)利用所述加热装置对甲硅烷加热，以便将所述甲硅烷的温度加热至100℃-250℃；

B)将加热后的所述甲硅烷通入所述催化脱氢反应器内发生催化脱氢反应，以便得到混合反应气体，所述混合反应气体包括乙硅烷、氢气、高阶硅烷和甲硅烷，所述催化脱氢反应在100℃-250℃、0.2MPaG-0.4MpaG的条件下进行；

C)利用所述深冷装置对所述混合反应气体进行冷却，以便得到不凝气体和液态产物，所述液态产物包括所述甲硅烷中的一部分、所述乙硅烷和所述高阶硅烷，所述不凝气体包括所述氢气和所述甲硅烷中的其余部分，所述液态产物的温度为零下65℃-零下85℃；

D)将所述液态产物通入所述脱轻分离塔内进行精馏纯化，从所述脱轻分离塔的塔顶采出气态的所述甲硅烷，从所述脱轻分离塔的塔底排出不含所述甲硅烷的所述液态产物，所述脱轻分离塔内的压力在0.4MPaG-0.6MpaG之间，所述脱轻分离塔内的温度在32℃-50℃之间；

E)将分离出所述甲硅烷的所述液态产物通入所述吸附装置内，以便所述吸附装置内的吸附剂吸附所述液态产物内的金属杂质；

F)将去除所述金属杂质的所述液态产物通入所述脱重分离塔内精馏纯化，以便分离出所述去除所述金属杂质的所述液态产物中的高阶硅烷、并得到乙硅烷，所述脱重分离塔内的压力在0.05MPaG-0.4MpaG之间，所述脱重分离塔内的温度在-4℃-37℃之间。

在一些实施例中，所述步骤A)进一步包括：

利用所述第一精密过滤器对加热后的所述甲硅烷进行过滤，以便去除加热后的所述甲硅烷中的微硅粉。

在一些实施例中，所述步骤B)包括：

B-1)利用所述第二精密过滤器对所述混合反应气体进行过滤，以便去除所述混合反应气体中的微硅粉；

B-2)利用所述第一预热器对所述混合反应气体进行第一次热交换，以便降低所述混合反应气体的温度；

B-3)利用压缩机对所述混合反应气体加压，以便得到加压后的混合反应气体，所述加压后的混合反应气体的压力在0.5MPaG-1.5MpaG之间，可选地，所述加压后的混合反应气体的压力在0.6MPaG-0.8MpaG之间；

B-4)利用所述第二预热器对所述加压后的混合反应气体利和所述采出气态的所述甲硅烷进行第二次热交换，以便降低所述加压后的混合反应气体的温度、并提高所述采出气态的所述甲硅烷的温度。

在一些实施例中，将所述采出气态的所述甲硅烷通入所述加热装置内作为原料。

附图说明

图1是根据本发明实施例的乙硅烷制备设备的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的乙硅烷制备设备的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的乙硅烷制备设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的乙硅烷制备设备1000。如图1至图3所示，根据本发明实施例的乙硅烷制备设备1000包括加热装置100、催化脱氢反应器200、深冷装置300、脱轻分离塔400、吸附装置500和脱重分离塔600。

加热装置100具有第一进气口110和第一出气口120。催化脱氢反应器200具有第二进气口210和第二出气口220，第二进气口210与第一出气口120连通。深冷装置300具有第三进气口310、第三出液口320和第三废气出口330，第三进气口310与第二出气口220连通；

脱轻分离塔400具有第四进料口410、第四出气口420和第四出液口430，第四进料口410与第三出液口320连通,第四出气口420与第一进气口110连通。吸附装置500具有第五进料口510和第五出料口520,第五进料口510与第四出液口430连通。脱重分离塔600具有第六进料口610、第六出气口620和第六出液口630，第六进料口610与第五出料口520连通。

相关技术中，利用甲硅烷制造乙硅烷一般是硅烷直接合成法，以甲硅烷为初始原料，通过原子激发、热分解、光解、静电场、辉光放电等方法可以使硅烷转化为乙硅烷。但是该方法转化率较低，且过程很容易产生棕黄色无定型硅固态物质，产业化应用价值不高。

根据本发明实施例的乙硅烷制备设备1000利用催化脱氢反应器200对甲硅烷进行催化脱氢反应，从而生成包括乙硅烷在内的混合反应气体。甲硅烷利用催化法生成乙硅烷只需催化剂和一定的温度，因此催化反应所需的环境容易达成，因此催化脱氢反应器200的设置容易完成，降低了乙硅烷制备设备1000制造难度，使得硅烷利用催化法生成乙硅烷的过程较为简单。混合反应气体中杂质种类少，混合反应气体中乙硅烷之外的其他物质便于分离、去除，即利用乙硅烷制备设备1000以甲硅烷为原料制备乙硅烷的转化率高、生产效率高。

混合反应气体中包括乙硅烷、氢气、高阶硅烷和甲硅烷，利用深冷装置300可分离出氢气，利用脱轻分离塔400可分离出甲硅烷，利用脱重分离塔600可分离出高阶硅烷。氢气和高阶硅烷属于有回收价值的原料，甲硅烷都可继续作为生产原料，回收氢气、高阶硅烷和甲硅烷可减少资源的浪费、降低生产成本。

因此，根据本发明实施例的乙硅烷制备设备1000具有乙硅烷的转化率高、生产效率高、减少资源浪费和降低生产成本等优点。

根据本发明的实施例的乙硅烷制备方法包括以下步骤：

A)利用加热装置100对甲硅烷加热，以便将甲硅烷的温度加热至100℃-250℃。

B)将加热后的甲硅烷通入催化脱氢反应器200内发生催化脱氢反应，以便得到混合反应气体，混合反应气体包括乙硅烷、氢气、高阶硅烷和甲硅烷，催化脱氢反应在100℃-250℃、0.2MPaG-0.4MpaG的条件下进行。

C)利用深冷装置300对混合反应气体进行冷却，以便得到不凝气体和液态产物，液态产物包括甲硅烷中的一部分、乙硅烷和高阶硅烷，不凝气体包括氢气和甲硅烷中的其余部分，液态产物的温度为零下65℃-零下85℃。

D)将液态产物通入脱轻分离塔400内进行精馏纯化，从脱轻分离塔400的塔顶采出气态的甲硅烷，从脱轻分离塔400的塔底排出不含甲硅烷的液态产物，脱轻分离塔400内的压力在0.4MPaG-0.6MpaG之间，脱轻分离塔400内的温度在32℃-50℃之间。

E)将分离出甲硅烷的液态产物通入吸附装置500内，以便吸附装置500内的吸附剂吸附液态产物内的金属杂质。

F)将去除金属杂质的液态产物通入脱重分离塔600内精馏纯化，以便去分离出去除金属杂质的液态产物中的高阶硅烷、并得到乙硅烷，脱重分离塔600内的压力在0.05MPaG-0.4MpaG之间，脱重分离塔600内的温度在-4℃-37℃之间。

根据本发明的实施例的乙硅烷制备方法利用催化脱氢反应器200对甲硅烷进行催化脱氢反应，从而生成包括乙硅烷在内的混合反应气体。硅烷利用催化法生成乙硅烷的过程较为简单，混合反应气体中的杂质种类少，混合反应气体中乙硅烷之外的其他物质便于分离、去除，即利用乙硅烷制备设备1000以甲硅烷为原料制备乙硅烷的转化率高、生产效率高。

混合反应气体中包括乙硅烷、氢气、高阶硅烷和甲硅烷，利用深冷装置300可分离出氢气，利用脱轻分离塔400可分离出甲硅烷，利用脱重分离塔600可分离出高阶硅烷。氢气和高阶硅烷属于有回收价值的原料，甲硅烷都可继续作为生产原料，回收氢气、高阶硅烷和甲硅烷可减少资源的浪费、降低生产成本。

因此，根据本发明实施例的乙硅烷制备方法具有乙硅烷的转化率高、生产效率高、减少资源浪费和降低生产成本等优点。

根据本发明的实施例的乙硅烷制备方法可以通过根据本发明实施例的乙硅烷制备设备1000来实施。

如图1至图3所示，根据本发明实施例的乙硅烷制备设备1000包括加热装置100、第一精密过滤器810、催化脱氢反应器200、第二精密过滤器820、压缩机700、深冷装置300、第一预热器910、第二预热器920、脱轻分离塔400、吸附装置500和脱重分离塔600。

加热装置100具有第一进气口110和第一出气口120。甲硅烷从第一进气口110进入加热装置100内进行加热，以便将甲硅烷的温度加热至100℃-250℃。加热后的甲硅烷达到催化脱氢反应所需的温度后，通过第一出气口120被排出加热装置100。

第一精密过滤器810具有第一过滤进口811和第一过滤出口812。第一过滤进口811与第一出气口120相连,第一过滤出口812与第二进气口210相连。第一精密过滤器810起到气固分离的作用，甲硅烷在加热时因为局部温度高，可能会热分解产生固体杂质(微硅粉)，因此加热后的甲硅烷通过第一过滤出口812进入第一精密过滤器810内进行过滤，将加热后的甲硅烷中的固体杂质滤掉后，加热后的甲硅烷通过第一过滤出口812被排出第一精密过滤器810。

如图2所示，在一些实施例中，催化脱氢反应器200具有第二进气口210和第二出气口220，第二进气口210与第一出气口120连通。从第一过滤出口812出来的加热后的甲硅烷通过进入第二进气口210，进而进入催化脱氢反应器200内。加热后的甲硅烷在催化脱氢反应器200内发生催化脱氢反应，以便得到混合反应气体，混合反应气体包括乙硅烷、氢气、高阶硅烷和甲硅烷。其中，混合反应气体中的甲硅烷包括未反应的甲硅烷以及由乙硅烷和丙硅烷与氢气反应产生的甲硅烷。

催化脱氢反应在100℃-250℃、0.2MPaG-0.4MpaG的条件下进行，在加快反应效率的同时，不会使得因为过热导致甲硅烷大量的热分解，可以保证乙硅烷的生产，保证生产效率。

催化脱氢反应器200为管式反应器,管式反应器可以有效地避免物料返混。催化脱氢反应器200内装填有催化剂和气体分布器，催化脱氢反应器200内设有多孔载体，可以将催化剂负载在多孔载体上，使得催化剂的分布较为均匀，便于与气体接触。气体分布器使得加热后的甲硅烷均匀地进入催化剂床层进行反应，保证催化脱氢反应的快速进行。

可选地，多孔载体包括活性炭、氧化铝和分子筛。可选地,催化剂包括锌、镍、铁、铜的氧化物中的至少一种。

在一些实施例中，第二精密过滤器820具有第二过滤进口821和第二过滤出口822。第二过滤进口821与第二出气口220相连,第二过滤出口822与第七进气口710相连。

混合反应气体从第二出气口220排出催化脱氢反应器200，通过第二过滤进口821进入第二精密过滤器820内，以便去除甲硅烷在催化脱氢反应器200内热分解产生的少量的微硅粉。去除杂质后的混合气体通过第二过滤出口822被排出第二精密过滤器820。

如图2所示，在一些实施例中，压缩机700具有第七进气口710和第七出气口720,第七进气口710与第二出气口220相连,第七出气口720与第三进气口310连通。去除杂质后的混合气体通过第七进气口710进行加压，加压后的混合气体通过第七出气口720被排出压缩机700。加压后的混合气体的压力在0.5MPaG-1.5MpaG之间。混合气体加压后为物料提供原始动力，使得混合气体具有较大的压力，混合气体可顺着系统工艺流程形成压力梯度。混合气体依靠压力梯度进行传输，避免输泵等二次增压设备的使用，减少设备投资的同时提设备的升安全性。

可选地，加压后的混合气体的压力在0.6MPaG-0.8MpaG之间。

深冷装置300具有第三进气口310、第三出液口320和第三废气出口330，第三进气口310与第二出气口220连通。加压后的混合反应气体通过第三进气口310进入深冷装置300内进行冷却，以便得到不凝气体和液态产物。液态产物包括甲硅烷中的一部分、乙硅烷和高阶硅烷，液态产物的温度为零下65℃-零下85℃。不凝气体包括氢气和甲硅烷中的其余部分，不凝气体中只有少量的甲硅烷。不凝气体通过第三废气出口330被排出深冷装置300，液态产物通过第三出液口320被排出深冷装置300。

如图3所示，脱轻分离塔400具有第四进料口410、第四出气口420和第四出液口430，第四进料口410与第三出液口320连通,第四出气口420与第一进气口110连通。液态产物通过第四进料口410进入脱轻分离塔400内进行精馏纯化。脱轻分离塔400为不锈钢材质的填料塔。脱轻分离塔400的塔板数在10-30之间。脱轻分离塔400内的压力在0.4MPaG-0.6MpaG之间，脱轻分离塔400内的温度在32℃-50℃之间。液态产物在脱轻分离塔400内进行精馏纯化，使得甲硅烷由液态成为气态，并从脱轻分离塔400的塔顶的第四出气口420被采出。不含甲硅烷的液态产物从塔底的第四出液口430被排出脱轻分离塔400。

如图3所示，吸附装置500具有第五进料口510和第五出料口520,第五进料口510与第四出液口430连通。将分离出甲硅烷的液态产物通过第五进料口510进入吸附装置500内，以便吸附装置500内的吸附剂吸附液态产物内的金属杂质。吸附装置500内的压力在0.1MPaG-0.5MpaG之间，以便于分离出甲硅烷的液态产物能自流进入吸附装置500内。

可选地，吸附装置500内的压力在0.2MPaG-0.4MpaG之间。

如图3所示，脱重分离塔600具有第六进料口610、第六出气口620和第六出液口630，第六进料口610与第五出料口520连通。去除金属杂质的液态产物通过第六进料口610通入脱重分离塔600内精馏纯化。脱重分离塔600为不锈钢材质的填料塔，脱重分离塔600的塔板数在20-40之间。脱重分离塔600内的压力在0.05MPaG-0.4MpaG之间，脱重分离塔600内的温度在-4℃-37℃之间。去除金属杂质的液态产物中的乙硅烷在脱重分离塔600内由液态成为气态，并从塔顶的第六出气口620被采出、收集。去除金属杂质的液态产物中的的高阶硅烷(高沸物质)从塔底的第六出液口630被排出脱重分离塔600。

可选地，脱重分离塔600内的压力在0.1MPaG-0.25MpaG之间。吸附装置500内的压力在0.2MPaG-0.4MpaG之间。

在一些实施例中，脱轻分离塔400、吸附装置500和脱重分离塔600内的压力依次降低，脱轻分离塔400、吸附装置500和脱重分离塔600之间的压力差为0.2MPaG。可以利用脱轻分离塔400、吸附装置500和脱重分离塔600之间的压力差来进行物料的传输，可以减少输送泵等装置的使用，提升系统的安全性，降低运行成本和设备投资。

如图2所示，在一些实施例中，根据本发明实施例的乙硅烷制备设备1000还包括第一预热器910和第二预热器920。

第一预热器910包括第一加热腔体和第一冷却腔体,第一加热腔体与第一冷却腔体相互配合，使得第一加热腔体的气体与第一冷却腔体内的气体能够进行热交换。第一加热腔体具有第一加热进口911和第一加热出口912,第一冷却腔体具有第一冷却进口913和第一冷却出口914,第一加热出口912与第一进气口110相连,第一冷却进口913与第二过滤出口822相连,第一冷却出口914与第七进气口710相连。

原料甲硅烷通过第一加热进口911进入第一预热器910内的第一加热腔体内，混合反应气体通过第一冷却进口913进入第一冷却腔体内。原料甲硅烷与第一冷却腔体内的混合反应气体进行第一次热交换，以便提高甲硅烷的温度、降低混合反应气体的温度。降温后的混合反应气体通过第一冷却出口914排出后，通过第七进气口710进入压缩机700内。提高温度后的甲硅烷通过第一加热出口912排出后，通过第一进气口110进入加热装置100内。

第二预热器920包括第二加热腔体和第二冷却腔体,第二加热腔体与第二冷却腔体相互配合,使得第二加热腔体的气体与第二冷却腔体内的气体能够进行热交换。第二加热腔体具有第二加热进口921和第二加热出口922,第二冷却腔体具有第二冷却进口923和第二冷却出口924。第二冷却进口923与第七出气口720相连,第二冷却出口924与第三进气口310相连,第二加热进口921与第四出气口420相连,第二加热出口922与第一加热进口911相连。

从脱轻分离塔400的塔顶被采出的甲硅烷通过第二加热进口921进入到第二加热腔体内，加压后的混合反应气体通过第二冷却进口923进入到第二冷却腔体内。被采出的甲硅烷与加压后的混合反应气体进行第二次热交换，以便降低加压后的混合反应气体的温度、并提高被采出气态的甲硅烷的温度。降低温度的加压后的混合反应气体通过第二冷却出口924被排出后，通过第三进气口310进入深冷装置300内。提高温度的被采出气态的甲硅烷作为原料来使用，被采出气态的甲硅通过第二加热出口922排出后，通过第一加热进口911进入第一预热器910的第一加热腔体内。

第一预热器910和第二预热器920便于实现能量的回收、利用，减少乙硅烷制备设备1000的能量消耗，降低运行成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。