CN108751201A - 乙硅烷的制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一实施方式提供了一种乙硅烷的制备装置，包括过滤单元、第一精馏塔、第二精馏塔和反应器；其中，所述第一精馏塔与所述过滤单元相连，所述第二精馏塔与所述第一精馏塔相连，所述反应器与所述第二精馏塔相连。本发明一实施方式的装置，以多晶硅残液为原料，可制备出满足半导体行业应用的高纯乙硅烷。

Description

乙硅烷的制备装置
技术领域
本发明涉及乙硅烷的制备装置，具体为一种可制备满足半导体行业应用的高纯乙硅烷的制备装置。
背景技术
乙硅烷主要用于太阳能电池、感光转筒、非晶硅膜、外延成长、化学气相沉积等方面。作为沉积源时，沉积层为氧化硅或氮化硅，与硅烷相比，乙硅烷具有沉积速度更快、沉积温度更低的特点，可防止无定型硅中产生球状凸起，能够提高沉积成的均一性，主要使用在20纳米以下高端芯片的制造。
在太阳能电池生产中，用乙硅烷比用硅烷在非晶硅片上的沉积速度快得多，且温度可降低200～300℃；在离子注入中，以乙硅烷作离子源后易起辉、束流强，效果明显好于用其他气体作离子源；在半导体工艺中用于外延和扩散工艺，也用于太阳能电池和电子照相用的感光鼓；使用乙硅烷时，可以采用价格较低的玻璃来取代昂贵的石英玻璃作LCD的基材。
目前，乙硅烷的制备主要有氯代乙硅烷还原法和硅化镁与氯化铵反应合成两种方法。其中，氯代乙硅烷还原法为氢化铝锂或氢化铝钠等络合金属氢化物还原氯代乙硅烷烷制备出乙硅烷，但该方法中，氯代乙硅烷需要进行单独合成，合成难度大且产率低。
而硅化镁与氯化铵反应法为硅化镁与氯化铵进行反应产生乙硅烷，但是过程中产品主要为硅烷，乙硅烷占比仅在3％左右，是作为副产物进行回收的，因此主要通过控制副产物的产率来提高乙硅烷产量，限制了该方法将乙硅烷作为主产品进行生产的可行性。
发明内容
本发明的一个主要目的在提供一种乙硅烷的制备装置，包括过滤单元、第一精馏塔、第二精馏塔和反应器；其中，所述第一精馏塔与所述过滤单元相连，所述第二精馏塔与所述第一精馏塔相连，所述反应器与所述第二精馏塔相连。
根据本发明一实施方式，所述过滤单元包括一个或多个过滤器。
根据本发明一实施方式，所述反应器为微通道反应器。
根据本发明一实施方式，所述第一精馏塔通过塔顶与所述第二精馏塔相连，所述第二精馏塔通过塔釜与所述反应器相连。
根据本发明一实施方式，还包括依次相连的第三精馏塔、第四精馏塔和第五精馏塔，所述第三精馏塔与所述反应器相连。
根据本发明一实施方式，所述反应器通过顶部与所述第三精馏塔相连，所述第三精馏塔通过塔顶与所述第四精馏塔相连，所述第四精馏塔通过塔釜与所述第五精馏塔相连。
根据本发明一实施方式，还包括杂质收集器，所述杂质收集器分别与所述第一精馏塔的塔釜、所述第二精馏塔的塔顶、所述第三精馏塔的塔釜、所述第四精馏塔的塔顶及所述第五精馏塔的塔顶相连。
根据本发明一实施方式，还包括与所述第五精馏塔相连的吸附单元。
根据本发明一实施方式，所述第五精馏塔通过塔釜与所述吸附单元相连
根据本发明一实施方式，所述吸附单元包括一个或多个吸附器。
本发明一实施方式的装置，以多晶硅残液为原料，可制备出满足半导体行业应用的高纯乙硅烷。
附图说明
图1为本发明一实施方式的乙硅烷的制备装置的结构示意图；
图2为本发明一实施方式的制备乙硅烷的流程图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
改良西门子法多晶硅生产过程中，在还原工序和氢化工序会产生少量的氯代乙硅烷，氯代乙硅烷为一氯乙硅烷、二氯乙硅烷、三氯乙硅烷、四氯乙硅烷、五氯乙硅烷和六氯乙硅烷的混合物，经过浓缩后上述氯代乙硅烷富集在多晶硅残液中。
本发明一实施方式提供了一种乙硅烷的制备装置，可用于将多晶硅残液中的氯代乙硅烷进行回收和精制，并通过还原反应制备乙硅烷。
如图1所示，本发明一实施方式的乙硅烷的制备装置，包括依次连通的过滤单元10、第一精馏塔21、第二精馏塔22和反应器30。
结合图2，可通过过滤单元10、第一精馏塔21、第二精馏塔22对原料多晶硅残液进行过滤、精馏处理，得到高纯度的氯代乙硅烷，氯代乙硅烷可在反应器30内进行还原反应，生成乙硅烷。
通过过滤单元10对多晶硅残液进行过滤，可去除固体杂质，该固体杂质例如包含颗粒状物质、金属聚合物、含无定形硅和金属的杂质等。
于一实施方式中，可通过调整过滤精度控制过滤单元10中固体杂质的去除率，过滤精度优选为0.5～1μm。将过滤精度控制在上述范围内可以最大程度地去除含无定形硅和金属的杂质，过滤精度太小，过滤器容易堵塞从而频繁检修，过滤精度过大则去除率降低。
于一实施方式中，过滤单元10包括一台或多台串联或并联运行的过滤器。在部分过滤器检修时，投用并联过滤器，可保证***连续运行。
于一实施方式中，过滤单元10的过滤器为精密过滤器，精密过滤器包括壳体和设置在壳体内部的花盘和滤芯，滤芯安装在花盘上。
于一实施方式中，滤芯为多根，可根据过滤处理量确定滤芯的具体数量。
于一实施方式中，滤芯为金属滤芯、陶瓷滤芯或聚四氟乙烯滤芯。
于一实施方式中，第一精馏塔21通过塔顶与第二精馏塔22相连通，第二精馏塔22通过塔釜与反应器30相连通。
于一实施方式中，制备装置还包括杂质收集器40，分别与第一精馏塔21 的塔釜、第二精馏塔22的塔顶相连通。
于一实施方式中，反应器30可以是微通道反应器，反应器材质为金属、玻璃、碳化硅等材质，反应器内部通道直径为0.5～10微米，通过减小反应通道，提高反应的传质系数。
于一实施方式中，反应器30可以为具有控温、控压和搅拌功能的反应器，材质可以为316L不锈钢，内部电解抛光。
于一实施方式中，反应器30的搅拌形式可采用多层搅拌桨、搅拌无级变速等。
于一实施方式中，反应器30包括反应内腔、真空夹套、搅拌装置和加料装置。反应内腔可以为圆柱形壳体，体积可以为0.5～5m3，优选3m3，壁厚为4～8mm，压力为3～4bar。真空夹套设置于反应内腔的外部，夹套内可以设置-30℃乙二醇冷却介质，夹套容积为0.1～0.5m3，压力为2～10Pa，在反应器顶部设有加料口，各物料可经过控制***分别通过加料口加入反应器 30。
于一实施方式中，制备装置还包括依次相连的第三精馏塔23、第四精馏塔24和第五精馏塔25，第三精馏塔23与反应器30相连。通过第三精馏塔 23、第四精馏塔24和第五精馏塔25对反应所得产物进行精馏纯化处理，可得到满足半导体行业应用的高纯乙硅烷。
其中，反应器30通过其顶部与第三精馏塔23相连通，第三精馏塔23 通过塔顶与第四精馏塔24相连通，第四精馏塔24通过塔釜与第五精馏塔25 相连通。
于一实施方式中，第三精馏塔23的塔釜、第四精馏塔24的塔顶以及第五精馏塔25的塔顶分别与杂质收集器40相连通。
于一实施方式中，还包括与第五精馏塔25的塔釜相连的吸附单元。通过采用精馏联合吸附，可以实现对乙硅烷产物的进一步纯化，提升产品的品质。
于一实施方式中，为保证吸附效果和***的连续运行，吸附单元可包括一个或多个吸附器，吸附器内的填料可以为分子筛和/或活性炭。
于一实施方式中，吸附单元包括依次相连的吸附器31和吸附器32，吸附器31与第五精馏塔25的塔釜相连通，可在吸附器31内设置活性炭，在吸附器32内设置分子筛。经吸附器31和吸附器32的吸附处理后，可得到纯度 5N的乙硅烷。
以下，结合图1、2对本发明一实施方式的乙硅烷的制备装置的作业流程进行进一步说明。
多晶硅残液经过滤单元10过滤后，所得的滤液进入第一精馏塔21进行第一精馏处理，以除去滤液中的高沸点杂质，该高沸点杂质包括多晶硅残液中的高沸物和金属高聚物。滤液经第一精馏塔21的处理被分离为塔顶蒸气和塔釜残留液，高沸物等高沸点杂质留在第一精馏塔21的塔釜，并进入杂质收集器40，包含氯代乙硅烷的蒸气自塔顶排出，冷凝后得到第一塔顶精馏液。
其中，第一精馏塔21的塔顶压力可以为50～120KPa，例如70KPa、 90KPa、110KPa等；第一精馏塔21的塔顶温度可以为90～130℃，例如100℃、 110℃、120℃等；第一精馏塔21的塔板理论级数可以为60～120，例如70、 90、100、110等。
之后，第一塔顶精馏液进入第二精馏塔22进行第二精馏处理，以除去包括三氯氢硅、四氯化硅等低沸物杂质。经第二精馏塔22处理后，低沸物自塔顶排出进入杂质收集器40，塔釜收集高纯度氯代乙硅烷。
第二精馏塔22的塔顶压力可以为40～100KPa，例如50KPa、70KPa、 90KPa等；第二精馏塔22的塔顶温度可以为90～110℃，例如95℃、100℃、 105℃等；第二精馏塔22的塔板理论级数可以为70～90，例如75、80、85 等。
自第二精馏塔22塔釜收集的高纯度氯代乙硅烷进入反应器30与络合金属氢化物(例如氢化铝锂、氢化铝钠、二乙基氢化铝)发生反应，生成乙硅烷。具体反应式例如可以是：
LiAlH4+Si2HmCln—Si2H6+LiCl+AlCl3(m+n＝6)
其中，反应可在***和/或四氢呋喃溶剂中进行，反应过程中伴随产生有副产物硅烷。
反应后物料自反应器30顶部排出，进入第三精馏塔23进行第三精馏处理，以除去残留的反应溶剂、氯代乙硅烷等。经第三精馏塔23处理后，残留的反应溶剂、氯代乙硅烷等自塔釜排出进入杂质收集器40，塔顶采出包含乙硅烷的物料。其中，第三精馏塔为脱重塔，塔顶温度为-10～10℃。
包含乙硅烷的物料进入第四精馏塔24进行第四精馏处理，以除去沸点低于-50～-30℃的硅烷、氢气、氯化氢等低沸点副产物，控制第四精馏塔24的塔顶温度为-50～-30℃，沸点低于-50～-30℃的低沸点产物从塔顶排出进入杂质收集器40，塔釜采出物料进入第五精馏塔25。
物料在第五精馏塔25进行第五精馏处理，以除去沸点低于-20～-15℃的氯代乙硅烷、硅烷、氯化氢等低沸点副产物。控制第五精馏塔25塔顶温度为 -20～-15℃，沸点低于-20～-15℃的低沸点产物从塔顶排出进入杂质收集器40，塔釜产出4N乙硅烷。
为进一步提高乙硅烷产品的纯度，可将第五精馏塔25排出的乙硅烷依序送入装填有活性炭的吸附器31、以及装填有分子筛的吸附器32进行吸附纯化处理，得到5N乙硅烷。
以多晶硅残液为原料，通过本发明一实施方式的装置可制备出满足半导体行业应用的高纯乙硅烷。
除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种乙硅烷的制备装置，其特征在于，包括：
过滤单元；
第一精馏塔，与所述过滤单元相连；
第二精馏塔，与所述第一精馏塔相连；以及
反应器，与所述第二精馏塔相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述过滤单元包括一个或多个过滤器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应器为微通道反应器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一精馏塔通过塔顶与所述第二精馏塔相连，所述第二精馏塔通过塔釜与所述反应器相连。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括依次相连的第三精馏塔、第四精馏塔和第五精馏塔，所述第三精馏塔与所述反应器相连。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反应器通过顶部与所述第三精馏塔相连，所述第三精馏塔通过塔顶与所述第四精馏塔相连，所述第四精馏塔通过塔釜与所述第五精馏塔相连。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括杂质收集器，所述杂质收集器分别与所述第一精馏塔的塔釜、所述第二精馏塔的塔顶、所述第三精馏塔的塔釜、所述第四精馏塔的塔顶及所述第五精馏塔的塔顶相连。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括与所述第五精馏塔相连的吸附单元。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第五精馏塔通过塔釜与所述吸附单元相连。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述吸附单元包括一个或多个吸附器。
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