CN112479212B - 一种六氯乙硅烷提纯装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六氯乙硅烷提纯装置及方法，属于六氯乙硅烷提纯技术领域，装置包括依次连通的原料罐、反应器和冷却器；所述原料罐上设有原料进口，且原料罐内部设有加热器；反应器内设有电极，且反应器具有与氯气通入管路适配的气体接口；冷却器上设有采集口。本发明通过电极形成电磁场激励氯气，得到同时含有电子、活性氯自由基、自由分子及辐射光的等离子体，在自由电子、辐射光和活性氯自由基的诱导下，加热后形成的气相五氯乙硅烷先脱去一个氢基，然后再结合一个氯基，进而转变为六氯乙硅烷，在在提高六氯乙硅烷的纯度的同时，提高了六氯乙硅烷的产量。
Description
技术领域
本发明涉及六氯乙硅烷提纯技术领域，尤其涉及一种含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷提纯装置及方法。
背景技术
六氯乙硅烷是一种重要的电子特气，被广泛应用于半导体器件制造领域。基于改良西门子法多晶硅生产工艺生产的六氯乙硅烷(Si2Cl6)中含有少量的五氯乙硅烷(Si2Cl5H)，由于两者沸点接近，因此很难利用常规精馏方法将五氯乙硅烷从六氯乙硅烷中彻底分离干净，在此基础上，一种能够深度纯化六氯乙硅烷的装置及方法的发明就显得很有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术无法将五氯乙硅烷从六氯乙硅烷中彻底分离干净的问题，提供一种六氯乙硅烷提纯装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种六氯乙硅烷提纯装置，系统具体包括依次连通的原料罐、反应器和冷却器；所述原料罐上设有原料进口，且原料罐内部设有加热器；反应器内设有电极，且反应器具有与氯气通入管路适配的气体接口；冷却器上设有采集口。
作为一选项，所述反应器包括外筒体、具有贯穿孔的内筒体和设于内筒体内部的电极，外筒体与内筒体之间为填料区，原料罐、冷却器均连通至填料区。
作为一选项，所述贯穿孔的直径为10μm-10mm。
作为一选项，所述内筒体与填料区之间的压差为1-30kPa。
作为一选项，所述电极包括外电极和内电极，所述外电极靠近内筒体内壁设置，所述内电极设于内筒体中央；所述外电极为网状结构。
作为一选项，所述外电极的材质为Fe、Cr、Ni、Au、Ag、Cu中的一种，内电极的材质为Fe、Cr、Ni、Au、Ag、Cu中的一种。
作为一选项，所述内筒体的材质为高透光材料。
作为一选项，所述高透光材料为立方氧化铝晶体或立方氧化锆晶体或立方氧化镁晶体或多晶金刚石或单晶金刚石或二氧化硅。
需要进一步说明的是，上述提纯装置各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
本发明还包括一种六氯乙硅烷提纯方法，所述方法包括：
将含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体输送至原料罐并加热，含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体开始气化并进入反应器内；
在反应器内通入氯气，并接通反应器内的电极的电源；
将低沸点氯化氢和氯气以气相形式采出，待反应完全原料罐内存储高纯度六氯乙硅烷液体。
作为一选项，所述氯气与五氯乙硅烷的摩尔比为1:1-30:1。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
本发明将含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体经原料进口输送至原料罐后，加热器开始工作，含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体开始气化并进入反应器内；经气体接口向反应器内通入氯气，氯气在电极构建的电磁场激励作用下，逐渐转变为同时含有电子、活性氯自由基、自由分子及辐射光的等离子体活性状态；在自由电子、辐射光和活性氯自由基的诱导下，气相五氯乙硅烷先脱去一个氢基，然后再结合一个氯基，进而转变为六氯乙硅烷同时副产氯化氢；反应尾气进入冷却器，高沸点的五氯乙硅烷和六氯乙硅烷转变为液体并返回至反应器继续反应，低沸点的氯化氢和氯气则以气相形式经冷却器的采集口采出。本发明在温和的条件下将杂质五氯乙硅烷转化为产品六氯乙硅烷，在提高六氯乙硅烷的纯度的同时，提高了六氯乙硅烷的产量，是一种类高效、绿色的六氯乙硅烷纯化方法。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例1的装置示意图；
图2为本发明实施例1的反应器示意图。
原料罐1、原料进口11、反应器2、外筒体21、填料区22、内筒体23、外电极24、内电极25、冷却器3、采集口31
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，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，属于“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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，在实施例1中，一种六氯乙硅烷提纯装置，提纯装置具体包括依次连通的原料罐1、反应器2和冷却器3；原料罐1上设有原料进口11，且原料罐1内部设有加热器(图中未示出)；反应器2内设有电极，且反应器2具有与氯气通入管路适配的气体接口；冷却器3上设有采集口31。具体地，原料罐1、反应器2和冷却器3由下至上设置，原料罐1与反应器2下端连通，冷却器3与反应器2上端连通。加热器用于加热物料，即用于加热含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体，作为一实施例，加热器为若干悬挂于原料罐1顶部的热管，具体数量可根据物料的容量进行调整。电极连接至电源，电源优选设于提纯装置外部。电极上加载的电势为10-100KV，如10kV、20kV、50kV、80kV、90kV、100kV。反应器2是物料发生化学反应及物理分离的场所，具体为柱状反应器2，优选在柱状反应器2底部设置气体接口(图中未示出)。冷却器3用于冷却来自柱状反应器2上端气相物料。
本发明将含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体经原料进口11输送至原料罐1后，加热器开始工作，含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体开始气化并进入反应器2内；经气体接口向反应器2内通入氯气，并给电极通电，氯气在电极构建的电磁场激励作用下，逐渐转变为同时含有电子、活性氯自由基、自由分子及辐射光的等离子体活性状态；在自由电子、辐射光和活性氯自由基的诱导下，气相五氯乙硅烷先脱去一个氢基，然后再结合一个氯基，进而转变为六氯乙硅烷同时副产氯化氢；反应尾气进入冷却器3，高沸点的五氯乙硅烷和六氯乙硅烷转变为液体并返回至反应器2继续反应，低沸点的氯化氢和氯气则以气相形式经冷却器3的采集口31采出。本发明在温和的条件下将杂质五氯乙硅烷转化为产品六氯乙硅烷，在提高六氯乙硅烷的纯度的同时，提高了六氯乙硅烷的产量，是一种类高效、绿色的六氯乙硅烷纯化方法。
进一步地，反应器2包括外筒体21、具有贯穿孔的内筒体23和设于内筒体23内部的电极，外筒体21与内筒体23之间为填料区22，原料罐1、冷却器3均连通至填料区22。具体地，内筒体23设于外筒体21内部，物料置于填料区22。具体地，经接口向内筒体23通入氯气。
进一步地，贯穿孔的直径为10μm-10mm，作为一实施例，贯穿孔的直径为100μm，以使自由电子、活性氯自由基透过进入填料区22，且由于内筒体23压强高于外筒体21压强，因此只有内筒体23中介质会向填料区22扩散。
进一步地，内筒体23与填料区22之间的压差为1-30kPa，作为一选项，内筒体23与填料区22之间的压差为15kPa。
进一步地，电极包括外电极24和内电极25，外电极靠近内筒体内壁设置，所述内电极设于内筒体中央；外电极24为网状结构，优选为与内筒体23尺寸适配的网状圆柱体外电极，也可以为具有网孔的片状外电极等，以使自由电子、活性氯自由基透过进入填料区22。作为一具体实施例，外电极24紧靠柱状反应器2内部设置，内电极25置于内筒体23内并沿着内筒体23中心轴排列，外电极24与内电极25的相对间距为10-500mm。作为一选项，外电极24与内电极25的相对间距为100mm。
进一步地，外电极24的材质为Fe、Cr、Ni、Au、Ag、Cu中的一种，内电极25的材质为Fe、Cr、Ni、Au、Ag、Cu中的一种。
进一步地，内筒体23的材质为高透光材料，以使辐射光透过照射填料区22中的物料。作为一选项，高透光材料为立方氧化铝晶体或立方氧化锆晶体或立方氧化镁晶体或多晶金刚石或单晶金刚石或二氧化硅。
实施例2
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上提供了一种六氯乙硅烷提纯方法，方法具体包括以下步骤：
S01：将含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体输送至原料罐1并加热，含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体开始气化并进入反应器2内；其中，加热温度为100-300℃，优选为200℃，可将加热管设于原料罐1内部的顶面对物料进行加热。
S02：在反应器2内通入氯气，并接通反应器2内的电极的电源；其中，氯气与五氯乙硅烷的摩尔比为1:1-30:1。
S03：将低沸点氯化氢和氯气以气相形式采出，待反应完全原料罐1内存储高纯度六氯乙硅烷液体。
为更好说明本发明技术效果，现给出本发明的对照实验，具体处理的是含有98％六氯乙硅烷、2％五氯乙硅烷的粗原料，具体参数如表1所示：
表1本发明与现有技术对照实验表
通过表1可以看出，采用本发明方法提纯六氯乙硅烷，相较于精馏提纯法，本发明提纯从产品纯度、粗原料质量损失、产品收率方面均有了显著的提升。
具体地，反应器2包括外筒体21、具有贯穿孔的高透光材质内筒体23和设于内筒体23内部的电极，外筒体21与内筒体23之间为填料区22，内筒体23与填料区22之间的压差为1-30kPa。电极包括外电极24和内电极25，外电极24为网状结构，作为一具体实施例，外电极24紧靠柱状反应器2内部设置，内电极25置于内筒体23内并沿着内筒体23中心轴排列，外电极24与内电极25的相对间距为10-500mm。反应器2顶端与冷却器3连接，冷却器3用于冷却来自柱状反应器2上端气相物料，其上设有采集口31。
在步骤S02中，向反应器2内筒体23输入氯气，并利用外电极24、内电极25在内筒体23内构建频率为5-200kHz、电压为10-100kV的电磁场，如频率为100kHz、电压为50kV的电磁场。在电磁场激励作用下，部分氯气分子的外层电子被电离、加速并成为高速电子，高速电子撞击其他氯气分子，使得部分氯气分子转化为活性氯自由基，并释放出二次电子，二次电子继续在电磁场作用下转化为高速电子，并与更多氯气分子撞击而产生更多的活性氯自由基和电子。此过程中，一些活性氯自由基会吸收自由电子，并转化为自由氯气分子。在氯气分子由高能态转变为低能态的过程中，会释放出以紫光为主的辐射光。因此，在经过一定时间的电磁场激励后，氯气将在内筒体23内转变为同时含有电子、活性氯自由基、自由分子及辐射光的等离子体活性状态，电子、活性氯自由基及自由分子通过内筒体23贯穿孔进入填料区22内，辐射光穿透内筒体23而照射至填料区22内。在填料区22中，来自原料罐1的气相五氯乙硅烷，在自由电子、辐射光和活性氯自由基的诱导下，先脱去一个氢基，然后再结合一个氯基，五氯乙硅烷转变为六氯乙硅烷，同时副产氯化氢。
具体地，在步骤S03中，步骤S02中的反应尾气进入温度为10-30℃的冷却器3内，高沸点的五氯乙硅烷和六氯乙硅烷转变为液体，并返回至柱状反应器2内，低沸点的氯化氢和氯气则以气相形式从冷却器3采集口31中采出。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种六氯乙硅烷提纯装置，其特征在于：所述装置包括依次连通的原料罐（1）、反应器（2）和冷却器（3）；所述原料罐（1）上设有原料进口（11），且原料罐（1）内部设有加热器；反应器（2）内设有电极，且反应器（2）具有与氯气通入管路适配的气体接口；冷却器（3）上设有采集口（31）；
所述反应器（2）包括外筒体（21）、具有贯穿孔的内筒体（23）和设于内筒体（23）内部的电极，外筒体（21）与内筒体（23）之间为填料区（22），原料罐（1）、冷却器（3）均连通至填料区（22）；
所述电极包括外电极（24）和内电极（25），所述外电极（24）靠近内筒体内壁设置，所述内电极（25）设于内筒体中央；所述外电极（24）为网状结构。
2.根据权利要求1所述的一种六氯乙硅烷提纯装置，其特征在于：所述贯穿孔的直径为10μm-10mm。
3.根据权利要求1所述的一种六氯乙硅烷提纯装置，其特征在于：所述内筒体（23）与填料区（22）之间的压差为1-30kPa。
4.根据权利要求1所述的一种六氯乙硅烷提纯装置，其特征在于：所述外电极（24）的材质为Fe、Cr、Ni、Au、Ag、Cu中的一种，内电极（25）的材质为Fe、Cr、Ni、Au、Ag、Cu中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种六氯乙硅烷提纯装置，其特征在于：所述内筒体（23）的材质为高透光材料。
6.根据权利要求5所述的一种六氯乙硅烷提纯装置，其特征在于：所述高透光材料为立方氧化铝晶体或立方氧化锆晶体或立方氧化镁晶体或多晶金刚石或单晶金刚石或二氧化硅。
7.一种六氯乙硅烷提纯方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1-6任一项所述的一种六氯乙硅烷提纯装置进行实施，包括：
将含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体输送至原料罐（1）并加热，含有五氯乙硅烷的六氯乙硅烷液体开始气化并进入反应器（2）内；
在反应器（2）内通入氯气，并接通反应器（2）内的电极的电源；
将低沸点氯化氢和氯气以气相形式采出，待反应完全原料罐（1）内存储高纯度六氯乙硅烷液体。
8.根据权利要求7所述的一种六氯乙硅烷提纯方法，其特征在于：所述氯气与五氯乙硅烷的摩尔比为1:1-30:1。
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