一种光催化法制备乙硅烷的方法技术

本申请属于乙硅烷生产应用的领域，具体涉及一种光催化法制备乙硅烷的方法。该方法包括光催化合成、气液分离、精制提纯，具有原料利用率高、乙硅烷的收率高、能耗小、安全性能好的优点，弥补了相关技术中制备方法的不足；同时，本申请对乙硅烷进行两步精制，提纯深度高、提纯效率高，适用于大规模生产，对于降低乙硅烷的生产成本以及打破国外技术垄断有着重要的意义。义。

【技术实现步骤摘要】
一种光催化法制备乙硅烷的方法


[0001]本申请属于乙硅烷生产应用的领域，具体涉及一种光催化法制备乙硅烷的方法。

技术介绍

[0002]乙硅烷(Si2H6)是集成电路中重要的前驱体材料，广泛应用于集成电路中的外延、光刻、化学气相沉积、原子层沉积、薄膜沉积等关键工艺中；在薄膜沉积工艺中，较二氯硅烷等硅源气体而言，乙硅烷作为硅源气体时可使薄膜沉积温度更低、成膜速率更快、模均匀度更高，因此，乙硅烷被广泛应用于各大先进的集成电路芯片制造。
[0003]现已有研究人员利用乙硅烷和锗烷在减压CVD设备中，以≤500℃的工艺温度生长Si和SiGe层，并证明了乙硅烷的分压有利于提高Si层的生长速率，同时也可以将Si层的生长温度的阈值从475℃降低至460℃，在半导体生产中具有重大意义。
[0004]相关技术中一般采用还原卤代乙硅烷的方法制备乙硅烷，如公开号为CN109399644A的中国专利技术专利中公开了一种乙硅烷的制备方法，该方法对多晶硅残液进行过滤，并对滤液积极性精馏，得到氯代乙硅烷，再将氯代乙硅烷与还原剂进行反应，得到乙硅烷；但是该中，制得的乙硅烷与氯代乙硅烷的分离较为困难，并且生产过程中的废液和溶剂会对环境产生较大污染，环境适应性有待提高。
[0005]授权公告号为CN112647085B的中国专利技术专利公开了一种电催化合成高纯乙硅烷的方法，该方法以甲硅烷为原料，甲硅烷经电离后得到乙硅烷与氢气、高硅烷、氢气的混合气体，再将混合气体分离除杂，得到乙硅烷；该制备方法的生产过程中污染较小，弥补了还原氯代乙硅烷制备乙硅烷的不足。
[0006]但是，电催化甲硅烷制备乙硅烷的方法依然存在如下问题：
[0007]第一，该方法中的电催化过程在电催化反应器中进行，反应条件为电压100
‑
380V，压力为0.3
‑
1.2MPa，在此条件下，甲硅烷分子达到激发态，分中的Si
‑
H键断裂生成硅自由基，两个硅自由基结合生成乙硅烷；但是，对于性质不稳定的乙硅烷而言，上述电压和压力的条件并不温和，在此条件下，乙硅烷分子中的部分Si
‑
H键、Si
‑
Si键均有断裂的可能，这就导致电催化反应的副反应多，反应复杂，且合成完毕的部分乙硅烷变成了废料，造成了产品的浪费；因此，该方法制备的乙硅烷的收率较低，原料利用率也较低。
[0008]第二，生产制备乙硅烷时，往往具备一定的生产规模，上述电催化反应器需要维持电压恒定为100
‑
380V，能耗较大，不利于实际生产；同时，若生产设备出现故障，上述的超出人体安全电压的高电压也会对操作人员的生命健康造成威胁，安全性较差。

技术实现思路

[0009]为了优化上述问题，本申请提供一种光催化法制备乙硅烷的方法，以甲硅烷为初始原料，以紫外光作为光源，利用光催化合成乙硅烷，且甲硅烷可循环利用，解决了相关技术中电解法制备乙硅烷收率低、能耗大、安全性差的问题。
[0010]第一方面，本申请提供一种光催化法制备乙硅烷的方法，采用如下的技术方案：
[0011]一种光催化法制备乙硅烷的方法，包括如下步骤：
[0012]S1、光催化合成
[0013]以紫外光为光源，利用光催化的方式对甲硅烷原料或步骤S2中回收的甲硅烷进行照射，得到包含甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷的混合气1；
[0014]S2、气液分离
[0015]对将上述混合气1进行冷凝处理，在冷媒条件下，混合气1中的乙硅烷、丙硅烷冷凝得到混合液，气相的甲硅烷排出，作为回收的甲硅烷继续参与光催化反应；
[0016]S3、精制提纯
[0017]将上述混合液升温气化后得到混合气2，利用各组分的沸点和临界压力不同，对混合气2进行脱轻、脱重两步精制处理，得到乙硅烷；
[0018]步骤S1中，紫外光的波长为380～400nm。
[0019]通过采用上述技术方案，本申请以甲硅烷为原料，以紫外光为光源，选用较为温和的光催化反应合成乙硅烷，在合成过程中，甲硅烷的Si
‑
H键断裂，生成H3Si自由基，H3Si自由基两两结合生成乙硅烷；乙硅烷的Si
‑
H键与甲硅烷的Si
‑
H键所处的化学环境不同，因此对紫外光的吸收波长也不同；当甲硅烷的Si
‑
H键受紫外光照断裂时，乙硅烷吸收的能量并不足以使得其分子跃迁至激发态，因此此时乙硅烷的Si
‑
H键断裂的可能性较小；此外，光催化反应无需额外充能，能耗较小，设备故障时也无较大安全隐患；同时，光催化反应也较为温和，乙硅烷在此温和的条件下，自身Si
‑
Si键断裂的可能也较小，因此较电催化而言，光催化合成乙硅烷的收率更高。
[0020]光催化反应后，甲硅烷能够排出并继续作为原料制备乙硅烷，增加了该方法的原料利用率，进一步增加了乙硅烷的收率。
[0021]乙硅烷经由脱轻、脱重两步精制，保证了该方法制备的乙硅烷纯度较高，可达电子级。
[0022]综上所述，本申请提供的制备电子级乙硅烷的方法原料利用率高、乙硅烷的收率高、能耗小、安全性能好，弥补了相关技术中制备方法的不足；同时，本申请对乙硅烷进行两步精制，提纯深度高、提纯效率高，适用于大规模生产，对于降低乙硅烷的生产成本以及打破国外技术垄断有着重要的意义。
[0023]优选的，步骤S1中，甲硅烷原料的纯度为99％～99.9％。
[0024]通过采用上述技术方案，当甲硅烷的纯度为99％～99.9％时，杂质较少，更加有利于乙硅烷的合成以及后续的精制。
[0025]优选的，步骤S1中，紫外光催化过程在光催化反应器中进行。
[0026]通过采用上述技术方案，光催化反应器具备精确度高、催化效率高的优点，且压力、温度等反应条件可控，更加有利于光催化反应的进行。
[0027]优选的，光催化反应器中，反应压力为0.5～1.5MPa，反应温度为10～60℃。
[0028]通过采用上述技术方案，当反应压力为0.5～1.5MPa、反应温度为10～60℃时，甲硅烷能够更加高效地解离出自由基，乙硅烷的制备效率也更高。
[0029]优选的，步骤S2中，冷凝处理过程在冷阱中进行，冷阱的冷媒温度为
‑
20～
‑
35℃。
[0030]通过采用上述技术方案，在冷阱中，乙硅烷和其余重组分杂质冷凝至冷阱中，甲硅烷及其余轻组分杂质作为气相分离；当冷媒温度为
‑
20～
‑
35℃时，乙硅烷和甲硅烷的分离
效果更优。
[0031]优选的，步骤S3由如下步骤组成：
[0032]一、进气
[0033]将混合液升温气化后，通入缓冲罐中；
[0034]二、脱轻
[0035]将缓冲罐中的气体通入脱轻塔中，控制冷媒温度为
‑
20℃～
‑
35℃，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光催化法制备乙硅烷的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、光催化合成以紫外光为光源，利用光催化的方式对甲硅烷原料或步骤S2中回收的甲硅烷进行照射，得到包含甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷的混合气1；S2、气液分离对将上述混合气1进行冷凝处理，在冷媒条件下，混合气1中的乙硅烷、丙硅烷冷凝得到混合液，气相的甲硅烷排出，作为回收的甲硅烷继续参与光催化反应；S3、精制提纯将上述混合液升温气化后得到混合气2，利用各组分的沸点和临界压力不同，对混合气2进行脱轻、脱重两步精制处理，得到乙硅烷；步骤S1中，紫外光的波长为380～400nm。2.根据权利要求1所述的一种光催化法制备乙硅烷的方法，其特征在于：步骤S1中，甲硅烷原料的纯度为99％～99.9％。3.根据权利要求1所述的一种光催化法制备乙硅烷的方法，其特征在于：步骤S1中，紫外光催化过程在光催化反应器中进行。4.根据权利要求4所述的一种光催化法制备乙硅烷的方法，其特征在于：光催化反应器中，反应压力为0.5～1.5MPa，反应温度为10～60℃。5.根据权利要求1所述的一种光催化法制备乙硅烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈润泽，徐海云，李欣，孙加其，吝秀锋，赵星，姜世楠，张心智，
申请(专利权)人：中船邯郸派瑞特种气体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：