本實用新型涉及化工領域，具體而言，涉及一種制備電子級三氯氫硅的裝置。

背景技術：

電子級三氯氫硅(純度為9N以上)屬于硅源電子特氣，主要用于硅外延片的硅源氣體，它目前主要用于晶體硅的取向附生、硅的氮化物制備以及大規(guī)模集成電路中多晶硅的制備。目前，國內(nèi)三氯氫硅電子氣的市場需求在持續(xù)增長，但是我國電子級以上的三氯氫硅的產(chǎn)量不足，高純?nèi)葰涔桦娮託鈬乐匾蕾嚭Ｍ馐袌觥?/p>

目前，國內(nèi)生產(chǎn)高純?nèi)葰涔柚饕褂脗鹘y(tǒng)提純塔提純的模式，并且為多塔串聯(lián)提純，能耗高，過程不易控制，提純塔運行波動對產(chǎn)品品質影響較大，并且其中的雜質與三氯氫硅沸點接近，不易提純，僅能提純至太陽能級別。因此亟需開發(fā)新的工藝，一方面實現(xiàn)電子級三氯氫硅的穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，另一方面減少提純塔數(shù)量，降低運行能耗。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型旨在提供一種制備電子級三氯氫硅的裝置，以解決現(xiàn)有技術中制備電子級三氯氫硅提純過程能耗高和產(chǎn)品質量不穩(wěn)定的技術問題。

為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本實用新型的一方面，提供了一種制備電子級三氯氫硅的裝置。該裝置包括：反應器，用于芳香醛或芳香醛的衍生物與原料三氯氫硅進行反應；提純塔，用于將反應器中的反應產(chǎn)物先脫除部分重組分、再脫除輕組分和剩余的重組分得到電子級三氯氫硅；以及吸附提純單元，用于將三氯氫硅進一步去除雜質，得到電子級三氯氫硅。

進一步地，提純塔包括與反應器依次連通的第一脫重塔、脫輕塔和第二脫重塔，其中，脫輕塔和第二脫重塔采用差壓熱耦合，第二脫重塔的頂氣相作為脫輕塔的再沸器熱源利用后再返回第二脫重塔，冷凝后部分產(chǎn)物采出進吸附提純單元。

進一步地，提純塔的內(nèi)壁表面粗糙度為0.1～0.5μm，閥門為隔膜閥。

進一步地，反應器為具有控溫、控壓和攪拌功能的反應器。

進一步地，吸附提純單元包括1臺或多臺吸附柱。

進一步地，吸附柱的高徑比在2～9之間，吸附柱的內(nèi)壁表面粗糙度為0.1～0.5μm。

應用本實用新型的技術方案，包括用于化學試劑芳香醛或芳香醛的衍生物與三氯氫硅中的雜質進行反應的反應器，反應試劑中的基團氯化并發(fā)生加成反應，產(chǎn)生高分子聚合物，該聚合物與氯硅烷中的硼磷等雜質以共價鍵結合或物理吸附，使得沸點遠高于氯硅烷的沸點，再利用后續(xù)三塔提純，先脫除部分重組分，再脫除輕組分和剩余的脫重組分得到提純產(chǎn)品，將提純產(chǎn)品送入吸附提純單元，進一步去除雜質，得到電子級三氯氫硅。其中，反應產(chǎn)物先脫除部分重組分，再脫除輕組分和剩余的重組分過程中可以采用兩塔差壓熱耦合技術，將第二脫重塔頂?shù)臍庀辔锪献鳛槊撦p塔的再沸器的加熱介質，既能節(jié)省脫輕塔塔釜再沸器的加熱能量損耗，又能節(jié)省第二脫重塔塔頂冷凝器的能量消耗，從而大幅降低提純能耗，能夠實現(xiàn)低成本生產(chǎn)電子級三氯氫硅。同時，為減少產(chǎn)品品質波動，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設置吸附提純單元，能夠降低精餾塔波動對產(chǎn)品質量影響的同時進一步提高產(chǎn)品品質。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1示出了根據(jù)本實用新型一實施方式的制備電子級三氯氫硅的流程示意圖；以及

圖2示出了根據(jù)本實用新型一實施方式的制備電子級三氯氫硅的裝置結構示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本實用新型。

在本實用新型一種典型的實施方式，制備電子級三氯氫硅的方法包括以下步驟：S1，將芳香醛或芳香醛的衍生物與原料三氯氫硅進行反應，得到的反應產(chǎn)物；S2，將反應產(chǎn)物先脫除部分重組分，該重組分中含有大量的化學試劑，可以返回化學反應器重新利用，減少物耗，之后再脫除輕組分和剩余的重組分得到提純產(chǎn)品；S3，將提純產(chǎn)品送入吸附提純單元，進一步去除雜質，得到電子級三氯氫硅。

應用本實用新型的技術方案，如圖1所示，首先，采用化學試劑芳香醛或芳香醛的衍生物與三氯氫硅進行反應，即反應工序，反應試劑中的基團氯化并發(fā)生加成反應，產(chǎn)生高分子聚合物，該聚合物與氯硅烷中的硼磷等雜質會價鍵結合或物理吸附，使得沸點遠高于氯硅烷的沸點，再利用后續(xù)兩塔提純，即提純工序，經(jīng)過脫重、脫輕再脫重得到提純產(chǎn)品；將提純產(chǎn)品送入吸附提純單元，進一步去除雜質，得到電子級三氯氫硅。其中，反應產(chǎn)物先脫除部分重組分，再脫除輕組分和剩余的重組分過程中可以采用兩塔差壓熱耦合技術，大幅降低提純能耗，實現(xiàn)低成本生產(chǎn)電子級三氯氫硅。同時，為減少產(chǎn)品品質波動，設置吸附提純單元，降低精餾塔波動對產(chǎn)品質量的影響的同時進一步提高產(chǎn)品品質。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型中的化學反應試劑與雜質、生產(chǎn)的高沸物與三氯氫硅的沸點差增大，更加容易分離，由原來六塔以上精餾減少為目前的三塔精餾，流程極大地的縮短，同時，兩塔采用熱耦合技術，能夠節(jié)省提純塔的冷量和熱量，降低設備投資和運行能耗。

優(yōu)選的，原料三氯氫硅中三氯氫硅的質量百分含量為99％～99.9％。

優(yōu)選的，芳香醛或芳香醛的衍生物為選自由苯甲醛、3,4-二甲基苯甲醛、4-甲基苯甲醛、鄰苯二甲醛、對硝基苯甲醛、對甲氧基苯甲醛、肉桂醛、α-甲基肉桂醛，α-戊烷基肉桂醛，α-已基肉桂醛組成的組中的一種或多種。

芳香醛或芳香醛的衍生物加入量小則容易雜質殘留，加入量過大則不經(jīng)濟。優(yōu)選的，S1中，芳香醛和/或芳香醛的衍生物與原料三氯氫硅中雜質的摩爾比為100～10000:1。

S1中，當溫度小于0℃時，轉化效率低，溫度大于170℃時，化學試劑會產(chǎn)生副產(chǎn)物，形成的高沸點物質會分解，優(yōu)選的，反應的壓力控制在0～3bar，反應的溫度在0～170℃，反應的時間為20min～48小時。

為了加強反應，提高效率，S1包括反應過程中對反應物進行攪拌。

在本實用新型一種典型的實施方式中，S1的化學反應和S2的提純塔除雜可以循環(huán)連續(xù)進行，其中塔提純是除雜和氯硅烷分離的主要步驟，塔可以是填料或篩板塔，可以采用三塔提純，依次為一臺脫重組分(第一脫重塔)，一臺脫輕組分(脫輕塔)，一臺脫重組分(第二脫重塔)，產(chǎn)品為電子級三氯氫硅。第一脫重塔的高沸物中含有大量的化學試劑，可以簡單分離后返回化學反應步驟進行再利用。脫輕塔和第二脫重塔采用差壓熱耦合技術，使用第二脫重塔塔頂氣相來作為脫輕塔再沸器熱源，能大幅降低提純能耗。

根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，提供一種制備電子級三氯氫硅的裝置。如圖2所示，該裝置包括：用于芳香醛或芳香醛的衍生物與原料三氯氫硅進行反應的反應器10和用于將反應器中的反應產(chǎn)物先脫除部分重組分，再脫除輕組分和剩余的脫除重組分的提純塔和用于將提純產(chǎn)品進一步去除雜質的吸附提純單元。優(yōu)選的，提純塔包括與反應器依次連通的第一脫重塔21、脫輕塔22和第二脫重塔23。提純塔可以為填料塔或篩板塔，提純塔的材質為316L不銹鋼，內(nèi)壁經(jīng)電解拋光，表面粗糙度為0.1～0.5μm，與物料接觸的管道選用316L不銹鋼材質的電解拋光管道，閥門選用隔膜閥。優(yōu)選的，反應器10為具有控溫、控壓和攪拌功能的反應器。芳香醛或芳香醛的衍生物與原料三氯氫硅從反應器10的頂部加入，底部產(chǎn)物進入第一脫重塔21，第一脫重塔21塔頂產(chǎn)物進入脫輕塔22，第一脫重塔21塔底出來的未反應的芳香醛或芳香醛的衍生物可返回反應器10使用，高沸物則作物雜質處理，脫輕塔22頂部低沸物作為雜質處理，塔底產(chǎn)物則進入第二脫重塔23，脫出塔底出來的高沸物，提純產(chǎn)品則由塔頂排出進入吸附提純單元，吸附提純單元包含1臺或多臺吸附柱(例如吸附柱31、32和33，根據(jù)工藝需要，選擇使用相應功能的吸附劑，裝置也可以實現(xiàn)并聯(lián)或串聯(lián)運行功能)，吸附柱內(nèi)填料為絡合物聚合樹脂或活性炭，其中絡合物聚合樹脂根據(jù)功能基團分別用于吸附B、P和金屬雜質，其中金屬雜質包括Al、Fe、Cr或Ni等。為保證物料與吸附劑的接觸時間，吸附柱的高徑比應在2～9之間，溫度在20～70℃之間，吸附柱的壓力在0.2～1.0Mpa之間，所述吸附柱的材質為316L不銹鋼，內(nèi)壁經(jīng)電解拋光，表面粗糙度為0.1～0.5μm。

根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，提純塔由一臺脫輕塔和兩臺脫重塔兩個塔組成，第一脫重塔脫除重組分，脫輕塔出低沸產(chǎn)物，第二脫重塔出產(chǎn)品和高沸產(chǎn)物，各個塔都配置有再沸器和冷凝器，其中脫輕塔和第二脫重塔采用差壓熱耦合，第二脫重塔頂氣相作為脫輕塔再沸器熱源，換熱后返回第二脫重塔，部分采出進吸附裝置。優(yōu)選的，脫輕塔操作壓力范圍為0.1～0.3MPa，第二脫重塔操作壓力范圍為0.3～0.8Mpa，兩塔壓差范圍為0.2～0.6MPa；脫輕塔再沸器中加熱介質的平均溫度要高于冷卻介質的平均溫度20～70℃。

通過模擬計算和提純運行經(jīng)驗設定塔的塔徑、塔高、塔盤數(shù)量及內(nèi)件和填料等參數(shù)，三塔的進料、回流及高低沸排放量必須滿足在指定的范圍內(nèi)，塔及內(nèi)件的材質選用316L，同時，塔內(nèi)壁及內(nèi)件進行電解拋光，為多晶硅提純領域首次采用該方法，為了更好的進行過程控制，系統(tǒng)的氮氣需配置純化器，純化后氮氣H₂O，O₂含量小于1ppb，高純氮氣在系統(tǒng)運行之前進行置換，確保設備內(nèi)部氧，水等含量在要求范圍內(nèi)。物料管道為316L材質電解拋光管，閥門采用隔膜閥。反應器為具有控溫、控壓和攪拌功能的反應器，材質選用316L，內(nèi)部電解拋光，采用無極變速，便于控制攪拌速度，采用磁力密封，密封效果好，確保運行時無泄漏。

優(yōu)選的，控制氯硅烷和芳香醛或芳香醛的衍生物以一定的比例進入反應器，在反應器內(nèi)經(jīng)過充分反應后進入后續(xù)提純塔，保證反應的溫度、壓力及反應時間等參數(shù)在要求范圍內(nèi)，可以防止出現(xiàn)雜質不能充分反應的情況，化學試劑濃度增加，雜質轉化速度也會增加，但是濃度過高時，則需考慮過量化合物的回收，降低物料消耗。進入提純步驟中的氯硅烷中含有過量的化學試劑以及雜質分子形成的高沸點物質，提純后的氯硅烷可以達到電子級，作為生產(chǎn)半導體多晶硅的原材料，在塔釜排出物中包含氯硅烷，化學試劑和高沸點雜質，可將高沸物分離，將氯硅烷和化學試劑返回雜質轉化步驟重新利用。

下面將結合實施例進一步說明本實用新型的有益效果。

實施例1

采用圖1所示的流程，采用圖2所示的裝置，具體試驗參數(shù)如表1。

表1

在上述條件下，產(chǎn)品三氯氫硅純度達到9N，電阻率≥1000Ω.cm，B雜質含量0.04ppb，P雜質含量0.07ppb，Al雜質0.09ppb。

實施例2

采用圖1所示的流程，采用圖2所示的裝置，具體試驗參數(shù)如表2。

表2

在上述條件下，產(chǎn)品三氯氫硅純度達到9N，B雜質含量在0.01ppb，P雜質含量在0.02ppb Al雜質0.07ppb。

實施例3

采用圖1所示的流程，采用圖2所示的裝置，具體試驗參數(shù)如表3。

表3

在上述條件下，產(chǎn)品三氯氫硅純度達到9N，B雜質含量在0.04ppb，P雜質含量在0.06ppb Al雜質0.11ppb。

實施例4

采用圖1所示的流程，采用圖2所示的裝置，具體試驗參數(shù)如表4。

表4

在上述條件下，產(chǎn)品三氯氫硅純度達到9N，B雜質含量在0.06ppb，P雜質含量在0.05ppb Al雜質0.14ppb。

實施例5

采用圖1所示的流程，采用圖2所示的裝置，具體試驗參數(shù)如表5。

表5

在上述條件下，產(chǎn)品三氯氫硅純度達到9N，B雜質含量在0.02ppb，P雜質含量在0.03ppb Al雜質0.10ppb。

實施例6

采用圖1所示的流程，采用圖2所示的裝置，具體試驗參數(shù)如表6。

表6

在上述條件下，產(chǎn)品三氯氫硅純度達到9N，B雜質含量在0.08ppb，P雜質含量在0.09ppb Al雜質0.07ppb。

實施例7

采用圖1所示的流程，采用圖2所示的裝置，具體試驗參數(shù)如表7。

表7

在上述條件下，產(chǎn)品三氯氫硅純度達到9N，B雜質含量在0.09ppb，P雜質含量在0.11ppb Al雜質0.12ppb。

從以上的描述中，可以看出，本實用新型上述的實施例實現(xiàn)了如下技術效果：

1)采用反應+精餾的模式對三氯氫硅進行提純，在化學反應的基礎上僅采用一臺預處理塔(第一脫重塔)和兩臺精餾塔(脫輕塔和第二脫重塔)即可將三氯氫硅提純至半導體應用級別的純度，減少了提純塔的數(shù)量，同時脫輕塔和第二脫重塔采用差壓熱耦合技術，大幅度降低蒸汽和冷凝水消耗；

2)化學反應采用芳香醛及其衍生物與其中的雜質發(fā)生反應生產(chǎn)高沸點物質，更容易進行脫除；

3)采用預處理塔分離出多余的化學試劑返回化學反應步驟重新使用，減少廢物的產(chǎn)生量和試劑的消耗量；

4)提純塔采用內(nèi)部電解拋光，控制很高的清潔度，在多晶硅提純領域屬于首次；

5)區(qū)別于反應精餾，本實用新型采用反應+精餾的模式，反應和精餾屬于兩個獨立的單元，化學試劑的反應時間，溫度，試劑的配比，混合及更換更易實現(xiàn)；

6)精餾塔采用低溫低壓精餾，使得三氯氫硅與雜質化合物更易實現(xiàn)分離，再配合化學反應，能夠進一步的保證產(chǎn)品質量；

7)設置吸附提純單元，吸附柱可以根據(jù)需要實現(xiàn)并聯(lián)或串聯(lián)運行，吸附柱內(nèi)填料為對B、P和金屬雜質有選擇性吸附的絡合聚合物樹脂或活性炭，進一步保證產(chǎn)品質量。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。