一种催化合成制备多氯硅烷的方法及合成设备与流程

本发明涉及多氯硅烷合成，具体涉及一种催化合成制备多氯硅烷的方法及合成设备。

背景技术：

1、氯硅烷是集成电路先进制程中重要的沉积材料，在国防军事、航空航天、新型太阳能电池、电池产品等方面具有广泛的用途，作为半导体工业重要的外延沉积硅气源，具有沉积速度快、沉积薄膜均匀、沉积温度较低等特点，主要用于外延生长和化学气相沉积二氧化硅和氮化硅，其中，在较低温度下，二氯硅烷沉积所需时间大大低于硅烷所需时间。尤其在28nm以下先进制程中，对沉积的氧化硅、氮化硅以及薄膜硅外延层质量提出更高的要求，氯代硅烷尤其是低氯代硅烷需求和应用将不断增长。

2、氯代硅烷的制备方法：(1)有多氯硅烷歧化制备氯硅烷，其中以二氯硅烷、三氯硅烷歧化为主，其反应式为：(a)2sihcl3＝sih2cl2+sicl4；(b)2sih2cl2＝sihcl3+sih3cl，其合成需要以氯硅烷为原料歧化产生其他的氯代硅烷，并没有解决从“无氯硅烷”到“有氯硅烷”的过程，只是产品间的相互转化，同时反应为可逆反应，转化效率并不高；

3、(2)硅烷催化合成制备氯硅烷，根据专利cn101863477a报道，选用硅烷和氯化氢气体，通过分子筛、含alcl3的二氧化硅载体等催化剂催化合成氯硅烷；值得注意的是，反应在较高温度下反应会导致产物的分解成固体颗粒，使催化剂孔道堵塞，导致反应效率大幅下降，催化剂快速失活，且失活后难以恢复催化活性，催化剂需要频繁更换，同时，工业化放大后，催化反应放热明显，热量聚集显著，催化剂失活加剧。

4、(3)通过多晶硅合成过程中产生的二氯硅烷进行回收，得到氯硅烷，该方法产能工业化上具有一定局限性，受制条件较多，无法自主，难受控。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种催化合成制备多氯硅烷的方法及合成设备，通过硅烷气体及一氯甲烷气体通过装填有多孔结构磺酸树脂负载alcl3路易斯酸催化剂与分散填料的固定床反应器，反应合成氯硅烷，其最终产物中包含sih3cl、sih2cl2、sihcl3、sicl4及其组合，以解决现有技术中的上述不足之处。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：按照配比提供硅烷和一氯甲烷气体在预设的压力、温度及停留时间条件下通过装填有多孔结构磺酸树脂负载alcl3路易斯酸催化剂及分散金属填料生成所述最终氯代硅烷产物。

3、作为上述技术方案的进一步描述：

4、所述硅烷气体与所述一氯甲烷气体作为原料气，其中所述硅烷与所述一氯甲烷的体积比为2:1-1:4之间，优选为1:1-1:3。

5、作为上述技术方案的进一步描述：

6、反应绝压压力为2-6bar，优选3-5bar，并且反应温度为40-160℃,优选60-120℃，反应停留时间在30-240s,优选60-180s。

7、作为上述技术方案的进一步描述：

8、所述多孔结构磺酸树脂复载alcl3路易斯酸催化剂，孔径20～40μm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～300m2/g，厚度1-5mm。

9、作为上述技术方案的进一步描述：

10、所述多孔结构磺酸树脂复载alcl3路易斯酸催化剂中alcl3固含量10-30wt％。

11、作为上述技术方案的进一步描述：

12、所述多孔结构磺酸树脂复载alcl3路易斯酸催化剂与所述分散金属填料进行混合装填进固定床反应器，混合体积比例为催化剂：填料＝1:2-1:6。

13、作为上述技术方案的进一步描述：

14、还包括合成塔与进气箱，所述进气箱与所述合成塔通过连接管相互连通，所述进气箱内固定连接有隔板，所述隔板将所述进气箱分割呈相同大小的两个区域，所述进气箱上设置有两个出气管与两个进气管，两个所述出气管上均设置有第二单向阀，两个所述进气管上均设置有第一单向阀；

15、还包括两个调节组件，两个所述调节组件均通过驱动组件移动进行不同气体体积调节。

16、作为上述技术方案的进一步描述：

17、所述调节组件包括滑动设置于所述进气箱内的密封板，所述密封板的中轴处固定连接有齿条，所述进气箱上设置有第一齿轮，所述第一齿轮与所述齿条相互啮合，所述齿条上设置有刻度尺。

18、作为上述技术方案的进一步描述：

19、所述调节组件还包括固定于所述密封板上的螺杆，所述螺杆外螺纹连接有螺纹管，所述螺纹管外固定连接有第一导向块，所述第一导向块通过连接板固定连接有第二导向块；

20、所述调节组件还包括固定于所述隔板上的支撑杆，所述支撑杆外套设有转动板，所述转动板的一端转动连接有导向框，所述导向框转动设置于所述连接杆外，所述连接杆外套设有复位弹簧，所述第二导向块与所述转动板活动接触。

21、作为上述技术方案的进一步描述：

22、所述驱动组件包括固定于所述进气箱上的两个支撑板，所述支撑板内转动连接有连接杆，并且支撑板的顶端固定连接有限位板，所述连接杆的一端与所述第一齿轮固定连接，并且连接杆的另一端固定连接有异型杆；

23、还包括转动于所述进气箱上的两个第二齿轮，两个所述第二齿轮相互啮合，并且两个第二齿轮上均固定连接有与所述异型杆相适配的固定管，所述进气箱上固定连接有电机，所述电机的输出端与任一所述第二齿轮固定连接。

24、在上述技术方案中，本发明提供的一种催化合成制备多氯硅烷的方法及合成设备具备的有益效果：

25、1、本发明：通过选择负载催化剂和分散填料混合后装填，提高了反应热传导，反应受热更为均匀，同时，在反应放大过程中，固定床反应器在放大过程中，传热效率降低，反应放热集聚，催化剂与填料混合装填，分散反应热，提高传热效率，降低反应热集聚。

26、2、本发明：通过使用一氯甲烷相比与选择氯化氢作为氯原料，降低了对设备的腐蚀，提高了设备使用的安全性和经济性，同时，一氯甲烷具有更低的原材料成本。

27、3、本发明：通过选择多孔结构负载alcl催化剂，催化剂结构具有较高的比表面，高孔隙率、催化剂结构使催化剂活性中心充分暴露，具有更高的催化效率，一氯硅烷和二氯硅烷选择性更高，负载后得催化剂使用寿命更长。

28、应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本公开。

29、本申请文件提供本公开中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。

技术特征：

1.一种催化合成制备多氯硅烷的方法，其特征在于：按照配比提供硅烷和一氯甲烷气体在预设的压力、温度及停留时间条件下通过装填有多孔结构磺酸树脂负载alcl3路易斯酸催化剂及分散金属填料生成所述最终氯代硅烷产物。

2.根据权利要求1所述的一种催化合成制备多氯硅烷的方法，其特征在于，所述硅烷气体与所述一氯甲烷气体作为原料气，其中所述硅烷与所述一氯甲烷的体积比为2:1-1:4之间，优选为1:1-1:3。

3.根据权利要求1所述的一种催化合成制备多氯硅烷的方法，其特征在于，反应绝压压力为2-6bar，优选3-5bar，并且反应温度为40-160℃,优选60-120℃，反应停留时间在30-240s,优选60-180s。

4.根据权利要求1所述的一种催化合成制备多氯硅烷的方法，其特征在于，所述多孔结构磺酸树脂复载alcl3路易斯酸催化剂，孔径20～40μm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～300m2/g，厚度1-5mm。

5.根据权利要求1所述的一种催化合成制备多氯硅烷的方法及合成设备，其特征在于，所述多孔结构磺酸树脂复载alcl3路易斯酸催化剂中alcl3固含量10-30wt％。

6.根据权利要求1所述的一种催化合成制备多氯硅烷的方法，其特征在于，所述多孔结构磺酸树脂复载alcl3路易斯酸催化剂与所述分散金属填料进行混合装填进固定床反应器，混合体积比例为催化剂：填料＝1:2-1:6。

7.一种催化合成制备多氯硅烷的合成设备，其用于权利要求1-2任一项所述按照配比提供硅烷和一氯甲烷气体进行输送，其特征在于，还包括合成塔(1)与进气箱(2)，所述进气箱(2)与所述合成塔(1)通过连接管(21)相互连通，所述进气箱(2)内固定连接有隔板(22)，所述隔板(22)将所述进气箱(2)分割呈相同大小的两个区域，所述进气箱(2)上设置有两个出气管(23)与两个进气管(24)，两个所述出气管(23)上均设置有第二单向阀(26)，两个所述进气管(24)上均设置有第一单向阀(25)；

8.根据权利要求7所述的一种催化合成制备多氯硅烷的合成设备，其特征在于，所述调节组件包括滑动设置于所述进气箱(2)内的密封板(31)，所述密封板(31)的中轴处固定连接有齿条(32)，所述进气箱(2)上设置有第一齿轮(33)，所述第一齿轮(33)与所述齿条(32)相互啮合，所述齿条(32)上设置有刻度尺(66)。

9.根据权利要求7所述的一种催化合成制备多氯硅烷的合成设备，其特征在于，所述调节组件还包括固定于所述密封板(31)上的螺杆(61)，所述螺杆(61)外螺纹连接有螺纹管(62)，所述螺纹管(62)外固定连接有第一导向块(63)，所述第一导向块(63)通过连接板(64)固定连接有第二导向块(65)；

10.根据权利要求7所述的一种催化合成制备多氯硅烷的合成设备，其特征在于，所述驱动组件包括固定于所述进气箱(2)上的两个支撑板(41)，所述支撑板(41)内转动连接有连接杆(42)，并且支撑板(41)的顶端固定连接有限位板(48)，所述连接杆(42)的一端与所述第一齿轮(33)固定连接，并且连接杆(42)的另一端固定连接有异型杆(43)；

技术总结
本发明公开了一种催化合成制备多氯硅烷的方法及合成设备，按照配比提供硅烷和一氯甲烷气体在预设的压力、温度及停留时间条件下通过装填有多孔结构磺酸树脂负载AlCl<subgt;3</subgt;路易斯酸催化剂及分散金属填料生成所述最终氯代硅烷产物。本发明提供的一种催化合成制备多氯硅烷的方法及合成设备通过选择负载催化剂和分散填料混合后装填，提高了反应热传导，反应受热更为均匀，同时，固定床反应器在放大过程中，传热效率降低，反应放热集聚，催化剂与填料混合装填，分散反应热，提高传热效率，降低反应热集聚，通过使用一氯甲烷相比与选择氯化氢作为氯原料，降低了对设备的腐蚀，提高了设备使用的安全性和经济性，同时，一氯甲烷具有更低的原材料成本。

技术研发人员：王乐强,王伟,郑春宁,张大伟,朱元元
受保护的技术使用者：全椒亚格泰电子新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15