[发明专利]一种高纯硅烷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硅烷生产技术领域，具体涉及一种高纯硅烷的制备方法。

背景技术

硅烷是一种重要的化工产品，其经提纯后得到的超高纯电子气体，是硅产品产业链中的一个极为重要的中间产品，是制备电子级多晶硅、非晶硅薄膜电池、硅片外延、覆膜玻璃、纳米硅材料等产品的主要原料，并且是迄今世界上唯一大规模生产粒状高纯度硅的中间产物，对信息产业和新能源产业的发展有着举足轻重的作用。

目前，硅烷的制备技术主要掌控在发达国家的少数企业手中，主要生产企业有美国REC公司、MEMC公司、美国UCC公司等。归纳起来，国内外生产硅烷法技术主要有：

1.硅化镁合金法制备硅烷：该法称硅化镁法，日本小松技术。它利用硅化镁与氯化铵在-20℃左右的液氨中进行化学反应得到硅烷；是早期国际上普遍采用的一种生产方法，后来逐渐被其它方法所取代；适于间歇生产，能耗高，副产物难以分离，同时又因为发生过爆炸，现没有工业化装置。

2.三氯氢硅还原法制备硅烷：又称氢化锂还原三氯氢硅制备硅烷法。它采用金属氢化物氢化锂做还原剂，原始技术来源于美国UCC公司；该技术不适于大规模生产，同时存在原材料成本高、操作繁琐、原料进口难等问题。

3.四氟化硅还原法制备硅烷：该法是美国MEMC公司专有生产技术。该法采用氢化铝钠与四氟化硅进行化学反应制备硅烷，是无氯工艺的生产过程，所得硅烷产品可以免受到氯硅烷的污染。该法利用磷肥行业副产的氟为原料，同时又将副产的氟产品回用于氟化工生产，降低了生产成本；但是，该法需要消耗大量高价的金属原料钠及铝粉，同时金属钠的储存以及四氢铝钠的合成等都需要大量耗能，因此生产成本偏高。

4.氯硅烷歧化法制备硅烷：又称为氯硅烷经氢化和二次歧化反应制备硅烷(也称UCC法)。该法的生产过程由氯硅烷的制备和它的氢化反应、三氯氢硅的歧化反应、二氯二氢硅的歧化反应和一系列各类不同物质的分离、提纯等工艺过程所组成，由美国UCC（联合碳化物公司）研究开发。该法适于规模化生产，但歧化反应的效率有待进一步提高，同时TCS制造、STC氢化、各种氯氢化物分离过程需要的设备投资大，热耗高，生产成本偏高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高纯硅烷的制备方法，解决现有硅烷生产操作繁琐、能耗高、成本高，所得产品纯度较低的问题。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种高纯硅烷的制备方法，包括下列步骤：

1）将钠溶解在液氨中形成混合液；

2）将步骤1）所得混合液置于反应釜中，将惰性气体充入反应釜内进行气体置换至反应釜内气体合格；

3）在搅拌条件下，将SiF₄和H₂持续通入反应釜内与混合液进行反应，制得粗硅烷；

4）将步骤3）所得粗硅烷进行吸附、精馏，即得所述高纯硅烷。

步骤1）中钠与液氨的摩尔比为1:1.0～5.0。此处，液氨除了参与反应之外，还充当反应溶剂，因此液氨的用量可适当增加。

步骤2）中所述惰性气体为氮气或氩气。

步骤2）中所述气体合格是指反应釜内气体中水分≤10ppm、O₂≤20ppm。将惰性气体充入反应釜内进行气体置换的主要作用是除去反应釜内的氧气和水分等，避免硅烷、四氟化硅、钠与氧气、水分反应生成不必要的杂质。

步骤3）中SiF₄、H₂的通入量为：SiF₄、H₂与钠的摩尔比为1.0:3.0～7.0:2.0～3.0。

步骤3）中所述反应的时间为0.5～5h。

步骤2）和3）中所述反应釜的压力为0.1～10MPa。

步骤2）和3）中所述反应釜内的温度为-50～200℃。

步骤3）中所述反应还可以加入金属基催化剂；所述金属基催化剂所用金属为Ni、Pt或Pd。

步骤4）中所述吸附是通过填料塔进行吸附，所述填料塔中的填料为4A分子筛。采用填料塔进行吸附的目的是除去在精馏阶段难以除去的甲烷。

步骤4）中所述精馏是采用两级精馏，其中一级精馏的精馏塔采用液氮作为制冷剂，二级精馏的精馏塔温度为-54℃。一级精馏主要除去粗硅烷中的轻组分杂质，如氢气、甲烷等；二级精馏主要除去硅烷中的重组分杂质如乙硅烷、硅氧烷等。

本发明的高纯硅烷的制备方法，涉及的主要化学反应如下：