[发明专利]高纯氘氨的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氢同位素氘的化合物制备领域，具体涉及一种高纯氘氨的制备方法。

背景技术

在半导体集成电路制程中，涉及一种硅氧氮氧硅（SONOS）闪存器件的混合气体退火制造工艺。SONOS闪存是以氮化硅作为电荷存储介质的闪存器件，因其具备良好的等比例缩小特性和抗辐照特性而成为目前主要的闪存类型之一。SONOS 闪存器件面临的可靠性问题主要有两个：一是耐久性，就是衡量SONOS 器件在多次编程/擦除之后，器件特性方面可能的退化；二是数据保持特性，就是SONOS 器件的数据保存能力。为了修补氧化层当中的悬挂键及其它工艺损伤，通常的工艺是在接触孔打开后，会采用氮气和氢气的混合气体进行合金工艺，这在一定程度上也可以提高SONOS 器件的可靠性。然而，由于氢硅键的键能比较低，所以在SONOS 器件多次擦写后，氢硅键容易断裂，导致可靠性变差。解决这一问题的方法已经找到并得到实际应用，就是采用氘氨(ND₃）和氮气（N₂）混合气体退火制造SONOS 闪存器件，能大大提高隧穿氧化层和硅衬底界面处的电学特性，进而可以改善SONOS 闪存器件的可靠性。在用ND₃ 和N₂ 混合气退火时，ND₃气体中的D可以饱和硅悬挂键，形成强度更高的硅-氘键，在退火的过程中，隧穿氧化层和硅衬底界面处的悬挂键可以被硅-氘键饱和，以提高界面处的电学特性，进而提高SONOS 闪存器件的可靠性。

氘氨（ND₃）作为一种新型的半导体制程材料，使用规模相对较小，如果通过NH₃-H₂化学交换精馏或NH₃精馏，投资巨大，设备复杂，而且需要处理大量的NH₃，既不经济更不安全。因此，研究直接以高纯氘气（D₂）和高纯氮气（N₂）直接合成氘氨的技术，是解决半导体制程所需高纯氘氨的最佳途径。迄今为止尚未见到采用高纯氘气与高纯氮气直接合成高纯氘氨的相关报道。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种高纯氘氨的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种高纯氘氨的制备方法，包括以下步骤：

（ⅰ）反应器预处理

在反应器中装入催化剂，预热反应器至300~500℃，然后从高纯氢气储罐中通入高纯氢气对催化剂进行活化，直至反应器出口排出的氢气中水含量低于1ppm，停止通入高纯氢气，然后通入高纯氮气进行置换；

（ⅱ）氘气与氮气反应

将高纯氮气储罐中的高纯氮气和高纯氘气储罐中的高纯氘气按体积比1:2~1:10的比例导入混合器中进行混合；混合气经缓冲罐后再经压缩机加压至10~30MPa；加压后的混合气经过预热器预热至300℃，当反应器出口排出的氮气中氢气含量低于1ppm时，将预热器排出的混合气导入反应器中进行反应，维持反应器内的反应温度在400~600℃，反应压力在10~30MPa，反应后得到氘氨粗品，

反应式：3D₂ + N₂ → 2ND₃；

（ⅲ）氘氨的液化分离

从反应器出来的氘氨粗品气体与高纯氮气、高纯氘气的混合气经过滤器过滤再进入换热器降温至30℃以下；经过降温后的混合气导入冷凝器进行冷凝，冷凝后经过气-液分离器进行气液分离，气-液分离器的温度控制在-70～-40℃，分离出的液相即氘氨粗品导入精馏塔的塔釜；分离出的气相即未反应的高纯氮气和高纯氘气通过循环回路经循环增压泵加压后回收到原料混合气循环储罐循环利用；

（ⅳ）氘氨提纯

对导入精馏塔塔釜的氘氨粗品进行精馏提纯，塔釜温度控制在-30～50℃，塔顶冷凝器的温度控制在-70～0℃，精馏塔的操作压力控制在0.05～3.0MPa 之间，精馏提纯除去氘氨粗品中的微量氮气及微量氘气，得到最终产品高纯氘氨导入产品收集罐中收集，微量氮气及微量氘气进入尾气处理塔（18）进行处理；

（ⅴ）尾气处理

来自精馏塔的尾气通过尾气处理塔处理达标后排放。

所述步骤（ⅰ）中的催化剂包括主催化剂和助催化剂，主催化剂是铁-铝复合催化剂，助催化剂是碱金属氧化物或碱土金属氧化物，助催化剂的加入量为主催化剂质量的1%～5%。