CN103950949B - 高纯三溴化硼-11的制备方法 - Google Patents

高纯三溴化硼-11的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体公开了一种高纯三溴化硼-11的制备方法，属于硼化物的制备方法领域，包括预处理、反应合成、粗品中杂质初步分离、精馏提纯、高纯三溴化硼-11产品收集、尾气处理等步骤。本发明制备的高纯三溴化硼-11纯度高，可达到99.9999%以上，硼-11的丰度在99%以上，能够满足超大规模集成电路半导体器件制程对特殊硼掺杂源的要求。

Description

高纯三溴化硼-11的制备方法
技术领域
本发明属于一种硼化物的制备方法，具体涉及一种高纯三溴化硼-11的制备方法。
背景技术
三溴化硼作为一种特殊硼试剂，广泛应用于超大规模集成电路半导体器件制造、有机合成、元素硼制造、硼纤维制造及其它有机硼化合物的制备。市面上出售的三溴化硼中的硼元素为天然硼，天然硼由两种稳定同位素10B和11B组成，其中10B含量为10B19.78％，11B的含量为80.22％。
10B具有极强的吸中子能力，因而被用在核反应堆中作中子减速剂，起到控制反应堆运行的功能。而11B恰好相反，几乎不吸收中子，因此被用于半导体器件制造过程的掺杂剂，能够有效提高半导体器件的导电性能和抗辐射抗干扰能力。天然硼化合物作为半导体器件制程掺杂源使用时由于含有约19.78％的10B同位素，因而不可避免会引入大量10B一起进行掺杂，其结果是在某些特定环境会对半导器件性能造成致命的影响，轻则影响电子设备运行速度，重则导致死机甚至毁机。
随着集成电路集成度越来越高，以及诸多特殊应用领域如航空航天、宇宙探测器、现代军事、超级计算机、云计算、高速列车、通信、网络等等对电子设备运行速度、稳定性、可靠性、安全性要求的不断提高，对制造相关设施的核心器件-半导体器件性能要求也越来越高，某些关键半导体制程相关材料已不仅仅局限于一般意义上的纯度要求，而是上升到同位素纯度，常规的天然材料已不能满足技术进步的要求。天然三溴化硼的硼元素由于含有19.78％的10B，在新一代半导体器件制程中的应用将会遇到瓶颈。因此研究开发高丰度11B的高纯三溴化硼-11是未来硼系半导体材料的必然选择之一。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种高纯三溴化硼-11的制备方法。
本发明所采取的技术方案是：一种高纯三溴化硼-11的制备方法，包括以下步骤：
(ⅰ)预处理
将加料器中的溴化铝通过料斗加入到反应器中，测漏合格后加热反应器到90℃～110℃，向反应器中通入高纯氮气置换出空气，直到排出氮气的含水量小于1ppm为止；
(ⅱ)反应合成
将原料储罐中的高丰度三氟化硼-11通入反应器中与经过预处理的溴化铝反应，反应温度为80～150℃，反应压力为0.05～2.0MPa，反应后得到三溴化硼-11粗品，三溴化硼-11粗品中包含未反应的三氟化硼-11以及氟化氢、溴化氢杂质和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；
反应方程式为：
AlBr3+11BF3→11BBr3+AlF3；
(ⅲ)粗品中杂质初步分离
将生成的三溴化硼-11粗品通过填充溴化铝、活性铝粒的填充柱吸附去除三溴化硼-11中夹带的氟化氢、溴化氢和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；然后将三溴化硼-11导入精馏塔中，控制精馏塔顶部冷凝器的温度为-40～90℃，精馏塔操作压力为0.05～1.0MPa，三溴化硼-11冷凝收集在塔釜，未反应的三氟化硼-11通过回路中的循环增压泵通入到反应器中继续使用；
(ⅳ)精馏提纯
控制精馏塔塔釜温度为90～150℃，塔顶冷凝器的温度为-40～90℃，精馏塔操作压力为0.05～1.0MPa，对收集于塔釜的三溴化硼-11进行精馏提纯，得到高纯三溴化硼-11；
(ⅴ)高纯三溴化硼-11收集
将精馏塔中的高纯三溴化硼-11导入到产品收集罐收集储存；
(ⅵ)尾气处理
将精馏提纯排出尾气通过尾气处理装置中的碱石灰、活性炭吸收处理，精馏提纯排出尾气包括三氟化硼-11、氟化氢、溴化氢，处理达标后方可排放。
所述原料高丰度三氟化硼-11纯度大于99％，且高丰度三氟化硼-11中硼-11丰度在99％以上。
本发明所使用到的高丰度三氟化硼-11原料是由天然三氟化硼-乙醚络合物、三氟化硼-甲醚络合物及三氟化硼-苯甲醚络合物之一种为原料，通过化学交换精馏方法富集获得。
本发明制备的高纯三溴化硼-11纯度高，可达到99.9999％以上，硼-11的丰度在99％以上，能够满足超大规模集成电路半导体器件制程对特殊硼掺杂源的要求。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
其中：
1、原料储罐      2、循环增压泵
3、加料器        4、反应器
5、填充柱        6、精馏塔
7、产品收集罐    8、尾气处理装置。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行详细说明。
一种高纯三溴化硼-11的制备方法，包括以下步骤：
(ⅰ)预处理
将加料器3中的溴化铝通过料斗加入到反应器4中，测漏合格后加热反应器4到90℃～110℃，向反应器4中通入高纯氮气置换出空气，直到排出氮气的含水量小于1ppm为止；
(ⅱ)反应合成
将原料储罐1中的高丰度三氟化硼-11通入反应器4中与经过预处理的溴化铝反应，反应温度为80～150℃，反应压力为0.05～2.0MPa，反应后得到三溴化硼-11粗品，三溴化硼-11粗品中包含未反应的三氟化硼-11以及氟化氢、溴化氢杂质和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；
反应方程式为：
AlBr3+11BF3→11BBr3+AlF3；
(ⅲ)粗品中杂质初步分离
将生成的三溴化硼-11粗品通过填充溴化铝、活性铝粒的填充柱5吸附去除三溴化硼-11中夹带的氟化氢、溴化氢和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；然后将三溴化硼-11导入精馏塔6中，控制精馏塔6顶部冷凝器的温度为-40～90℃，精馏塔6操作压力为0.05～1.0MPa，三溴化硼-11冷凝收集在塔釜，未反应的三氟化硼-11通过回路中的循环增压泵2通入到反应器4中继续使用；
(ⅳ)精馏提纯
控制精馏塔6塔釜温度为90～150℃，塔顶冷凝器的温度为-40～90℃，精馏塔操作压力为0.05～1.0MPa，对收集于塔釜的三溴化硼-11进行精馏提纯，得到高纯三溴化硼-11；
(ⅴ)高纯三溴化硼-11收集
将精馏塔6中的高纯三溴化硼-11导入到产品收集罐7收集储存；
(ⅵ)尾气处理
将精馏提纯排出尾气通过尾气处理装置8中的碱石灰、活性炭吸收处理，精馏提纯排出尾气包括三氟化硼-11、氟化氢、溴化氢，处理达标后方可排放。
所述原料高丰度三氟化硼-11纯度大于99％，且高丰度三氟化硼-11中硼-11丰度在99％以上。
实施例1
(ⅰ)预处理
将加料器3中的溴化铝通过料斗加入到反应器4中，测漏合格后加热反应器4到90℃，向反应器4中通入高纯氮气置换出空气，直到排出氮气的含水量小于1ppm为止；
(ⅱ)反应合成
将原料储罐1中的高丰度三氟化硼-11通入反应器4中与经过预处理的溴化铝反应，反应温度为80℃，反应压力为0.05MPa，反应后得到三溴化硼-11粗品，三溴化硼-11粗品中包含未反应的三氟化硼-11以及氟化氢、溴化氢杂质和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；
(ⅲ)粗品中杂质初步分离
将生成的三溴化硼-11粗品通过填充溴化铝、活性铝粒的填充柱5吸附去除三溴化硼-11中夹带的氟化氢、溴化氢和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；然后将三溴化硼-11导入精馏塔6中，控制精馏塔6顶部冷凝器的温度为-40℃，精馏塔6操作压力为0.05MPa，三溴化硼-11冷凝收集在塔釜，未反应的三氟化硼-11通过回路中的循环增压泵2通入到反应器4中继续使用；
(ⅳ)精馏提纯
控制精馏塔6塔釜温度为90℃，塔顶冷凝器的温度为-40℃，精馏塔操作压力为0.05MPa，对收集于塔釜的三溴化硼-11进行精馏提纯，得到高纯三溴化硼-11；
(ⅴ)高纯三溴化硼-11收集
将精馏塔6中的高纯三溴化硼-11导入到产品收集罐7收集储存；
(ⅵ)尾气处理
将精馏提纯排出尾气通过尾气处理装置8中的碱石灰、活性炭吸收处理，精馏提纯排出尾气包括三氟化硼-11、氟化氢、溴化氢，处理达标后方可排放。
实际消耗三氟化硼-11原料1.25公斤，得到纯度99.9999％高纯三溴化硼-11产品4.15公斤，按三氟化硼-11计收率90％。
实施例2
(ⅰ)预处理
将加料器3中的溴化铝通过料斗加入到反应器4中，测漏合格后加热反应器4到100℃，向反应器4中通入高纯氮气置换出空气，直到排出氮气的含水量小于1ppm，停止通入高纯氮气；
(ⅱ)反应合成
将原料储罐1中的高丰度三氟化硼-11通入反应器4中与经过预处理的溴化铝反应，反应温度为100℃，反应压力为0.5MPa，反应后得到三溴化硼-11粗品，三溴化硼-11粗品中包含未反应的三氟化硼-11以及氟化氢、溴化氢杂质和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；
(ⅲ)粗品中杂质初步分离
将生成的三溴化硼-11粗品通过填充溴化铝、活性铝粒的填充柱5吸附去除三溴化硼-11中夹带的氟化氢、溴化氢和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；然后将三溴化硼-11导入精馏塔6中，控制精馏塔6顶部冷凝器的温度为40℃，精馏塔6操作压力为0.5MPa，三溴化硼-11冷凝收集在塔釜，未反应的三氟化硼-11通过回路中的循环增压泵2通入到反应器4中继续使用；
(ⅳ)精馏提纯
控制精馏塔6塔釜温度为120℃，塔顶冷凝器的温度为20℃，精馏塔操作压力为0.5MPa，对收集于塔釜的三溴化硼-11进行精馏提纯，得到高纯三溴化硼-11；
(ⅴ)高纯三溴化硼-11收集
将精馏塔6中的高纯三溴化硼-11导入到产品收集罐7收集储存；
(ⅵ)尾气处理
将精馏提纯排出尾气通过尾气处理装置8中的碱石灰、活性炭吸收处理，精馏提纯排出尾气包括三氟化硼-11、氟化氢、溴化氢，处理达标后方可排放。
实际消耗三氟化硼-11原料1.25公斤，得到纯度99.9999％高纯三溴化硼-11产品4.4公斤，按三氟化硼-11计收率95％。
实施例3
(ⅰ)预处理
将加料器3中的溴化铝通过料斗加入到反应器4中，测漏合格后加热反应器4到110℃，向反应器4中通入高纯氮气置换出空气，直到排出氮气的含水量小于1ppm为止；
(ⅱ)反应合成
将原料储罐1中的高丰度三氟化硼-11通入反应器4中与经过预处理的溴化铝反应，反应温度为150℃，反应压力为2.0MPa，反应后得到三溴化硼-11粗品，三溴化硼-11粗品中包含未反应的三氟化硼-11以及氟化氢、溴化氢杂质和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；
(ⅲ)粗品中杂质初步分离
将生成的三溴化硼-11粗品通过填充溴化铝、活性铝粒的填充柱5吸附去除三溴化硼-11中夹带的氟化氢、溴化氢和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；然后将三溴化硼-11导入精馏塔6中，控制精馏塔6顶部冷凝器的温度为90℃，精馏塔6操作压力为1.0MPa，三溴化硼-11冷凝收集在塔釜，未反应的三氟化硼-11通过回路中的循环增压泵2通入到反应器4中继续使用；
(ⅳ)精馏提纯
控制精馏塔6塔釜温度为150℃，塔顶冷凝器的温度为90℃，精馏塔操作压力为1.0MPa，对收集于塔釜的三溴化硼-11进行精馏提纯，得到高纯三溴化硼-11；
(ⅴ)高纯三溴化硼-11收集
将精馏塔6中的高纯三溴化硼-11导入到产品收集罐7收集储存；
(ⅵ)尾气处理
将精馏提纯排出尾气通过尾气处理装置8中的碱石灰、活性炭吸收处理，精馏提纯排出尾气包括三氟化硼-11、氟化氢、溴化氢，处理达标后方可排放。
实际消耗三氟化硼-11原料1.25公斤，得到纯度99.9999％高纯三溴化硼-11产品4.3公斤，按三氟化硼-11计收率93％。
本发明制备的高纯三溴化硼-11纯度高，可达到99.9999％以上，硼-11的丰度在99％以上，能够满足超大规模集成电路半导体器件制程对特殊硼掺杂源的要求。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以做出许多修改和变型。因此，要认识到权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (2)

1.一种高纯三溴化硼-11的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（ⅰ）预处理
将加料器（3）中的溴化铝通过料斗加入到反应器（4）中，测漏合格后加热反应器（4）到90℃~110℃，向反应器（4）中通入高纯氮气置换出空气，直到排出氮气的含水量小于1ppm为止；
（ⅱ）反应合成
将原料储罐（1）中的高丰度三氟化硼-11通入反应器（4）中与经过预处理的溴化铝反应，反应温度为80~150℃，反应压力为0.05~2.0MPa，反应后得到三溴化硼-11粗品，三溴化硼-11粗品中包含未反应的三氟化硼-11以及氟化氢、溴化氢杂质和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；
反应方程式为：
 AlBr3+11BF3→11BBr3+AlF3；
（ⅲ）粗品中杂质初步分离
将生成的三溴化硼-11粗品通过填充溴化铝、活性铝粒的填充柱（5）吸附去除三溴化硼-11中夹带的氟化氢、溴化氢和夹带的溴化铝和氟化铝颗粒；然后将三溴化硼-11导入精馏塔（6）中，控制精馏塔（6）顶部冷凝器的温度为-40~90℃，精馏塔（6）操作压力为0.05~1.0MPa，三溴化硼-11冷凝收集在塔釜，未反应的三氟化硼-11通过回路中的循环增压泵（2）通入到反应器（4）中继续使用；
（ⅳ）精馏提纯
控制精馏塔（6）塔釜温度为90~150℃，塔顶冷凝器的温度为-40~90℃，精馏塔操作压力为0.05~1.0MPa，对收集于塔釜的三溴化硼-11进行精馏提纯，得到高纯三溴化硼-11；
（ⅴ）高纯三溴化硼-11收集
将精馏塔（6）中的高纯三溴化硼-11导入到产品收集罐（7）收集储存；
（ⅵ）尾气处理
将精馏提纯排出尾气通过尾气处理装置（8）中的碱石灰、活性炭吸收处理，精馏提纯排出尾气包括三氟化硼-11、氟化氢、溴化氢，处理达标后方可排放。
2.根据权利要求1所述的高纯三溴化硼-11的制备方法，其特征在于：所述原料高丰度三氟化硼-11纯度大于99%，且高丰度三氟化硼-11中硼-11丰度在99%以上。
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