TWI478862B - 用於製造三矽烷胺（ｔｒｉｓｉｌｙｌａｍｉｎｅ）之設備及方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用於合成矽烷胺及特定言之二矽烷胺及三矽烷胺之反應器。
三矽烷胺係一種用於半導體製造中之有用的分子。其一旦產生則係穩定的，但在過度的反應條件下易於分解及合成副產物。Dussarrat等人US 7,192,626展示藉由將三矽烷胺及氨供給至包含一基板之CVD反應室中而於基板上形成穩定的氮化矽薄膜。
Wells及Schaeffer(J. Am. Chem. Soc.,88:1,37(1996))論述一種藉由使氯矽烷與氨反應而製備三矽烷胺之批式方法。其發表三矽烷胺之產率係視混合方法及反應物之純度而異。Wells及Schaeffer藉由自下方將氨引入至包含氯矽烷之1公升球狀物中而使反應物混合於氣相中。在極緩慢地引入氨氣之後，使反應球狀物及內容物在室溫下保持15分鐘。一旦混合則會在球狀物壁上沉澱出大量白色固體。移除產物並回收三矽烷胺。該製程產率為約77%的三矽烷胺理論量。
在批式反應器製程中，將所有的單鹵矽烷裝入反應容器中。批量大小係受限於此初始進料及容器大小。隨後將氨氣極緩慢地添加至該燒瓶中。容器中之反應條件將視單鹵矽烷及氨之初始濃度及於容器中之擾流混合效率而不同。該混合係受容器大小以及機械混合裝置(若使用)之效率影響。此外，在分批製程期間，所產生之矽烷胺與鹵化銨(其亦係該反應之產物)接觸。鹵化銨(諸如氯化銨)係觸媒，其會使TSA歧化成矽烷及其他降解產物，從而降低TSA之產率。鹵矽烷與氨之反應會產熱，藉此使得密閉反應容器中之降解條件惡化。
本發明係關於一種管狀流動反應器及一種經發現可在矽烷胺之高產率效率下產生高體積之合成矽烷胺之方法。該反應器具有見於塞流及層流裝置中的特徵之獨特組合。此特性之組合導致矽烷胺之高體積高效率合成。所關注之主要的矽烷胺係三矽烷胺。商業量的二矽烷胺之製造亦係涵蓋於本發明之範疇內。
本發明係關於一種用於合成矽烷胺之管狀層流、塞流氣體反應器，其包括：
(a)界定一氣體入口區的管狀層流反應器之第一部份、界定一反應區的管狀層流反應器之第二部份及界定一分離區的管狀層流反應器之第三部份，該反應區提供一反應物接觸區域；
(b)實質上與該流動反應器之中心縱軸平行設置之一或多個管道，其延伸至該氣體入口區中及終止於該反應區，該一或多個管道將第一反應物氣體之層流導入該反應區中；
(c)位於該一或多個管道上游之一或多個氣體入口管道，其將第二反應物氣體流導入該氣體入口區中，以形成進入該反應區之第二反應物氣體流；
(d)一反應區，其中該第一反應物氣體及該第二反應物氣體彼此接觸而形成反應物流；
(e)一氣體出口，其引導該反應物流自該反應區流入一收集區；
(f)一收集區，其包括一自該反應物流移除反應產物之收集器。
反應器內壓係保持在約一個大氣壓或更低。反應器較佳具有約100托(torr)至約400托的內壓。
本發明亦關於一種在管狀層流、塞流氣體反應器中製備矽烷胺之方法，其包括：
(a)將第一反應物氣體流導入一管反應器之反應區中；
(b)使第二反應物氣體經由一管道進入包含第一反應物氣體之管反應器之反應區中，從而形成層流及塞流反應流，其中該第一反應物氣體與該第二反應物氣體反應以形成矽烷胺；
(c)使包含矽烷胺之反應流進入流動管反應器之收集區中；
(d)自該反應流分離矽烷胺；及
(e)將該反應器保持在約一個大氣壓或更低的壓力下。
反應器內壓較佳保持在約100托至約400托。
完整反應為：
4 NH3
+3 SiH3
X→3 NH4
X+(SiH3
)3
N
據信本發明之矽烷胺係根據以下反應順序製造：
2 NH3
+SiH3
X→NH4
X+SiH3
NH2
2 SiH3
NH2
→NH3
+(SiH3
)2
NH
3(SiH3
)2
NH→NH3
+2(SiH3
)3
N
X=Cl、F、Br、I
本發明係關於一種流動反應器及一種促進適用於矽烷胺之高體積高效率合成的反應條件之方法。所關注之主要的矽烷胺係三矽烷胺。以商業量製造二矽烷胺亦係涵蓋於本發明之範疇內。
反應物係以一使反應條件最優化之方式接觸，藉此避免可造成產物分解之過度的反應條件及形成合成副產物，特別係矽烷及矽氮烷聚合物。舉例而言，管狀反應器在氣態產物(諸如二矽烷胺及三矽烷胺)流出該反應器及收集於實質上不含鹵化銨之冷阱容器中的同時，使反應之鹵化銨產物存留於管中。該合成之鹵化銨副產物在反應條件下係結晶，因此其在位於下游之氣態產物於該反應器中連續向上流動及流出該反應器的同時一般係沈積於該反應器之側壁上或落至該反應器之底部。可水平或垂直設置該等反應器管，且以垂直設置較佳。
在本方法中，反應流一開始係不均勻的，及因該反應係放熱性而隨著反應產物之形成於反應區內逐漸經加熱。起初，在反應物氣體進入該反應區時，初始流動為層狀。反應速度係受控於跨越障礙物擴散之速度，該障礙物係位於在反應區的起點自管道進入之第一反應物與在氣體入口區中自管道進入該反應器之第二反應物之間。隨著反應的進行，產生微粒鹵化銨、氣態矽烷胺及熱量，其組合而導致反應物發生混合。在此反應引起之混合過程期間，反應氣體係沿著反應區的長度以塞流方式而非擾流流動連續移動至單邊收集區。在該反應期間所產生的鹵化銨於其形成時自氣體流落出。位於該反應器下游端或視需要位在將反應器連接至收集容器之管件中的視需要之過濾器在氣體離開反應器反應區時，將所有殘留的精細微粒自該氣體流移除。自產物流移除鹵化銨可消除在收集容器中TSA被鹵化銨之催化降解。隨著混合反應物前進通過該反應區，兩種反應物氣體之濃度降低，藉此避免因一種與其他反應物接觸之反應物大量過量形成而發生有害的副反應。
相對地，在批式反應器中，進入反應器之反應物在分批製程開始時與分批製程結束時將具有相同的濃度。然而，起初裝入該批式反應器中之反應物之濃度會隨著反應的繼續而連續降低。所得反應物之局部化濃度不平衡會引起有害的副反應發生，從而導致低產率及使產物純化更加困難。
參照圖式，於圖1中，存在一經垂直安置且具有一大致管狀組態之流動反應器100。流動反應器可提供連續的生產。反應區110開始於第二管道102之開口104之下游，其係位於流動反應器之入口區109上游及實質上平行於該流動反應器的中心縱軸，及接續至反應區出口106，於該處該等氣體產物經由開口107流入該分離區，繼而流入管111中，之後流入位於冷浴114中之收集容器112中。矽烷胺反應產物113係收集於收集容器112中。反應區110之下游端可視需要包含一用於自該氣流移除微粒(諸如鹵化銨)之過濾器105。視需要之過濾器105可為任何非反應性過濾器介質。可用於本發明中之常見過濾器介質包括(且不限於)玻璃熔塊、金屬熔塊、玻璃棉、氣體滲透膜及類似物。可用於本發明中之一較佳類型的過濾器係GasShieldPOU過濾器，其皆係用於自氣流移除微粒之金屬過濾器。GasShield過濾器係購自Mott Corporation,Farmington,Ct。GasShieldPOU過濾器及類似過濾器將係位於反應器出口107之後及收集容器112之前。非反應性過濾器介質係定義為不與載體氣體、反應物、反應產物(其包括反應之矽烷胺產物)交互反應，從而消耗一部份反應物或矽烷胺產物降低產率及/或引起最終產物被因過濾器介質與載體氣體、反應物或反應產物之間的化學反應所產生之雜質污染的過濾器介質。
圖2闡釋本發明管狀流動反應器之一實施例，其中入口管道101在反應器管之末端108進入入口區。入口管道102係經設置以通過反應器管之上游端108及延伸至反應器管中。管道102之內端係管狀反應器之反應區110開始及入口區109結束之處。管道102係實質上平行於流動反應器之中心縱軸。
通過反應器之氣體之流速將取決於反應器之直徑以及所用入口管道之數量及操作期間反應器之內壓及反應器之長度。對於既定反應器組態之最佳流速可藉由對具有持續增加的流速之一系列合成操作測定理論產率之百分比來決定。兩種反應物氣體皆經由管道進入反應器中。該等管道可經由反應器之側壁或經由底部進入該反應器管。
反應器係在減壓下操作，以確保反應產物(二矽烷胺及三矽烷胺)保持氣態直至收集於冷收集容器中為止。若該反應器及出口管道係經充分加熱，以使該等反應產物(二矽烷胺及三矽烷胺)保持呈氣態直至收集於冷收集容器中為止，則該反應器可在周圍壓力下操作。三矽烷胺之沸點為52攝氏度。
圖3闡述本發明管狀流動反應器之一實施例，其中入口管道301在反應器管之上游端108處進入入口區。入口管道302係經設置以進入及通過管道301通過反應器管108之上游端及延伸至反應器管300中。管道302之內端303係管狀反應器之反應區110開始及入口區109結束之處。管道302係實質上平行於流動反應器之中心縱軸。管道301及302較佳為同心。
圖4闡述管狀流動反應器之一實施例，其中入口管道401係在管反應器400之上游端408處進入入口區。入口管道402 A、B及C係經由反應器之側壁進入反應器中且具有相應的開口404 A、B及C。三個管道出口404 A、B及C亦稱為噴嘴，其係經安置以使反應物出口實質上平行於該流動反應器之中心縱軸。
經由各管道402A、B及C進入之反應物氣體可為相同的反應物氣體或不同的反應物氣體或不同濃度的反應物氣體或不同流速的反應物氣體。反應區410具有開始於管道開口404 A之下游的較寬的直徑。管反應器之較寬直徑可在入口區下游之任何位置處開始。氣態反應產物流動通過反應區410通過視需要之過濾器405，及經由管411流入分離區中。過濾器405自氣流移除在反應期間所形成之微粒鹵化銨。視需要之過濾器405可為任何非反應性過濾器介質。適用於本發明中之常見過濾器介質包括(且不限於)玻璃熔塊、金屬熔塊、玻璃棉、氣體滲透膜及類似物。非反應性過濾器介質係不與載體氣體、反應物或矽烷胺反應產物交互作用，從而消耗一部份反應物或降低矽烷胺產物產率及/或引起最終產物被因過濾器介質與載體氣體、反應物或反應產物之間的化學反應產生的雜質污染之過濾器介質。可將過濾器置於反應器管之下游端或可將其置於出口管道411中反應器之外。可用於本發明中之一較佳類型的過濾器係GasShieldPOU過濾器。
圖5闡述本發明管狀流動反應器之入口部份之一實施例，其中入口管道501經由側壁505進入管狀反應器中。第一反應物係在反應器500之上游端經由管道501輸送至室507中。使室507與其餘反應器分離之壁506中的洞503容許第一反應物進入入口區509。第二管道502具有位於洞503之下游的開口504及係實質上平行於流動反應器之中心縱軸。
反應器管之直徑係基於每小時待製造的產物量而選擇。較大的管可產生更多的產物。反應器管之形狀並不重要。圓柱形反應器較佳且較易於製造及較廉價。可用於本發明之截面管形狀之非限制性實例包括圓形、橢圓形、類橢圓形、正方形及矩形。反應器管可由不與反應物或矽烷胺之合成產物反應之材料製成。反應器材料之非限制性實例為鋼、玻璃、及聚合物(諸如鐵氟龍(Teflon)(四氟乙烯)及Kel-F(聚氯三氟乙烯))。
圖6闡述具有實質上垂直的反應器管之本發明管狀流動反應器之入口部份之一實施例，其進一步包括用於收集微粒鹵化銨607反應產物之固體蓄積器容器606。在形成矽烷胺之反應製程期間，形成鹵化銨。鹵化銨607係結晶且已觀察到其會黏附至反應區之側壁及收集於反應器之底部。儲存器606係直接或經由閘閥605連接至反應器之上游基底(底部)。在用閘閥操作反應器期間，該閘閥可開啟或關閉。鹵化銨607會在操作反應器期間在反應器之底部累積於儲存器606中。鹵化銨累積於儲存器中可使得反應器在各次清潔之間操作更長的時間。在各次操作間自反應器移除所累積的鹵化銨以避免堵塞。
圖7係流經設置用於自氨氣及單鹵矽烷製造矽烷胺之反應器之流程圖。槽701中之氨氣係經由管道703供給至流量控制器705，通過閥707進入反應器711之上游端中。槽702中之單鹵矽烷係經由管道704供給至流量控制器706，通過閥708進入反應器711之上游端。矽烷胺產物於管道716中離開反應器，通過閥715及717進入冷阱收集容器718中。矽烷胺係捕獲於冷阱718中。來自收集容器718之流出物可經由管道719及727排出。視需要而定，收集容器718之流出物可流入收集容器721中。容器721係一溫度保持在低於約-140℃之冷阱。容器718係保持在約20℃至約-110℃的溫度，較佳為約-50℃至約-110℃。壓力計703 A、704A、712、714及728監測整個系統之壓力。管道710係歧管真空管線。管道722、723、727、及724係用於控制反應器中之壓力。在操作之前，用不與試劑反應之氣流(諸如氫氣、氮氣及氦氣或類似物)清洗該系統。清洗氣體可經由氨氣或單鹵矽烷輸入管線或其二者進入該系統。一旦清洗該系統，則降低系統中之壓力及藉由開放閥709、720、725及726控制，直至達到反應器中所需的內壓為止。當反應器在減壓下操作時，管道710係真空管線。一般而言，反應器係在約100托至約400托，較佳約200托至約300托的壓力下操作。若反應器711及出口管道716及717係經充分加熱以使矽烷胺反應產物保持氣態，則可在周圍壓力下操作該反應器。
圖8係在自氨氣及單氯矽烷製造三矽烷胺之合成操作之後管狀反應器之反應區內部之圖。該圖顯示結晶氯化銨沈積在反應區之內壁上。
本發明亦係關於一種在管狀層流塞流氣體反應器中製備矽烷胺之方法，其包括：
(a)將第一反應物氣體流導入管反應器之反應區中；
(b)使第二反應物氣體經由一管道進入包含第一反應物氣體之管反應器之反應區中，從而形成層流塞流反應流，其中該第一反應物氣體與第二反應物氣體反應形成矽烷胺；
(c)使包含矽烷胺之反應流進入收集區中；
(d)自該反應流分離矽烷胺；及
(e)將該反應器保持在約一個大氣壓或更低的壓力下。
該反應器之內壓較佳保持在約100托至約400托。
將氨氣及單鹵矽烷自底部計量至垂直管狀反應器中。氣體係經由不同的管道供給以避免在管道中過早反應。通常使用過量約2莫耳%至約20莫耳%的單鹵矽烷。壓力係保持在約100至約400托之值。若自外部或藉由捕獲反應熱將反應器加熱，則可相應地升高反應器中之壓力。TSA在1大氣壓下之沸點係52℃。當反應器在1大氣壓下操作時，將反應器及出口管件加熱至60℃可足以避免TSA在反應器及出口管件中凝結。此外，在約1大氣壓下操作反應器可使TSA產物存於維持在約0℃至約20℃的收集器容器中。該反應係放熱性，因此反應器壁會隨製程之進行而變熱。該等氣體反應以實質上形成二矽烷胺及三矽烷胺及鹵化銨。廢棄產物鹵化銨係固體，其部份黏附至反應器壁上或落於反應器之底部。二矽烷胺及三矽烷胺經由反應器之頂部排出，隨後移動至一保持於一冷浴-乾冰/異丙醇(IPA)或液氮(LN2)中之收集容器。二矽烷胺、三矽烷胺及過量的單鹵矽烷及任何反應副產物被收集於收集容器中。已發現稍微過量的單鹵矽烷可防止或減少非所欲副產物(諸如較高分子量矽氮烷及矽烷)之形成。一旦置於接收器容器中，則反應中所產生的經凝結的二矽烷胺會轉化成三矽烷胺。此轉化反應在約0℃或約0℃以上的溫度下反應迅速，且據信經由以下進行：
3(SiH3
)2
NH→NH3
+2(SiH3
)3
N
Aylett及Hakim，Inorg. Chem.，1966，5(1)，第167頁，發表在氣態中，在約150℃下3小時，DSA不會轉化成TSA，及在液態中在約0℃下，DSA於72小時後以約80%產率轉化成TSA。
可用於本發明中之單鹵矽烷包括單氟矽烷、單氯矽烷、單溴矽烷及單碘矽烷。以單氯矽烷較佳。
在本發明之一實施例中，氨及單氯矽烷(MCS)係自底部計量至垂直管狀反應器中。該等氣體係經由不同的管道及經由不同的噴嘴供給以避免在輸送管道中過早反應。通常使用稍微過量約2莫耳%至約20莫耳%的MCS。將壓力保持在低於TSA之室溫蒸氣壓(258托＠20℃)的值下，通常為約100托至約200托。該等氣體反應形成二矽烷胺、三矽烷胺及氯化銨。廢棄產物氯化銨係固體，其有效地黏附至反應器壁或落至反應器之底部。二矽烷胺及三矽烷胺經由反應器之頂部排出至維持於一冷浴-乾冰/異丙醇(IPA)或液氮(LN2)中之一收集容器。矽烷胺被收集於接收器容器中。氨與MCS之間的反應係放熱性，及因此反應器壁隨著製程的進行而變熱。已發現稍微化學計量過量的單鹵矽烷對氨可防止或減少非所欲副產物(諸如矽氮烷及矽烷)之形成。較佳地，單鹵矽烷對氨之莫耳比為約1至約1.2。較佳的單鹵矽烷係單氯矽烷。
實例1
將23 gm的氨及87 gm的單氯矽烷(MCS)自底部計量至垂直管狀反應器中。如圖1及7中所述，使氣體經由不同的管線及經由不同的噴嘴進入，以避免在輸送管線中過早反應。以0.38 gm/min的速度將氨供給至反應器中。以1.45 gm/min的速度將單氯矽烷供給至反應器中。此係過量約29莫耳%的MCS。總操作時間為60分鐘。將反應器中之壓力保持在約100至約200托。該等氣體反應形成二矽烷胺、三矽烷胺及氯化銨。該反應係放熱性，因此反應器壁隨著反應的進行而變熱。氣態反應產物經由反應器之頂部排出至一收集容器中。將收集容器保持在產生約-78℃的溫度之冷浴-乾冰/異丙醇(IPA)中。二矽烷胺、三矽烷胺被收集於收集容器中。產率為大於理論值的95%。
圖9係在開始實例1中所述之操作20分鐘之後，於反應器出口與冷阱入口之間的管線中流動之氣體中的產物之層析圖。在約5.5分鐘的滯留時間處可見二矽烷胺之大峰901，在約6.2分鐘的滯留時間處可見三矽烷胺之大幅度減小的峰902。以過量添加至反應器中的單氯矽烷903係於約3.6分鐘的滯留時間處，而來自MCS之雜質矽烷係於約2.9分鐘的滯留時間處。在圖9及10中，時間係於X軸上從左至右增加，及偵測器反應(Y軸)係自下至上增加。
在反應完成之後，使收集容器升溫至約20℃，此耗時85分鐘，及隨後測定第二層析圖，圖10。在圖10之層析圖中，僅可於約5.7分鐘的滯留時間處見到微量的二矽烷胺1001(<0.1%)，可於約6.4分鐘的滯留時間處見到大幅度增加的三矽烷胺之峰1002。以過量添加至反應器中之單氯矽烷1003係於約3.8分鐘的滯留時間處，而來自MCS之雜質矽烷係於約3.1分鐘的滯留時間處。TSA之雙峰的出現係由偵測器飽和所引起的假象。實例1之產率係大於理論值的95%。
圖9及10之層析圖係於以下條件下測定：
管柱：Rtx-1，105米，0.53 mm ID，5微米薄膜。
層析儀：由使用氦氣運載氣體及導熱性之Hewlett-Packard 5890氣體層析儀及Hewlett-Packard 5970質譜儀組成之GC-MS系統。
升溫程式：35℃/5分鐘初始保留時間，升溫速率70℃/分鐘，175℃/10分鐘最終保留時間。
樣品引入：6-出口Valco氣體樣品閥，1 ml試樣環路，樣品壓力50托。
圖9及10之層析圖係以時間從左至右增加及總離子電流自下至上增加而繪製。
實例2
將139 gm的氨及450 gm的單氯矽烷(MCS)自底部計量至垂直管狀反應器中。如圖1及7中所述，該等氣體係經由不同的管線及經由不同的噴嘴供給，以避免在輸送管線中過早反應。以0.93 gm/min的速度將氨供給至反應器中。以3.0 gm/min的速度將單氯矽烷供給至反應器中。此係過量約10.6莫耳%的MCS。總操作時間為150分鐘。反應器中之壓力係保持在約100至約200托。該等氣體反應形成二矽烷胺、三矽烷胺及氯化銨。該反應係放熱性，因此反應器壁隨著製程的進行而變熱。氣態反應產物經由反應器之頂部排出至收集容器中。將收集容器保持於產生約-78℃溫度之冷浴-乾冰/異丙醇(IPA)中。二矽烷胺、三矽烷胺被收集於收集容器中。產率為大於理論值的95%。
實例3
將353 gm的氨及1063 gm的單氯矽烷(MCS)自底部計量至垂直管狀反應器中。如圖1及7中所述，該等氣體係經由不同的管線及經由不同的噴嘴供給，以避免在輸送管線中過早反應。以1.47 gm/min的速度將氨供給至反應器中。以4.43 gm/min的速度將單氯矽烷供給至反應器中。此係過量約2.6莫耳%的MCS。總操作時間為240分鐘。反應器中的壓力係保持在約100至約200托。該等氣體反應形成二矽烷胺、三矽烷胺及氯化銨。該反應係放熱性，因此反應器壁隨著製程的進行而變熱。氣態反應產物經由反應器之頂部排出至收集容器中。將收集容器保持於產生約-78℃溫度之冷浴-乾冰/異丙醇(IPA)中。二矽烷胺、三矽烷胺被收集於收集容器中。產率為大於理論值的95%。
本發明之闡釋性及較佳實施例之描述並未意欲限制本發明之範疇。可在不偏離隨附申請專利範圍之真實主旨及範疇下，使用不同的變體、替代結構及等效物。
100．．．流動反應器
101．．．入口管道
102．．．第二管道
104．．．第二管道102之開口
105．．．過濾器
106．．．反應區出口
107．．．反應器出口
108．．．反應器管之上游端
109．．．流動反應器之入口區
110．．．反應區
111．．．管
112．．．收集容器
113．．．矽烷胺反應產物
114．．．冷浴
300．．．反應器管
301．．．入口管道
302．．．入口管道
303．．．管道302之內端
400．．．管反應器
401．．．入口管道
402A．．．入口管道
402B．．．入口管道
402C．．．入口管道
404A．．．管道開口
404B．．．管道開口
404C．．．管道開口
405．．．過濾器
408．．．管反應器之上游端
410．．．反應區
411．．．出口管道
500．．．反應器
501．．．入口管道
502．．．第二管道
503．．．洞
504．．．開口
505．．．側壁
506．．．壁
507．．．室
509．．．入口區
605．．．閘閥
606．．．儲存器
607．．．鹵化銨
701．．．槽
702．．．槽
703．．．管道
703A．．．壓力計
704．．．管道
704A．．．壓力計
705．．．流量控制器
706．．．流量控制器
707．．．閥
708．．．閥
709．．．開放閥
710．．．管道
711．．．反應器
712．．．壓力計
714．．．壓力計
715．．．閥
716．．．出口管道
717．．．閥
718．．．冷阱收集容器
719．．．管道
720．．．開放閥
721．．．收集容器
722．．．管道
723．．．管道
724．．．管道
725．．．開放閥
726．．．開放閥
727．．．管道
728．．．壓力計
901．．．二矽烷胺之峰
902．．．三矽烷胺之峰
903．．．單氯矽烷之峰
1001．．．二矽烷胺
1002．．．三矽烷胺之峰
1003．．．單氯矽烷
本發明之特定實施例係參照以下圖式闡述於上。
圖1係管狀反應器及收集容器之截面圖。
圖2係氣體入口區及反應區之截面圖。
圖3係氣體入口區及反應區之截面圖。
圖4係具有多個氣體入口管道之管狀反應器之截面圖。
圖5係具有多個氣體入口管道之氣體入口區及反應區之截面圖。
圖6係固體蓄積器、負載鎖閘閥、入口區及反應區之圖。
圖7係本發明之流動反應器之簡化示意圖。
圖8係在操作該製程之後反應區之內部圖。
圖9係在容器溫度為約-78℃時自收集容器取出的本發明之反應產物之氣體層析圖。
圖10係在使容器溫度升溫至約20℃時自收集容器取出的本發明之反應產物之氣體層析圖。
100．．．流動反應器
101．．．入口管道
102．．．第二管道
104．．．第二管道102之開口
105．．．過濾器
106．．．反應區出口
107．．．反應器出口
108．．．反應器管之上游端
109．．．流動反應器之入口區
110．．．反應區
111．．．管
112．．．收集容器
113．．．矽烷胺反應產物
114．．．冷浴
Claims (42)
- 一種用於合成矽烷胺之管狀層流塞流氣體反應器，其包括：(a)界定一氣體入口區的管狀層流反應器之第一部份、界定一反應區的管狀層流反應器之第二部份及界定一分離區的反應器之第三部份，該反應區提供一反應物接觸區域；(b)與該管狀層流反應器之中心縱軸平行設置，延伸至該氣體入口區中及終止於該反應區之一或多個第一管道，該一或多個管道將第一反應物氣體之層流導入該反應區中；(c)位於該一或多個第一管道上游之一或多個第二氣體入口管道，其將第二反應物氣體流導入該氣體入口區，以形成進入該反應區之第二反應物氣體流；(d)該反應區，其中該第一反應物氣體及該第二反應物氣體彼此接觸，而形成反應物流；(e)位於該反應區之下游端的過濾器；(f)一氣體出口，其引導該反應物流自該反應區流入一第一收集區；(g)該第一收集區，其包括一自該反應物流移除反應產物之第一收集器。
- 如請求項1之反應器，其中該反應區係圓柱形。
- 如請求項1之反應器，其進一步包括一用於自第一收集器之流出液流移除產物之第二收集區。
- 如請求項1之反應器，其中該第一反應物氣體係氨氣及該第二反應物氣體係單鹵矽烷。
- 如請求項1之反應器，其中該第一反應物氣體係單鹵矽烷及該第二反應物氣體係氨氣。
- 如請求項4之反應器，其中該單鹵矽烷係選自由單氟矽烷、單氯矽烷、單溴矽烷及單碘矽烷組成之群。
- 如請求項6之反應器，其中該單鹵矽烷係單氯矽烷。
- 如請求項1之反應器，其中該矽烷胺係二矽烷胺及三矽烷胺。
- 如請求項1之反應器，其中該管狀層流反應器係相對於水平以約0度至約90度之角度設置。
- 如請求項9之反應器，其中該管狀層流反應器係相對於水平以約85度至約90度之角度設置。
- 如請求項9之反應器，其中該管狀層流反應器係垂直設置。
- 如請求項1之反應器，其進一步包括一位於該氣體入口區上游之負載鎖閘閥。
- 如請求項12之反應器，其進一步包括一位於該負載鎖閘閥上游之固體蓄積器。
- 如請求項1之反應器，其中該內壓係保持在約100托至約400托。
- 如請求項1之反應器，其中該第一收集器係一用於自該反應物流移除矽烷胺之具有約20℃至約-110℃溫度之冷凝阱。
- 如請求項1之反應器，其中該第一收集器係一用於自該反應物流移除矽烷胺之具有約-50℃至約-110℃溫度之冷凝阱。
- 如請求項1之反應器，其中該反應器係經加熱。
- 如請求項3之反應器，其中該第二收集區係一用於自該第一收集器之流出液流冷凝廢棄產物且具有低於約-140℃溫度之冷凝阱。
- 如請求項1之反應器，其中該反應區係經玻璃襯裡。
- 如請求項1之反應器，其中該反應區係經非黏性材料襯裡。
- 如請求項20之反應器，其中該非黏性材料係含氟聚合物。
- 如請求項1之反應器，其中該一第一及一第二管道包括同心管，其中該第二反應物氣體係係於外部同心管中流動及該第一反應物氣體係於中心管中流動。
- 如請求項1之反應器，其中複數個第一管道沿著該管狀層流反應器之中心縱軸設置，延伸至該反應器中及終止於該反應區，其中該等管道各係依次位於各連續管道之下游，該複數個管道各將第一反應物氣體流導入該反應區。
- 如請求項22之反應器，其中該第一反應物氣體係於該外部管中流動及該第二反應物氣體係於該同心管之中心管中流動。
- 一種用於合成三矽烷胺之管狀層流塞流氣體反應器，其 包括：(a)界定一氣體入口區的管狀層流反應器之第一部份、界定一反應區的管狀層流反應器之第二部份及界定一分離區的反應器之第三部份，該反應區提供一反應物接觸區域；(b)平行於該管狀層流反應器之中心縱軸設置，延伸至該氣體入口區及終止於該反應區之一或多個管道，該一或多個管道將第一反應物氣體之層流導入該反應區中；(c)位於該一或多個管道上游之一或多個氣體入口管道，其將第二反應物氣體流導入該氣體入口區中以形成進入該反應區之第二反應物氣體流；(d)該反應區，其中該第一反應物氣體及該第二反應物氣體彼此接觸而形成反應物流；(e)位於該反應區之下游端的過濾器；(f)一氣體出口，其引導該反應物流自該反應區流入一第一收集區；(g)該第一收集區，其包括一自該反應物流移除反應產物之第一收集器；及其中該反應器內壓係保持在低於一大氣壓，及該第一反應物氣體係氨氣及該第二反應物氣體係單氯矽烷。
- 如請求項25之反應器，其中複數個第一管道沿著該管狀層流反應器之中心縱軸設置，延伸至該反應器中及終止於該反應區，其中各管道係依次位於各連續管道之下游，該複數個管道將第一反應物氣體流導入該反應區 中。
- 如請求項25之反應器，其進一步包括一位於該氣體入口區上游之負載鎖閘閥。
- 如請求項27之反應器，其進一步包括一位於該負載鎖閘閥上游之固體蓄積器。
- 如請求項25之反應器，其中該內壓係保持在約100托至約400托。
- 如請求項25之反應器，其中該收集器係一用於自該反應物流移除矽烷胺且具有20℃至約-110℃溫度之冷凝阱。
- 如請求項25之反應器，其中該收集器係一用於自該反應物流移除矽烷胺且具有-50℃至約-110℃溫度之冷凝阱。
- 如請求項25之反應器，其中該反應器係經加熱。
- 如請求項25之反應器，其中該反應區係圓柱形。
- 如請求項25之反應器，其進一步包括一用於自該第一收集器之流出液流移除廢棄產物之第二收集器。
- 如請求項34之反應器，其中該第二收集器係一用於冷凝矽烷且具有低於約-140℃溫度之冷凝阱。
- 如請求項25之反應器，其中該反應區係經玻璃襯裡。
- 如請求項25之反應器，其中該反應區係經非黏性材料襯裡。
- 一種在管狀層流塞流氣體反應器中製備矽烷胺之方法，其包括：(a)將第一反應物氣體流導入管反應器之反應區中；(b)使第二反應物氣體經由一管道進入包含該第一反應 物氣體之管反應器之反應區中，從而形成層流塞流反應流，其中該第一反應物氣體與該第二反應物氣體反應形成矽烷胺；(c)使包含矽烷胺之反應流通過過濾器進入流動管反應器之收集區中；(d)自該反應流分離矽烷胺；及其中該反應器係保持在一大氣壓或更低的壓力下。
- 如請求項38之方法，其中儲存自該反應流分離之矽烷胺以完成轉化為三矽烷胺。
- 如請求項38之方法，其中該反應區壓力係約100托至約400托。
- 如請求項38之方法，其中該反應區壓力係約100托至約300托。
- 如請求項38之方法，其中單氯矽烷對氨氣之莫耳比係約1至約1.2。
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