高純三氯化硼-11的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高純三氯化硼-11的制備方法，屬于硼化合物的制備方法領域，包括原料預處理、氯化鋁和三氟化硼-11反應合成三氯化硼-11、過濾、初步分離、精餾提純、高純三氯化硼-11產(chǎn)品收集、尾氣處理等步驟。本發(fā)明制備的高純三氯化硼-11純度高，可達到99.9999%以上，能夠滿足超大規(guī)模集成電路半導體器件制程的要求，有效提高集成電路的抗干擾和抗輻射性能，并可用作制造高純單質硼-11同位素材料、特殊硼纖維材料及光導纖維等材料的原料。
【專利說明】高純三氯化硼-11的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于硼鹵化物的制備方法，具體涉及一種高純三氯化硼-1i的制備方法?！颈尘凹夹g】
[0002]三氯化硼作為一種特殊硼化合物，廣泛應用于超大規(guī)模集成電路半導體器件制造、有機合成、元素硼制造、硼纖維制造及其它有機硼化合物的合成。市面上出售的三氯化硼中的硼元素為天然硼，天然硼由兩種穩(wěn)定同位素kiB和11B組成，其中kiB豐度為19.78%，11B 豐度為 80.22%。
[0003]kiB具有極強的吸中子能力，被用在核反應堆中作中子減速劑，起到控制反應堆運行的功能。而11B恰好相反，幾乎不吸收中子，因此被用于半導體器件制造過程的硼摻雜劑，能夠有效提高半導體器件的導電性能和抗輻射抗干擾性能。天然硼化合物作為半導體器件制程摻雜源使用時都需要經(jīng)過分離器分離出11B組分，然后進行摻雜，但由于天然硼含有19.78%的kiB同位素，因而不可避免會引入kiB —起進行摻雜，其結果是在某些特定環(huán)境會對半導器件性能造成致命的影響，輕則影響電子設備運行速度，重則導致死機甚至毀機。
[0004]隨著集成電路集成度越來越高，以及諸多特殊應用領域如航空航天、宇宙探測器、現(xiàn)代軍事、超級計算機、云計算、高速列車、通信、網(wǎng)絡等等對電子設備運行速度、穩(wěn)定性、可靠性、安全性要求的不斷提高，對制造相關設施的核心器件-半導體器件性能要求也越來越高，某些關鍵半導體制程相關材料已不僅僅局限于一般意義上的純度要求，而是上升到同位素純度概念，常規(guī)的天然材料已不能滿足技術進步的要求。天然三氯化硼的硼元素由于含有19.78%的、，在新 一代半導體器件制程中的應用將會遇到瓶頸。因此研究開發(fā)高豐度11B的高純三氯化硼-11是未來硼系半導體材料的必然選擇之一。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明為解決上述問題，提供了一種高純三氯化硼-11的制備方法。
[0006]本發(fā)明所采取的技術方案是:
一種高純三氯化硼-11的制備方法，包括以下步驟:
(i )預處理
將加料器中的氯化鋁通過料斗加入到反應器中，測漏合格后加熱反應器到900C ^lOO0C,向反應器中通入高純氮氣進行置換其中的空氣，直到排出的氮氣的含水量小于Ippm為止；
(ii)氯化鋁和三氟化硼-11反應合成三氯化硼-11
將原料儲罐中的高豐度三氟化硼-11通入反應器中與預處理的氯化鋁反應，反應溫度為10(T30(TC，反應壓力為0.05^2.0MPa,反應后得到三氯化硼-11粗品，三氯化硼-11粗品中包括未反應的三氟化硼-11以及氟化氫、氯化氫、空氣雜質和夾帶的氯化鋁和氟化鋁顆粒;
反應式如下:AICViiBF3 — nBCl3+AlF3 ；
(iii)過濾
將生成的三氯化硼-11粗品由反應器導出，經(jīng)過濾器過濾掉氯化鋁和氟化鋁顆粒；
(iv)初步分離
將步驟(iii)中經(jīng)過濾后的三氯化硼-11粗品導入精餾塔進行初步分離，控制塔頂冷凝器溫度在_90°C，三氯化硼-11與氯化氫雜質、氟化氫雜質被冷凝收集在塔釜里，未反應的高豐度三氟化硼-11通過回路中的循環(huán)增壓泵導回原料加料端繼續(xù)使用；
(V)精餾提純
控制精餾塔塔釜溫度在15~50°C，塔頂冷凝器的溫度在-8(T0°C，精餾塔操作壓力為0.05^2.0MPa，將已收集到塔釜的三氯化硼-11進行精餾提純，去除微量三氟化硼_11、空氣、氯化氫、氟化氫雜質，得到高純三氯化硼-11產(chǎn)品；
(vi)高純三氯化硼-11收集
去精餾提純后的高純三氯化硼-11通過塔頂產(chǎn)品出口導入到產(chǎn)品收集罐中收集；
(vii)尾氣處理
將精餾提純排出尾氣通過尾氣處理裝置中的堿石灰、活性炭吸收處理，精餾提純排出尾氣包括三氟化硼-11、氟化氫、氯化氫，處理達標后方可排放。
[0007]步驟(ii)中所用的高豐度三氟化硼-11中硼-11的豐度在99%以上。
[0008]高豐度三氟化硼-11是由天然三氟化硼-乙醚絡合物、三氟化硼-甲醚絡合物或三氟化硼-苯甲醚絡合物之一種為原料，通過化學交換精餾方法富集獲得。
[0009]精餾塔的精餾柱中填高效不銹鋼填料Θ環(huán)填料。
[0010]本發(fā)明制備的高純三氯化硼-11純度高，可達到99.9999%以上，能夠滿足超大規(guī)模集成電路半導體器件制程的要求，可有效提高集成電路的抗干擾和抗輻射性能，并可用作制造高純單質硼-11同位素材料、特殊硼纖維材料及光導纖維等材料的原料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
[0012]其中:
I原料儲罐2循環(huán)增壓泵
3加料器4反應器
5過濾器6精餾塔
7產(chǎn)品收集罐8尾氣處理裝置。
【具體實施方式】
[0013]以下參照附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0014]一種高純三氯化硼-11的制備方法，包括以下步驟:
(i )預處理
將加料器3中的氯化鋁通過料斗加入到反應器4中，測漏合格后加熱反應器4到900C~100°C，向反應器4中通入高純氮氣進行置換其中的空氣，直到排出的氮氣的含水量小于Ippm為止；(ii)氯化鋁和三氟化硼-11反應合成三氯化硼-11
將原料儲罐I中的高豐度三氟化硼-11通入反應器4中與預處理的氯化鋁反應，反應溫度為10(T300°C，反應壓力為0.05^2.0MPa,反應后得到三氯化硼-11粗品，三氯化硼_11粗品中包括未反應的三氟化硼-11以及氟化氫、氯化氫、空氣雜質和夾帶的氯化鋁和氟化招顆粒；
反應式如下:
AICViiBF3 — nBCl3+AlF3 ；
(iii)過濾
將生成的三氯化硼-11粗品由反應器4導出，經(jīng)過濾器5過濾掉氯化鋁和氟化鋁顆粒；
(iv)初步分離
將步驟(iii)中經(jīng)過濾后的三氯化硼-11粗品導入精餾塔6進行初步分離，控制塔頂冷凝器溫度在-90°C，三氯化硼-11與氯化氫雜質、氟化氫雜質被冷凝收集在塔釜里，未反應的三氟化硼-11通 過回路中的循環(huán)增壓泵2導回原料加料端繼續(xù)使用；
(V)精餾提純
控制精餾塔6塔釜溫度在15~50°C，塔頂冷凝器的溫度在-8(T0°C，精餾塔操作壓力為
0.05^2.0MPa，將已收集到塔釜的三氯化硼-11進行精餾提純，去除微量三氟化硼_11、空氣、氯化氫、氟化氫等雜質，得到高純三氯化硼-11產(chǎn)品；
(vi)高純三氯化硼-11收集
去精餾提純后的高純三氯化硼-11通過塔頂產(chǎn)品出口導入到產(chǎn)品收集罐7中收集；
(vii)尾氣處理
將精餾提純排出尾氣通過尾氣處理裝置8中的堿石灰、活性炭吸收處理，精餾提純排出尾氣包括三氟化硼-11、氟化氫、氯化氫等，處理達標后方可排放。
[0015]氟化鋁殘渣從反應器4的下部排出，去固廢處理。
[0016]步驟(ii)中所用的高豐度三氟化硼-11中硼-11的豐度在99%以上。
[0017]實施例1 (i )預處理
將加料器3中的氯化鋁通過料斗加入到反應器4中，測漏合格后加熱反應器4到90°C，向反應器4中通入高純氮氣進行置換空氣，直到排出的氮氣的含水量小于Ippm為止；
(ii)氯化鋁和三氟化硼-11反應合成三氯化硼-11
將原料儲罐I中的高豐度三氟化硼-11通入反應器4中與預處理的氯化鋁反應，反應溫度為100°C，反應壓力為0.05MPa,反應后得到三氯化硼-11粗品，三氯化硼-11粗品中包括未反應的三氟化硼-11以及氟化氫、氯化氫、空氣雜質和夾帶的氯化鋁和氟化鋁顆粒；
(iii)過濾
將生成的三氯化硼-11粗品由反應器4導出，經(jīng)過濾器5過濾掉氯化鋁和氟化鋁顆粒；
(iv)初步分離
將步驟(iii)中經(jīng)過濾后的三氯化硼-11粗品導入精餾塔6進行初步分離，控制塔頂冷凝器溫度在-90°C，三氯化硼-11與氯化氫雜質、氟化氫雜質被冷凝收集在塔釜里，未反應的三氟化硼-11與少量空氣通過回路中的循環(huán)增壓泵2導回原料加料端繼續(xù)使用；
(V)精餾提純控制精餾塔6塔釜溫度在15 °C，塔頂冷凝器的溫度在_80°C，精餾塔操作壓力為
0.05MPa，將已收集到塔釜的三氯化硼-11進行精餾提純，去除微量三氟化硼_11、空氣、氯化氫、氟化氫等雜質，得到高純三氯化硼-11產(chǎn)品；
(vi)高純三氯化硼-11收集
去精餾提純后的高純三氯化硼-11通過塔頂產(chǎn)品出口導入到產(chǎn)品收集罐7中收集；
(vii)尾氣處理
將精餾提純排出尾氣通過尾氣處理裝置8中的堿石灰、活性炭吸收處理，精餾提純排出尾氣包括三氟化硼-11、氟化氫、氯化氫等，處理達標后方可排放。
[0018]實際消耗高豐度三氟化硼-11原料5公斤，得到99.999%高純三氯化硼-11產(chǎn)品
7.8公斤，按高豐度三氟化硼-11計收率90%。
[0019]實施例2 (i )預處理
將加料器3中的氯化鋁通過料斗加入到反應器4中，測漏合格后加熱反應器4到95°C，向反應器4中通入高純氮氣進行置換空氣，直到排出的氮氣的含水量小于Ippm為止；
(ii)氯化鋁和三氟化硼-11反應合成三氯化硼-11
將原料儲罐I中的高豐度三氟化硼-11通入反應器4中與預處理的氯化鋁反應，反應溫度為150°C，反應壓力為0.5MPa，反應后得到三氯化硼-11粗品，三氯化硼-11粗品中包括未反應的三氟化硼-11以及氟化氫、氯化氫、空氣雜質和夾帶的氯化鋁和氟化鋁顆粒；反應式如下:
AICViiBF3 — nBCl3+AlF3 ；
(iii)過濾
將生成的三氯化硼-11粗品由反應器4導出，經(jīng)過濾器5過濾掉氯化鋁和氟化鋁顆粒；
(iv)初步分離
將步驟(iii)中經(jīng)過濾后的三氯化硼-11粗品導入精餾塔6進行初步分離，控制塔頂冷凝器溫度在-90°C，三氯化硼-11與氯化氫雜質、氟化氫雜質被冷凝收集在塔釜里，未反應的三氟化硼-11與少量空氣通過回路中的循環(huán)增壓泵2導回原料加料端繼續(xù)使用；
(V)精餾提純
控制精餾塔6塔釜溫度在30 °C，塔頂冷凝器的溫度在-40 °C，精餾塔操作壓力為
1.0MPa，將已收集到塔釜的三氯化硼-11進行精餾提純，去除微量三氟化硼-11、空氣、氯化氫、氟化氫等雜質，得到高純三氯化硼-11產(chǎn)品；
(vi)高純三氯化硼-11收集
去精餾提純后的高純三氯化硼-11通過塔頂產(chǎn)品出口導入到產(chǎn)品收集罐7中收集；
(vii)尾氣處理
將精餾提純排出尾氣通過尾氣處理裝置8中的堿石灰、活性炭吸收處理，精餾提純排出尾氣包括三氟化硼-11、氟化氫、氯化氫等，處理達標后方可排放。
[0020]實際消耗高豐度三氟化硼-11原料5公斤，得到99.999%高純三氯化硼-11產(chǎn)品
8.2公斤，按高豐度三氟化硼-11計收率95%。
[0021]實施例3 (i )預處理將加料器3中的氯化鋁通過料斗加入到反應器4中，測漏合格后加熱反應器4到IOO0C,向反應器4中通入高純氮氣進行置換空氣，直到排出的氮氣的含水量小于Ippm為止;
(ii)氯化鋁和三氟化硼-11反應合成三氯化硼-11
將原料儲罐I中的高豐度三氟化硼-11通入反應器4中與預處理的氯化鋁反應，反應溫度為300°C，反應壓力為2.0MPa,反應后得到三氯化硼-11粗品，三氯化硼-11粗品中包括未反應的三氟化硼-11以及氟化氫、氯化氫、空氣雜質和夾帶的氯化鋁和氟化鋁顆粒；反應式如下:
AICViiBF3 — nBCl3+AlF3 ；
(iii)過濾
將生成的三氯化硼-11粗品由反應器4導出，經(jīng)過濾器5過濾掉氯化鋁和氟化鋁顆粒；
(iv)初步分離
將步驟(iii)中經(jīng)過濾后的三氯化硼-11粗品導入精餾塔6進行初步分離，控制塔頂冷凝器溫度在-90°C，三氯化硼-11與氯化氫雜質、氟化氫雜質被冷凝收集在塔釜里，未反應的三氟化硼-11通過回路中的循環(huán)增壓泵2導回原料加料端繼續(xù)使用；
(V)精餾提純
控制精餾塔6塔釜溫度在50°C，塔頂冷凝器的溫度在0°C，精餾塔操作壓力為2.0MPa,將已收集到塔釜的三氯化硼-11進行精餾提純，去除微量三氟化硼-11、空氣、氯化氫、氟化氫等雜質，得到高純三氯化硼-11產(chǎn)品；
(vi)高純三氯化硼-11收集
去精餾提純后的高純三氯化硼-11通過塔頂產(chǎn)品出口導入到產(chǎn)品收集罐7中收集；
(vii)尾氣處理
將精餾提純排出尾氣通過尾氣處理裝置8中的堿石灰、活性炭吸收處理，精餾提純排出尾氣包括三氟化硼-11、氟化氫、氯化氫等，處理達標后方可排放。
[0022]實際消耗高豐度三氟化硼-11原料5公斤，得到99.999%高純三氯化硼-11產(chǎn)品
8.0公斤，按高豐度三氟化硼-11計收率93%。
[0023]本發(fā)明制備的高純三氯化硼-11純度高，可達到99.9999%以上，能夠滿足超大規(guī)模集成電路半導體器件制程的要求，可有效提高集成電路的抗干擾和抗輻射性能，并可用作制造高純單質硼-11同位素材料、特殊硼纖維材料及光導纖維等材料的原料。
[0024]雖然結合特定的實施方式對本發(fā)明進行了說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發(fā)明可以做出許多修改和變型。因此，要認識到權利要求書的意圖在于涵蓋在本發(fā)明真正構思和范圍內的所有這些修改和變型。
【權利要求】
1.一種高純三氯化硼-11的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (i )預處理 將加料器(3)中的氯化鋁通過料斗加入到反應器(4)中，測漏合格后加熱反應器(4)到900C ^lOO0C,向反應器(4)中通入高純氮氣進行置換其中的空氣，直到排出的氮氣的含水量小于Ippm為止； (ii)氯化鋁和三氟化硼-11反應合成三氯化硼-11 將原料儲罐(I)中的高豐度三氟化硼-11通入反應器(4)中與預處理的氯化鋁反應，反應溫度為10(T30(TC，反應壓力為0.05^2.0MPa,反應后得到三氯化硼-11粗品，三氯化硼-11粗品中包括未反應的三氟化硼-11以及氟化氫、氯化氫、空氣雜質和夾帶的氯化鋁和氣化招顆粒； 反應式如下:
AICViiBF3 — nBCl3+AlF3 ； (iii)過濾 將生成的三氯化硼-11粗品由反應器(4)導出，經(jīng)過濾器(5)過濾掉氯化鋁和氟化鋁顆粒; (iv)初步分離 將步驟(iii)中經(jīng)過濾后的三氯化硼-11粗品導入精餾塔(6)進行初步分離，控制塔頂冷凝器溫度在-90°C，三氯化硼-11與氯化氫雜質、氟化氫雜質被冷凝收集在塔釜里，未反應的高豐度三氟化硼-11通過回路中的循環(huán)增壓泵(2)導回原料加料端繼續(xù)使用； (V)精餾提純 控制精餾塔(6)塔釜溫度在15~50°C，塔頂冷凝器的溫度在-8(T0°C，精餾塔操作壓力為0.05^2.0MPa,將已收集到塔釜的三氯化硼-1I進行精餾提純，去除微量三氟化硼_11、空氣、氯化氫、氟化氫雜質，得到高純三氯化硼-11產(chǎn)品； (vi)高純三氯化硼-11收集 去精餾提純后的高純三氯化硼-11通過塔頂產(chǎn)品出口導入到產(chǎn)品收集罐(7)中收集； (vii)尾氣處理 將精餾提純排出尾氣通過尾氣處理裝置(8)中的堿石灰、活性炭吸收處理，精餾提純排出尾氣包括三氟化硼-11、氟化氫、氯化氫，處理達標后方可排放。
2.根據(jù)權利要求1所述的高純三氯化硼-11的制備方法，其特征在于:步驟(ii)中所用的高豐度三氟化硼-11中硼-11的豐度在99%以上。
【文檔編號】C01B35/06GK103950947SQ201410212121
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權日:2014年5月20日
【發(fā)明者】方治文 申請人:方治文