[发明专利]一种合成高纯砷烷的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子气体合成纯化技术领域，具体涉及一种合成高纯砷烷的方法。

背景技术

电子气体是超大规模集成电路、平面显示器件、化合物半导体器件、太阳能电池、光纤等电子工业生产不可缺少的原材料，它们广泛应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。例如在目前工艺技术较为先进的超大规模集成电路工厂的晶圆片制造过程中，全部工艺步骤超过450道，其中大约要使用50种不同种类的电子气体。砷烷是电子气体中的很重要的五族元素之一，AsH3是一种重要的电子特气，它在半导体工业中主要用于外延硅的N型掺杂、硅中的N型扩散、离子注入、生长砷化镓(GaAs)和磷砷化镓(GaAsP)，以及与IIIA/VA族元素形成半导体化合物等。此外，AsH3在光电子、太阳能电池和微波装置中也有极为重要的应用。

AsH3不能通过单质简单地合成，但在催化剂存在下或等离子体照射下可得到AsH3。通常使用某些金属砷化物与水或酸反应来制备AsH3，该反应快速而且完全，产物中完全不含H2，但AsH3收率通常低于90％

目前国际先进水平制备所得的砷烷纯度为6.0N，而我国的特种气体之一-砷烷的纯度由于技术原因只能生产纯度在3N～4N标准的特种气体，而在许多重要领域，比如：国家战备武器研究和神州五号运载火箭上的控制系统的电子原器件的制造，以及卫星上使用的太阳能电池的制造等方面所急需的6N标准的气体全部依靠进口；目前世界上只有美国、俄罗斯等发达国家才能生产，美国的SOLKATRONIC公司经销该种气体，我国进口该种气体常常因国际形势紧张和变化而受到阻碍，因此我国急需的高纯气体材料的国产化问题直接制约了上述相关领域的发展。

发明内容

目前所知达到5N-6N的砷烷的有害杂质主要有：氧、水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷....等，从目前砷烷的粗产品的分析数据看，其中主要有害杂质为甲烷。

本发明的目的是为了解决我国目前的制备工艺生产的砷烷纯度不能达到国际水平5N(99.999％)、6N(99.9999％)的缺点，公开了一种新的合成高纯砷烷的方法。

为达到上述解决现有技术缺点的发明目的，本发明采用了下述的技术方案：

1、一种合成高纯砷烷的方法，包括下述步骤：

(1)、粗制砷烷的合成过程：先用砷粉和锌粉制成砷化锌，再与稀硫酸反应得到粗制砷烷，反应式如下：

2A_S+3Zn→As₂Zn₃

A_S2Zn₃+3H₂SO₄→3ZnSO₄+2AsH₃↑；

(2)、高纯砷烷的纯化过程：将步骤(1)中制得的粗制砷烷先用液氮冷阱低温真空分离后的挥发砷烷用分子筛进行吸附干燥，最后采用镓-铟合金液体深吸附脱水、氧，得到高纯砷烷即5N、6N的砷烷。

上述技术方案中所述的合成高纯砷烷的方法，其中，所述步骤(1)中砷粉和锌粉制成砷化锌是指，将砷粉和锌粉充分搅匀后置于抽真空后的反应器中，再充入高纯惰性气体至常压，然后加热至400～450℃，在400～450℃下反应，生成砷化锌；本步骤中合成砷化锌时反应器中充入的高纯惰性气体为氩气或氮气，加热方式为电加热。

上述技术方案中所述的合成高纯砷烷的方法，其中，所述步骤(1)中砷化锌与稀硫酸反应得到粗制砷烷的过程为，将砷化锌置于抽真空后充氮气保护的砷烷反应器中，再将配好的稀硫酸置于贮酸罐中，然后逐步向砷烷反应器中加入稀硫酸，搅拌，使砷化锌与稀硫酸反应完全，制得粗制砷烷。

上述技术方案中所述的合成高纯砷烷的方法，其中，步骤(2)中的液氮冷阱低温真空分离是指在步骤(1)反应结束后用液氮冷阱捕集粗制砷烷气，将冷阱中的不凝气用真空泵抽去，然后取下冷阱外面的液氮罐，将砷烷挥发，得到挥发砷烷。

上述技术方案中所述的合成高纯砷烷的方法，其中，所述的镓-铟合金中还添加有金属铝屑或者铝片；铝粉易氧化因此在本发明中采用了铝屑或铝片，添加了铝屑或者铝片的镓-铟合金对砷烷、磷烷等多种特气中有害痕量杂质氧、水和二氧化碳等具有强烈的“吸附”，而对主体的砷烷等多种特气无任何化学反应。

由于采用了上述的技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述的方法能深度脱除氧、水和二氧化碳等电子材料中有害杂质，一般可以达到0.01～0.1ppm以下。