[发明专利]一种高纯四氟化硅的合成及纯化方法

说明书

本发明提出一种高纯四氟化硅的合成及纯化方法。一种高纯四氟化硅的合成及纯化方法，包括以下步骤：氟硅酸盐的预处理；氟硅酸盐经裂解反应制备四氟化硅粗料；在第一吸附工段脱除痕量水分及酸性气体；在第二吸附工段对氟硅醚进行脱除与阻聚控制；在精馏工段对轻组分和重组分进行分离；通过复杂精馏工段对恒沸物杂质进行分离。本发明提出的高纯四氟化硅的合成及纯化方法，其将加热裂解、吸附单元操作、精馏和复杂精馏科学组合，通过采用吸附单元脱除氟硅醚，通过常规精馏单元操作后增加复杂精馏工艺去除恒沸物。

技术领域

本发明涉及化工、分离工程及电子特种气体领域，且特别涉及一种高纯四氟化硅的合成及纯化方法。

背景技术

四氟化硅（SiF₄）在四卤代硅烷族化合物中具有最高的硅原子比例（约27%），稳定的Si-F化学键能（541.0 kJ/mol），以及不易燃、不易爆的特点。在新一代芯片制程的高深宽、大容量硅/氧化硅和金属层间绝缘层加工工艺中，四氟化硅显示出了独特的物理化学性质。四氟化硅与N₂O、O₂、SiH₄和H₂等气体配合使用可以达到300-500 nm/min的化学沉积速率，在有限时间内获得宽厚的SiO₂绝缘层。此外，四氟化硅也可以作为碳化硅、氮化硅等多种外延沉淀扩散硅源，光导纤维制作高纯石英玻璃的主体原料，光纤行业中硅基半导体离子注入制程的关键成分。

1771年Scheele等人首次成功合成出四氟化硅，具体是通过氢氟酸与二氧化硅的反应得到的，反应方程式为：SiO₂ + 4 HF = SiF₄ + 2 H₂O。然而，二氧化硅化学性质稳定、Si-O键能大，需要大量氟化氢，反应温度往往较高，该方法由于氟化氢成本较高，逐渐被淘汰。

目前广泛应用的四氟化硅制备方法为二氧化硅萤石硫酸法，反应方程式为：2CaF₂+ 2H₂SO₄ + SiO₂ = 2CaSO₄ + SiF₄ + 2H₂O。这种方法的特点是原料来源易得、成本低、适合大规模生产，但是主要面临的问题是生成物有水产生，水会与四氟化硅反应生成氟硅醚杂质，反应方程式为：2SiF₄ + H₂O = (SiF₃)₂O + 2HF。这种氟硅醚杂质类似凝胶性质，很容易絮凝与四氟化硅继续二次生长形成聚氟硅醚-(SiF₂O)n-，容易使管件堵塞，威胁了生产的安全和稳定。另一方面，原料萤石杂质较多，反应裂解控制难度大，产生的四氟化硅粗料中成分非常复杂。

另一种四氟化硅的制备方法为裂解技术：将Na₂SiF₆在高温热裂解，产生四氟化硅和氟化钠。反应方程式为：Na₂SiF₆ = SiF₄ + 2 NaF。这种合成方法的特点是避免了浓硫酸的使用，不产生硫酸钙浆状废渣，更进一步提高了安全和环保性。但是，该种方法也存在一些问题，比如裂解反应产物众多，不同氟取代的硅化物形成恒沸物组成复杂，裂解转化率偏低，裂解过程容易产生氟硅醚、聚氟硅烷等杂质。