[发明专利]一种连续生产乙硅烷的方法

说明书

本发明提供一种连续生产乙硅烷的方法，将硅粉和镁粉连续通入产生热等离子体的等离子体发生器内发生合金化反应生成硅化镁粉体，并将所述硅化镁粉体连续通入反应器内的铵盐溶液中反应生成含乙硅烷的产物。该方法通过将硅粉和镁粉以惰性气体携带的方式输送通入产生热等离子体的等离子体发生器内，在热等离子体中瞬间反应生成硅化镁粉体，反应生成的硅化镁粉体连续的输送至含铵盐溶液的反应器中反应生成乙硅烷，同时还生成甲硅烷和丙硅烷。该方法不仅能实现连续化生产乙硅烷，而且具有相对高的转化率。

技术领域

本发明涉及一种生产乙硅烷的方法，更具体地，涉及一种利用热等离子体处理硅粉和镁粉促进其实现高效连续合金化反应生成硅化镁粉体并与铵盐反应实现乙硅烷连续化生产的方法。

背景技术

硅烷气体是半导体及光伏行业的重要原料，主要用于沉积各种含硅元素的薄膜，尤其以非晶硅和多晶硅薄膜为主。目前应用最广泛的硅烷气体为甲硅烷，但甲硅烷用于沉积多晶硅薄膜的分解温度较高，沉积速率较慢，在一定程度上制约了多晶硅薄膜的应用，例如直接在玻璃衬底上沉积多晶硅薄膜。高阶硅烷具备更低的分解温度，更快的沉积速率，并且沉积生长的薄膜具有更规则的晶格排列，更有利于生长形成大晶粒多晶硅薄膜。例如，乙硅烷沉积生长多晶硅薄膜的温度可低至约500℃，低于普通玻璃的软化温度，因此可实现在玻璃基底表面直接沉积多晶硅薄膜的过程；而丙硅烷沉积生长多晶硅薄膜的温度可低至300℃以下，有望实现在柔性基底上直接沉积多晶硅薄膜，或与其它材质如石墨烯等相结合制备特种复合薄膜材料的工艺过程。对比现有工艺，一般先以甲硅烷为原料沉积非晶硅薄膜再进行激光诱导晶型转化形成多晶硅薄膜，制备效率较低，严重制约了相关应用技术的发展。

现有用于工业化生产乙硅烷的工艺路线主要有六氯乙硅烷氢化法和硅化镁法。

其中，六氯乙硅烷氢化法一般以氢化铝锂或氢化铝钠为还原剂，在有机溶剂中与六氯乙硅烷发生还原反应，生成乙硅烷和盐，同时伴有副产物氯气。该工艺的优点是可实现连续化生产，生产规模易于放大，但六氯乙硅烷提纯工艺复杂，难度较大，还原剂氢化铝锂或氢化铝钠制备条件苛刻，整个工艺流程复杂，能耗较高，控制难度大，设备投资及运行成本都较高。

硅镁法一般以硅化镁和氯化铵为原料，在液氨溶剂内进行反应，反应一般在微正压的条件下进行，温度控制在-20～-30℃的范围内。该工艺主要用来制备高纯甲硅烷，同时副产约3～5％的乙硅烷及微量的丙硅烷。该工艺的优点是工艺流程短、设备简单、易于控制，且所获得的硅烷气体产品纯度高，后期纯化较为容易。该工艺中，第一个步骤是要将硅粉与镁粉混合后进行球磨，然后加热至500℃以上进行合金化反应生成硅化镁粉体。由于市场上工业级硅粉一般约为200目，而镁粉由于粒径过细时易燃易爆，市场购买一般约为40目，而该合金化过程较为适宜的粉体粒径为600～1000目，且由于其为固-固相反应，需两种粉体进行充分搅拌及压合，保证其具有足够的接触面积，因此该步骤首先需进行长时间的球磨，球磨过程一般为间歇过程。球磨结束后，再对粉体进行升温加热完成合金化反应。同样由于该反应为固-固相反应，反应速率较慢，因此合金化反应所需的时间同样较长。且由于其反应发生在固相表面，当反应生成硅化镁后，硅化镁占据反应原位将阻碍反应的进一步发生，因此粉体内部很难实现充分反应，故该合金化反应的转化率偏低。

综上所述，现有技术的六氯乙硅烷氢化法工艺复杂运行难度大，硅镁法工艺仅能间歇操作，操作时间长，转化率低，导致总体产能小。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高效连续制备乙硅烷的方法。该方法通过将硅粉和镁粉以惰性气体携带的方式输送通入产生热等离子体的等离子体发生器内，在热等离子体中瞬间反应生成硅化镁粉体，反应生成的硅化镁粉体连续的输送至含铵盐溶液的反应器中反应生成含乙硅烷的产物。该方法不仅能实现连续化生产乙硅烷，而且具有相对高的转化率。

本发明为达到其目的，提供如下技术方案：