四氟化硅生产工艺及设计

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四氟化硅作为生产多晶硅及其衍生物的原料,随着电子工业的发展以及硅基产业的扩大,对于四氟化硅的需求量逐渐增加。

四氟化硅用途

高纯电子级四氟化硅(SiF4)作为电子工业重要原料之一,具有较高的氟硅比,被广泛应用于光纤、半导体或太阳能电池的生产,是电子产业核心制造业的基础。

1.高纯四氟化硅是电子和半导体行业中重要的电子特气之一,主要用于硅化钽、氮化硅等的蚀刻剂、P型掺杂剂及外延沉积扩散硅源,还可以用于制备电子级硅烷或多晶硅。

2.由于四氟化硅在高温火焰中水解可以产生具有高比表面积的热沉SiO2,还可以用于制作光导纤维用高纯石英玻璃。

.在光纤生产技术中,四氟化硅是制造硅基半导体器件时所采用的离子注入法的重要成分。

4.四氟化硅还广泛应用于生产水泥、电子材料、太阳能电池元件、复印机感光鼓、特大规模集成电路等产业。

5.随着激光在有机反应应用的发展,四氟化硅在光敏剂产业也得到了越来越广泛应用。

四氟化硅生产工艺

1.硫酸法

硫酸法将HSO4、SiO、氟化盐或氟硅酸盐混合通过“一锅法”反应制备四氟化硅。该方法因反应原料的差异可细分为氟硅酸盐-HSO.法、氟硅酸-HSO.法和萤石-H,SO.法等。硫酸法成本低且利用率较高,是硅行业发展之初较普遍的四氟化硅生产方法。

氟硅酸盐-H2SO4法是以浓HSO.和氟硅酸盐为反应原料,在控制一定温度和压力的条件下进行反应。反应后经过冷却、吸附分离、干燥和提纯等工序得到四氟化硅。反应方程式为:

氟硅酸盐-硫酸法能有效地将磷肥副产物资源化利用,从而使经济效益最大化,但该方法的缺点在于产生副产物多,杂质难以去除,生成的四氟化硅纯度不够高,反应生成的氟化氢气体对环境污染大且容易对设备产生严重的腐蚀,工业化生产的可行性低。

2.氢氟酸法

以粉末硅单质和无水氢氟酸在~00℃的条件下反应生成四氟化硅气体”。反应方程式为:

该反应中无催化剂及其他反应物质的加入,原料转化率较高、产量大。但产物中含有难分离的氟代硅氧烷和HF气体、分离工艺复杂,造成产物提纯成本高。

.氟硅酸盐热解法

氟硅酸盐热解法是通过直接加热氟化反应剂氟硅酸盐分解制备四氟化硅气体。反应方程式为:

用热分解纯六氟硅酸钠的方法制备高纯四氟化硅。将纯六氟硅酸钠加到装有电阻加热器的反应釜里,在真空或氨气流中在℃下初步干燥,然后在~℃的真空条件下进行热分解。由于六氟硅酸钠的热分解是可逆反应,因此形成的四氟化硅被连续转移到金属容器中用液氮冷却,最后通过过滤器除去悬浮颗粒,整个过程四氟化硅的收率接近%。

氟硅酸盐热分解法具有反应单一、副产物较少和产品纯度高等优点,解决了行业发展环保问题的瓶颈。但是实验装置产量低,工业化生产难以实现。

4.氟硅酸法

氟硅酸是氟化工产业的重要潜在原料,该物质具有腐蚀性,其化学性质极不稳定,常温下易分解为四氟化硅气体和HF气体。工业上在不生成氟硅酸盐的情况下直接将氟硅酸热解作为生产四氟化硅气体的原料。反应方程式为:

该方法的工艺要求极高,分解出的氟化氢气体有毒性,生产过程中对操作人员的危害极大,分解产生的氢氟酸气体会腐蚀设备,生产危害性大、成本高。

国内的高纯四氟化硅生产厂家普遍存在制备配方工艺复杂、生产能耗较高、生产成本居高不下、成品质量不够稳定、对环境污染较大等问题,在某种程度上制约了国产电子级高纯四氟化硅的产业化和推广应用,许多客户也因为以上种种原因不得不选择进口产品,因此如何在环保、成本、工艺复杂性和能耗等条件下,优化发展一条成熟稳定工业化生产工艺,开发出能应用于太阳能电池、光纤行业、新一代芯片制造专用的高纯硅烷电子特气,对推动国内氟硅材料产业和信息产业技术的发展具有重要的意义。

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