TW202530130A - 連續式化學合成方法 - Google Patents

Abstract

一種在惰性氣體環境下進行的連續式化學合成方法，旨在透過一系列控制的反應及蒸餾過程，生產高純度化學產品。初始階段，將第一反應物和第二反應物與特定溶劑混合於第一反應容器中，形成反應混合物。此混合物在控制溫度下攪拌，生成中間產物，隨後進行蒸餾以分離出第一殘餘廢料。中間產物接著被轉移到第二反應容器，與其他反應物混合形成另一反應混合物，並攪拌以產生最終產品混合物。此混合物經過分餾，產出第一蒸餾物及第二蒸餾物，同時移除第二殘餘廢料。質量控制措施包括對中間產物和最終產品進行取樣和測試，以確保它們達到要求品質，如有需要則進行回流再蒸餾。

Description

連續式化學合成方法

本發明涉及一般化學合成領域，更具體地說，涉及用於半導體製造中的含矽化合物的合成。它涉及一種在封閉系統內使用連續過程生產二碘矽烷的改進方法，從而在提高純度和效率的同時，減少與傳統生產方法相關的環境和安全風險。

半導體製造領域不斷尋求材料和方法論的進步，以跟上技術的迅速演進。二碘矽烷（Diiodosilane, 化學式： SiH ₂I ₂），作為沉積含矽膜的關鍵前驅物，在等離子增強下能夠產生更活潑的矽自由基，在保持高沉積速率的前提下，反應腔具有溫度更低、壓力操作更可控的特點。目前，隨著半導體器件（特別是晶片）的超微型化趨勢，突破摩爾定律的限制，往往需要改進傳統半導體的基材結構，而DIS 作為矽前驅體，可以適應性地在眾多基材上氣相沉積，如GaAs、BN、晶體矽、多晶矽、非晶矽、外延碎片式矽層、SiO2、SiC、SiOC、SiN、SiCN、有機矽玻璃（OSG）、有機氟矽玻璃（OFSG）、氟矽玻璃（FSG）、金屬層（Cu、Al 等）、有機高分子聚合物基底等。二碘矽烷以其獨特的優勢，廣闊的市場前景受到廣泛關注。 因此如何用開發一種更有效、更安全、更環保的二碘矽烷合成方法成為一個值得研究的領域。理想情況下，這樣的方法將允許連續處理，最小化暴露於污染物，減少危險化學品的使用，並提供原位純化(In-Situ Purification)，以簡化生產並提高最終產品的純度。

為了解決上述問題，本發明提出一種連續式化學合成方法，該方法包含多個步驟，通過一系列受控的反應和蒸餾過程，確保最終產品的高效生產。該過程首先將至少一種第一反應物和一種第二反應物按照反應比例放入第一反應容器中。然後引入適當的溶液形成第一反應混合物，攪拌以產生中間產物。這個中間產物被蒸餾到收集槽中，第一反應容器中留下第一殘餘廢料。 接著，上述連續式化學合成方法繼續將中間產物轉移到第二反應容器中，其中與額外的反應物混合形成第二反應混合物。這個混合物被攪拌以產生產品混合物，然後進行分餾，得到第一蒸餾物在第一蒸餾瓶中，第二蒸餾物在第二蒸餾瓶中，同時在第二反應容器中留下第二殘餘廢料。 該連續式化學合成方法的關鍵方面包括控制第一和第二反應混合物的攪拌溫度以優化反應條件，整個過程在惰性氣體環境下進行以防止污染。方法還包括從兩個反應容器中移除殘餘廢料的步驟，通過取樣和測試確保中間產品和最終產品的品質。如果這些不符合品質標準，則進行回流再蒸餾。 本發明具體可使用苯基三氯矽烷和四氫鋁鋰在乙醚中作為初始反應物，通過在特定溫度範圍內控制反應來防止副產品的形成，並確保中間產品苯矽烷和最終產品二碘矽烷的純度。使用非極性碘溶液作為額外反應物和控制第一和第二蒸餾物的蒸餾溫度，突顯了該方法在達成高純度二碘矽烷方面的精確性，這對半導體製造至關重要。 總體而言，這種連續式化學合成方法呈現了一種系統的、受控的化學合成途徑，顯著提高了效率、安全性和環境相容性。在第二反應混合物中可加入催化劑進一步優化了反應過程。 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參閱圖1，圖1所繪示為本發明之封閉式連續反應系統的實施例。在本實施例中，封閉式連續反應系統100包括一第一反應容器110。在本實施例中，整個過程中所需的初始反應物（例如：苯基三氯矽烷和鋰鋁氫化物）是從第一反應容器110的反應物進料口111及113引入，其中進料口111主要是提供固態反應物進料，以及反應過程之廢氣排放口。進料口113則提供液態或氣態反應物進料。第一反應容器110的使用材料選擇考慮到其化學惰性和承受反應特定條件的能力，包括任何腐蝕性或反應性物質以及所需的溫度範圍。位於第一反應容器110下方的溫度控制裝置120提供所反應時所需之溫度控制。 從第一反應容器110中產生的中間產物10透過蒸餾的方法，由蒸餾管路118被引導到一個中間產物收集槽130內。中間產物收集槽130不僅僅是中間產物10的儲存處；它還可以將純度未達標準之中間產物10透過引流管路117引流回第一反應容器中進行再反應。在本實施例中，中間產物收集槽130下方亦可配備溫度控制系統（未繪示），確保中間產物在穩定條件下，直到準備轉移到第二反應容器。 連接到中間產物收集槽130的第二反應容器140是二次化學反應發生的場所。這些二次化學反應通常涉及中間產物10與通過第二反應容器140的反應物進料口144引入的其他反應物所產生的反應。第一反應容器110和第二反應容器140都包括一攪拌裝置112, 142，以在適當知條件下提供攪拌，讓反應物可充分反應。此外，第二反應容器140下方也設有溫度控制裝置120，以精確控制第二反應容器140之反應溫度。 二次反應完成後，該封閉式連續反應系統100使用兩個連接到第二反應容器140的蒸餾槽，亦即：第一蒸餾槽150與第二蒸餾槽160，以分離不同揮發溫度之終端產物20。包括各種揮發性的最終產品。 該封閉式連續反應系統100中有一非反應性氣體進氣口114，在本實施例中是設在第一反應容器110上，它旨在引入如氮氣或氬氣等控制流量的惰性氣體，以清除系統中的氧氣和水分。以防止可能損害最終產品純度的副反應，確保反應之進行不受其他雜質的影響。此外，第一反應容器110和第二反應容器140都包含廢料排放口115, 145，用於處理反應後的廢料。這些廢料排放口115, 145可安全有效地移除可能污染最終產品的任何副產物或未反應物質。 在其中一實施例中，第一反應容器110和第二反應容器140都包含引道117, 147，通過引道117, 147分別連接到中間產物收集槽130與第二蒸餾槽160，以實現進一步的純化，該二次蒸餾引道117, 147允許中間產物10及最終產物20進行額外的蒸餾步驟，以精煉產品達到所需的純度水平。 在其中一實施例中，中間產物收集槽130、第一蒸餾槽150和第二蒸餾槽160上還設有取樣口132, 152, 162。這些取樣口132, 152, 162提供了在反應過程的各個階段對反應物和產品進行品質測試的取樣口。以動態監控產物之品質，確保反應和純化的每個階段都符合所需的標準。 在本實施例中，封閉式連續反應系統100的整合性質使整個化學合成過程更加流暢。從原材料的引入到最終高純度產品的收集，所有步驟都在封閉式連續反應系統100的封閉環境內進行。這種設計使中間產物10及最終產物20之產製及純化皆在此封閉系統中完成，從而減少了污染和產品損失的風險。 總結來說，封閉式連續反應系統100實現在嚴密控制的環境中執行一系列化學反應和純化的程序。並且可動態監控產物之品質、進行二次反應以進一步提升產物之純度，進而達到提升產品品質，簡化流程及節省成本之目的。 另外，請同時參照圖2，圖2所繪示為二碘矽烷之化學結構式。在合成半導體產業關鍵化合物二碘矽烷（Diiodosilane，簡稱DIS）的背景下，本封閉式連續反應系統100提供的精確反應條件控制，這對於DIS的合成過程相當有益，這是因為即使是微量的雜質也能顯著影響半導體裝置的性能。 以下，將以DIS合成為例，介紹DIS合成如何在封閉式連續反應系統100中進行。請同時參照圖3，圖3所繪示為DIS合成的流程圖。 首先，請參照步驟S110，過程始於將第一反應物，即液態的苯基三氯矽烷(Ph-SiCl3)，引入第一反應容器110。隨後將第二反應物，即鋰鋁氫化物(LiAlH4)，與一種醚類溶劑，具體是乙醚，一起引入第一反應容器110中以促進反應。再來，請參照步驟S120，對第一反應物和第二反應物進行攪拌。第一反應容器110配備有攪拌裝置112，以確保第一反應物和第二反應物徹底混合和均勻，以形成第一反應混合物。在本實施例中，第一反應容器110內的溫度被精密控制並維持在-10°C至+10°C之間，以確保反應以期望的速率進行並防止因溫度偏差可能產生的任何副產物。 一旦第一反應物完全反應後，封閉式連續反應系統100就進行蒸餾以獲得所得的中間產物（亦即步驟S130）。這是在100°C至200°C的控制溫度下進行的。蒸餾有兩個目的：它通過將中間產物與殘餘廢料分離來純化中間產物，並將其轉移到中間產物收集槽130中接著步驟S140，將中間產物進一步移轉至第二反應容器140中，移轉之方法可透過管路119利用幫浦120將中間產物注入第二反應容器中。 接著，在第二反應容器140中，執行步驟S150，將中間產物苯矽烷(Ph-SiH3)與含碘溶液混合。該含碘溶液是通過將碘溶解在選自烷類或其組合的非極性溶劑中製備而成，以確保穩定性和溶解性。第二反應容器140被設計為維持低溫，介於-20°C至0°C之間，以促進中間產物和碘之間的反應，從而導致二碘矽烷的形成。第二反應容器140中的攪拌裝置142持續運行以確保混合物的完全反應。 隨後，執行步驟S160，在第二反應容器140中進行蒸餾，根據蒸餾物（亦即：第一蒸餾物201與第二蒸餾物202）的沸點將其分離到兩個不同的蒸餾槽（亦即：第一蒸餾槽150與第二蒸餾槽160）中。第一蒸餾物在60°C至100°C的溫度範圍內收集，而二碘矽烷（亦即：第二蒸餾物）則在更高的溫度，介於100°C至200°C之間收集。此步驟通過移除任何剩餘的副產品或未反應物質來確保二碘矽烷的高純度。 由於半導體工業對二碘矽烷的生產有嚴格的要求，品質控制在生產二碘矽烷中極為重要。因此，在本實施例的製造流程中，還包含取樣並檢測的流程，例如：步驟S155與步驟S165。分別從取樣口132, 152, 162定期抽取中間產物10、第一蒸餾物201、和第二蒸餾物202的樣本進行分析，以評估純度並確保它們符合預定的規範。如果任何批次未達到要求的標準，封閉式連續反應系統100具有內置的回流機制。這允許將中間產物或第二蒸餾物分別經由引道117, 147重新導入相應的反應容器（亦即：第一反應容器110和第二反應容器140）進行二次反應或蒸餾，從而在無需拆卸封閉式連續反應系統100或引入潛在污染物的情況下精煉產品。 在其中一實施例中，封閉式連續反應系統100在惰性氣體下運行，但也可以使用氮氣，以防止任何氧化或次反應而降低產品之品質。在整個反應和蒸餾過程中保持這種惰性環境，系統設計為以輕微的正壓運行，以防止大氣氣體的進入。正壓以及系統的封閉特性還通過減少暴露於危險化學品的風險來提高安全性。 自動化在封閉式連續反應系統100的運作中發揮一定作用。該封閉式連續反應系統100可以裝備有感測器和電腦控制機制來調節各容器之間反應物和產品的溫度、攪拌速度和流速。這些控制對於維持所產生的二碘矽烷的一致性和品質相當重要。此外，自動化系統允許即時監控和調整，這對於精度直接影響產量和產品純度的過程至關重要。 總結來說，本發明提供了一種生產高純度二碘矽烷的詳細、受控和環境安全方法。封閉式連續反應系統比傳統的批次處理過程有了顯著進步，解決了此重要半導體材料合成中以前面臨的許多挑戰。這裡描述的方法不僅達到了高純度水平，而且在安全性和環境影響方面也有所改善，使其成為半導體工業的寶貴過程。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:中間產物 20:最終產物 201:第一蒸餾物 202:第二蒸餾物 100:封閉式連續反應系統 110:第一反應容器 111:反應物進料口 112,142:攪拌裝置 113:反應物進料口 114:非反應性氣體進氣口 115:廢料排放口 118:蒸餾管路 119:管路 120:溫度控制裝置 130:中間產物收集槽 140:第二反應容器 144:反應物進料口 145:廢料排放口 150:第一蒸餾槽 160:第二蒸餾槽 132,152,162:取樣口 117,147:引道 S110~S165:流程圖步驟

圖1所繪示為本發明之封閉式連續反應系統的實施例。 圖2所繪示為二碘矽烷之化學結構式。 圖3所繪示為連續式化學合成方法的流程圖，並以DIS為實施例。

S110~S165:流程圖步驟

Claims (20)

1. 一種連續式化學合成方法，包括以下的步驟： (a) 將至少一第一反應物及一第二反應物依反應比例置於一第一反應容器中； (b) 導入適當之溶液於該第一反應容器內以使該第一反應物及該第二反應物形成一第一反應混合物； (c) 攪拌該第一反應混合物以充分進行反應，以產生一中間產物； (d) 將所述中間產物蒸餾至一中間產物收集槽中； (e) 將所述中間產物從所述中間產物收集槽轉移到一第二反應容器中； (f) 在該第二反應容器中混入其他反應物以形成一第二反應混合物； (g) 攪拌該第二反應容器中之該第二反應混合物以充分進行反應以產生一產品混合物；以及 (h) 將該所述產品混合物分餾為第一蒸餾物於一第一分餾槽、一第二蒸餾物於一第二分餾槽內。
2. 如請求項1所述之連續式化學合成方法，其中在步驟(c)中，又包括控制該第一反應混合物之攪拌溫度。
3. 如請求項1所述之連續式化學合成方法，其中在步驟(g)中，又包括控制該第二反應混合物之攪拌溫度。
4. 如請求項1所述之連續式化學合成方法，還包括以下步驟：對該中間產物進行取樣檢測，以確定其品質是否達到要求。
5. 如請求項4所述之連續式化學合成方法，還包括以下步驟：如該中間產物未達品質要求時將中間產物回流至該第一反應容器進行二次反應或蒸餾。
6. 如請求項1所述之連續式化學合成方法，還包括：對該第一蒸餾物或該第二蒸餾物進行取樣檢測，以確定其品質是否達到要求。
7. 如請求項6所述之連續式化學合成方法，還包括以下步驟：如該第一蒸餾物或該第二蒸餾物未達品質要求時，將該第一蒸餾物或該第二蒸餾物回流至該第二反應容器進行二次蒸餾。
8. 如請求項1所述之連續式化學合成方法，其中步驟(a)~步驟(h)是在一惰性氣體環境下進行。
9. 如請求項1所述之連續式化學合成方法，其中該第一反應物為液態之苯基三氯矽烷，該第二反應物為添加乙醚之四氫鋁鋰。
10. 如請求項9所述之連續式化學合成方法，其中該第一反應容器之攪拌溫度介於-10〫C~+10〫C之間。
11. 如請求項9所述之連續式化學合成方法，其中該第一反應容器之蒸餾溫度介於100〫C~200〫C之間。
12. 如請求項9所述之連續式化學合成方法，其中該中間產物為苯矽烷。
13. 如請求項1所述之連續式化學合成方法，其中在步驟(f)中，該其他反應物為一含碘溶液。
14. 如請求項13所述之連續式化學合成方法，其中該含碘溶液為一非極性溶液與碘分子之混合液。
15. 如請求項14所述之連續式化學合成方法，其中該非極性溶液選自烷類或其組合。
16. 如請求項13所述之連續式化學合成方法，其中，該第二反應容器之攪拌溫度介於-20〫C~+0〫C之間。
17. 如請求項13所述之連續式化學合成方法，其中，該第一蒸餾物之分餾溫度介於60〫C~100〫C之間。
18. 如請求項13所述之連續式化學合成方法，其中，該第二蒸餾物之分餾溫度介於100〫C~200〫C之間。
19. 如請求項13所述之連續式化學合成方法，其中該第二蒸餾物為二碘矽烷。
20. 如請求項1所述之連續式化學合成方法，還包括以下步驟：添加一催化劑於該第二反應混合物中。