高豐度硼-11酸的製備方法

2023-04-29 06:18:26 2

高豐度硼-11酸的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高豐度硼-11酸的製備方法，屬於硼的化合物領域，包括原料高豐度三氟化硼-11提純、三氟化硼-11水解、過濾去除沉澱、離子交換提純、結晶、過濾去除母液、乾燥等步驟。本發明製備的高豐度硼-11酸純度高，可達到99.9%以上，可用作濃縮硼-11同位素的相關化合物的製備原料。以高豐度硼-11酸作為原料製備的系列硼-11酸酯可用作半導體製程硼-11同位素摻雜源，製造的半導體器件具有優良的抗幹擾和抗輻射性能。
【專利說明】高豐度硼-11酸的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於一種硼的化合物，具體涉及一種高豐度硼-1i酸的製備方法。
【背景技術】
[0002]天然硼由兩種穩定同位素wB和11B組成，含量分別為19.78%的kiB和80.22%的11B0 kiB具有極強的吸中子能力，因而被用在核反應堆中作中子減速劑，起到控制反應堆運行的功能。而11B恰好相反，幾乎不吸收中子，因此被用於半導體器件製造過程的摻雜劑，能夠有效提高半導體器件的導電性能和抗輻射抗幹擾能力。天然硼或硼化合物作為半導體器件製程摻雜源使用時由於硼含有19.78%的kiB同位素，因而不可避免會引入大量kiB —起進行摻雜，其結果是在某些特定使用環境會對半導器件性能造成致命的負影響，輕則影響電子設備運行速度，重則導致死機甚至毀機。
[0003]隨著集成電路集成度越來越高，以及諸多特殊應用領域如航空航天、宇宙探測器、現代軍事、超級計算機、雲計算、高速列車、通信、網絡等等對電子設備運行速度、穩定性、可靠性、安全性要求的不斷提高，對製造相關設施的核心器件-半導體器件性能要求也越來越高，某些關鍵半導體製程相關材料已不僅僅局限於一般意義上的純度要求，而是上升到同位素純度概念，常規的天然材料已不能滿足技術進步的要求。天然硼元素由於含有19.78%的kiB,在新一代半導體器件製程中的應用將遇到瓶頸。因此研究開發高豐度硼-11同位素的高純硼-11摻雜源是未來硼系半導體材料發展的必然趨勢。

【發明內容】

[0004]本發明為解決上述問題，提供了一種高豐度硼-11酸的製備方法。
[0005]本發明所採取的技術方案是:一種高豐度硼-11酸的製備方法，包括以下步驟:
(i )原料高豐度三氟化硼-11提純
將原料儲罐中的高豐度三氟化硼-11在25°C、1.0MPa的條件下先後經過第一純化塔去除夾帶的絡合物、第二純化塔去除空氣的輕組份，得到純三氟化硼-11氣體；
(ii)三氟化硼-1I水解
將純化後的三氟化硼-11氣體通入水解爸中加熱至5(T90°C的氫氧化鋰水溶液裡,純三氟化硼-11遇水發生水解反應生成硼-11酸和氟化氫，氟離子進一步與溶液中的鋰離子結合生成氟化鋰沉澱，
反應式如下: nBF3+3H20 — H3nB03+3HF ；
HF+LiOH — LiF I +H2O ；
不再有沉澱生成時，停止通入高豐度三氟化硼-11氣體後，將水解釜中的混合物加熱至95°C保溫；
(iii)過濾去除沉澱
將反應後的混合物通過過濾器濾去不溶物氟化鋰，收集濾液於儲液罐中；(iv)離子交換提純
通過泵將儲液罐中的溶液導入到第三純化塔中，通過離子交換去除溶液中的鎂、銅、猛、鐵、招、欽、鎮金屬雜質；
(V )結晶
將提純後的溶液導入到結晶槽中，加熱至110°c進行濃縮，並在25°C下結晶；
(vi)過濾去除母液
將步驟(V )所得的混合物通過過濾器過濾分離去除母液，並將母液收集到廢液槽集中處理；
(vii)乾燥
取過濾後的結晶置於乾燥器內，在60-100C條件下進行真空乾燥，即得高豐度硼-11酸，將產品收集到產品收集容器中貯存。[0006]所述的高豐度三氟化硼-11中硼-11的豐度不低於99%。
[0007]所述的高豐度三氟化硼-11由天然三氟化硼絡合物與天然三氟化硼氣體經過氣-液接觸交換濃縮製備而成。
[0008]所述的氫氧化鋰加料按理論計算量過量f 10%，最佳為3~5%。
[0009]本發明製備的高豐度硼-11酸純度高，可達到99.9%以上，能夠滿足超大規模集成電路半導體器件製程對特殊硼摻雜源的要求，利用本發明製備的高豐度硼-11酸可用作濃縮硼-11同位素的相關硼化合物的製備原料，高豐度硼-11酸也可以作為製備系列硼-11酸酯的原料，而硼-11酸酯可用作超大規模集成電路半導體器件製程硼-11同位素摻雜源，製造的半導體器件具有優良的抗幹擾和抗輻射性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發明的製備工藝流程圖。
[0011]其中:
1、氣體儲罐2、第一純化塔
3、第二純化塔4、水解釜
5、第一過濾器6、儲液罐
7、泵8、第三純化塔
9、結晶槽10、第二過濾器
I1、廢液槽12、乾燥器
13、產品收集容器。
【具體實施方式】
[0012]以下參照附圖1及實施例對本發明進行詳細的說明:
一種高豐度硼-11酸的製備方法，包括以下步驟:
(i )原料高豐度三氟化硼-11提純
將原料儲罐I中的高豐度三氟化硼-11在25°C、1.0MPa的條件下先後經過第一純化塔2去除夾帶的絡合物、第二純化塔3去除空氣的輕組份，得到純三氟化硼-11氣體；
(ii)三氟化硼-11水解將純化後的三氟化硼-11氣體通入水解爸4中加熱至5(T90°C的氫氧化鋰水溶液裡,純三氟化硼-11遇水發生水解反應生成硼-11酸和氟化氫，氟離子進一步與溶液中的鋰離子結合生成氟化鋰沉澱，
反應式如下: nBF3+3H20 — H3nB03+3HF ；
HF+LiOH — LiF I +H2O ；
不再有沉澱生成時，停止通入高豐度三氟化硼-11氣體後，將水解釜4中的混合物加熱至95°C保溫；
(iii)過濾去除沉澱
將反應後的混合物通過第一過濾器5濾去不溶物氟化鋰，收集濾液於儲液罐6中；
(iv)離子交換提純
通過泵7將儲液罐6中的 溶液導入到第三純化塔8中，通過離子交換去除溶液中的續、銅、猛、鐵、招、欽、鎮金屬雜質；
(V )結晶
將提純後的溶液導入到結晶槽9中，加熱至110°C進行濃縮，並在25°C下結晶；
(vi)過濾去除母液
將步驟(V )所得的混合物通過第二過濾器10過濾分離去除母液，並將母液收集到廢液槽11集中處理；
(vii)乾燥
取過濾後的結晶置於乾燥器12內，在6(T10(TC條件下進行真空乾燥，即得高豐度硼-11酸，將產品收集到產品收集容器13中貯存。
[0013]所述的高豐度三氟化硼-11中硼-11的豐度不低於99%。
[0014]所述的高豐度三氟化硼-11由天然三氟化硼絡合物與天然三氟化硼氣體經過氣-液接觸交換濃縮製備而成。所述的天然三氟化硼絡合物是天然三氟化硼-乙醚絡合物、三氟化硼-甲醚絡合物及三氟化硼-苯甲醚絡合物其中的一種。
[0015]氫氧化鋰加料按理論計算量過量f 10%，最佳為3~5%。
[0016]步驟(ii)中的的氫氧化鋰為水解脫氟劑，且水解脫氟劑還可以是鹼金屬或鹼土金屬的氯化物、硝酸鹽、氫氧化物、硫酸鹽，其中效果最佳的是鹼金屬或鹼土金屬的氫氧化物，尤其以氫氧化鋰和氯化鋰為最佳選擇。
[0017]實施例1
(i )原料高豐度三氟化硼-11提純
將原料儲罐I中的高豐度三氟化硼-11在25°C、1.0MPa的條件下先後經過第一純化塔2去除夾帶的絡合物、第二純化塔3去除空氣的輕組份，得到純三氟化硼-11氣體；
(ii)三氟化硼-11水解
將純化後的三氟化硼-11氣體通入水解爸4中加熱至50°C的氫氧化鋰水溶液裡,其中氫氧化鋰按理論計算量過量1%，純三氟化硼-11遇水發生水解反應生成硼-11酸和氟化氫，氟離子進一步與溶液中的鋰離子結合生成氟化鋰沉澱，
不再有沉澱生成時，停止通入高豐度三氟化硼-11氣體後，將水解釜4中的混合物加熱至95°C保溫；(iii)過濾去除沉澱
將反應後的混合物通過第一過濾器5濾去不溶物氟化鋰沉澱，收集濾液於儲液罐6
中；
(iv)離子交換提純
通過泵7將儲液罐6中的溶液導入到第三純化塔8中，通過離子交換去除溶液中的續、銅、猛、鐵、招、欽、鎮金屬雜質；
(V )結晶
將提純後的溶液導入到結晶槽9中，加熱至110°C進行濃縮，並在25°C下結晶；
(vi)過濾去除母液
將步驟(V )所得的混合物通過第二過濾器10過濾分離去除母液，並將母液收集到廢液槽11集中處理；
(vii)乾燥 取過濾後的結晶置於乾燥器12內，在60°C條件下進行真空乾燥，即得高豐度硼-1I酸，將產品收集到產品收集容器13中貯存。
[0018]實際消耗硼-11豐度99.8%的三氟化硼-11重量1000克，得到產品高豐度硼_11酸865克，純度99.9%。按實際消耗高豐度三氟化硼-11計算，收率為95%。
[0019]實施例2
(i )原料高豐度三氟化硼-11提純
將原料儲罐I中的高豐度三氟化硼-11在25°C、1.0MPa的條件下先後經過第一純化塔2去除夾帶的絡合物、第二純化塔3去除空氣的輕組份，得到純三氟化硼-11氣體；
(ii)三氟化硼-11水解
將純化後的三氟化硼-11氣體通入水解釜4中加熱至80°C的氫氧化鋰水溶液裡，其中氫氧化鋰按理論計算量過量5%，純三氟化硼-1 I遇水發生水解反應生成硼-1 I酸和氟化氫，氟離子進一步與溶液中的鋰離子結合生成氟化鋰沉澱，
不再有沉澱生成時，停止通入高豐度三氟化硼-11氣體後，將水解釜4中的混合物加熱至95°C保溫；
(iii)過濾去除沉澱
將反應後的混合物通過第一過濾器5濾去不溶物氟化鋰，收集濾液於儲液罐6中；
(iv)離子交換提純
通過泵7將儲液罐6中的溶液導入到第三純化塔8中，通過離子交換去除溶液中的鎂、銅、猛、鐵、招、欽、鎮金屬雜質；
(V )結晶
將提純後的溶液導入到結晶槽9中，加熱至110°C進行濃縮，並在25°C下結晶；
(vi)過濾去除母液
將步驟(V )所得的混合物通過第二過濾器10過濾分離去除母液，並將母液收集到廢液槽11集中處理；
(vii)乾燥
取過濾後的結晶置於乾燥器12內，在80°C條件下進行真空乾燥，即得高豐度硼-11酸，將產品收集到產品收集容器13中貯存。[0020]實際消耗硼-11豐度99%的三氟化硼-11重量1000克，得到產品高豐度硼-11酸815克，純度99.9%。按實際消耗高豐度三氟化硼-11計算，收率為90%。
[0021]實施例3
(i )原料高豐度三氟化硼-11提純
將原料儲罐I中的高豐度三氟化硼-11在25°C、1.0MPa的條件下先後經過第一純化塔2去除夾帶的絡合物、第二純化塔3去除空氣的輕組份，得到純三氟化硼-11氣體；
(ii)三氟化硼-11水解
將純化後的三氟化硼-11 氣體通入水解釜4中加熱至90°C的氫氧化鋰水溶液裡，其中氫氧化鋰按理論計算量過量10%，純三氟化硼-11遇水發生水解反應生成硼-11酸和氟化氫，氟離子進一步與溶液中的鋰離子結合生成氟化鋰沉澱，
不再有沉澱生成時，停止通入高豐度三氟化硼-11氣體後，將水解釜4中的混合物加熱至95°C保溫；
(iii)過濾去除沉澱
將反應後的混合物通過第一過濾器5濾去不溶物氟化鋰，收集濾液於儲液罐6中；
(iv)離子交換提純
通過泵7將儲液罐6中的溶液導入到第三純化塔8中，通過離子交換去除溶液中的鎂、銅、猛、鐵、招、欽、鎮金屬雜質；
(V )結晶
將提純後的溶液導入到結晶槽9中，加熱至110°C進行濃縮，並在25°C下結晶；
(vi)過濾去除母液
將步驟(V )所得的混合物通過第二過濾器10過濾分離去除母液，並將母液收集到廢液槽11集中處理；
(vii)乾燥
取過濾後的結晶置於乾燥器12內，在100°C條件下進行真空乾燥，即得高豐度硼-11酸，將產品收集到產品收集容器13中貯存。
[0022]實際消耗硼-11豐度99.8%的三氟化硼-11重量1000克，得到產品高豐度硼_11酸800克，純度99.9%。按實際消耗高豐度三氟化硼-11計算，收率為88%。
[0023]本發明製備的高豐度硼-11酸純度高，可達到99.9%以上，能夠滿足超大規模集成電路半導體器件製程對特殊硼摻雜源的要求，利用本發明製備的高豐度硼-11酸可用作濃縮硼-11同位素的相關硼化合物的製備原料，高豐度硼-11酸也可以作為製備硼-11酸酯的原料，而硼-11酸酯可用作超大規模集成電路半導體器件製程硼-11同位素摻雜源，製造的半導體器件具有優良的抗幹擾和抗輻射性能。
[0024]雖然結合特定的實施方式對本發明進行了說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發明可以做出許多修改和變型。因此，要認識到權利要求書的意圖在於涵蓋在本發明真正構思和範圍內的所有這些修改和變型。
【權利要求】
1.一種高豐度硼-11酸的製備方法，其特徵在於:包括以下步驟: (i )原料高豐度三氟化硼-11提純 將原料儲罐(I)中的高豐度三氟化硼-11在25°C、1.0MPa的條件下先後經過第一純化塔(2)去除夾帶的絡合物、第二純化塔(3)去除空氣的輕組份，得到純三氟化硼-11氣體； (ii)三氟化硼-11水解 將純化後的三氟化硼-11氣體通入水解釜(4)中加熱至5(T90°C的氫氧化鋰水溶液裡，純三氟化硼-11遇水發生水解反應生成硼-11酸和氟化氫，氟離子進一步與溶液中的鋰離子結合生成氟化鋰沉澱， 反應式如下: nBF3+3H20 — H3nB03+3HF ；
HF+LiOH — LiF I +H2O ； 不再有沉澱生成時，停 止通入高豐度三氟化硼-11氣體後，將水解釜(4)中的混合物加熱至95 °C保溫； (iii)過濾去除沉澱 將反應後的混合物通過第一過濾器(5)濾去不溶物氟化鋰，收集濾液於儲液罐(6)中； (iv)離子交換提純 通過泵(7)將儲液罐(6)中的溶液導入到第三純化塔(8)中，通過離子交換去除溶液中的鎂、銅、猛、鐵、招、鈦、鎳金屬雜質； (V )結晶 將提純後的溶液導入到結晶槽(9)中，加熱至110°C進行濃縮，並在25°C下結晶； (vi)過濾去除母液 將步驟(V)所得的混合物通過第二過濾器(10)過濾分離去除母液，並將母液收集到廢液槽(11)集中處理； (vii)乾燥 取過濾後的結晶置於乾燥器(12)內，在6(T10(TC條件下進行真空乾燥，即得高豐度硼-11酸，將產品收集到產品收集容器(13)中貯存。
2.根據權利要求1所述的高豐度硼-11酸的製備方法，其特徵在於:所述的高豐度三氟化硼-11中硼-11的豐度不低於99%。
3.根據權利要求1所述的高豐度硼-11酸的製備方法，其特徵在於:所述的高豐度三氟化硼-11由天然三氟化硼絡合物與天然三氟化硼氣體經過氣-液接觸交換濃縮製備而成。
4.根據權利要求1所述的高豐度硼-11酸的製備方法，其特徵在於:氫氧化鋰加料按理論計算量過量ι%~ιο%。
5.根據權利要求4所述的高豐度硼-11酸的製備方法，其特徵在於:氫氧化鋰加料按理論計算量過量3%~5%。
【文檔編號】C01B35/10GK103950950SQ201410212122
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月20日 優先權日:2014年5月20日
【發明者】方治文 申請人:方治文