一种氢气还原制备高纯钴的方法及装置
阅读说明：本技术 一种氢气还原制备高纯钴的方法及装置 (Method and device for preparing high-purity cobalt by hydrogen reduction ) 是由 王媛媛 余建波 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种氢气还原制备高纯钴的方法及装置,包括：包括碘化反应器、气体净化器、反应器、再生器、冷凝器,本发明通过采用电阻加热碘化反应器,反应器外部电阻加热保证反应温度,感应加热还原反应器内的钴棒促进反应进行；反应器内的残余的碘化钴、碘化氢和氢气先经再生器沉积钴金属,而后经冷凝器分离,在气体净化柱纯化后在干式真空泵的输送下将净化的氢气和碘化氢分别送入还原反应器和碘化反应器；使用本发明的方法反应无暴露,流程密闭性好,对环境和操作友好,且通过利用氢气还原气相碘化钴制备高纯钴的方法反应简单,生产周期短,产品纯度高。(The invention relates to a method and a device for preparing high-purity cobalt by hydrogen reduction, comprising the following steps: the invention comprises an iodination reactor, a gas purifier, a reactor, a regenerator and a condenser, wherein the iodination reactor is heated by adopting a resistor, the reaction temperature is ensured by the external resistance heating of the reactor, and the reaction is promoted by a cobalt rod in an induction heating reduction reactor; residual cobalt iodide, hydrogen iodide and hydrogen in the reactor are firstly deposited with cobalt metal by a regenerator, then are separated by a condenser, and are respectively conveyed into a reduction reactor and an iodination reactor under the conveying of a dry vacuum pump after being purified by a gas purification column; the method has the advantages of no exposure in reaction, good flow tightness, environmental friendliness and operation friendliness, and the method for preparing high-purity cobalt by reducing gas-phase cobalt iodide by using hydrogen has the advantages of simple reaction, short production period and high product purity.)
技术领域
本发明涉及半导体材料制备领域，尤其涉及一种氢气还原制备高纯钴的方法及装置。
背景技术
本发明涉及用于5nm以下工艺超大规模集成电路用布线材料高纯钴的制备。随着半导体制程工艺的发展，7nm、5nm和3nm工艺的相继开发，以消费电子领域为代表的硅基芯片晶体管数量已达到百亿量级，所面临的主要问题是布线材料Cu因扩散系数较大，对晶体管的稳定性造成严重影响，已经不再适用，而Co是目前备选材料中最有可能取代Cu成为新一代集成电路布线材料。调研发现当前制备高纯钴的制备方法主要有溶液电解、离子交换、萃取等，利用三种工艺的适当组合，可以制备出5N级的高纯钴，对于更高纯度的钴(大于5N)目前还存在难度。此处提出了采用氢气还原法制备高纯钴的方法，主要是用于制备5N级以上的高纯钴产品，可用于5nm以下工艺作布线材料。因此，需要一种稳定、简单、可控性强的氢气还原制备高纯钴的方法及装置。
发明内容
本发明要解决的问题在于提供一种稳定、简单、可控性强的氢气还原制备高纯钴的方法及装置。
为了保证在使用过程中，能够保证工作稳定，可控性强，本发明涉及了一种氢气还原制备高纯钴的装置，包括：
碘化反应器、气体净化器、反应器、再生器、冷凝器；所述碘化反应器用于升华碘化钴固体进入反应器与氢气发生气相反应生成高纯钴；所述再生器使得碘化钴气相进一步反应为金属钴；所述冷凝器用于分离气态碘化钴、碘化氢和氢气；所述气体净化器主要除去反应物中的杂质。
本发明的有益效果是，通过用氢气还原生产半导体布线用高纯钴，有效减小了金属杂质铜、铁、镍的含量。避免了现有高纯钴生产湿法工艺中电极电势相近，选择性相似的金属杂质对最终产物高纯钴的纯度影响，反应速率快、生产效率高，产品纯度可达6N以上，可直接用于5nm以下硅基半导体制程做布线材料。反应装置的密封性对环境和操作人员更加友好，污染小。
一种氢气还原制备高纯钴的方法，包括以下步骤：
S1:采用电阻加热碘化反应器在300—450℃可制备、干燥碘化钴，碘化反应器中可直接放置经干燥的商用碘化钴或经饱和溶液重结晶、干燥处理的碘化钴；
S2:在570℃以上可将固态碘化钴加热为气态与氢气在还原反应器中通过感应加热钴棒在650℃以上与外部电阻加热结合的方式制备高纯钴；
S3:残余碘化钴经再生器沉积为金属钴，氢气、碘化氢通过冷凝器、气体净化器回收利用。
进一步的，所述加热、保温方式选择电阻加热，反应制备钴使用高频感应加热钴棒。
在实际操作中，本发明中一种氢气还原制备高纯钴的装置的装置及方法。包括碘化钴制备及升华室、气体干燥纯化室、氢气还原气态碘化钴主反应室、冷凝室、气体纯化室。
碘化钴制备反应式：Co+2HI(g)→H2(g)+CoI2(s)300-450℃
碘化钴升华反应式：CoI2(s)→CoI2(g)570-600℃
高纯钴制备主反应式:H2(g)+CoI2(g)→Co+2HI(g)650-750℃
步骤一：将钴粉均匀布在流化床反应器内，与经过干燥、净化的碘化氢在在400℃进行反应，生成碘化钴固体。
可选地，由盐溶液进行重结晶后经干燥处理后制得碘化钴；
可选地，还可采用商用碘化钴经干燥处理作为制备高纯钴的起始原料。
步骤二：将碘化钴固体在570—600℃加热使得固体升华为气体碘化钴，为提升反应速率，可配置干式真空泵使其在低真空环境下加快反应进度。
步骤三：碘化钴气体经气体干燥纯化室，在通入氢气，采用高频加热钴棒，温度为650—750℃，作为高纯钴的沉积区的主反应室使得高纯钴沉积在钴棒表面，可通过控制氢气流量、压力、反应温度来调节高纯钴的表面形貌。
步骤四：将主反应室的气体通入冷凝室沉积未完全反应的碘化钴，分离出碘化氢通入步骤一或收集。
步骤五：将冷凝室的产物通入气体净化室，净化氢气，重新通入步骤三的主反应室。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种氢气还原制备高纯钴的方法及装置的工艺流程示意图；
图2是本发明一种氢气还原制备高纯钴的方法及装置的碘化反应器结构图；
图3是本发明一种氢气还原制备高纯钴的方法及装置的氢气还原反应器结构图。
图中数字所表示的相应的部件名称:
1、阀门；2、电力柜；3、典化反应器；4、净化器；5、气体净化器；6、尾气处理器；7、真空泵；8、蝶阀；9、压力计；10、冷凝收集区；11、再生区；12、反应热解区；13、抽气口；14、进气口；15、电机；16、法兰隔热屏；17、沉积板；18、隔热层；19、进气管道；20、出气管道。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：
本发明要解决的问题在于提供一种稳定、简单、可控性强的氢气还原制备高纯钴的方法及装置。
如图1、图2、图3所示，为了保证在使用过程中，能够保证工作稳定，可控性强，本发明涉及了一种氢气还原制备高纯钴的装置，包括：
碘化反应器、气体净化器、反应器、再生器、冷凝器；所述碘化反应器用于升华碘化钴固体进入反应器与氢气发生气相反应生成高纯钴；所述再生器使得碘化钴气相进一步反应为金属钴；所述冷凝器用于分离气态碘化钴、碘化氢和氢气；所述气体净化器主要除去反应物中的杂质。
本发明的有益效果是，通过用氢气还原生产半导体布线用高纯钴，有效减小了金属杂质铜、铁、镍的含量。避免了现有高纯钴生产湿法工艺中电极电势相近，选择性相似的金属杂质对最终产物高纯钴的纯度影响，反应速率快、生产效率高，产品纯度可达6N以上，可直接用于5nm以下硅基半导体制程做布线材料。反应装置的密封性对环境和操作人员更加友好，污染小。
一种氢气还原制备高纯钴的方法，包括以下步骤：
S1:采用电阻加热碘化反应器在300—450℃可制备、干燥碘化钴，碘化反应器中可直接放置经干燥的商用碘化钴或经饱和溶液重结晶、干燥处理的碘化钴；
S2:在570℃以上可将固态碘化钴加热为气态与氢气在还原反应器中通过感应加热钴棒在650℃以上与外部电阻加热结合的方式制备高纯钴；
S3:残余碘化钴经再生器沉积为金属钴，氢气、碘化氢通过冷凝器、气体净化器回收利用。
进一步的，所述加热、保温方式选择电阻加热，反应制备钴使用高频感应加热钴棒。
在实际操作中，本发明中一种氢气还原制备高纯钴的装置的装置及方法。包括碘化钴制备及升华室、气体干燥纯化室、氢气还原气态碘化钴主反应室、冷凝室、气体纯化室。
碘化钴制备反应式：Co+2HI(g)→H2(g)+CoI2(s)300-450℃
碘化钴升华反应式：CoI2(s)→CoI2(g)570-600℃
高纯钴制备主反应式:H2(g)+CoI2(g)→Co+2HI(g)650-750℃
步骤一：将钴粉均匀布在流化床反应器内，与经过干燥、净化的碘化氢在在400℃进行反应，生成碘化钴固体。
可选地，由盐溶液进行重结晶后经干燥处理后制得碘化钴；
可选地，还可采用商用碘化钴经干燥处理作为制备高纯钴的起始原料。
步骤二：将碘化钴固体在570—600℃加热使得固体升华为气体碘化钴，为提升反应速率，可配置干式真空泵使其在低真空环境下加快反应进度。
步骤三：碘化钴气体经气体干燥纯化室，在通入氢气，采用高频加热钴棒，温度为650—750℃，作为高纯钴的沉积区的主反应室使得高纯钴沉积在钴棒表面，可通过控制氢气流量、压力、反应温度来调节高纯钴的表面形貌。
步骤四：将主反应室的气体通入冷凝室沉积未完全反应的碘化钴，分离出碘化氢通入步骤一或收集。
步骤五：将冷凝室的产物通入气体净化室，净化氢气，重新通入步骤三的主反应室。
本实施例中的高纯钴制备如下：
将商用钴粉均匀铺设于碘化反应器内部，通入经净化的气态碘化氢，将温度控制在450℃，保持1小时，腔体压力控制在0.5大气压力，待反应完全后碘化反应器温度加热到580℃，碘化钴蒸汽通入反应腔体与纯化的氢气在感应加热的钴棒上沉积高纯钴，反应温度为700℃，此时反应器可加压到2Mpa，待反应0.5小时后将气相通入再生区使得碘化钴蒸汽完全沉积为钴，冷凝器中分离气态碘化氢和氢气，经干式真空泵分别将净化的氢气和碘化氢导入反应器和碘化反应器。生产流程如上所示。
可选的，可将由盐溶液进行重结晶后经干燥处理后制得碘化钴或采用商用碘化钴经干燥处理作为制备高纯钴的起始原料放入碘化反应器。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。