相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

此處根據(jù)35USC 119要求2010年8月30日以O(shè)leg Byl,Joseph D.Sweeney,Robert Kaim,Richard S.Ray,和Edward E.Jones的名義提交的名為“APPARATUS FOR PREPARATION OF COMPOUNDS OR INTERMEDIATES THEREOF FROM A SOLID MATERIAL,AND METHODS OF USING SUCH COMPOUNDS AND INTERMEDIATES”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61/378,375的優(yōu)先權(quán)。就各方面而言，美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61/378,375的公開(kāi)內(nèi)容在此以引用的方式全部納入本說(shuō)明書(shū)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及由固體反應(yīng)物料制備化合物或中間體的設(shè)備和方法，以及使用該化合物和中間體的方法。具體而言，本發(fā)明涉及這類(lèi)用于制備含硼前體化合物的設(shè)備和方法，所述含硼前體化合物可用作基板中硼離子注入用的前體。

背景技術(shù)：

離子注入在微電子器件產(chǎn)品的生產(chǎn)和其他工業(yè)應(yīng)用中被廣泛使用。在離子注入過(guò)程中，通過(guò)高能離子撞擊基板使化學(xué)物質(zhì)沉積在基板上。為了產(chǎn)生想要的離子，需要易于電離的前體從而得到電離介質(zhì)，所述電離介質(zhì)可不同地包含前體片段、正離子、負(fù)離子、以及重組離子和非離子物質(zhì)。所述電離介質(zhì)通過(guò)提取、磁性過(guò)濾、加速/減速、分析儀磁性處理、平行校正、掃描和磁力校正進(jìn)行處理產(chǎn)生撞擊基板的所需類(lèi)型離子的最終離子束。

各種不同類(lèi)型的前體用于形成相應(yīng)不同的注入材料和設(shè)備。示例前體包括氬、氧、氫、以及摻雜元素如砷、磷、鍺、硼、硅等的氫化物和鹵化物。硼特別是非常廣泛使用的摻雜元素，且近年來(lái)一直關(guān)注于提高現(xiàn)存硼前體的效率和利用率并開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。

在許多集成電路的生產(chǎn)中主要步驟之一包括將硼注入硅晶片。由于元素硼甚至在高溫下也表現(xiàn)出非常低的蒸汽壓，因此必須使用揮發(fā)性的含硼前體化合物。目前，三氟化硼(BF₃)被廣泛用作硼注入用前體。2007年，估計(jì)全世界用于離子注入所消耗的BF₃為約～3000kg，且這一用量還在繼續(xù)增長(zhǎng)。

盡管BF₃廣泛使用，其確實(shí)具有缺陷。BF₃分子非常難以電離且僅有流入常規(guī)離子發(fā)生器的離子源室的全部BF₃的約15％可以被擊碎。其余部分被丟棄。此外，僅有約30％的離子化的BF₃轉(zhuǎn)化為可用于注入的B⁺離子。這導(dǎo)致了低B⁺射束流，嚴(yán)重限制了注入過(guò)程的生產(chǎn)力。

通過(guò)改變過(guò)程參數(shù)，如通過(guò)提高提取電流和通過(guò)提高BF₃流速可以實(shí)現(xiàn)B⁺射束流的一定增大。然而這些方法導(dǎo)致離子源的壽命降低；高壓電弧，其進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備不穩(wěn)定；低真空度以及光束能量污染。

近年來(lái)，由于在半導(dǎo)體制造工業(yè)中使用較低注入能量的一般趨勢(shì)，在使用BF₃中與低B⁺射束流相關(guān)的生產(chǎn)力限制變得更加重要。在較低的注入能量下，由于空間電荷，B⁺射束經(jīng)歷更大的熄弧(blow-out)作用。

因此可靠且經(jīng)濟(jì)有效的硼前體的大批量生產(chǎn)能力會(huì)對(duì)半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)域以及其他使用硼摻雜的離子注入應(yīng)用提供重大貢獻(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及用于使固體反應(yīng)物料與流體反應(yīng)制備中間體和最終產(chǎn)物的設(shè)備和方法，以及使用該中間體和最終產(chǎn)物的方法。具體而言，本發(fā)明涉及這類(lèi)用于大批量生產(chǎn)用于硼摻雜半導(dǎo)體應(yīng)用的硼前體的設(shè)備和方法。

一方面，本發(fā)明涉及一種設(shè)備，包括：

反應(yīng)區(qū)，用于使氣體試劑與固體材料在有效形成中間體物質(zhì)的溫度和壓力條件下接觸；和

開(kāi)口，用于使氣體試劑的未反應(yīng)部分和中間體物質(zhì)離開(kāi)反應(yīng)區(qū)。

在該設(shè)備中，開(kāi)口可適于防止其在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中堵塞，例如通過(guò)對(duì)其加熱、通過(guò)適當(dāng)改變其相對(duì)于反應(yīng)區(qū)的尺寸、或以其他在設(shè)備使用中抵抗開(kāi)口堵塞的方式。

另一方面，本發(fā)明涉及一種形成作為中間產(chǎn)物與反應(yīng)物氣體的反應(yīng)產(chǎn)物的最終產(chǎn)物的方法，其中所述中間產(chǎn)物是反應(yīng)物氣體與反應(yīng)性固體的氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物，該方法包括在第一反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)物氣體與反應(yīng)性固體的反應(yīng)，并在第二反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)物氣體與中間產(chǎn)物的反應(yīng)，其中第一反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)物氣體與反應(yīng)性固體的反應(yīng)是可逆的，且其中未反應(yīng)的反應(yīng)物氣體和中間產(chǎn)物以受控速率或以受控方式流入第二反應(yīng)區(qū)。

本發(fā)明的其他方面、特征和實(shí)施方案由隨后的說(shuō)明和所附權(quán)利要求將更明顯。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖，其用于使固體反應(yīng)物與流體反應(yīng)。

圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖，其用于使固體反應(yīng)物與流體反應(yīng)。

圖3是多程高溫反應(yīng)區(qū)的示意圖，其中提供三個(gè)反應(yīng)物氣體流道用于實(shí)現(xiàn)與反應(yīng)性固體的接觸。

圖4和圖5示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的示例阱到阱(trap-to-trap)回收設(shè)備，其可用于將含B₂F₄的粗反應(yīng)產(chǎn)物混合物的純度提高至90％純度(圖4設(shè)備)，隨后純化B₂F₄至99.99％純度(圖5設(shè)備)。

圖6是溫度(攝氏度)和壓力(托)隨時(shí)間(分鐘)變化圖，示出可在加熱含有大量新捕獲的B_xF_y的容器過(guò)程中出現(xiàn)的溫度和壓力偏差。

圖7是溫度(攝氏度)和壓力(托)隨時(shí)間(分鐘)變化圖，示出受控加熱含有大量新捕獲的B_xF_y的容器對(duì)抑制圖6示出類(lèi)型的溫度和壓力偏差的效果。

具體實(shí)施方案

本發(fā)明涉及由流體與固體反應(yīng)物料反應(yīng)來(lái)制備中間體和最終產(chǎn)物的設(shè)備和方法，以及使用所述中間體和最終產(chǎn)物的方法。在一個(gè)具體方面，本發(fā)明涉及這類(lèi)用于硼前體生產(chǎn)的設(shè)備和方法以及得到的硼前體在離子注入操作中的用途。

在一個(gè)具體方面，本發(fā)明涉及通過(guò)使氣態(tài)反應(yīng)物與反應(yīng)性固體反應(yīng)來(lái)制備中間產(chǎn)物，并在明顯更低的溫度下通過(guò)使氣態(tài)反應(yīng)物與中間產(chǎn)物反應(yīng)來(lái)形成最終產(chǎn)物的設(shè)備和方法。在該設(shè)備和方法的另一方面，至少反應(yīng)性固體和氣體反應(yīng)物之一可以超過(guò)一種或多種特定同位素元素的天然豐度而同位素富集。

例如，氣體反應(yīng)物和反應(yīng)性固體之一或兩者可包含含硼化合物，該含硼化合物包含濃度或比例大于其天然豐度的濃度或比例的硼同位素，從而中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物可以相應(yīng)地同位素富集。

同位素富集的最終產(chǎn)物可以是用作離子注入用前體的含硼化合物，且前體的同位素富集特征在生產(chǎn)微電子器件和包含其的相應(yīng)產(chǎn)品中有利。

微電子器件目前的發(fā)展趨勢(shì)是朝向更淺的器件結(jié)(junction)。這進(jìn)而產(chǎn)生了對(duì)更低能離子注入的需要以實(shí)現(xiàn)該淺結(jié)。更低能注入進(jìn)而影響生產(chǎn)力，導(dǎo)致生產(chǎn)力限制，并需要用于器件生產(chǎn)的離子束在低離子束能量環(huán)境中高效。

如硼前體和離子注入那樣，特定的硼前體和更具體地同位素富集的硼前體可提供優(yōu)于常規(guī)非富集(天然豐度)硼前體的顯著優(yōu)勢(shì)。

在本發(fā)明的一個(gè)具體方面，四氟化二硼(B₂F₄)是提供優(yōu)于常規(guī)三氟化硼前體的優(yōu)勢(shì)的前體化合物，特別是當(dāng)四氟化二硼大于硼的天然豐度濃度或豐度比而同位素富集時(shí)。例如，所述同位素富集的四氟化二硼提供比三氟化硼——甚至當(dāng)三氟化硼自身是同位素富集的時(shí)——更高的射束流。同位素富集的四氟化二硼可在被設(shè)計(jì)使用三氟化硼的系統(tǒng)中使用，且不需要任何用于該調(diào)整的新的過(guò)程整合。

此外，由于硼-硼化學(xué)鍵的性質(zhì)，四氟化二硼比三氟化硼明顯更易于解離和電離。因此，使用四氟化二硼能夠?qū)崿F(xiàn)明顯更高的射束流?？梢允褂肁MU磁選機(jī)選擇與在相同離子注入設(shè)備中使用三氟化硼作為前體時(shí)所選擇的相同的注入用離子(¹¹B或¹¹BF₂)。此外，四氟化二硼可在安全性增加的容器中供應(yīng)，例如，壓力調(diào)節(jié)供應(yīng)容器，如那些以商標(biāo)VAC由ATMI,Inc.(Danbury,Connecticut,USA)市售可得的那些；或在含有吸附劑的供應(yīng)容器中，其中該吸附劑用作四氟化二硼的存儲(chǔ)介質(zhì)。

四氟化二硼是穩(wěn)定的可液化氣體，熔點(diǎn)為-56℃且標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-34℃，21℃下蒸汽壓為9.54bar。

為了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)四氟化二硼，在高溫下使硼與BF₃接觸產(chǎn)生中間體BF。然而該反應(yīng)可導(dǎo)致進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)腔堵塞。該堵塞進(jìn)而使反應(yīng)器無(wú)法運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，堵塞問(wèn)題以如下方式克服：將硼固體反應(yīng)物放置于表面有開(kāi)口的套(casing)中，該套的底部有保留結(jié)構(gòu)(retention structure)，該結(jié)構(gòu)支撐硼固體且將其保持在所述套的內(nèi)部容積中，同時(shí)使反應(yīng)性氣體流過(guò)所述保留結(jié)構(gòu)。所述套被插入反應(yīng)腔，所述反應(yīng)腔可以是例如由適當(dāng)材料如石墨形成的中空?qǐng)A柱體的形狀。該石墨圓柱體的內(nèi)徑大于所述套的直徑，從而圓柱體內(nèi)表面與套之間留有空間。在一個(gè)具體布置中，所述套和石墨圓柱體可相對(duì)于彼此同軸排列，從而在它們之間形成環(huán)形空間。所述圓柱體和套與一個(gè)冷阱直接流動(dòng)連通，所述冷阱通過(guò)適當(dāng)?shù)睦鋮s劑冷卻，如液氮或其他傳熱冷卻介質(zhì)，或其他制冷源。

在這種布置中，可以將硼固體裝入所述套中形成硼固體床，并將所述套放置在具有圓柱體形狀的石墨反應(yīng)腔內(nèi)。該組件可通過(guò)一個(gè)管懸掛，三氟化硼通過(guò)該管被運(yùn)至位于所述套預(yù)定部位的反應(yīng)區(qū)，使三氟化硼和硼固體在該反應(yīng)區(qū)反應(yīng)，產(chǎn)生氟化硼(BF)中間體。

BF中間體和未反應(yīng)的BF₃可由反應(yīng)區(qū)直接排入冷阱，或可首先排入反應(yīng)腔并隨后進(jìn)入冷阱。在該布置中的BF中間體和未反應(yīng)的BF₃在冷阱表面冷凝，同時(shí)BF與BF₃反應(yīng)形成B₂F₄。一旦冷凝了足夠量的BF、BF₃、和B₂F₄，停止反應(yīng)器并將冷阱升至更高溫度使反應(yīng)產(chǎn)物如B₂F₄和B_xF_y以及未反應(yīng)的BF₃蒸發(fā)。隨后將含B₂F₄的氣體混合物泵出冷阱并進(jìn)行回收處理如蒸餾以回收B₂F₄，BF₃被同時(shí)回收并循環(huán)回到反應(yīng)器或進(jìn)行其他處置或使用。

在該布置的具體實(shí)施方案中，三氟化硼通過(guò)硼固體床，此時(shí)反應(yīng)區(qū)處于最高達(dá)2200℃的升高的溫度下，例如1000℃至2200℃范圍內(nèi)的溫度。在具體應(yīng)用中可以使用的所述1000℃至2200℃寬范圍內(nèi)的溫度子范圍包括其中溫度下限可以具有任何適當(dāng)?shù)闹档淖臃秶鲞m當(dāng)?shù)闹道纾?000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃、1650℃、1700℃、1750℃、1800℃、1850℃、1900℃、1950℃、2000℃、2050℃、2100℃或2150℃，且其中所述子范圍的上限的值大于該子范圍的下限，例如，在具體實(shí)施方案中溫度上限為1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃、1650℃、1700℃、1750℃、1800℃、1850℃、1900℃、1950℃、2000℃、2050℃、2100℃、2150℃或2200℃。在廣泛實(shí)施本發(fā)明中可以使用其他溫度范圍來(lái)制備BF，或當(dāng)本文公開(kāi)的設(shè)備和方法用于其他中間體和最終產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)，可以使用其他適當(dāng)?shù)臏囟确秶?/p>

反應(yīng)區(qū)的位置可由套和反應(yīng)腔的幾何形狀、及其空間排列、以及反應(yīng)區(qū)內(nèi)的空間溫度分布而確定。

在具體實(shí)施方案中，硼固體與三氟化硼的反應(yīng)壓力可以是任何適當(dāng)數(shù)值，例如壓力范圍為10-⁶至1,000托。

用于形成中間體BF的硼固體可以具有任何適當(dāng)?shù)某叽绾托螤钐卣?，例如能使所述固體裝入置于反應(yīng)腔(BF₃輸送至此)內(nèi)的套的尺寸和形狀特征，從而使套內(nèi)的反應(yīng)性固體與三氟化硼充分接觸以制備所需量的氟化硼(BF)中間體。

根據(jù)反應(yīng)設(shè)備和用于將固體保持在反應(yīng)腔內(nèi)的套中的保留結(jié)構(gòu)的尺寸，硼固體可例如具有1mm至5cm以上的直徑或特征主要尺寸。保留結(jié)構(gòu)可以是任何一種或多種適當(dāng)?shù)念?lèi)型，包括例如篩形、柵格、棒形、偏置板(offset plates)形、杯形、金屬或非金屬毛塞。可以任意適當(dāng)?shù)哪苁笲F中間體由套排出從而使其在冷阱被捕獲的方式放置硼固體。

上述排列通過(guò)以下方式避免了堵塞：提供有效的出口用于BF由套和反應(yīng)腔排出，而不會(huì)顯著減小BF₃和B之間的接觸面積；且保持反應(yīng)腔和套中適當(dāng)?shù)臏囟确植紡亩磻?yīng)平衡

BF₃+2B<＝>3BF

保持在正向反應(yīng)方向上，從而避免由逆向反應(yīng)(即，逆反應(yīng))導(dǎo)致的硼金屬沉積引發(fā)的堵塞。

在一個(gè)具體實(shí)施方案中，將硼固體裝入圓柱體套中，該套也可由石墨、或其他適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料形成，且隨后將該套置于圓柱體反應(yīng)腔中，優(yōu)選地使該套位于圓柱形腔的中心，但也可使用其他非中心排列。在套下部有利地提供孔，從而使BF₃由套頂部進(jìn)入，穿過(guò)硼固體到達(dá)反應(yīng)區(qū)所位于的穿孔部分。在反應(yīng)區(qū)由BF₃和B反應(yīng)物反應(yīng)產(chǎn)生的BF由套的孔排出并隨后向下流進(jìn)冷阱。在套和反應(yīng)腔底部的堵塞通過(guò)在套和反應(yīng)腔之間提供間隙而減少。

包括套和反應(yīng)腔的反應(yīng)器組件的布置可采用水平或垂直取向或采用反應(yīng)器組件的水平和垂直方向之間任意角度的斜向取向。反應(yīng)腔內(nèi)放置的穿孔套的開(kāi)口形狀可以是均一或非均一的，且可以是圓形或可具有其他幾何形狀，與保持氟化硼和三氟化硼流出套的開(kāi)放通路且同時(shí)實(shí)現(xiàn)三氟化硼和硼固體之間適當(dāng)接觸的目標(biāo)相一致。硼固體的形狀和/或尺寸可以是均一或非均一的。

更通常地，反應(yīng)腔內(nèi)的套的開(kāi)口的特征，以及反應(yīng)中使用的硼固體的形貌、形狀、結(jié)晶度和尺寸是可以單獨(dú)或結(jié)合調(diào)整來(lái)使硼固體和三氟化硼之間的反應(yīng)最優(yōu)化的參數(shù)。

考慮到在其中三氟化硼和單質(zhì)硼反應(yīng)形成單氟化硼的高溫反應(yīng)器的下游提供的低溫反應(yīng)器(例如，冷阱)，應(yīng)當(dāng)注意的是冷阱的尺寸、形狀和特征是這樣的另外參數(shù)：可以調(diào)節(jié)該參數(shù)從而最佳地實(shí)現(xiàn)材料從由高溫反應(yīng)區(qū)流向冷阱的含有中間體的物流中更均勻的沉積，并在冷阱中保持適當(dāng)?shù)恼婵諚l件?？稍诶溱逯刑峁┭娱L(zhǎng)的表面結(jié)構(gòu)，例如，指形冷凍器、冷卻片等，從而提高用于冷凝從高溫反應(yīng)區(qū)流向冷阱的含有中間體的物流中的材料的表面積。

可以使用水定期清洗冷阱移除固體氟化硼殘?jiān)?，例如，式B_xF_y的高級(jí)/聚合氟化硼物質(zhì)，其中x和y具有化學(xué)計(jì)量上適當(dāng)?shù)臄?shù)值。在操作中，可以使用液氮或其他適當(dāng)?shù)睦鋬鰟├鋮s冷阱。當(dāng)使用液氮作為冷卻劑時(shí)，冷阱底部的溫度可以約為-196℃。

在具體實(shí)施方案中也可以操作冷阱使其中的三氟化硼預(yù)冷凝，由此當(dāng)含有中間體的反應(yīng)混合物隨后流至冷阱時(shí)，提高四氟化二硼的產(chǎn)生。

提取的或由冷阱卸出的反應(yīng)產(chǎn)物混合物中可包含5％、10％、20％、30％、40％、50％或更高濃度的四氟化二硼，且剩余部分為三氟化硼和痕量可揮發(fā)的重質(zhì)硼氟化物。

可以各種具體特征并在各種用于高效連續(xù)運(yùn)行的具體布置中使用本發(fā)明的反應(yīng)系統(tǒng)，例如，代替含有單一反應(yīng)腔和裝載硼的單一的套的反應(yīng)器，高溫反應(yīng)器組件可以具有可相互獨(dú)立地運(yùn)行、維持、和重新裝填的多個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)腔和多個(gè)套。

考慮到用于通過(guò)單氟化硼和三氟化硼反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生四氟化二硼的低溫反應(yīng)器，該反應(yīng)器可作為包含充分冷卻的表面元件——如板元件或具有延長(zhǎng)表面的板元件——的冷阱，所述元件被移至冷阱腔內(nèi)接收和冷凝BF、BF₃和B₂F₄。一旦該接收板元件被經(jīng)冷凝的材料充分覆蓋，則將其由腔室移出并用新的接收板元件替代。

在另一布置中，高溫組件可位于反應(yīng)器內(nèi)的低溫隔間冷阱之上。該組件可以任何適當(dāng)?shù)姆绞睫D(zhuǎn)化為反應(yīng)器的不同隔間，且特定的冷阱隔間以相對(duì)于反應(yīng)器其余部分隔離的狀態(tài)沉積BF、BF₃和B₂F₄(例如，對(duì)反應(yīng)器其余部分進(jìn)行清洗或“卸出”已經(jīng)在其他冷阱隔間沉積的冷凝產(chǎn)物)。

反應(yīng)器系統(tǒng)包括用于固體/流體反應(yīng)形成中間體的高溫組件，和用于流體與中間體進(jìn)一步反應(yīng)的冷阱，所述反應(yīng)器系統(tǒng)可具有任何適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?、尺寸和?guī)模，其中反應(yīng)區(qū)和冷阱處于流體流動(dòng)連通，使含有中間產(chǎn)物的氣體混合物流入冷阱區(qū)進(jìn)一步反應(yīng)形成最終產(chǎn)物。

現(xiàn)在參考附圖，圖1是用于使固體反應(yīng)物10與流體(“反應(yīng)物流體”)反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖。在該布置中，高溫組件包括反應(yīng)腔12，其含有裝載反應(yīng)性固體10的套13。反應(yīng)物氣體通過(guò)入口14被引入反應(yīng)性固體床。以任何適當(dāng)?shù)姆绞綖榻M件提供熱量從而在所述組件內(nèi)實(shí)現(xiàn)有利的溫度空間分布并產(chǎn)生反應(yīng)區(qū)14，在該反應(yīng)區(qū)14形成中間產(chǎn)物。反應(yīng)區(qū)的位置由反應(yīng)腔12、套13的幾何形狀、以及溫度分布決定。中間產(chǎn)物和未反應(yīng)的流體通過(guò)套上的穿孔15從反應(yīng)區(qū)排出并流出反應(yīng)腔流入冷阱16。在冷阱中，中間產(chǎn)物與反應(yīng)物氣體反應(yīng)形成最終產(chǎn)物。

在具體實(shí)施方案中，反應(yīng)物氣體和中間產(chǎn)物的反應(yīng)是可逆的，且使反應(yīng)物氣體和中間產(chǎn)物以受控速率或受控方式流至第二反應(yīng)區(qū)(冷阱16)從而抑制形成反應(yīng)性固體的逆反應(yīng)。

在另一實(shí)施方案中，示于圖2，將BF₃通入延長(zhǎng)的高溫組件與加熱至適當(dāng)溫度的硼金屬固體顆粒反應(yīng)。在該布置中的硼金屬固體顆粒被供給至套中，該套與其周?chē)膱A柱形反應(yīng)器外殼同軸。在套中的反應(yīng)區(qū)中，硼金屬和三氟化硼反應(yīng)形成BF，且BF和未反應(yīng)的BF₃由反應(yīng)區(qū)排出。

套可以是多孔的，或其中可具有開(kāi)口。例如，所述套可在其側(cè)壁具有任何適當(dāng)尺寸、形狀和特征的開(kāi)口。在一個(gè)實(shí)施方案中，沿著套的表面形成多個(gè)開(kāi)口。所述多個(gè)開(kāi)口可具有沿著預(yù)定方向可變的尺寸。開(kāi)口的尺寸沿著該預(yù)定方向可以增大或減小?？梢匀魏芜m當(dāng)?shù)姆绞讲贾瞄_(kāi)口從而使反應(yīng)室中所需中間體BF的生產(chǎn)最大化。

高溫組件可以是水平方向、垂直方向或其間的任何角度方向的取向。

應(yīng)認(rèn)識(shí)到，用于使三氟化硼與硼金屬固體接觸的反應(yīng)區(qū)可以具有多種不同的布置和構(gòu)造中的任一種，僅需要的是四氟化二硼生產(chǎn)設(shè)備包括用于形成氣態(tài)形式的單氟化硼中間體的高溫反應(yīng)區(qū)，以及其中單氟化硼冷凝成固體形式并與可用的三氟化硼反應(yīng)形成四氟化二硼的低溫回收區(qū)。

還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，前述和隨后的公開(kāi)主要針對(duì)四氟化二硼的合成，本發(fā)明的設(shè)備和方法可用于合成各種不同的由固體反應(yīng)物與反應(yīng)性氣體形成的中間體化合物，從而產(chǎn)生可冷凝為液態(tài)或固態(tài)形式的氣體產(chǎn)物，在所述液態(tài)或固態(tài)形式下液體或固體與可用氣體進(jìn)一步反應(yīng)形成最終產(chǎn)物。

作為示出的具體布置的替代方案，不是如所示將套中的固體裝入套的內(nèi)部容積，而是將其裝入套和反應(yīng)腔壁之間的環(huán)形空間，或另外可以支撐固體以暴露于氣體反應(yīng)物。

套和反應(yīng)腔可有利地由石墨或其他碳質(zhì)材料形成。石墨之所以優(yōu)選是因?yàn)樵谑锌扇菀椎禺a(chǎn)生電阻熱，如通過(guò)由圍繞圓柱形腔室和含有反應(yīng)性固體的套的電線圈的射頻(RF)場(chǎng)產(chǎn)生的振蕩電流產(chǎn)生。RF線圈為實(shí)現(xiàn)三氟化硼與硼固體在含有所述固體的套中反應(yīng)所需的高溫提供了簡(jiǎn)單有效的布置。前述套可以是多孔的，由多孔吸附滲透性材料構(gòu)成，或其中帶有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口用于排出在其中的高溫反應(yīng)中形成的中間體。

盡管石墨優(yōu)選用于構(gòu)成含有硼固體的套，但也可以使用陶瓷或其他高溫材料，只要它們耐受最高達(dá)2000℃的溫度，且在感興趣的整個(gè)溫度范圍對(duì)三氟化硼是惰性的。

因此，在本發(fā)明的范圍內(nèi)提出各種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其中三氟化硼與單質(zhì)硼在高溫下反應(yīng)形成單氟化硼，且得到的單氟化硼與三氟化硼在低溫——例如深冷溫度下——反應(yīng)形成四氟化二硼(B₂F₄)和重質(zhì)硼氟化合物。由于三氟化硼與單質(zhì)硼的反應(yīng)是可逆的，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)理想地適用于以任何適當(dāng)?shù)目刂葡鄳?yīng)反應(yīng)有利于BF生產(chǎn)的方式使中間體單氟化硼的生產(chǎn)最大化。

在各種實(shí)施方案中，提供界定了內(nèi)部反應(yīng)腔的垂直延長(zhǎng)的反應(yīng)器作為高溫反應(yīng)器，在所述內(nèi)部反應(yīng)腔中，包含于套中的單質(zhì)硼固體可以向下流動(dòng)的運(yùn)行模式與在反應(yīng)器頂端引入的三氟化硼接觸，而包含BF和未反應(yīng)BF₃的反應(yīng)產(chǎn)物在反應(yīng)器底端排出。為了控制反應(yīng)并使BF產(chǎn)生最大化，可設(shè)置另一個(gè)三氟化硼入口，從而在垂直反應(yīng)器的中間部位引入三氟化硼，從而通過(guò)過(guò)量加入的三氟化硼使反應(yīng)正向進(jìn)行。

除了用于三氟化硼氣體與硼固體接觸的單程(通過(guò)一次)流動(dòng)布置外，本發(fā)明考慮提供以下布置：三氟化硼再循環(huán)，并通過(guò)在再循環(huán)回路中加入的補(bǔ)充三氟化硼而增多三氟化硼，以實(shí)現(xiàn)氟化硼(BF)的高速連續(xù)產(chǎn)生。

本發(fā)明也考慮提供多程高溫反應(yīng)區(qū)，其中三氟化硼氣體與硼固體沿著延長(zhǎng)的包含反應(yīng)物氣體與反應(yīng)性固體的多程的流動(dòng)通路而接觸。這類(lèi)高溫反應(yīng)區(qū)的示例實(shí)例示于圖3。如圖3所示，三氟化硼反應(yīng)物氣體在外殼的頂端進(jìn)入高溫反應(yīng)區(qū)。殼體的內(nèi)部容積中具有倒置杯形擋板結(jié)構(gòu)，且在倒置杯形擋板結(jié)構(gòu)中裝有最終程管狀流動(dòng)通路，且殼體內(nèi)部的全部容積被反應(yīng)性固體(含硼固體)充滿。由該最終程管狀流動(dòng)通路，單氟化硼(BF)和未反應(yīng)的三氟化硼在殼體底端排出。

與先前討論一致，在本發(fā)明的多種實(shí)施中使用的反應(yīng)性固體可以任何尺寸的顆?；蚍沁B續(xù)的形式，包括粉末、顆粒、丸狀、片狀、底物載體顆粒上的固體膜等提供。此外，可以使用多峰顆粒尺寸分布，以減小固體反應(yīng)性顆粒床的空隙體積，并使其中裝有固體反應(yīng)性顆粒床的套的每單位體積的反應(yīng)性固體量最大化。

在用于冷凝固態(tài)中間體(BF)的低溫區(qū)，述及液氮作為示例冷卻劑。在具體應(yīng)用中可以使用其他冷凍介質(zhì)，包括但不限于，液氧、液氦等。

關(guān)于將石墨材料用于反應(yīng)物氣體通過(guò)的反應(yīng)性固體接觸區(qū)，以及將RF線圈用于電阻加熱該石墨材料至反應(yīng)溫度，應(yīng)當(dāng)了解線圈間距、直徑、形狀、多個(gè)線圈的使用等將影響所施加的RF場(chǎng)的幾何形狀和強(qiáng)度。為了實(shí)現(xiàn)作為反應(yīng)性固體與反應(yīng)物氣體在反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物的BF中間體的有效生產(chǎn)，基于本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容，在本領(lǐng)域技術(shù)范圍內(nèi)，可以適當(dāng)?shù)貥?gòu)建并排布RF線圈以在高溫反應(yīng)區(qū)內(nèi)部提供有效的軸向和徑向溫度分布。

通常，在低溫反應(yīng)區(qū)(冷阱)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物可進(jìn)行任何適當(dāng)?shù)幕厥占夹g(shù)和方法，從而回收想要的產(chǎn)物?；厥湛砂殡S各種類(lèi)型的純化技術(shù)以得到想要的產(chǎn)物，例如高純度和高含量的B₂F₄。例如，由低溫反應(yīng)區(qū)回收最終產(chǎn)物可通過(guò)使用低溫蒸餾和/或阱到阱分離技術(shù)而進(jìn)行。

在本發(fā)明的具體實(shí)施方案中可回收來(lái)自低溫反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物組分。例如，來(lái)自低溫反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物混合物的B_xF_y組分可被加熱，分解形成作為低溫反應(yīng)區(qū)反應(yīng)過(guò)程的回收副產(chǎn)物的固體硼。

此外，在低溫反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物混合物可以進(jìn)行同位素分離，以提供超過(guò)天然豐度而富集¹¹B的四氟化二硼，作為可在如離子注入過(guò)程的應(yīng)用中相當(dāng)有用的產(chǎn)物。在該過(guò)程中，可以使用AMU磁選機(jī)分離來(lái)選擇含有¹¹B的離子或離子片段，以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)如更高的離子束流。同位素富集的四氟化二硼也可在等離子體浸沒(méi)注入方法，以及其他類(lèi)型的離子注入中使用。

更通常地，本發(fā)明的設(shè)備和方法可用于制備其中¹⁰B和¹¹B之一超過(guò)天然豐度而同位素富集的各種硼化合物。這類(lèi)硼化合物可用于電離產(chǎn)生離子物質(zhì)，例如選自B₂F₄₊、B₂F₃₊、B₂F₂₊、BF₃₊、BF₂⁺、BF⁺、B⁺、F⁺、B₂F₄⁺⁺、B₂F₃⁺⁺、B₂F₂⁺⁺、BF₃⁺⁺、BF₂⁺⁺、BF⁺⁺、B⁺⁺、F⁺⁺、B₂F₄⁺⁺⁺、B₂F₃⁺⁺⁺、B₂F₂⁺⁺⁺、BF₃⁺⁺⁺、BF₂⁺⁺⁺、BF⁺⁺⁺、B⁺⁺⁺、和F⁺⁺⁺及其混合物中的一種或多種離子物質(zhì)，其中含硼部分超過(guò)¹⁰B或¹¹B的天然豐度而同位素富集。

各種不同類(lèi)型的含硼化合物可使用與反應(yīng)物氣體接觸的硼固體合成，并可含有任何數(shù)量的硼原子。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述含硼化合物含有至少兩個(gè)硼原子。在另一實(shí)施方案中，所述含硼化合物含有2至80個(gè)硼原子，包括二硼化合物如B₂F₄、三硼化合物、四硼化合物如(F₂B)₃BCO、五硼化合物、六硼化合物、七硼化合物、八硼化合物、九硼化合物、十硼化合物、十一硼化合物、十二硼化合物等，最高達(dá)B₈₀化合物如富勒烯的B₈₀類(lèi)似物。

在其他實(shí)施方案中，含硼化合物可包含2、3、4、5、6、7、8、9、10、或11個(gè)硼原子。另外的實(shí)施方案可包括硼簇(cluster boron)化合物。在其他實(shí)施方案中，含硼化合物可以是二硼化合物。在其他實(shí)施方案中，含硼化合物可包括除了特定含硼化合物外的二硼化合物，例如除了乙硼烷外的二硼化合物。因此應(yīng)當(dāng)了解本發(fā)明考慮各種類(lèi)型的含硼化物，包括在本發(fā)明的寬泛范圍內(nèi)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，包括根據(jù)本發(fā)明合成同位素富集的含硼化合物，想要的同位素是原子量10的硼且天然豐度濃度為約19.9％。在該硼化合物中，原子量10的硼同位素在具體組成方案中的濃度例如大于19.9％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.9％、或99.99％。例如，原子量10的硼同位素的濃度可以為20-25％、25-30％、30-35％、35-40％、40-45％、45-50％、50-55％、55-60％、60-65％、65-70％、70-75％、75-80％、80-85％、85-90％、90-95％、95-99％或95-99.9％。在其他實(shí)施方案中，原子量10的硼同位素的濃度可以為20-30％、30-40％、40-50％、50-60％、60-70％、70-80％、80-90％、或90-99％。在這些不同實(shí)施方案中，含硼化物含有兩個(gè)硼原子。本文中所有同位素百分比是摩爾百分比。

在另一實(shí)施方案中，包括根據(jù)本發(fā)明合成同位素富集的含硼化合物，想要的同位素是原子量11的硼且天然豐度濃度為約80.1％。在該硼化合物中，原子量11的硼同位素在具體組成方案中的濃度例如大于80.1％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.9％或99.99％。例如，原子量11的硼同位素的濃度可以為81-85％、85-90％、90-95％、95-99％、95-99.9％。在具體實(shí)施方案中，原子量11的硼同位素的濃度可以為81-90％或90-99％。在這些不同實(shí)施方案中，含硼化物含有兩個(gè)硼原子。

在包括上述同位素富集的含硼化合物的多種實(shí)施方案中，如根據(jù)本發(fā)明所制備的，含硼化合物具有化學(xué)式B₂F₄。在合成上述同位素富集的含硼化合物的各種其他實(shí)施方案中，含硼化物可包含任何適當(dāng)數(shù)量的硼原子，例如3、4、5、6、7、8、9、10、或11個(gè)硼原子。

根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的含硼化合物可在許多不同應(yīng)用中使用，包括用作離子注入用前體化合物，其中含硼化合物電離產(chǎn)生硼離子，其隨后被注入基板。

盡管在用于通過(guò)固態(tài)硼與三氟化硼反應(yīng)形成單氟化硼的高溫反應(yīng)器的表面發(fā)生沉積的概率較低，但一些殘余物仍將在反應(yīng)器內(nèi)形成并在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后堆積，需要定期清洗反應(yīng)器。這種清洗可以任何適當(dāng)?shù)姆绞?，使用任何適當(dāng)?shù)那逑粗苿┻M(jìn)行。在各種實(shí)施方案中，反應(yīng)器表面的清洗可以使用汽相清洗劑如氟、二氟化氙、三氟化氮等進(jìn)行，該清洗劑可進(jìn)行或無(wú)需進(jìn)行等離子體活化。

根據(jù)本發(fā)明，低溫反應(yīng)區(qū)可以各種方式擴(kuò)大以移除反應(yīng)產(chǎn)物混合物的特定成分，如可能對(duì)下游泵、壓縮機(jī)或其他流路部件有害的物質(zhì)?？梢蕴峁┒鄠€(gè)阱用于產(chǎn)物回收。

在具體裝置布局中，本發(fā)明的高溫組件可通過(guò)軸懸掛，反應(yīng)腔安裝在該軸上并設(shè)置為當(dāng)加熱該腔室時(shí)同時(shí)加熱該軸。這有益于預(yù)熱反應(yīng)物氣體BF₃，且該預(yù)熱可通過(guò)專(zhuān)用加熱器或換熱裝置進(jìn)一步增強(qiáng)，用于將反應(yīng)物氣體溫度升高至想要水平。

本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)可采用任何適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)和控制部件、組件和配置，從而在處理進(jìn)料氣體過(guò)程中實(shí)現(xiàn)想要的運(yùn)行條件，所述進(jìn)料氣體用于與反應(yīng)性固體接觸形成中間產(chǎn)物，且該中間產(chǎn)物隨后反應(yīng)得到最終產(chǎn)物。例如，可監(jiān)測(cè)冷阱壓力以確保冷阱中保持一致的低真空條件，并且可以使用流量控制器如質(zhì)量流量控制器、流量控制閥、限流孔板元件、氣體流量調(diào)節(jié)器、壓力開(kāi)關(guān)等調(diào)節(jié)反應(yīng)物氣體流量至高溫反應(yīng)區(qū)與反應(yīng)性固體接觸。通常，可以采用任何適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)和控制布置，其有利地用于運(yùn)行反應(yīng)系統(tǒng)，從而得到具有適當(dāng)特征的中間體和最終產(chǎn)物。

因此，可以使用監(jiān)測(cè)和控制部件、組件和布置來(lái)控制反應(yīng)性固體接觸反應(yīng)區(qū)，以及用于生產(chǎn)最終產(chǎn)物的中間產(chǎn)物加工區(qū)內(nèi)的溫度和壓力?；蛘撸梢允褂闷渌O(jiān)測(cè)和控制方式調(diào)節(jié)其他系統(tǒng)變量和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)加工系統(tǒng)的有利運(yùn)行。

高溫反應(yīng)區(qū)使用的反應(yīng)性固體可以是任何適當(dāng)?shù)念?lèi)型。在生產(chǎn)硼化合物如四氟化二硼中，已經(jīng)示例地描述固態(tài)硼作為適當(dāng)?shù)墓腆w反應(yīng)物。在其他實(shí)施方案中，有利的是使用除了硼金屬以外的反應(yīng)性固體用于接觸。例如，碳化硼、硅化硼、或其他硼化合物可用作生產(chǎn)隨后加工形成最終產(chǎn)物的中間產(chǎn)物的反應(yīng)性固體。

因此，應(yīng)當(dāng)了解本發(fā)明可以各種不同形式實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的設(shè)備和方法的各種方面和特征在下文概述。

一方面，本發(fā)明考慮一種設(shè)備，包括

反應(yīng)區(qū)，用于氣體試劑與固體材料在有效形成中間物質(zhì)的溫度和壓力條件下接觸；和

開(kāi)口，用于使氣體試劑的未反應(yīng)部分和中間體物質(zhì)離開(kāi)反應(yīng)區(qū)，其中開(kāi)口適于在設(shè)備運(yùn)行中防止其堵塞。

在具體實(shí)施方案中，可由單一開(kāi)口或由多個(gè)開(kāi)口不同地構(gòu)成開(kāi)口以適應(yīng)由反應(yīng)區(qū)排出中間體物質(zhì)和未反應(yīng)氣體試劑。開(kāi)口可由以下結(jié)構(gòu)構(gòu)成：管腔或通道、或其他能指定排出中間體物質(zhì)和未反應(yīng)氣體試劑例如至其他反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)配置，在所述其他反應(yīng)器中，中間體物質(zhì)和未反應(yīng)氣體試劑進(jìn)一步反應(yīng)形成最終產(chǎn)物。

所述設(shè)備可包括過(guò)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)被構(gòu)建并配置為建立并保持反應(yīng)區(qū)域內(nèi)所選的溫度和壓力條件，例如，反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的壓力在所選的范圍內(nèi)，和/或反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的溫度在1000℃至2200℃內(nèi)。反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的壓力可保持在任何適當(dāng)?shù)乃?。在各種實(shí)施方案中，反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的壓力可以為10^-6至1,000托，且更優(yōu)選0.10托至10托。從反應(yīng)區(qū)域上游部分至下游部分存在壓力梯度。在一個(gè)具體實(shí)施例中，反應(yīng)區(qū)域在圓柱形反應(yīng)器殼體的內(nèi)部容積中，在各個(gè)實(shí)施方案中在圓柱體出口處的壓力可為10^-2至10^-3托。

可以選擇氣體試劑的流速以提供生產(chǎn)中間產(chǎn)物的適當(dāng)水平。在一個(gè)實(shí)施方案中，其中氣體試劑是三氟化硼，流速可以為500sccm至1200sccm，或在更有效冷卻下甚至更高，且可以改變流動(dòng)方向使與反應(yīng)性固體的接觸最優(yōu)化。隨著擴(kuò)大至大尺寸反應(yīng)器，可以使用相應(yīng)地更大的BF₃流量。

所述設(shè)備還可包括用于加熱反應(yīng)區(qū)域的熱源。例如，所述熱源可適于通過(guò)包括至少一種如下的加熱方式保持反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的預(yù)定溫度，所述加熱方式為傳導(dǎo)加熱、感應(yīng)加熱、對(duì)流加熱、電阻加熱和輻射加熱。在這方面熱源可適于保持可有效防止反應(yīng)區(qū)域中的材料沉積和/或冷凝的反應(yīng)區(qū)域溫度，例如反應(yīng)區(qū)域溫度為1000℃至2200℃。

在具體實(shí)施方案中，用于排出來(lái)自反應(yīng)區(qū)域的中間體和未反應(yīng)氣體反應(yīng)物的開(kāi)口可加熱至預(yù)定溫度，從而防止可冷凝或可凝固材料在該開(kāi)口積聚。

用于產(chǎn)生中間體的設(shè)備可包括反應(yīng)室，該反應(yīng)室包含反應(yīng)區(qū)域或被包含于反應(yīng)區(qū)域內(nèi)。該反應(yīng)室可包括沿其表面形成的多個(gè)開(kāi)口。如前文討論，所述多個(gè)開(kāi)口可具有沿預(yù)定方向可變的尺寸，例如，沿預(yù)定方向尺寸增大或沿預(yù)定方向尺寸減小。反應(yīng)室可由包括石墨的材料形成。具體實(shí)施方案中設(shè)備可包括氣流通道用于氣體反應(yīng)物流至反應(yīng)室。

在設(shè)備中，上述開(kāi)口可與氣體試劑引入方向同軸，或可與其非同軸。

在設(shè)備的具體實(shí)施方案中，氣體試劑包括BF₃且固體材料包括硼金屬。BF₃可包括¹⁰B或¹¹B同位素富集的BF₃。硼金屬或其他反應(yīng)性含硼材料可獨(dú)立地為¹⁰B或¹¹B同位素富集。

在設(shè)備中，固體材料可以是離散顆粒的形式。所述離散顆粒可進(jìn)行篩分和塑形，以相對(duì)于未篩分和塑形的離散顆粒所實(shí)現(xiàn)的接觸程度增大與氣體試劑的接觸。離散顆?？砂ň哂羞x自球形、圓柱形、不規(guī)則形、立方體形、錐形、盤(pán)形、粒形、及其結(jié)合的形狀的顆粒。

在設(shè)備中，固體試劑可以是顆?；蚍勰┬问健?/p>

在上述設(shè)備的任何實(shí)施方案中，所述設(shè)備還可包括低溫區(qū)，用于進(jìn)行中間體物質(zhì)與氣體試劑未反應(yīng)部分的反應(yīng)生產(chǎn)反應(yīng)產(chǎn)物。這類(lèi)設(shè)備可包括過(guò)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為實(shí)現(xiàn)選定的低溫區(qū)的溫度和壓力條件，例如，深冷溫度范圍內(nèi)的溫度和真空壓力范圍內(nèi)的壓力。

在設(shè)備中，低溫區(qū)可通過(guò)液氮冷卻。

可設(shè)置設(shè)備，使中間體物質(zhì)與氣體試劑未反應(yīng)部分的反應(yīng)發(fā)生在低溫區(qū)的表面處或表面上，且所述設(shè)備還包括用于冷卻低溫區(qū)的冷卻器?？深~外或替代地設(shè)置設(shè)備使氣體試劑和中間體物質(zhì)進(jìn)行冷凝。

設(shè)備還可包括通路，用于額外的氣體試劑流入低溫區(qū)以驅(qū)動(dòng)其中的反應(yīng)得到想要的反應(yīng)產(chǎn)物。

在設(shè)備中，中間體物質(zhì)與氣體試劑未反應(yīng)部分之間的反應(yīng)發(fā)生在低溫區(qū)的表面處或表面上時(shí)，該設(shè)備還可包括用于冷卻低溫區(qū)的表面上的延長(zhǎng)的表面結(jié)構(gòu)或與用于冷卻低溫區(qū)的表面相連的延長(zhǎng)的表面結(jié)構(gòu)。

也可以設(shè)置設(shè)備使低溫區(qū)包括用于由在中間體物質(zhì)與氣體試劑未反應(yīng)部分之間的反應(yīng)中產(chǎn)生的混合物回收反應(yīng)產(chǎn)物的回收裝置。在一個(gè)實(shí)施方案中該回收裝置包括低溫蒸餾裝置。在另一實(shí)施方案中，低溫區(qū)包括一個(gè)冷阱且回收裝置包括至少一個(gè)另外的冷阱。可以設(shè)置設(shè)備使反應(yīng)區(qū)域的至少一個(gè)部分與低溫區(qū)之間絕熱。

設(shè)備可以構(gòu)成為其中包含含硼組合物或含硼殘?jiān)绾兄辽貰F₃和B₂F₄之一的含硼組合物。

可以設(shè)置設(shè)備使反應(yīng)區(qū)和低溫區(qū)各自由彼此之間氣體流動(dòng)連通的反應(yīng)室界定。

設(shè)備可以構(gòu)建為，反應(yīng)區(qū)設(shè)置為氣體試劑和固體材料多程接觸。

可以設(shè)置設(shè)備為包括兩個(gè)以上適于在所選的反應(yīng)區(qū)補(bǔ)充固體材料而不打斷設(shè)備運(yùn)行的反應(yīng)區(qū)。在該設(shè)備中，所述兩個(gè)以上反應(yīng)區(qū)可以間隔的關(guān)系、例如等間隔的關(guān)系排布。所述兩個(gè)以上反應(yīng)區(qū)可以設(shè)置為與低溫區(qū)內(nèi)腔流體連通，并可由低溫區(qū)外表面徑向向外延伸。

本申請(qǐng)也考慮一種形成作為中間產(chǎn)物與反應(yīng)物氣體的反應(yīng)產(chǎn)物的最終產(chǎn)物的方法，其中中間產(chǎn)物是反應(yīng)物氣體與反應(yīng)性固體的氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物，其中該方法包括在第一反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)物氣體和反應(yīng)性固體的反應(yīng)，并在第二反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)物氣體和中間產(chǎn)物的反應(yīng)，其中第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)物氣體與反應(yīng)性固體的反應(yīng)是可逆的，且其中未反應(yīng)的反應(yīng)物氣體和中間產(chǎn)物以受控速率或以受控方式流至第二反應(yīng)區(qū)。

在這種方法中，可以在1000℃至2200℃范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行第一反應(yīng)區(qū)，且可在深冷溫度下運(yùn)行第二反應(yīng)區(qū)。

可進(jìn)行該方法，其中反應(yīng)物氣體和中間產(chǎn)物流至沿第一反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度方向間隔開(kāi)的第二反應(yīng)區(qū)。

在本方法的具體實(shí)施方案中，反應(yīng)物氣體含有三氟化硼，反應(yīng)性固體含有硼，中間產(chǎn)物含有單氟化硼，且最終產(chǎn)物包含四氟化二硼。

在具體實(shí)施方案中，可進(jìn)行所述方法，其中至少反應(yīng)物氣體和反應(yīng)性固體之一含有¹⁰B和¹¹B之一超過(guò)天然豐度而同位素富集的含硼材料。含硼材料可例如是¹⁰B超過(guò)天然豐度而同位素富集，或可以是¹¹B超過(guò)天然豐度而同位素富集。

本發(fā)明的方法可以包括定期清洗至少第一和第二反應(yīng)區(qū)之一的方式實(shí)施。該清洗可例如包括使用二氟化氙作為清洗劑。

可進(jìn)行該方法，以包括從通過(guò)反應(yīng)物氣體與中間產(chǎn)物在第二反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)混合物回收最終產(chǎn)物。所述B₂F₄的回收和純化可包括最終產(chǎn)物的低溫蒸餾，或阱到阱回收。

圖4和5示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的示例阱到阱回收裝置，其可用于提高含B₂F₄粗反應(yīng)產(chǎn)物混合物的純度。該粗反應(yīng)產(chǎn)物混合物可例如含有25重量％的B₂F₄和75重量％的BF₃。圖4中示出的裝置可用于處理所述粗反應(yīng)產(chǎn)物混合物，將B₂F₄的純度由初始的25％純度，提高至90％純度，隨后90％純度的B₂F₄/BF₃混合物可通過(guò)圖5示出的設(shè)備進(jìn)一步處理將B₂F₄的純度由初始的90％提高至99.9％純度。

在圖4裝置中，粗反應(yīng)產(chǎn)物B₂F₄/BF₃混合物(“來(lái)自反應(yīng)器”)流過(guò)入口管線(其包含流量控制閥AV-1)進(jìn)入阱1的容器30。阱1保持在適于B₂F₄比BF₃優(yōu)先冷凝的溫度下。為了維持優(yōu)先捕獲B₂F₄，反應(yīng)器在能夠提供氣體混合物流入阱1的最佳流量的壓力下運(yùn)行。由阱1的容器30，氣體混合物從包含閥AV-13的排出管線中流至包含容器旁通閥AV-9、AV-10、和AV-11的歧管線，且該歧管線分別與包含閥AV-22和AV-25的排氣/回收管線相連。

為了捕獲通過(guò)阱1的B₂F₄，歧管線中來(lái)自阱1的氣體混合物由入口管線(其包含流量控制閥AV-14)流入阱2的容器32，且氣體混合物由阱2的容器32，在包含閥AV-15的排出管線中流至歧管線，并隨后在含有流量控制閥AV-16的入口管線中流入阱3的容器34。阱2和阱3保持在適于進(jìn)一步優(yōu)先冷凝B₂F₄的溫度下?；居葿F₃組成的B₂F₄耗盡氣體由容器34在包含閥AV-17的排出管線中流入歧管線，并由歧管線流入BF₃收集容器44(為此閥AV-19和MV-3打開(kāi)，且閥AV-9、AV-10、AV-11、AV-18、AV-22和AV-25在粗反應(yīng)器排出氣體混合物通過(guò)阱1-3的過(guò)程中關(guān)閉)。

在粗反應(yīng)器排出氣體混合物連續(xù)流過(guò)阱1-3的過(guò)程中，BF₃收集容器保持在適于BF₃冷凝的溫度下。在粗反應(yīng)器排出氣體混合物連續(xù)流過(guò)阱1-3的過(guò)程中，B₂F₄和B_xF_y在三個(gè)阱中作為固體捕獲，且BF₃流動(dòng)直至在BF₃收集容器被捕獲。該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行直至所有的粗反應(yīng)器排出物從反應(yīng)器中移出。

一旦粗反應(yīng)器排出物轉(zhuǎn)移至圖4系統(tǒng)的過(guò)程結(jié)束，反應(yīng)器隔絕其他流動(dòng)，且BF₃收集容器的閥頭組件中的閥關(guān)閉。一個(gè)或多個(gè)B₂F₄收集容器(示于圖4，作為包括容器36、38、40、和42的容器陣列)冷卻并保持在-195℃溫度下。

包括容器30、32和34的三個(gè)阱隨后緩慢升溫，使固態(tài)B₂F₄蒸發(fā)并流入B₂F₄收集容器，使大部分B_xF_y化合物留在阱中。容器陣列中的B₂F₄收集容器可順序或同時(shí)填充由阱系統(tǒng)提取的B₂F₄。在阱中冷凝的B₂F₄的純度可通過(guò)改變阱溫度、反應(yīng)器壓力和線路設(shè)計(jì)(例如管直徑、阱長(zhǎng)寬比等)最優(yōu)化，然而，一般達(dá)到純度大于90％。

隨后，含有B_xF_y化合物的阱可進(jìn)一步加熱以回收這類(lèi)化合物，其可隨后再循環(huán)、進(jìn)一步處理、或進(jìn)行其他處置或使用。

或者，可以在從反應(yīng)器蒸發(fā)的氣體混合物的管線內(nèi)安裝額外的阱系統(tǒng)，并冷卻至對(duì)于優(yōu)先捕獲BxFy最佳的溫度。

90％+純度的B₂F₄隨后通過(guò)在圖5設(shè)備中處理而純化至更高純度。一旦充滿90％+純度的B₂F₄，將B₂F₄收集容器由圖4系統(tǒng)中的收集歧管中移出，冷卻并保持在BF₃和B₂F₄飽和蒸汽壓之比對(duì)于有效選擇移除BF₃最佳的溫度。

圖5示出冷浴室52中的示例B₂F₄收集容器54。冷浴室52可充滿冷凍劑，或可冷卻從而將B₂F₄收集容器的溫度保持在適當(dāng)水平上，在該水平上可減小B₂F₄濃度從而優(yōu)先移除BF₃。隨后打開(kāi)容器54的閥頭組件55中的閥，BF₃富集的氣體混合通過(guò)排出管線56和流量控制閥60流至阱室70、72和74中的一系列容器。阱室含有制冷劑或以其他方式冷卻從而保持其中的容器溫度在適于優(yōu)先再捕獲從收集容器與BF₃一起移除的B₂F₄的水平上，且阱室70包含容器64和66，阱室72包含容器76和78，阱室74包含容器80和82。各個(gè)容器通過(guò)歧管區(qū)塊86以設(shè)置歧管的方式相互連接，流路在阱室中連接各個(gè)容器。

含有90％+B₂F₄的氣體混合物中的少量BF₃通過(guò)以下方式捕獲：流過(guò)各個(gè)阱以及歧管區(qū)塊86流路進(jìn)入管線88(含有流量控制閥90和92)，最后到達(dá)BF₃捕獲容器96進(jìn)入冷浴室98，且為此容器96的閥頭94中的閥打開(kāi)。冷浴室含有制冷劑或以其他方式冷卻從而使BF₃捕獲容器96的溫度保持在對(duì)BF₃冷凝最佳的水平上。

隨后隔離該系統(tǒng)并關(guān)閉各個(gè)容器，隨后將B₂F₄收集容器加熱至室溫。

隨后重復(fù)前述循環(huán)直到達(dá)到想要的B₂F₄純度。為此回收B₂F₄的純度可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)姆治黾夹g(shù)或儀器(如FT-IR分析儀)分析。通過(guò)圖5的處理系統(tǒng)，90％+B₂F₄氣體的純度可增大至99％+。

在另一實(shí)施方案中，最終產(chǎn)物可用作前體以產(chǎn)生離子注入物質(zhì)，例如，用于束線離子注入機(jī)或等離子體浸沒(méi)離子注入系統(tǒng)。等離子體浸沒(méi)離子注入有時(shí)被稱(chēng)為PLAD或Piii。這類(lèi)離子注入物質(zhì)可被注入基板。等離子體注入系統(tǒng)不使用質(zhì)量分析儀選擇特定同位素，它們注入等離子體中產(chǎn)生的所有同位素。

有利的是，等離子體注入系統(tǒng)通過(guò)使用硼同位素富集的前體或其他前體物質(zhì)由同位素物質(zhì)進(jìn)行受控分布。通過(guò)控制源自前體材料的同位素分布，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的可重復(fù)性和方法控制改進(jìn)。等離子體注入方法增強(qiáng)四氟化二硼相對(duì)于三氟化硼的解離能力也是有益的。因此，同位素富集的四氟化二硼可在使用其的各個(gè)實(shí)施方案中提供顯著的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明的另一方面涉及一種用于當(dāng)通過(guò)以下兩步反應(yīng)路線生產(chǎn)B₂F₄時(shí)防止B₂F₄制備中重質(zhì)硼氟化物瞬間分解的方法

BF₃+B->BF(高溫) (1)

BF+BF₃->B₂F₄+B_xF_y(低溫) (2)

其中反應(yīng)(1)在高溫下通過(guò)三氟化硼(BF₃)流過(guò)單質(zhì)硼固體床而進(jìn)行，且為了使反應(yīng)朝向產(chǎn)生單氟化硼(BF)且提供足夠BF₃的用于反應(yīng)(2)，BF₃化學(xué)計(jì)量上大幅過(guò)量，其中反應(yīng)(2)在低溫、例如深冷溫度下進(jìn)行從而除了B₂F₄，還產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的通式B_xF_y的重質(zhì)硼氟化物。B_xF_y副產(chǎn)物可例如包括B₃F₅和B₈F₁₂，以及其中x>8且y具有任何適于所述組合物的化學(xué)計(jì)量值的化合物。

已知B₃F₅在-50℃以上不穩(wěn)定，且在>-20℃溫度下B₃F₅劇烈分解。B₈F₁₂也分解，但其分解較不劇烈。其他B_xF_y組合緩慢分解為輕質(zhì)硼氟化物如B₂F₄和BF₃，以及重質(zhì)聚合B_xF_y組合，并最后分解為硼金屬。

根據(jù)本發(fā)明可以間歇過(guò)程模式進(jìn)行B₂F₄生產(chǎn)，其中反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)在相同反應(yīng)器的不同部位同時(shí)進(jìn)行。在間歇過(guò)程結(jié)束時(shí)，將反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)的BF₃由反應(yīng)器移除并進(jìn)一步處理以分離B₂F₄。BF₃的部分分離可在提取產(chǎn)物的過(guò)程中通過(guò)阱到阱方法進(jìn)行，所述阱到阱方法包括使含有B₂F₄和BF₃的反應(yīng)產(chǎn)物料流通過(guò)一系列在不同溫度下冷卻的容器，從而捕獲B₂F₄并與BF₃分離。根據(jù)串聯(lián)連接的容器的組件設(shè)計(jì)，B_xF_y可在與B₂F₄相同的捕獲容器中或不同的容器中積聚。進(jìn)一步處理包括加熱捕獲容器使B₂F₄蒸發(fā)并隨后在用于進(jìn)一步處理的臨時(shí)容器中再捕獲。

在加熱含有大量新捕獲的B_xF_y的容器過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到某些溫度時(shí)可能發(fā)生瞬時(shí)壓力和溫度偏差，如圖6所示。分析具有這類(lèi)偏差的氣體和固體產(chǎn)物表明BF₃是主要?dú)怏w產(chǎn)物，且含有單質(zhì)硼的黑色粉末是固體產(chǎn)物。

這種B_xF_y的瞬間分解是有問(wèn)題的，這是因?yàn)榘殡S的壓力和溫度突變可能損害壓力敏感儀器和/或甚至導(dǎo)致放氣。此外，形成的單質(zhì)硼在整個(gè)處理系統(tǒng)中輸送并可導(dǎo)致管線堵塞并損害對(duì)微粒敏感的處理系統(tǒng)部件。更近一步地，B_xF_y的劇烈分解可引發(fā)目的產(chǎn)物B₂F₄的分解和損失。

本發(fā)明考慮一種通過(guò)控制含B_xF_y的容器的加熱速率，來(lái)防止或至少顯著降低B_xF_y瞬間分解的發(fā)生率和速率的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，含B_xF_y的容器的溫度可升高至0-2℃并隨后將該容器浸入含冰的水浴中。這類(lèi)控制加熱的結(jié)果示于圖7。如該圖所示，在未控制加熱過(guò)程中觀察的溫度突變被消除且壓力增大顯著降低。在相同系統(tǒng)的其他測(cè)試中，沒(méi)有觀察到壓力增大。在該受控加熱方法中的容器被有利地在水浴中保持過(guò)夜，從而非常緩慢的加熱至+10℃至+20℃的溫度，隨后該容器用于B₂F₄分離的另一次循環(huán)。

因此，受控加熱導(dǎo)致更不穩(wěn)定的重質(zhì)硼氟化物的更緩慢分解，而不引發(fā)容器中全部B_xF_y的分解。對(duì)在進(jìn)行受控加熱的處理系統(tǒng)中所使用的設(shè)備的檢查和測(cè)試已經(jīng)證實(shí)通過(guò)受控加熱實(shí)現(xiàn)了微粒產(chǎn)生的顯著減少。在受控加熱過(guò)程中低水平的微粒產(chǎn)生相應(yīng)地降低了處理系統(tǒng)堵塞的可能性。具體地，由于固體產(chǎn)生導(dǎo)致的閥門(mén)損壞可由40-60％降低至7-15％且在有些情況下降低至零。

因此，本發(fā)明考慮一種形成作為中間產(chǎn)物與反應(yīng)物氣體的反應(yīng)產(chǎn)物的最終產(chǎn)物的方法，其中中間產(chǎn)物是反應(yīng)物氣體和反應(yīng)性固體的氣體反應(yīng)產(chǎn)物。該方法包括在第一反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)物氣體與反應(yīng)性固體的反應(yīng)，并在第二反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)物氣體與中間產(chǎn)物的反應(yīng)，其中第一反應(yīng)內(nèi)反應(yīng)物氣體與反應(yīng)性固體的反應(yīng)是可逆的。該方法還包括由第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)物氣體與中間產(chǎn)物的反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)混合物回收最終產(chǎn)物，例如包括最終產(chǎn)物的低溫蒸餾和/或阱到阱回收。在該方法中，第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)物氣體與中間產(chǎn)物的反應(yīng)形成式B_xF_y的硼氟化物，其中x>2且y具有與x相匹配的任何化學(xué)計(jì)量值。該方法包括回收或移除式B_xF_y的硼氟化物，而不經(jīng)歷其瞬間分解，例如，通過(guò)將其加熱至0℃至2℃的溫度，隨后緩慢加熱至10℃至20℃的溫度。

如本文中所使用，術(shù)語(yǔ)“緩慢加熱至10℃至20℃的溫度”意味著將溫度由0℃至2℃的初始溫度升高至10℃至20℃的溫度的過(guò)程在溫度基本逐步升高的至少6小時(shí)期間內(nèi)進(jìn)行。

本發(fā)明相應(yīng)地考慮一種在平衡至室溫的過(guò)程中，抑制式B_xF_y的深冷溫度硼氟化物瞬間分解的方法，其中x>2且y具有與x相匹配的任何化學(xué)計(jì)量值，所述方法包括將深冷溫度氟化硼加熱至0℃至2℃的溫度，并隨后緩慢加熱至10℃至20℃的溫度。

雖然已針對(duì)各種方面、方案和實(shí)施方案對(duì)所述設(shè)備和方法進(jìn)行描述，但應(yīng)當(dāng)了解，任何所述方面、方案和實(shí)施方案均可以與本發(fā)明的任何其他方面、方案和實(shí)施方案結(jié)合存在。因此本發(fā)明被認(rèn)為是包括在特征的相應(yīng)集合中單獨(dú)或具體描述的相容特征的所有排列和結(jié)合。還應(yīng)該了解，在本發(fā)明設(shè)備和方法的具體實(shí)施方案中，如其他實(shí)施方案一樣，本文具體公開(kāi)的任何一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)特征可以被選擇性地排除在本文公開(kāi)的任何其他特征或特征結(jié)合之外。

因此，本發(fā)明已經(jīng)參考具體方面、特征和示例實(shí)施方案而提出，應(yīng)當(dāng)了解，本文公開(kāi)的設(shè)備和方法并不由此被限制，而是延伸并包含許多其他改變、改進(jìn)和替代方案，這一點(diǎn)對(duì)于本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員基于本文的描述是顯而易見(jiàn)的。相應(yīng)地，如下文要求保護(hù)的本發(fā)明旨在被寬泛地解釋和說(shuō)明，包括所有在其主旨和范圍內(nèi)的改變、改進(jìn)和替代方案。