锗烷气体制备装置及利用其制备单锗烷气体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锗烷气体制备装置及利用其制备单锗烷气体的方法，尤其涉及一种如下的锗烷气体制备装置及利用其制备单锗烷气体的方法:其在制备单锗烷气体时，利用包含微结构通道的反应器而在短时间内混合反应物质，并有效地除去所产生的反应热，从而可以将单锗烷气体稳定地大量生产。
【背景技术】
[0002]锗烷气体(Germane gas)被使用于半导体产业中，其使得应变硅技术得以应用于计算机中央处理器中，且已成为新兴的锗通道与栅极的关键材料。此外，锗烷气体被用于形成作为第五代非晶娃薄膜太阳能电池(a-Si太阳能电池)的三向连接(Triple junct1n)结构的中间层的SiGe层，从而增强对于300-900纳米的中波长区域的光的吸收，由此改善电池的效率。据此，随着对于作为分类为下一代太阳能电池的薄膜太阳能电池的需求量的增加，预计锗烷气体的需求也会快速增长。
[0003]自1930年以来，许多化学家研宄锗烷气体的制造以及其所牵涉的化学反应。典型的例子包含:一种化学方法使用硼氢化钠(NaBH4)或氢化铝锂(LiAlH4)等而还原二氧化锗(GeO2)或四氯化锗(GeCl4);—种电化学方法电解二氧化锗；以及一种高能方法直接将锗(Ge)与氢反应。
[0004]至于以现有方法使用二氧化锗或四氯化锗制备锗烷气体，其产率大约仅有70%。尤其，当使用相较于四氯化锗更容易取用的二氧化锗制备单锗烷气体时，难以在高产率下制备单锗烷气体。
[0005]有鉴于此，美国专利第4，668，502号揭示，即便使用相同的二氧化锗作为原料，通过调整反应条件，即二氧化锗的浓度、溶解有二氧化锗的碱性水溶液中碱/ 二氧化锗的比例、碱金属硼氢化物的量、酸的浓度、反应温度等的组合，锗烷气体的产率可增加至高达97%。确实，当依照美国专利第4，668，502号实施例与权利要求书中所公开的反应条件进行实验时，表现出高达90 %左右的锗烷产率。
[0006]然而，若根据上述方法，将该溶解有二氧化锗及碱金属硼氢化物的碱性水溶液与该酸性水溶液以批次式或连续式进行反应，则锗烷气体会在短时间内爆发性地产生，并伴随着高反应热。这意味着若以工业规模而非实验室规模进行锗烷气体的制备，则反应速率与反应热将会难以控制。如果伴随如上所述的反应的高反应热得不到控制，则在发生反应的过程中反应温度将会快速上升(约50°C或更高)，由此可能生成较高的锗烷，因此对于单锗烷气体的产率具有负面的影响。
[0007]本发明的发明人付出了持续的努力来解决上述问题。结果，发现了该问题可通过如下方法解决:利用包含微结构的通道的反应器而在短时间内混合反应物质，并除去伴随而产生的反应热。
【发明内容】
[0008]技术问题
[0009]本发明系涉及一种锗烷气体制备装置及利用其制备单铬烷气体的方法，尤其涉及一种如下的锗烷气体制备装置及利用其制备单铬烷气体的方法:利用包含微结构的通道的反应器而在短时间内混合反应物质，并有效地除去伴随而产生的反应热，从而控制大量制备锗烷气体时的反应温度以及压力的急剧上升，由此能够稳定地生产大量单锗烷气体。
[0010]技术方案
[0011]为了达到如上所述的目的，本发明的一个实施例提供了一种单锗烷气体制备方法，包含如下步骤:分别向第一通道和第二通道中注入包含二氧化锗(GeO2)与碱金属氢化物的反应原料碱性水溶液及酸性水溶液；在连接于该第一通道和第二通道的一端的第三通道中，混合注入的反应原料碱性水溶液与酸性水溶液，并使其反应以产生单锗烷气体和反应溶液；以及，将产生的单锗烷气体和反应溶液排放至该第三通道的外部，其中，该第三通道中所产生的反应热被相邻于该第三通道而布置的制冷剂循环单元中循环的制冷剂所吸收。
[0012]在示例性实施例中，该第三通道可以是微通道。
[0013]在示例性实施例中，该第三通道可包含主通道以及构成于该主通道一侧面的平行突出的多个突出部。并且，该多个突出部可相对于该主通道具有锐角，且可朝一个方向突出。
[0014]在示例性实施例中，该第三通道可被维持在0-50 °C的温度。
[0015]在示例性实施例中，该第三通道的温度可通过调节从制冷剂的流量、制冷剂的温度、反应原料碱性水溶液或酸性水溶液的流速中选择的至少一种而加以控制。
[0016]在示例性实施例中，该第三通道中所产生的反应热可被传导至包围该第三通道的第一金属块，传导至第一金属块的反应热可被传导至与该第一金属块接触的第二金属块，传导至第二金属块的反应热可被传导至被第二金属块包围的制冷剂循环单元，而且传导至制冷剂循环单元的反应热可被循环于该制冷剂循环单元中的制冷剂吸收。
[0017]在示例性实施例中，该第三通道的数量可以是一个以上，所述一个以上的第三通道可通过并联方式连接，并且反应原料碱性水溶液和酸性水溶液可被分别注入到该一个以上的第三通道中，以便在该一个以上的第三通道中产生单锗烷气体。
[0018]在示例性实施例中，该碱金属氢化物可为NaBH4。
[0019]在示例性实施例中，该酸性水溶液可包括无机酸或有机酸，其中该无机酸可以是从由硫酸与磷酸组成的组中选择的一种以上的无机酸，该有机酸可以是从由醋酸与丙酸组成的组中选择的一种以上的有机酸。
[0020]本发明的一种实施例提供一种锗烷气体制备装置，包含:第一通道，供反应原料碱性水溶液注入；第二通道，供酸性水溶液注入:第三通道，连接于该第一通道和第二通道的一端，用于将反应原料碱性水溶液与酸性水溶液进行混合，并使其反应以产生单锗烷气体和反应溶液；排出口，供该第三通道中产生的单锗烷气体和反应溶液排放；制冷剂循环单元，相邻于该第三通道而布置，用于注入和排放制冷剂，并吸收在该第三通道中产生的反应热。
[0021]在示例性实施例中，该第三通道可为微通道。
[0022]在示例性实施例中，该第三通道与该制冷剂循环单元可被彼此相隔而布置，该第三通道可被第一金属块包围，该制冷剂循环单元可被第二金属块包围，且该第一金属块与该第二金属块可布置为彼此接触。
[0023]有益效果
[0024]根据本发明，当制备锗烷气体时，利用包含微结构的通道的反应器而在短时间内混合反应物质，并有效地除去伴随而产生的反应热，从而可以控制大量制备锗烷气体时的反应温度以及压力的急剧上升。而且，根据本发明，单锗烷气体可被大量且高产率地生产。
【附图说明】
[0025]图1为根据现有技术的批次(batch)反应器的示意图。
[0026]图2a为根据本发明的一个实施例的锗烷气体制备装置的一分解图。
[0027]图2b为根据本发明的一个实施例的锗烷气体制备装置的组装图。
[0028]图3a为根据本发明的一个实施例的锗烷气体制备装置中的第三通道的概略图。
[0029]图3b为根据本发明的一个实施例的锗烷气体制备装置中的第三通道的放大图。
[0030]图4表示根据实施例1至4的第三通道的温度变化。
[0031]图5是将根据本发明的实施例4的第三通道与根据比较例I的第三通道的温度变化进行比较而示出的图。
[0032]符号说明
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