專利名稱：一種超純、超細(xì)硅粉及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料，具體地說是一種超細(xì)、超純硅粉及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
硅材料為自然界100多種元素之最，硅微粉、超微粉、光導(dǎo)纖維以及硅納米材料均屬新興工業(yè)的原材料，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對硅材料，特別是超純、超細(xì)的硅材料的需求越來越高，而硅材料的超純、超細(xì)性能決定了制品的光學(xué)性能、電性能、堆積性、吸附性、流變性、熔化性，燒成溫度、燒成時間以及化學(xué)反應(yīng)速率等一系列性能指標(biāo)。所以，超純、超細(xì)、復(fù)合改性的加工制品與應(yīng)用技術(shù)已成為當(dāng)今國內(nèi)外重要的工業(yè)技術(shù)材料開發(fā)項目之一。利用高純度石英加工制備的硅微粉、超微粉、硅納米粉已廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、光纖光纜、精細(xì)化工、精密陶瓷、合成水晶、硅微電子及超高壓電器等多種領(lǐng)域。
當(dāng)用于氮化硅、碳化硅等高科技陶瓷及高質(zhì)量陶瓷釉料、涂料時，要求硅微粉粒度小于10um(1250目)至(0.1um)；制作現(xiàn)代精密光學(xué)玻璃，如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡及電視屏?xí)r，研磨拋光所用的硅微粉，要求其平均粒徑5～7um；制備容重130kg/m3，超輕型隔熱保溫節(jié)能材料硅酸鈣時，要求其粒徑小于5um(2500目)。
硅超微粉應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，用量越來越大，但在我國目前還沒有一家能生產(chǎn)出這種產(chǎn)品，完全依賴進(jìn)口，5000目的硅超微粉售價高達(dá)12萬元/噸，12500目的硅超微粉售價高達(dá)14萬元/噸。消耗了大量外匯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超純、超細(xì)硅粉及其制作方法，以有效降低生產(chǎn)成本、提高硅粉的品質(zhì)。
按照本發(fā)明所提供的設(shè)計方案，該硅粉的主要成分為二氧化硅含量大于99.96％，鐵含量小于0.003％，硅粉顆粒的直徑小于1微米，在硅粉顆粒的外表面包覆有硅烷耦聯(lián)劑。
這種超純、超細(xì)硅粉的制作方法的特征為a、材料預(yù)處理將二氧化硅原礦石破碎至6～20厘米，再用水清洗礦石；b、焙燒及煅燒將破碎過的原礦石放入窯爐內(nèi)，溫度從常溫逐漸升溫至680℃，再同時進(jìn)行氧化焙燒與氯化焙燒，焙燒溫度680℃～1200℃，時間2小時，然后進(jìn)行煅燒，煅燒溫度1200℃～1388℃，時間2小時，再進(jìn)行燜火，燜火溫度800～1200℃，時間12小時以上，再逐漸降溫至650℃，然后出窯爐，用冷水澆淋，使原礦石聚冷至常溫；c、研磨經(jīng)過冷卻后的原礦石進(jìn)入柱磨機(jī)內(nèi)研磨成325目的硅粉；d、篩分及磁選將上述硅粉在篩分機(jī)上篩選，小于325目的硅粉再進(jìn)入磁選機(jī)內(nèi)進(jìn)行磁選，除去硅粉中的磁性物質(zhì)；e、化學(xué)提純將除去磁性物質(zhì)的硅粉放入反應(yīng)容器內(nèi)，與混合有稀氫氟酸與稀鹽酸的稀酸溶液發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)溫度小于40℃，時間2小時，得到二氧化硅含量大于99.96％，鐵小于0.04％的硅粉，反應(yīng)后用水沖洗至Ph值為7；f、干燥將清洗后的硅粉放在烘爐內(nèi)烘干，溫度130℃，時間4小時；g、超音速氣流粉碎與改性將干燥后的硅粉在超音速氣流粉碎機(jī)內(nèi)，在2倍音速的氣流對噴沖擊下，使硅粉顆粒被粉碎至1微米以下，這時硅粉的溫度在40℃以上，并處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，將硅烷耦聯(lián)劑加入超音速氣流粉碎機(jī)內(nèi)，使耦聯(lián)劑包覆于超細(xì)硅粉顆粒外，形成復(fù)合硅粉，完成改性。
在材料預(yù)處理時，利用砂輪將礦石表面的雜質(zhì)打磨掉。
在焙燒與煅燒時所用的窯爐為推板式隧道窯，原礦石放在匣缽內(nèi)，匣缽安裝于推板式隧道窯的帶式輸送機(jī)上，邊轉(zhuǎn)動邊前進(jìn)。
在篩分與磁選中，大于325目的硅粉顆粒再送入柱磨機(jī)內(nèi)研磨。
在化學(xué)提純時，先將40％的工業(yè)純氫氟酸和水以1∶6的比例配成溶液，再將工業(yè)級濃鹽酸與水以1∶4的比例配成溶液，然后將這兩種溶液以1∶1的比例混合成稀酸溶液。
干燥時所用的設(shè)備為振動流化床。
在化學(xué)提純時，用水沖洗至Ph值為7后，再用去離子水清洗，直至利用硝酸銀檢驗不顯氯離子反應(yīng)為止。
利用本發(fā)明后，能夠生產(chǎn)出硅超微粉體材料及硅系列化產(chǎn)品，為步入硅納米時代打下良好的基礎(chǔ)，滿足我國微電子工業(yè)的發(fā)展及高科技領(lǐng)域新興材料的需求，尤其是各國竟相發(fā)展的高科技軍事前沿材料的需求。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式
該硅粉的主要成分為二氧化硅大于99.96％，鐵小于0.003％，硅粉顆粒的直徑小于1微米，在硅粉顆粒的外表面包覆有硅烷耦聯(lián)劑。其余為一些殘留的其它金屬元素，如銀、金等。
1、材料預(yù)處理第一、選礦標(biāo)準(zhǔn)SIO2≥99.85％以上；第二、外觀標(biāo)準(zhǔn)A、潔白如玉；或B、結(jié)晶透明；或C、結(jié)晶體礦內(nèi)發(fā)黑或發(fā)紅黃均可；第三、將原礦塊大的進(jìn)行粗破到6～20公分；第四、用清水洗礦，去雜質(zhì)，然后涼曬、人工撿選不合格原礦，有些塊礦外表皮包一層雜質(zhì)，應(yīng)在砂輪上打磨去除。
2、焙燒及煅燒采用推板式隧道窯，這是一種連續(xù)性窯爐，用耐火質(zhì)推板輸送裝有小塊礦石的匣缽，該匣缽可360度旋轉(zhuǎn)，以保證燒透而均勻，入窯燒成連續(xù)完成。該窯道截面小，窯內(nèi)溫差較小，產(chǎn)品燒成質(zhì)量均勻，操作管理方便，可滿足各個段的煅燒溫度，并采用電腦控制，自動化程度比傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)先進(jìn)。燃燒用焦碳，熱源有保證。備好的石英小塊礦裝入匣缽，堆碼在窯車臺上，經(jīng)預(yù)熱、氧化焙燒、氯化焙燒、煅燒區(qū)、燜火段、聚冷后出窯。
a、預(yù)熱階段，使溫度從室溫升到680℃。通過預(yù)熱先去除原礦石內(nèi)的砷硫化物等雜質(zhì)；b、氧化焙燒，溫度為680℃～1100℃，時間2～2.5小時，氯化焙燒可同時進(jìn)行。通過氧化焙燒，可去除原礦石內(nèi)的碳、鈦等雜質(zhì)；通過氯化焙燒可提高原礦石的白度。
c、煅燒，溫度為1100℃～1388℃，時間2小時；經(jīng)過煅燒后，存在于原礦石中的銀等元素被蒸發(fā)掉，進(jìn)一步去除原礦石中的雜質(zhì)。
d、燜火，溫度為800～1200℃，時間1 2小時以上。經(jīng)過燜火后，可穩(wěn)定原礦石的膨脹系數(shù)。
e、再逐步降溫到650℃后，出窯用冷水澆淋，使高溫硅粉聚冷，使質(zhì)變脆，涼干備用，為下一道工序作準(zhǔn)備。
通過上述工序后，原來以分散狀存在于原礦石中的鐵等導(dǎo)磁元素會聚集到一起，聚集后，其磁性就增加，便于下道工序清除。
3、研磨，冷卻后的干燥小塊礦石送入柱磨機(jī)磨成325目的普粉，再自動送入下道工序。
4、篩分及磁選，將上述硅粉在篩分機(jī)上篩選，大于325目的原礦石再進(jìn)行研磨，小于325目的硅粉再進(jìn)入磁選機(jī)內(nèi)進(jìn)行磁選，以除去硅粉中的磁性物質(zhì)；在磁選時，要求硅粉呈分散狀均勻流過強(qiáng)磁選機(jī)，將存在于硅粉中的鐵等元素清除掉，磁選設(shè)備可選用國產(chǎn)的SLOM1000型磁選機(jī)，2萬高斯。
5、化學(xué)提純A、將含量40％的工業(yè)純氫氟酸和水配成1∶6的稀溶液；B、工業(yè)級濃鹽酸和水配成1∶4的稀溶液；C、將兩種溶液按1∶1混合待用；D、攪拌反應(yīng)依次向臥螺機(jī)內(nèi)加入提純后的325目普粉和等量的混合稀酸溶液，在40℃下攪拌，2小時后過濾掉稀酸溶液。將兩中稀釋后的強(qiáng)酸混合后使用時，可大大提高反應(yīng)能力，從而將存在于硅粉中的各種有色金屬全部清除；E、水沖洗用自來水沖洗至PH7，然后用去離子水洗，至用硝酸銀檢驗不顯氯離子反應(yīng)為止。
6、烘干將上述硅粉放入高速離心式噴霧干燥機(jī)內(nèi)，在130℃下烘干4小時，此時硅粉中SIO2的純度可達(dá)99.99％～99.999％，成為高純度優(yōu)質(zhì)普粉。
依據(jù)GB3248～88高純硅粉標(biāo)準(zhǔn)，ISO標(biāo)準(zhǔn)檢測。對于年產(chǎn)萬噸級的烘干設(shè)備，可采用振動流化床，對于年產(chǎn)3萬噸以上的設(shè)備，可采用噴霧干燥。
7、超音速氣流粉碎與改性將干燥后的硅粉在超音速氣流粉碎機(jī)內(nèi)，在2倍音速的氣流對噴沖擊下，使硅粉顆粒被粉碎至1微米以下，這時硅粉的溫度在40℃以上，并處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，將硅烷耦聯(lián)劑Si(OR)3加入超音速氣流粉碎機(jī)內(nèi)，使耦聯(lián)劑包覆于超細(xì)硅粉顆粒外，形成復(fù)合硅粉，完成改性，表面改性后，可使超純超細(xì)硅粉獲得多種功能，提高硅粉與鈦、碳、鎳等其它粒子的結(jié)合力，形成高性能陶瓷等新型材料。
8、包裝，利用自動包裝機(jī)進(jìn)行定量包裝，在包裝前還須按常規(guī)要求進(jìn)行檢驗。
參考文獻(xiàn)1、《非金屬礦深加工及煅燒技術(shù)》鄭水林2、《巖石結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)與工藝學(xué)》榮葵一3、超音速氣流粉碎機(jī)可以采用華東理工大學(xué)設(shè)計的JGMH(600)氣流粉碎機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種超純、超細(xì)硅粉，其特征在于，該硅粉的主要成分為二氧化硅大于99.96％，鐵小于0.003％，硅粉顆粒的直徑小于1微米，在硅粉顆粒的外表面包覆有硅烷耦聯(lián)劑。
2.一種超純、超細(xì)硅粉的制作方法，其特征在于，a、材料預(yù)處理將二氧化硅原礦石破碎至6～20厘米，再用水清洗礦石；b、焙燒及煅燒將破碎過的原礦石放入窯爐內(nèi)，溫度從常溫逐漸升溫至680℃，再同時進(jìn)行氧化焙燒與氯化焙燒，焙燒溫度680℃～1200℃，時間2小時，然后進(jìn)行煅燒，煅燒溫度1200℃～1388℃，時間2小時，再進(jìn)行燜火，燜火溫度800～1200℃，時間12小時以上，再逐漸降溫至650℃，然后出窯爐，用冷水澆淋，使原礦石聚冷至常溫；c、研磨經(jīng)過冷卻后的原礦石進(jìn)入柱磨機(jī)內(nèi)研磨成325目的硅粉；d、篩分及磁選將上述硅粉在篩分機(jī)上篩選，小于325目的硅粉再進(jìn)入磁選機(jī)內(nèi)進(jìn)行磁選，除去硅粉中的磁性物質(zhì)；e、化學(xué)提純將除去磁性物質(zhì)的硅粉放入反應(yīng)容器內(nèi)，與混合有稀氫氟酸與稀鹽酸的稀酸溶液發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)溫度小于40℃，時間2小時，得到二氧化硅含量大于99.96％，鐵小于0.04％的硅粉，反應(yīng)后用水沖洗至Ph值為7；f、干燥將清洗后的硅粉放在烘爐內(nèi)烘干，溫度130℃，時間4小時；g、超音速氣流粉碎與改性將干燥后的硅粉在超音速氣流粉碎機(jī)內(nèi)，在2倍音速的氣流對噴沖擊下，使硅粉顆粒被粉碎至1微米以下，這時硅粉的溫度在40℃以上，并處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，將硅烷耦聯(lián)劑加入超音速氣流粉碎機(jī)內(nèi)，使耦聯(lián)劑包覆于超細(xì)硅粉顆粒外，形成復(fù)合硅粉，完成改性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于在材料預(yù)處理時，利用砂輪將礦石表面的雜質(zhì)打磨掉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于在焙燒與煅燒時所用的窯爐為推板式隧道窯，原礦石放在匣缽內(nèi)，匣缽安裝于推板式隧道窯的帶式輸送機(jī)上，邊轉(zhuǎn)動邊前進(jìn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于在篩分與磁選中，大于325目的硅粉顆粒再送入柱磨機(jī)內(nèi)研磨。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于在化學(xué)提純時，先將40％的工業(yè)純氫氟酸和水以1∶6的比例配成溶液，再將工業(yè)級濃鹽酸與水以1∶4的比例配成溶液，然后將這兩種溶液以1∶1的比例混合成稀酸溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于干燥時所用的設(shè)備為振動流化床。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于在化學(xué)提純時，用水沖洗至Ph值為7后，再用去離子水清洗，直至利用硝酸銀檢驗不顯氯離子反應(yīng)為止。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料，具體地說是一種生產(chǎn)超細(xì)、超純硅粉的方法。該硅粉的主要成分為二氧化硅大于99.96％，鐵小于0.003％，硅粉顆粒的直徑小于1微米，在硅粉顆粒的外表面包覆有硅烷耦聯(lián)劑。這種超純、超細(xì)硅粉的制作方法包括a.材料預(yù)處理；b.焙燒及煅燒；c.研磨經(jīng)過冷卻后的礦石進(jìn)入柱磨機(jī)內(nèi)研磨成325目的硅粉；d.篩分及磁選將上述硅粉在篩分機(jī)上篩選，小于325目的硅粉再進(jìn)入磁選機(jī)內(nèi)進(jìn)行磁選，以除去硅粉中的磁性物質(zhì)；e.化學(xué)提純將除去磁性物質(zhì)的硅粉放入反應(yīng)容器內(nèi)，與混合有稀氫氟酸與稀鹽酸的稀酸溶液發(fā)生反應(yīng)；f.干燥；g.超音速氣流粉碎與改性。這種方法有效降低生產(chǎn)成本、提高硅粉的品質(zhì)。
文檔編號C01B33/113GK1562744SQ200410014529
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者張永誠 申請人:張永誠