一种高纯石英的合成方法与流程

本发明涉及高纯度石英制造，尤其涉及一种高纯石英的合成方法。

背景技术：

1、高纯度石英材料具有优异的物理化学特性，如硬度高、耐高温、耐腐蚀、导电率低、透波性能好、性能稳定，被广泛应用于光伏、光学、通讯及半导体等领域，是石英玻璃和集成电路基板材料等生产的重要原料，在高新技术产业中具有极大地利用价值和不可取代的地位。随着全球范围内天然水晶和高品质石英矿脉的逐渐枯竭，化学合成生产高纯石英得到重视。尤其是随着半导体芯片线宽越来越窄，天然石英材料已经无法满足高端生产工艺的要求，合成石英成为10纳米制程以下的半导体芯片刻蚀环节中的重要部件。

2、目前合成石英的方法主要包括气相合成法、化学沉淀法和溶胶－凝胶法。气相合成法通常需要高温环境，反应生成的hcl会严重腐蚀设备，因此对生产设备的材质、加热形式等要求比较严格。化学沉淀法成本低廉，但纯度较其他工艺偏低，对于制备电子级高纯石英难度较大。并且废酸、废水的处理会给环境带来一定的破坏。溶胶－凝胶法成本较高，生产周期长，工业化价值不大。

3、为了解决上述问题，申请公布号为cn117049555a的中国发明专利公开了一种高纯石英砂的制备方法，包括以下步骤：s1、在烧杯中加入白炭黑与超纯水，制得硅凝胶前驱体；s2、在容器中加入超纯水、酸液，将醇液和有机硅烷均匀混合，向容器内加入醇液和有机硅烷的混合液，制得硅溶胶；s3、将硅凝胶前驱体与硅溶胶混合，制得凝胶；s4、将凝胶干燥，制得干燥产品；s5、将干燥产品研磨，筛分分级，焙烧，制得高纯石英砂；该发明以工业气相白炭黑为硅凝胶前驱体，酸性环境下水解的有机硅烷为硅溶胶前驱体，以白炭黑替代有机硅源，节约了有机硅烷的用量，同时也避免有机硅烷水解不充分造成硅源浪费，进而提高产品收率；反应条件温和，工艺简单，过程所添加的催化剂用量少，安全环保。然而，上述方法成本较高，生产周期较长，工业化价值不大。

4、可见，开发一种工艺简单，安全环保，产品纯度高，适合工业化生产的高纯石英的合成方法符合市场需求，具有广泛的市场价值，对促进高纯石英材料领域的进一步发展具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种工艺简单，安全环保，产品纯度高，适合工业化生产的高纯石英的合成方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高纯石英的合成方法，包括如下步骤：

3、步骤s1、高纯硅溶胶的制备：将高纯硅单质均匀分散于超纯水中，接着向其中加入催化剂，调节反应体系ph值为8-13，超声处理和微波处理后，在常压，60-100℃下搅拌反应8-12h，得到高纯硅溶胶；

4、步骤s2、固液分离：通过干燥进行固液分离，得到固态石英颗粒；

5、步骤s3、致密化：将经过步骤s2制成的固态石英颗粒经过高温高压烧结致密化，得到高纯石英。

6、优选的，步骤s1中所述高纯硅单质的硅含量＞99.9999wt％，粒度为1-1000μm。

7、优选的，步骤s1中所述高纯硅单质的粒度为5-200μm。

8、优选的，步骤s1中所述高纯硅单质、超纯水的质量比为3:(18-22)。

9、优选的，步骤s1中所述催化剂为碱性催化剂。

10、优选的，步骤s1中所述催化剂为乙二胺、氨水、季铵碱、烟碱等碱类中的至少一种。

11、优选的，步骤s1中所述超声处理的超声波频率为40-80khz，功率为200-400w，处理时间为5-8min。

12、优选的，步骤s1中所述微波处理的频率为1.8-2.5ghz，功率范围为600-1300w，处理时间为3-5min。

13、优选的，步骤s2中所述干燥的方式没有特殊要求，可以为直接烘干、冷冻干燥、凝胶冷冻干燥或喷雾干燥中的任意一种。

14、优选的，所述直接烘干的温度＞120℃。

15、优选的，所述冷冻干燥是通过真空冷冻干燥机进行的，真空冷冻干燥机的冷阱温度为-56±4℃。

16、优选的，所述凝胶冷冻干燥具体为：将硅溶胶溶液冷冻，然后经解冻后大部分水分流失，再烘干得到石英颗粒。

17、优选的，所述喷雾干燥过程中热风进口温度为290-310℃，排风出口温度为185-205℃。

18、优选的，步骤s3中所述烧结致密化的温度制度为：从室温以1-3℃/min升温至490-610℃，保温4-6h；继续以1-3℃/min升温至880-920℃，保温4-6h，再以1℃/min升温至1150-1210℃，保温9-15h。

19、由于上述技术方案的运用，本发明具有以下有益效果：

20、(1)本发明公开的高纯石英的合成方法，工艺流程短，操作方便，反应条件简单易控制，适合工业化生产，具有较高的推广应用价值。

21、(2)本发明公开的高纯石英的合成方法，生产过程中无废酸产生，使得生产过程更加安全环保，对设备依赖性低，无需专用设备，资金投入少。

22、(3)本发明公开的高纯石英的合成方法，以采用高纯硅单质及超纯水作为反应物，原料易得，制备过程中其它杂质引入较少，能有效避免后期复杂高昂的提纯成本。

23、(4)本发明公开的高纯石英的合成方法，在高纯硅溶胶的制备过程中采用超声处理和微波处理，能提高反应速率和反应转化率，提高产物纯度，赋予产品优异的表面质量。

24、(5)本发明公开的高纯石英的合成方法，通过固液分离过程中干燥方式和烧结致密化的温度制度的合理选取，能进一步提高产物纯度，加快合成速率，提高产品致密度。

技术特征：

1.一种高纯石英的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述高纯石英的合成方法，其特征在于，步骤s1中所述高纯硅单质的硅含量＞99.9999wt％，粒度为1-1000μm。

3.根据权利要求1所述高纯石英的合成方法，其特征在于，步骤s1中所述高纯硅单质的粒度为5-200μm。

4.根据权利要求1所述高纯石英的合成方法，其特征在于，步骤s1中所述高纯硅单质、超纯水的质量比为3:(18-22)；步骤s1中所述催化剂为碱性催化剂。

5.根据权利要求1所述高纯石英的合成方法，其特征在于，步骤s1中所述催化剂为乙二胺、氨水、季铵碱、烟碱中的至少一种。

6.根据权利要求1所述高纯石英的合成方法，其特征在于，步骤s1中所述超声处理的超声波频率为40-80khz，功率为200-400w，处理时间为5-8min；步骤s1中所述微波处理的频率为1.8-2.5ghz，功率范围为600-1300w，处理时间为3-5min。

7.根据权利要求1所述高纯石英的合成方法，其特征在于，步骤s2中所述干燥的方式为直接烘干、冷冻干燥、凝胶冷冻干燥或喷雾干燥中的任意一种。

8.根据权利要求7所述高纯石英的合成方法，其特征在于，所述直接烘干的温度＞120℃；所述冷冻干燥是通过真空冷冻干燥机进行的，真空冷冻干燥机的冷阱温度为-56±4℃；所述凝胶冷冻干燥具体为：将硅溶胶溶液冷冻，然后经解冻后大部分水分流失，再烘干得到石英颗粒。

9.根据权利要求7所述高纯石英的合成方法，其特征在于，所述喷雾干燥过程中热风进口温度为290-310℃，排风出口温度为185-205℃。

10.根据权利要求1-9任一项所述高纯石英的合成方法，其特征在于，步骤s3中所述烧结致密化的温度制度为：从室温以1-3℃/min升温至490-610℃，保温4-6h；继续以1-3℃/min升温至880-920℃，保温4-6h，再以1℃/min升温至1150-1210℃，保温9-15h。

技术总结本发明公开了一种高纯石英的合成方法，涉及高纯度石英制造技术领域，包括如下步骤：步骤S1、采用高纯硅单质及超纯水作为反应物，碱类物质作为催化剂制备高纯硅溶胶；步骤S2、通过直接烘干、冷冻干燥、凝胶冷冻干燥、喷雾干燥中的任意一种方式进行固液分离；步骤S3、致密化。该高纯石英的合成方法工艺简单，安全环保，产品纯度高，适合工业化生产。技术研发人员：鲁原野,穆荣升,龙立华,侍大享受保护的技术使用者：江苏德鑫新材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/19