高纯度硅石粉末、其制造方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种杂质的总量低于５００ｐｐｂ的硅石粉末。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

High purity silica powder, process and apparatus for producing the same

The present invention relates to a total amount of impurity less than 500ppb of silica powder.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高纯度硅石粉末及在热区内制造该高纯度硅石粉末的方法及装置。
技术介绍
高纯度硅石粉末已经在许多
采用。这些应用场合的实例包含光纤、用以抽拉硅单晶的石英坩埚、光电子材料(例如透镜及反射镜)、电子材料内所用惰性成分的填料及晶片的抛光悬浮液(化学机械抛光)。上述诸应用场合对粉末纯度的要求极高。在光学通讯上所用由SiO2所制光纤内，作为资讯载体的光，其放射强度不应由杂质(例如OH、铁及铜)所引起的吸收作用、或泡沫、结晶核及不匀性引起的散射作用而减弱。结晶核是由杂质(例如钙及镁)所形成。在石英玻璃坩埚内，在抽拉硅单晶期间对坩埚内表面所发生的腐蚀作用是随杂质的数量及类型而变化。腐蚀作用减低潜在拉晶时间。再者，每多一种杂质即增加结晶核的数量，在单晶冷却期间，结晶核处可形成氧的沉淀。例如，在光学玻璃中，玻璃内的传送损失是由钠及过渡金属所引起。所以，过渡金属的浓度需不超过100ppb。唯独如此方可确保波长为248纳米的传送大于99.5％及波长为193纳米的传送大于98％。再者，光纤、石英坩埚及玻璃所用的硅石粉末必须不含有机杂质，否则在烧结步骤期间会形成许多气泡。若元素铁、钠及钾的浓度不超过0.2ppm及元素铝及钛的浓度不超过1ppm，高纯度SiO2也可用作环氧树脂的填料以保护IC晶片。这些元素改变惰性元件的热膨胀系数、电导率及抗腐蚀性。如此可使晶片的保护功能产生去活化作用。抛光悬浮液是用于半导体表面的直接抛光。例如，作此用途的SiO2，其铝的浓度必须不能超过4ppm。制造高纯度硅石粉末的已知方法是含硅母体的水解作用。例如，该方法可借下列诸方式加以实施在有有机溶剂存在的情况下，在水中将SiCl4水解(Degussa的DE 3937394)；将氟硅酸铵首先与氨水混合，之后再与氢氟酸混合(Nissan，JP 04175218)，或通过添加稀无机酸于碱金属硅酸盐而得硅石沉淀(日本、EP 9409167，武汉大学，CN1188075)。如此形成的硅石也称作沉淀型硅石且主要是用途催化剂载体及作为环氧树脂填料以保护LSI及VLSI电路装置。上述方法制备多孔性、含有气泡的、流动性能差的非完美球状微粒。这些方法的另—非常重大缺点是纯度受到限制，因为这些方法会引进一定程度的某些杂质，例如OH、碳、氟、氮及碱金属，例如钠及钾。这些缺点导致大量光散射及吸收，以及应用产品的机械及热稳定性减低。所以，该方法基本上不适用于光纤、坩埚及玻璃工业。由于严格的纯度要求，天然石英也不能作上述用途。但，已经尝试，通过将不够纯的石英作进一步纯化的另外加工步骤以达成合格的纯度等级。依照DE 3123024(Siemens)，天然石英是通过熔化作用转化为细纤维，随后利用酸及碱将这些纤维施以许多沥滤加工步骤。由于这些纤维的表面积高及厚度小，过渡金属离子的含量可降到低于1ppm。因这些纤维是直接应用于光纤工业界，此方法相当低廉。依照DE 3741393(Siemens)，若作为其他用途或制成不同成形体几何形状，这些经纯化的纤维是加以研磨，并借助于水、分散剂及其他助剂转化成泥浆，随后施以流铸加工及烧结加工，最后结果是带有许多污染源的繁复加工方法。依照EP 0737653(Heraeus)，天然石英是施以研磨、筛选、预热至1000℃、用Cl2/HCl加以处理、冷却及去脱附等加工步骤。此耗时加工法所得纯度仍含约70ppb的铁。来自碱土金属及铝的杂质(可形成方英石，所以(例如)减低坩埚品质)无法移除至此种程度，因为这些元素可形成低挥发性的氯化物(主要地钠＝1100ppb，钾＝1050ppb，锂＝710ppb，钙＞370ppb，铝＝16000ppb，铁＝410ppb；随后钠＜10ppb，钾＞80ppb，锂＝700ppb，钙＞120ppb，铝＝16000ppb，铁＞30ppb)。依照US 4818510(石英技术)，可用HF将石英进一步纯化。但，HF仅对若干元素(例如铁)作选择性反应，而形成容易溶解的复合物。进一步纯化作用也可对SiO2颗粒实施。依照US 6180077及EP1088789(Heraeus)，SiO2颗粒是借助于HCl在高温下制造及纯化。一项优点是这些颗粒的表面积高，所以HCl可较为容易地及较为快速地与其作用。若起始点是纯度为钠＜50ppb，铁＝250ppb，铝＜1ppm的颗粒，进一步纯化作用可达到纯度非常高的等级(纳＝5ppb，铁＝10ppb，铝＝15ppb)。一项缺点是首先需要制造高度多孔性的硅石颗粒(孔洞体积0.5立方厘米，孔洞直径50纳米，BET表面积100平方米/克，密度0.7克/立方厘米，粒径180至500微米)，这是一个耗时加工方法，且这些颗粒并不代表最终产品，仍须加以烧结。再者，该高孔隙率隐藏着成型(例如形成坩埚)后烧结期间所含剩余气体的潜在风险。依照US 4956059(Heraeus)，除高温下所用纯化气体Cl2/HCl之外，在硅石颗粒进一步纯化作用中也可使用电场(通常为652伏特/厘米)。在有电场存在的情况下(尤其碱金属离子受此影响，在电场中容易移动)，可使进一步纯化作用的效果更佳。此方法可使钠的等级由1ppm减至50ppb。依照EP 1006087(Heraeus)，进一步纯化作用可用适当的方式实施，以便在气流内将不纯的粉末加热，使杂质软化并形成熔融附聚物可附着在该表面上。该方法仅对非常不纯的起始原料粉末有用。但，此种方法对高熔点氧化物(例如MgO及Al2O3)无法产生进一步的纯化作用。为达成此目的需要使用大量气体，这是另一缺点。利用溶胶-凝胶加工法(其中由有机硅烷及水，首先形成溶胶及随后形成凝胶可达成高纯度(金属杂质＜1ppm，碳＜5ppm，硼＜50ppm，磷＜10ppb)。随后利用惰性气体加以烘干、煅烧及烧结(Mitsubishi，EP 0831060、EP 0801026、EP 0474158)。因为将高纯度有机硅氧烷用作起始原料，此方法非常耗时而且昂贵。通常，在制造程序中使用以有机物为主要成分的流变性助剂、分散剂及溶剂，结果最终产品中可含有黑色碳微粒及CO及CO2气泡。使用水可导致高OH含量，因而产品中有气泡形成及产品的热稳定性低。若将该材料用作利用Czochralski法制造硅单晶的硅石坩埚，由于温度高及压力低，这些气泡及孔洞会膨胀。在拉晶期间，这些气泡不仅在硅熔体内形成涡流而且形成结晶瑕疵以及降低坩埚的长期稳定性。原则上，高纯度硅石也可在有氧-燃料焰存在的情况下，利用CVD或OVD法，由高纯度有机硅烷或SiCl4产生硅石沉淀而制得(Coming，US 5043002、US 5152819、EP 0471139、WO 01/17919、WO 97/30933、WO 97/22553、EP 0978486、EP 0978487、WO 00/17115)。但，方法不能制成粉末，而是具有特定、简单几何形状的玻璃体。这些简单几何形状包含光学玻璃及透镜。光纤可借抽拉作用自所制高纯度形式的玻璃体制得。为自这些简单玻璃体制造任何预期几何形状的玻璃体，所制玻璃体必须首先加以研磨成为粉末状，之后加以分散、成型及烧结。但，此种方法可产生广泛污染(尤其在研磨步骤期间)。此方法的另一缺点是为达成特别高的纯度，须使用昂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅石粉末，其中杂质的总量低于５００ｐｐｂ。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍尔格斯兹拉特，弗里茨施韦特费格，贝恩德哈克，马库斯舍费尔，
申请(专利权)人：瓦克化学股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]