本發(fā)明涉及超高純石英砂制備，特別涉及一種半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法。

背景技術(shù)：

1、目前世界主流生產(chǎn)高純度石英砂會(huì)采用物理法制備石英砂，比如：美國(guó)尤尼明和挪威tqc采用原礦石物理破碎法，能夠制備出高純度的石英砂。物理法非常依賴礦石原料，目前美國(guó)和挪威本土企業(yè)都有高品質(zhì)礦源。

2、為了打破高端石英砂依賴進(jìn)口，我公司發(fā)明化學(xué)合成法制備半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，能夠制備出高純度的石英砂，作為半導(dǎo)體單品硅生長(zhǎng)用石英坩堝的內(nèi)層原料。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法采用的如下技術(shù)方案：

3、(1)制備正硅酸溶液：采用硅酸鈉溶液與強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂發(fā)生離子交換反應(yīng)，得到正硅酸原液a；

4、(2)正硅酸雜質(zhì)分離聚集體純化：正硅酸原液a通過二級(jí)串聯(lián)樹脂柱進(jìn)行純化，得到高純度的正硅酸溶液b；所述二級(jí)串聯(lián)樹脂柱包括一級(jí)樹脂柱和二級(jí)樹脂柱，一級(jí)樹脂柱內(nèi)填充螯合樹脂，可將重金屬離子置換為鈉離子，二級(jí)樹脂柱內(nèi)填充氫型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，可將低濃度的堿金屬離子徹底純化至0.1ppm以下；

5、(3)陳化造粒：將正硅酸溶液b進(jìn)行濃縮，然后陳化至溶液呈凝膠，通過冷凍結(jié)晶進(jìn)行造粒定型，再依次經(jīng)解凍、過濾后得到石英初砂；

6、(4)煅燒改性：石英初砂經(jīng)酸洗、干燥后進(jìn)行高溫煅燒改性，得到高純度的成品石英砂。

7、優(yōu)選的，步驟(1)中制備正硅酸的具體操作如下：

8、1.1)樹脂的預(yù)處理：將強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂填充入離子交換樹脂柱，然后使用2.5-5倍樹脂體積的4-8％wt的酸性溶液進(jìn)行再生樹脂，完成樹脂柱再生后，再用edi超純水沖洗至ph值呈中性待用；

9、1.2)采用九水合硅酸鈉固體溶于edi超純水水中，制得質(zhì)量濃度為5-15％的硅酸鈉溶液；

10、1.3)將硅酸鈉溶液通過待用的離子交換樹脂過濾柱，發(fā)生離子交換反應(yīng)，強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂與硅酸鈉溶液的體積比1：0.8-1.8；離子交換反應(yīng)的方程式為：na2sio3+h-m→h2sio3+na-m。

11、優(yōu)選的，步驟(2)中正硅酸雜質(zhì)分離聚集體純化的具體操作如下：

12、2.1)一級(jí)樹脂柱的預(yù)處理：首先采用一倍樹脂體積的飽和氯化鈉溶液反式?jīng)_洗，再用2-3倍樹脂體積的5％wt氫氧化鈉溶液進(jìn)行反沖洗，最后用edi超純水正向沖洗至中性待用；

13、2.2)二級(jí)樹脂柱的預(yù)處理：首先采用2-4倍樹脂體積的5-8％wt鹽酸進(jìn)行反沖洗，再用edi超純水正向沖洗至中性待用；

14、2.3)將正硅酸原液a通過待用的一級(jí)樹脂柱去除重金屬離子，再通過待用的二級(jí)樹脂柱去除堿金屬離子，得到高純度的正硅酸溶液b。

15、優(yōu)選的，步驟(3)中將正硅酸溶液b升溫至50-60℃，然后通過負(fù)壓蒸餾進(jìn)行濃縮，濃縮后正硅酸溶液b的質(zhì)量濃度為20-30％。

16、優(yōu)選的，步驟(3)中的冷凍結(jié)晶的溫度為-15℃以下，冷凍時(shí)間為15h以上。

17、優(yōu)選的，步驟(3)中陳化的溫度為50-80℃，陳化時(shí)間為1-5h。

18、優(yōu)選的，步驟(4)中石英初砂的酸洗方法如下：首先采用edi超純水洗滌，然后排入酸洗罐，采用3-5％鹽酸攪拌浸泡0.5-2h，洗去石英初砂表面殘余物，過濾分離出酸液，再用純水洗去殘留酸液，得到潔凈的石英初砂。

19、優(yōu)選的，步驟(4)中煅燒溫度為1100℃-1300℃，煅燒時(shí)間為2-5h。

20、優(yōu)選的，步驟(4)中得到的成品石英砂的直徑為50-200μm。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

22、本發(fā)明采用成本低廉的硅酸鈉作為硅源，首先與強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂發(fā)生離子交換反應(yīng)，得到正硅酸原液a，然后再對(duì)正硅酸原液進(jìn)行雜質(zhì)分離聚集體純化，通過填充螯合樹脂的一級(jí)樹脂柱，去除重金屬離子，再通過填充氫型強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂的二級(jí)樹脂柱，去除堿金屬離子去除堿金屬，從而得到高純度的正硅酸溶液b，然后再陳化造粒初步定型后，經(jīng)過超低溫冷凍結(jié)晶制備潔凈的二氧化硅，再經(jīng)過酸洗及煅燒改性，制備出高純度的石英砂，能夠作為半導(dǎo)體單品硅生長(zhǎng)用石英坩堝的內(nèi)層原料使用，本發(fā)明通過優(yōu)化工藝步驟，采用二級(jí)串聯(lián)樹脂柱對(duì)正硅酸原液a進(jìn)行雜質(zhì)分離純化，除去雜質(zhì)，通過低廉的硅酸鈉作為硅源制備高純度的石英砂，適合大規(guī)模的生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于，步驟(1)中制備正硅酸的具體操作如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于，步驟(2)中正硅酸雜質(zhì)分離聚集體純化的具體操作如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于：步驟(3)中將正硅酸溶液b升溫至50-60℃，然后通過負(fù)壓蒸餾進(jìn)行濃縮，濃縮后正硅酸溶液b的質(zhì)量濃度為20-30％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于：步驟(3)中的冷凍結(jié)晶的溫度為-15℃以下，冷凍時(shí)間為15h以上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于：步驟(3)中陳化的溫度為50-80℃，陳化時(shí)間為1-5h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于，步驟(4)中石英初砂的酸洗方法如下：首先采用edi超純水洗滌，然后排入酸洗罐，采用3-5％鹽酸攪拌浸泡0.5-2h，洗去石英初砂表面殘余物，過濾分離出酸液，再用edi超純水洗去殘留酸液，得到潔凈的石英初砂。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于：步驟(4)中煅燒溫度為1100℃-1300℃，煅燒時(shí)間為2-5h。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法，其特征在于：步驟(4)中得到的成品石英砂的直徑為50-200μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了高純石英砂制備技術(shù)領(lǐng)域的一種半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂的制備方法。該方法包括如下步驟：(1)采用硅酸鈉溶液與強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂發(fā)生離子交換反應(yīng)，得到正硅酸原液A；(2)正硅酸原液A通過二級(jí)串聯(lián)樹脂柱進(jìn)行純化反應(yīng)，得到高純度的正硅酸溶液B；二級(jí)串聯(lián)樹脂柱包括一級(jí)樹脂柱和二級(jí)樹脂柱，一級(jí)樹脂柱內(nèi)填充螯合樹脂，二級(jí)樹脂柱內(nèi)填充氫型強(qiáng)酸性樹脂；(3)將正硅酸溶液B進(jìn)行濃縮，然后陳化至溶液呈凝膠狀，通過超低溫冷凍結(jié)晶進(jìn)行造粒定型，再經(jīng)解凍、過濾后得到石英初砂；(4)石英初砂經(jīng)酸洗、干燥后進(jìn)行高溫煅燒改性，得到高純度的成品石英砂。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠大規(guī)模制備出高純度的半導(dǎo)體級(jí)石英砂。

技術(shù)研發(fā)人員：趙政,周小雙
受保護(hù)的技術(shù)使用者：連云港亮晶碳基新材料科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6