[发明专利]一种硅粉表面除氧的方法

说明书

 

技术领域

本发明属于粉体表面处理技术领域，涉及到硅粉表面氧的去除。

背景技术

作为不可或缺的基本原材料，硅粉被广泛用于粉末冶金制造业，如用于烧结制备难熔合金、陶瓷、复合材料等。然而，由于较高的表面活性，硅粉容易被氧化，在硅颗粒表面形成SiO₂、SiO等氧化膜。硅的氧化物比较稳定，即使在高温烧结过程也很难被还原，从而影响到烧结材料的质量。此外，表面的氧化膜会降低硅粉的流动性，易于造成材料致密度下降，对材料的综合力学性能产生不利影响。

目前，硅表面清洗技术主要分为两大类。第一类以硝酸、盐酸、双氧水、氨水等为主要的侵蚀试剂。其中最常用的方法为RCA清洗法 (先后分别经过溶液1NH₃:1H₂O₂:5H₂O和1HCl:1H₂O₂:6H₂O侵蚀，最后辅以稀释的HF清洗)。尽管该清洗法能够清除硅表面的氧化物，但同时也会侵蚀和损害硅基体、工序复杂(W. Kern, J. Electrochem. Soc., 1990, 137, 1886-1892; W. Kern, Handbook of Semiconductor Cleaning Technology, Noyes Publishing, Park Ridge, NJ, 1993.)。另一类以HF为主要的侵蚀试剂。HF在硅工艺中常被用作腐蚀剂，能够清除硅表面自然氧化层同时又不会侵蚀硅基体，理论上可以得到洁净、完整的硅表面。然而，在HF侵蚀过程中，由于硅表面润湿性较差，特别随着反应的进行，润湿性急剧下降，进一步阻碍残余氧化物的去除，除氧效率低(M.C. Gomes, A.C. Fernandes, B.S. Almeida, R.M. Almeida, J. Mater. Sci. 1995, 30, 3893-3896.)。另外，在HF侵蚀过程中容易出现钝化现象，除氧效率下降，HF₂^-有利于消除该现象，但是随着HF浓度的增加，HF₂^-的浓度降低(D.M. Knotter, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4345-4351)，因此通过增加HF浓度来增加除氧效果是行不通的。K. Yamamura等在HF中加入适量的HNO₃虽然除氧效率有所提高，然而HNO₃同时也会严重侵蚀损害硅基体(K. Yamamura, T. Mitani, Surf. Interface Anal., 2008, 40, 1011-1013)。可见，寻找一种既能提高硅粉表面除氧效率，又不损害硅基体并且工序简单、易于控制的方法非常必要。

发明内容

本发明的目的在于通过在HF中加入中性溶剂无水乙醇并控制其比例和浓度，增加硅粉表面的润湿性，促使H⁺、HF₂^-和H₂F₂等快速向硅原子扩散，提高除氧效率同时又不会损害硅基体，处理后的粉末具有良好的均匀性和分散性，并且工艺简单、易于操作。

一种硅粉表面除氧的方法，其特征在于，硅粉的除氧工艺是：HF、无水乙醇和去离子水按比例配制出所需除氧液并置于25-60℃恒温水浴中，取出适量待处理的硅粉放入该除氧液，不停搅拌15-60 min，然后经过真空过滤器用去离子水清洗过滤3-8次、25-70℃真空干燥，之后立即真空封装保存。待处理的硅粉的纯度大于99%，平均粒径小于200μm，对氧含量无限制。除氧溶液中氢氟酸和无水乙醇的成分组成按体积百分比计， HF/C₂H₅OH：1-10，其余为去离子水，HF浓度为：1%-20%。

本发明是在HF中加入适量的无水乙醇并控制两者之间的体积比，降低硅表面的接触角，提高粉末的润湿性，使得H⁺、HF₂^-和H₂F₂等快速向硅原子扩散，从而使SiO₂等氧化物的去除反应更为迅速、连续和彻底。