[发明专利]一种采用等离子体法制备纳米金属硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属硅的制备技术领域，具体而言，涉及一种采用等离子体法制备纳米金属硅的方法。

背景技术

现有的金属硅主要用改良的西门子法和冷氢化法生产，其工艺复杂、环境污染严重、设备投资大、能耗高和生产成本高等缺点。这两种工艺生产的太阳能级和电子级金属硅的产品质量取决于原料气体三氯氢硅的杂质含量，如铁、铝、钙、硼和磷等。工业上常用多级精馏的方式除去三氯氢硅的杂质，实际生产中精馏的除杂效果无法满足金属硅对杂质含量的要求，主要原因是原料金属硅块的杂质含量超标、氢化工序中带入杂质和精馏操作有待优化。

西门子法和冷氢化法生产的金属硅需要经过大量的后续工序处理才能作为产品使用，这无疑又加重金属硅制品的生产成本。以电子元器件用电子级金属硅为例，现有的生产技术得到的金属硅需要经过破碎处理，其粒径小于100nm的金属硅才能使用。然而，破碎方式造成金属硅纳米颗粒的晶体缺陷、结构形貌不规则、粒径分布宽等缺点，从而导致电子元器件的使用寿命短，尤其是无法满足航天航空的使用要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用等离子体法制备纳米金属硅的方法，以取代改良的西门子法和冷氢化法制备金属硅，使纳米金属硅的制备流程简单，易操作，并降低其能耗及生产成本；同时，以使制备出的纳米金属硅的质量指标满足微电子行业对电子级金属硅的质量要求，避免因采用粉碎方式而造成对金属硅的晶体的破坏。

本发明所采用的技术方案为：

一种采用等离子体法制备纳米金属硅的方法，包括以下步骤：

A.制备氟化硅气体：将石英砂与氢氟酸反应生成氟化硅气体；

B.纯化氟化硅气体：将步骤A的所述氟化硅气体经过纯化除杂处理后，得到纯化的氟化硅气体；

C.制备纳米金属硅：将步骤B的所述纯化的氟化硅气体与氢气完全混合后通入到等离子体反应器中，并在所述等离子体反应器产生的等离子体场作用下与所述氢气反应而生成纳米金属硅和氟化氢气体。

等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，一种由电子、离子、原子、分子和自由基等粒子组成的电离化混合体。等离子体是一种有效的分子活化手段，气体放电产生的高能电子与稳态反应物分子通过非弹性碰撞方式将能量传递给气体分子，气体分子获得能量后被激发、离解和电离成激发态物种、自由基和离子等，这些活性态粒子随即发生等离子体化学反应。等离子体不但能够实现常规条件下无法实现的化学反应，而且具有单位能耗低、操作条件简单和设备投资低等特点。

上述方法首先通过步骤A将石英砂与氢氟酸进行反应制备氟化硅气体；由于步骤A中生成的氟化硅气体中含有其他杂质，为了避免其他杂质对后续步骤的影响而在步骤B进行纯化除杂，以利于后续步骤中纳米金属硅的制备；最后通过步骤C将经步骤B纯化除杂的氟化硅气体通入等离子体反应器中，并在等离子体反应器所产生的等离子体的作用下与氢气进行反应，从而制备生成纳米金属硅。

上述制备方法主要通过步骤C中的等离子体反应器所产生的等离子体对氟化硅分子与氢气分子进行了活化而有利于该步骤反应的进行，因此，与现有的改良的西门子法和冷氢化法制备金属硅相比较，采用等离子体法制备纳米金属硅的方法降低了能耗及生产成本，而且其制备流程简单，易操作；而且制备出的纳米金属硅的晶体结构完整、无晶格缺陷、粒径分布窄，其无需破碎就能满足微电子行业对电子级金属硅的质量要求。

进一步，还包括步骤D：将步骤C中生成的所述氟化氢气体、未反应完全的氟化硅气体和未反应完全的氢气通入分离器中进行分离纯化，分别得到回收氟化氢气体、回收氟化硅气体和回收氢气；所述回收氟化氢气体溶于纯化水中制备成氢氟酸而返回步骤A；所述回收氟化硅气体和所述氢气分别送至氟化硅气体贮存器和氢气贮存器。

进一步，所述氟化硅气体贮存器和所述氢气贮存器内的氟化氢气体和氢气返回步骤C进行再利用。

为了实现无污染物排放，优选地，上述采用等离子体法制备纳米金属硅的方法还包括步骤D，通过步骤D将反应生产的氟化氢气体、未反应完全的氟化硅气体和未反应完全的氢气通入分离器中进行分离纯化，并将分离纯化后的个气体进行回收在利用，从而实现了无污染物排放而有利于环境保护。

同时，将回收的个气体返回前面的步骤以使资源得到充分利用，更好地提高了纳米金属硅的产率。

进一步，所述纯化的氟化硅气体与氢气按体积比1:1~4完全混合。

优选地，所述纯化的氟化硅气体与氢气按体积比1:2.5完全混合。