[发明专利]一种连续制备大颗粒硅溶胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学技术领域，具体涉及电子化学品领域，特别涉及一种连续制备大颗粒硅溶胶的方法。

背景技术

大颗粒硅溶胶是指平均颗粒大小≧80nm的硅溶胶，是一种重要的精密抛光耗材，也可以用于其他多个领域。随着电子产业的兴起，大颗粒硅溶胶在蓝宝石衬底、硅晶圆片等精密抛光和集成电路多层布线时的化学机械平坦化(CMP)工艺中的作用越来越大，市场对其需求也越来越大。

目前制备大颗粒硅溶胶的方法主要有离子交换法和直接酸化法。其基本原理为：

离子交换法采用水玻璃为原料，经过离子的交换、硅酸的制备、晶种的制备、粒子的增长反应、浓缩和纯化等步骤而制备出硅溶胶产品。离子交换法需要一步步地将粒子增大，耗费大量时间，效率低下，而且再生离子交换树脂时会产生大量的含酸废水，每个步骤对硅溶胶最终的品质均有直接的影响，离子交换法生产大颗粒硅溶胶很难做成连续化生产模式。另一种方法是直接酸化法，一般采用稀水玻璃为原料，经过离子交换法去除钠离子，制备晶核，再经过直接酸化、晶粒长大等步骤制备出硅溶胶，用此种方法制备出的硅溶胶杂质离子含量高，稳定性差，产品质量差，并且制备产品过程复杂，耗时较长，效率低下，也无法连续化。综上所述，目前正常生产大颗粒硅溶胶的方法都是间歇式的，时间长、效率低、成本较高，并且产品质量不稳定，生产过程中有大量的废水需要处理，环境压力大。

发明内容

鉴于现有技术制备大颗粒硅溶胶方法存在的产品过程复杂，无法连续化生产的缺陷，本发明提供一种连续制备大颗粒硅溶胶的方法。

本发明的技术方案是：一种连续制备大颗粒硅溶胶的方法，包括下列步骤：

(1)配制碱性水溶液A液，

(2)将烷氧基硅烷加入高纯酸性水溶液中，通过水解反应制得无色透明硅酸水解液前驱体B液，

(3)在第一反应容器内加入步骤(1)制备的碱性溶液A液，加热至沸腾回馏，

(4)并将步骤(2)制备的硅酸水解液前驱体B液和步骤(1)制备的碱性溶液A液，同时连续地滴加在步骤(3)的第一反应容器的碱性溶液中A液，在该条件下二氧化硅颗粒成核生长；

通过连续滴加装置，在反应器中不断滴加硅酸水解液与碱性液体，使二氧化硅颗粒不断长大，通过控制滴加硅酸水解液和碱性溶液的速度、时间与增减连续反应装置中反应器的数量，可以调节硅溶胶的颗粒大小，

(5)将第一反应容器中制备得到的硅溶胶导入到第二反应容器，并将步骤(2)制备的硅酸水解液前驱体B液和步骤(1)制备的碱性溶液A液，同时连续地滴加在步骤(3)的第二反应容器的碱性溶液中A液，在该条件下二氧化硅颗粒成核生长；

(6)将第二反应容器中制备得到的硅溶胶导入到第n反应容器，并将步骤(2)制备的硅酸水解液前驱体B液和步骤(1)制备的碱性溶液A液，同时连续地滴加在步骤(3)的第n反应容器的碱性溶液中A液，在该条件下二氧化硅颗粒成核生长；其中n≥1；

(7)最后将第n反应容器的硅溶胶导出，得到成品；在整个生产过程中从第一反应容器到第n反应容器的反应，都是在连续滴加硅酸水解液前驱体B液和碱性溶液A液，进行反应。

本发明的一优选技术方案中，所述烷氧基硅烷选自四甲氧基硅烷或者四乙氧基硅烷或其混合；所述其中酸性溶液中的酸选自盐酸、硝酸、硫酸。

本发明的一优选技术方案中，步骤(2)中，水、H⁺与烷氧基硅烷的摩尔比为4：0.002～0.005：0.5～2。

本发明的一优选技术方案中，所述碱性水溶液选自氢氧化钾、碳酸钾、氢氧化钠、有机钾盐比如甲醇钾，乙醇钾等。所述碱性水溶液的浓度为0.01％～10％。

本发明的一优选技术方案中，步骤(2)中，将烷氧基硅烷连续加入高纯酸性水溶液中，通过水解反应制得无色透明硅酸水解液前驱体。

本发明的一优选技术方案中，为使反应中产生的二氧化硅核继续生长，在滴加过程中连续加热被滴加物料，蒸出部分水以及醇；本发明中，第n反应器1≤n≤10。

本发明的制备工艺与传统的水玻璃制备工艺相比，既不需要用大量的离子交换树脂，将水玻璃转换成硅酸，又不需要间隙式的进料出料，耗费大量时间。连续法制备大颗粒硅溶胶时其快速性与连续性的优点非常明显，效率高，产品质量稳定，成本低，根据颗粒大小可得不同浓度的硅溶胶，硅溶胶的平均颗粒大小在80nm至200nm可调。