电子级高纯石英的制备.ppt

1、电子级高纯石英的制备,D2 材料物理,目录,背景,设计方案,结束语,背景,二氧化硅又称硅石，化学式SiO2。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。,SiO2为白色或无色，含铁量较高的是淡黄色。它是无定型粉末，无味、不溶于水或酸，成化学惰性。可用于抗结剂；悬混剂；消泡剂；载体；增稠剂；麦精饮料、果酒、酱油、醋、清凉饮料等助滤剂；澄清剂；香精香料吸附干燥剂

2、；最重要的是在微电子、光电等行业有着广泛的应用。,SiCl4,多晶硅生产废物中以四氯化硅为主，约96%，其余为三氯氢硅、二氯二氢硅等，而四氯化硅是一种具有强腐蚀性的有毒有害液体，遇潮湿空气即分解成硅酸和剧毒气体氯化氢，对人眼、皮肤、呼吸道有强刺激性，遇火星会爆炸，用于倾倒或掩埋四氯化硅的土地将变成不毛之地，草和树都不会在这里生长；这种废物，不仅毒性大，而且产量高，每生产1单位的多晶硅产品会产生约14单位的四氯化硅。预计我国2010年多晶硅企业产生四氯化硅副产物量将超过50万吨。,方案设计,1.主要试剂及仪器,2.制备原理,3.工艺流程图,4.SiCl4的水解,5.含杂质H4SiO4的提纯,6.

3、超纯SiO2的制备,1.主要试剂及仪器,光伏多晶硅生产废物（96%四氯化硅，其余为三氯氢硅、二氯二氢硅等）、NaOH、减水剂、PHS3C型精密PH计、去离子水（自制）。,2.制备原理,SiCl4 + H2O = H4SiO4 + HCl H4SiO4 = H2SiO3 + H2O H2SiO3 = SiO2 + H2O,白炭黑普通型(粉状),白炭黑环保型(颗粒型),白炭黑高分散型,几种常见的多晶硅,3.工艺流程图,10,SiCl4 (含杂原料),水解,H4SiO4(胶体) HCl (盐酸),过滤,H2SiO3胶体) 含杂质：Fe、Al、HCl,碱洗 NaOH,Na2SiO3,过滤,取滤液,Na

4、2SiO3溶液 （含：NaOH、NaCl）,Hcl,酸洗,H4SiO4 （含:NaCl）,强 力 搅 拌,纯H2SiO3,回到第三步， 进一步提纯 可重复2-3次,4.SiCl4的水解,在结构上，四氯化硅和三氯氢硅、二氯二氢硅一样，分子中Si硅原子均以sp3杂化成键，分子呈稳定的四面体结构，但Si硅原子具有3d空轨道，容易接受OH形成稳定的sp3d杂化五配位中间体，生成的产物正硅酸不溶解于水，故四氯化硅极易水解。水解得H4SiO4胶体和HCl。,4.1水解温度控制,图1 水解温度与HCl排放浓度关系,四氯化硅等在水解时放出大量的热。由于温度升高，会造成溶解于水中的氯化氢气体挥发出来，造成环境污

5、染。 经过实验，得图1所示的水解温度 与HCl排放浓度关系，从中可以看出，当水解温度44时，超过最高允许排放浓度为2.3mg/m3，因此，水解温度控制在40以下所挥发出来的氯化氢不会对环境造成污染。,4.2水解水量控制,倍数（水与多晶硅生产副产物质量比）,图2 水解加入水量与HCl排放浓度关系,四氯化硅等在水解时如果生成氯化氢浓度太高，容易挥发出来，加上水解本身也要消耗一部分水，经过实验，得图2所示的水解加入水量与HCl排放浓度关系，从中可以看出，当水解加入水量9.5倍时，空气中HCl浓度低于最高允许排放2.3mg/m3；如果加入水量太大，盐酸浓度太小，则后续处理能耗达大， 因此，多晶硅生产副

6、产物与水的质量比为1：1012倍为宜。,4.3水解程度控制,四氯化硅等在水解时生成不溶于水的正硅酸和能溶于水的盐酸，而生成的正硅酸颗粒极小，如果正硅酸生成太少，容易形成溶胶，过滤时留在滤液中；太多则易生成凝胶，极难过滤。为使分离易于进行，控制水解溶液的PH值，使正硅酸颗粒能大部分形成沉淀。经过实验，得结果表1：,表1 PH值与分离难易的关系,由表1可以看出： 当水解溶液PH2.5时，由于正硅酸以透明的溶胶状态存在，正硅酸与盐酸不能分离；当水解溶液PH2时，由于正硅酸以凝胶状态存在，正硅酸与盐酸不能分离；当水解溶液PH=22.5时，由于绝大部分正硅酸能生成沉淀，最利于正硅酸与盐酸的分离。因此水解

7、溶液的PH值控制在22.5间。,5.含杂质H4SiO4的提纯,实验原料SiCl4是由四川峨眉半导体材料厂提供，经检测上述过程得到的H4SiO4中往往含有铁离子、铜离子、Ti和 Cr等重金属。通常用水洗、酸浸、碱除等工艺出去这些杂质，对Ti和 Cr等重金属的去除采用碱除。,首先在H4SO4沉淀中加入过量的NaOH使沉淀完全溶解，使铜、铁离子尽可能多的释放出来。 然后再对溶液进行过滤，取其滤液。此时滤液中主要含有Na2SiO3、NaOH、NaCl，其中NaOH、NaCl属于杂质，所以再往滤液中加入HCl酸洗，将Na2SiO3重新转换成H4SO4，过滤取沉淀。由于沉淀属于溶胶，其中的水分含量较多，且

8、水中溶有HCl，所以要通过搅拌破坏溶胶的网状结构，脱掉其中的水分（此时加减水剂可以更加充分的破坏网状结构）。 最后因为要得到电子级别的高纯度的SiO2，H4SO4的纯度要求就必须很高，所以以上过程多次重复，以便得到符合要求的高纯石英。,图3 PH对铜、铁去除率的影响,图4 PH对铁沉淀率的影响,图5 Na2S用量对铜 铁去除率的影响,6.超纯SiO2的制备,将得到的纯净的H4SiO4自然干燥得到H2SiO3，然后在200300下烘干H2SiO3，从而制的超纯SiO2。最后将SiO2进行测试。,结束语,二氧化硅是太阳能产业最重要的原材料。由于光电转化效率高、制造门槛相对较低、技术装备较成熟，晶体硅电池占据