[发明专利]一种硅粉法直接制备高纯度大粒径硅溶胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备高纯度硅溶胶的方法。尤其涉及包括使用有机胺作为催化剂，利用硅粉在一定压力下直接制备化学机械抛光专用高纯度大粒径硅溶胶的方法。 

背景技术

自上世纪90年代以来，大粒径硅溶胶作为硅晶片抛光液的原料需求量急剧增加。大粒径硅溶胶磨料由于颗粒大且均匀、分散性好、流动性好、清洗方便、能做成浓缩状、运输包装问题易于解决、抛光速度快、抛光质量好，能满足高质量化学机械抛光（CMP），显著地提高了各类硅片的抛光表面质量和几何精度。 

根据国家发改委、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发的《关于逐步禁止销售普通照明白炽灯的公告》，2012年10月1日起，禁止销售和进口100瓦及以上普通照明用白炽灯。在这一政策的指引下，国内涌现了大量LED生产企业。作为LED生产的重要基础，LED蓝宝石衬底的抛光技术要求极为严格，目前国内外均采用大粒径、高浓度的硅溶胶磨料并配以适当助剂，对蓝宝石单晶进行抛光，能够有效地提高蓝宝石的加工效率和表面平整度。 

大粒径硅溶胶作为合金表面的化学机械抛光液磨料，可使合金表面无损伤，提高合金表面的粗糙度至纳米级。目前，手机、平板电脑、手提电脑等电子产品铝合金外壳的CMP超精密加工，大大促进了大粒径硅溶胶作为铝合金抛光液磨料的发展，成为电子产品外壳纳米级超精密加工的必须原料之一。在汽车铝合金轮毂生产的抛光过程中，生产企业多采用人工抛光，占用了整个轮毂生产的约 35%的时间和大量的劳动力，并且需要依赖熟练的手工抛光工人（1-3只/天），其极低的生产效率和极高的劳动强度严重制约了汽车企业的发展。而以大粒径硅溶胶为磨料的铝合金CMP加工方式，对于提高铝合金轮毂生产效率及质量具有重要的推动作用。 

可见，大粒径、高浓度硅溶胶广泛应用于微电子、光电子、合金制造等行业。工业上制备的大粒径硅溶胶因其粒径小，分散度不均匀，限制了其在硅衬底、LED衬底、合金加工等领域的应用。自本世纪初，电子工业对大粒径硅溶胶的需求不断增加，为满足市场需求，研究开发大粒径硅溶胶也显得尤为迫切和必要，对我国工业发展有着非常重要的意义和深远的影响。 

有很多专利报道了硅粉法制备硅溶胶的方法。专利CN1830777A公开了一种硅溶胶的制备方法，在二氧化硅水分散液中加入碱性催化剂，通过硅粉水解出的活性硅酸微粒子附着在二氧化硅种子粒子上使种子粒子迅速增长，直接得到平均粒径为5-500nm的大粒径硅溶胶，反应温度为60-100℃。CN101397139A公开了高纯度硅溶胶的制备方法，将普通的低浓度、由水玻璃或者硅粉制备的硅溶胶在碱性条件下用高纯度的硅氧烷进行处理，改变硅溶胶中二氧化硅的表面化学成分，通过无机或有机催化剂，在加热条件下制得碱性、中性、酸性条件下均稳定的高纯硅溶胶，金属杂质含量在1ppm以下，硅溶胶粒径约为30nm。CN101585541A公开了一种电子级硅溶胶的制备方法，以硅粉为原料分两步进行：先用硅粉在催化条件下制备高纯度硅溶胶；然后通过粒径选择器选择粒径，用离子交换树脂、通过控制交换液流速脱除杂质，最后添加稳定剂制得粒径为10-20nm的电子级硅溶胶，可用于电子工业的各个技术领域中。CN102101674A公开了一种制备硅溶胶的方法，将金属硅粉、碱和去离子水加入混合器中，通入热蒸汽进行物料混匀及加热，得到二氧化硅溶胶种子；以制备的二氧化硅溶胶种子为母液，分批次加入反应物料，通入热蒸汽进行物料混匀机加热；反应完成后，去除微反应的金属硅粉，得到硅溶胶。该发明主要采用热蒸汽从反应釜底部供热，通过热气流将热蒸汽热量迅速、均匀传递到整个反应体系，克服夹套加热的缺陷，有利于硅溶胶种子的均匀生成和颗粒粒径的均匀增长。CN102417185A公开了一种新型超大粒径高浓度硅溶胶的制备方法。原料选用硅粉、氢氧化钠与硝酸铈铵以及纯水。通过80℃下加入活化硅粉、氢氧化钠及硝酸铈铵水溶液，反应30min，此后每30min加一次硅粉氢氧化钠及硝酸铈铵水溶液，总反应时间为30h，最后制得的大粒径硅溶胶平均粒径在150nm以上。专利CN102849748A公开了一种单质硅一步法制备硅溶胶的方法。将单质硅置于溶解介质中，加入适量氢氧化钠或氢氧化钾催化剂，加热至90-95℃，反应8-10h，可得硅溶胶稀成品即母液，母液蒸发去水，可得3-100nm的硅溶胶成品，制备出的硅溶胶成本低，稳定性好，质量好，产品收率高。