專利名稱：高純度硅石粉末、其制造方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高純度硅石粉末及在熱區(qū)內(nèi)制造該高純度硅石粉末的方法及裝置。
背景技術(shù)：
高純度硅石粉末已經(jīng)在許多技術(shù)領(lǐng)域采用。這些應(yīng)用場合的實(shí)例包含光纖、用以抽拉硅單晶的石英坩堝、光電子材料(例如透鏡及反射鏡)、電子材料內(nèi)所用惰性成分的填料及晶片的拋光懸浮液(化學(xué)機(jī)械拋光)。上述諸應(yīng)用場合對粉末純度的要求極高。
在光學(xué)通訊上所用由SiO2所制光纖內(nèi)，作為資訊載體的光，其放射強(qiáng)度不應(yīng)由雜質(zhì)(例如OH、鐵及銅)所引起的吸收作用、或泡沫、結(jié)晶核及不勻性引起的散射作用而減弱。結(jié)晶核是由雜質(zhì)(例如鈣及鎂)所形成。
在石英玻璃坩堝內(nèi)，在抽拉硅單晶期間對坩堝內(nèi)表面所發(fā)生的腐蝕作用是隨雜質(zhì)的數(shù)量及類型而變化。腐蝕作用減低潛在拉晶時(shí)間。再者，每多一種雜質(zhì)即增加結(jié)晶核的數(shù)量，在單晶冷卻期間，結(jié)晶核處可形成氧的沉淀。
例如，在光學(xué)玻璃中，玻璃內(nèi)的傳送損失是由鈉及過渡金屬所引起。所以，過渡金屬的濃度需不超過100ppb。唯獨(dú)如此方可確保波長為248納米的傳送大于99.5％及波長為193納米的傳送大于98％。再者，光纖、石英坩堝及玻璃所用的硅石粉末必須不含有機(jī)雜質(zhì)，否則在燒結(jié)步驟期間會形成許多氣泡。
若元素鐵、鈉及鉀的濃度不超過0.2ppm及元素鋁及鈦的濃度不超過1ppm，高純度SiO2也可用作環(huán)氧樹脂的填料以保護(hù)IC晶片。這些元素改變惰性元件的熱膨脹系數(shù)、電導(dǎo)率及抗腐蝕性。如此可使晶片的保護(hù)功能產(chǎn)生去活化作用。
拋光懸浮液是用于半導(dǎo)體表面的直接拋光。例如，作此用途的SiO2，其鋁的濃度必須不能超過4ppm。
制造高純度硅石粉末的已知方法是含硅母體的水解作用。例如，該方法可借下列諸方式加以實(shí)施在有有機(jī)溶劑存在的情況下，在水中將SiCl4水解(Degussa的DE 3937394)；將氟硅酸銨首先與氨水混合，之后再與氫氟酸混合(Nissan，JP 04175218)，或通過添加稀無機(jī)酸于堿金屬硅酸鹽而得硅石沉淀(日本、EP 9409167，武漢大學(xué)，CN1188075)。如此形成的硅石也稱作沉淀型硅石且主要是用途催化劑載體及作為環(huán)氧樹脂填料以保護(hù)LSI及VLSI電路裝置。上述方法制備多孔性、含有氣泡的、流動性能差的非完美球狀微粒。這些方法的另—非常重大缺點(diǎn)是純度受到限制，因?yàn)檫@些方法會引進(jìn)一定程度的某些雜質(zhì)，例如OH、碳、氟、氮及堿金屬，例如鈉及鉀。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致大量光散射及吸收，以及應(yīng)用產(chǎn)品的機(jī)械及熱穩(wěn)定性減低。所以，該方法基本上不適用于光纖、坩堝及玻璃工業(yè)。
由于嚴(yán)格的純度要求，天然石英也不能作上述用途。但，已經(jīng)嘗試，通過將不夠純的石英作進(jìn)一步純化的另外加工步驟以達(dá)成合格的純度等級。依照DE 3123024(Siemens)，天然石英是通過熔化作用轉(zhuǎn)化為細(xì)纖維，隨后利用酸及堿將這些纖維施以許多瀝濾加工步驟。由于這些纖維的表面積高及厚度小，過渡金屬離子的含量可降到低于1ppm。因這些纖維是直接應(yīng)用于光纖工業(yè)界，此方法相當(dāng)?shù)土Ｒ勒誅E 3741393(Siemens)，若作為其他用途或制成不同成形體幾何形狀，這些經(jīng)純化的纖維是加以研磨，并借助于水、分散劑及其他助劑轉(zhuǎn)化成泥漿，隨后施以流鑄加工及燒結(jié)加工，最后結(jié)果是帶有許多污染源的繁復(fù)加工方法。
依照EP 0737653(Heraeus)，天然石英是施以研磨、篩選、預(yù)熱至1000℃、用Cl2/HCl加以處理、冷卻及去脫附等加工步驟。此耗時(shí)加工法所得純度仍含約70ppb的鐵。來自堿土金屬及鋁的雜質(zhì)(可形成方英石，所以(例如)減低坩堝品質(zhì))無法移除至此種程度，因?yàn)檫@些元素可形成低揮發(fā)性的氯化物(主要地鈉＝1100ppb，鉀＝1050ppb，鋰＝710ppb，鈣＞370ppb，鋁＝16000ppb，鐵＝410ppb；隨后鈉＜10ppb，鉀＞80ppb，鋰＝700ppb，鈣＞120ppb，鋁＝16000ppb，鐵＞30ppb)。
依照US 4818510(石英技術(shù))，可用HF將石英進(jìn)一步純化。但，HF僅對若干元素(例如鐵)作選擇性反應(yīng)，而形成容易溶解的復(fù)合物。
進(jìn)一步純化作用也可對SiO2顆粒實(shí)施。依照US 6180077及EP1088789(Heraeus)，SiO2顆粒是借助于HCl在高溫下制造及純化。一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是這些顆粒的表面積高，所以HCl可較為容易地及較為快速地與其作用。若起始點(diǎn)是純度為鈉＜50ppb，鐵＝250ppb，鋁＜1ppm的顆粒，進(jìn)一步純化作用可達(dá)到純度非常高的等級(納＝5ppb，鐵＝10ppb，鋁＝15ppb)。一項(xiàng)缺點(diǎn)是首先需要制造高度多孔性的硅石顆粒(孔洞體積0.5立方厘米，孔洞直徑50納米，BET表面積100平方米/克，密度0.7克/立方厘米，粒徑180至500微米)，這是一個(gè)耗時(shí)加工方法，且這些顆粒并不代表最終產(chǎn)品，仍須加以燒結(jié)。再者，該高孔隙率隱藏著成型(例如形成坩堝)后燒結(jié)期間所含剩余氣體的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
依照US 4956059(Heraeus)，除高溫下所用純化氣體Cl2/HCl之外，在硅石顆粒進(jìn)一步純化作用中也可使用電場(通常為652伏特/厘米)。在有電場存在的情況下(尤其堿金屬離子受此影響，在電場中容易移動)，可使進(jìn)一步純化作用的效果更佳。此方法可使鈉的等級由1ppm減至50ppb。
依照EP 1006087(Heraeus)，進(jìn)一步純化作用可用適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)施，以便在氣流內(nèi)將不純的粉末加熱，使雜質(zhì)軟化并形成熔融附聚物可附著在該表面上。該方法僅對非常不純的起始原料粉末有用。但，此種方法對高熔點(diǎn)氧化物(例如MgO及Al2O3)無法產(chǎn)生進(jìn)一步的純化作用。為達(dá)成此目的需要使用大量氣體，這是另一缺點(diǎn)。
利用溶膠-凝膠加工法(其中由有機(jī)硅烷及水，首先形成溶膠及隨后形成凝膠可達(dá)成高純度(金屬雜質(zhì)＜1ppm，碳＜5ppm，硼＜50ppm，磷＜10ppb)。隨后利用惰性氣體加以烘干、煅燒及燒結(jié)(Mitsubishi，EP 0831060、EP 0801026、EP 0474158)。因?yàn)閷⒏呒兌扔袡C(jī)硅氧烷用作起始原料，此方法非常耗時(shí)而且昂貴。通常，在制造程序中使用以有機(jī)物為主要成分的流變性助劑、分散劑及溶劑，結(jié)果最終產(chǎn)品中可含有黑色碳微粒及CO及CO2氣泡。使用水可導(dǎo)致高OH含量，因而產(chǎn)品中有氣泡形成及產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性低。若將該材料用作利用Czochralski法制造硅單晶的硅石坩堝，由于溫度高及壓力低，這些氣泡及孔洞會膨脹。在拉晶期間，這些氣泡不僅在硅熔體內(nèi)形成渦流而且形成結(jié)晶瑕疵以及降低坩堝的長期穩(wěn)定性。
原則上，高純度硅石也可在有氧-燃料焰存在的情況下，利用CVD或OVD法，由高純度有機(jī)硅烷或SiCl4產(chǎn)生硅石沉淀而制得(Coming，US 5043002、US 5152819、EP 0471139、WO 01/17919、WO 97/30933、WO 97/22553、EP 0978486、EP 0978487、WO 00/17115)。但，方法不能制成粉末，而是具有特定、簡單幾何形狀的玻璃體。這些簡單幾何形狀包含光學(xué)玻璃及透鏡。光纖可借抽拉作用自所制高純度形式的玻璃體制得。為自這些簡單玻璃體制造任何預(yù)期幾何形狀的玻璃體，所制玻璃體必須首先加以研磨成為粉末狀，之后加以分散、成型及燒結(jié)。但，此種方法可產(chǎn)生廣泛污染(尤其在研磨步驟期間)。
此方法的另一缺點(diǎn)是為達(dá)成特別高的純度，須使用昂貴、高純度有機(jī)硅烷，例如八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)。
高純度SiO2薄層也可通過沉淀在高純度底材上而制得(例如通過等離子體CVD/OVD，GB 2208114、EP 1069083)。其缺點(diǎn)是僅可達(dá)成150納米/分鐘的低沉淀速率(例如J.C.Alonso等人，J.VAC.Sci.Technol.A 13(6)，1995、第2924等頁)。涂覆方法需要高制造成本。由這些方法，無法制得高純度硅石粉末。
簡單替代方法是在火焰中形成硅石。在此方面有兩種不同的方式經(jīng)公開。依照J(rèn)P 5-193908(Toyota/ShinEtsu)，借助于C3H2n+2/O2焰(其中C3H2n+2僅是燃燒作用所需)，高純度硅金屬粉末可氧化成高純度硅石粉末。但，發(fā)明人自己承認(rèn)有反應(yīng)產(chǎn)生許多未燃燒微粒的問題。除非起始微粒非常纖細(xì)(0.2微米)，甚難達(dá)到充分氧化作用。但，幾乎不能制得如此纖細(xì)的高純度硅微粒。
另外一種方式是，通過火焰水解作用，在第一步驟內(nèi)，于氫氧焰中由SiCl4可制得熱解型硅石，在第二步驟內(nèi)，借燒結(jié)作用可將該熱解型硅石轉(zhuǎn)化為熔凝硅石。
應(yīng)了解的是，術(shù)語熱解型硅石是指通過使硅烷在高溫火焰內(nèi)反應(yīng)所制的超細(xì)微粒、納米級粉末，且經(jīng)常凝集及粘聚在一起。熱解型硅石的一個(gè)典型實(shí)例是Degussa制備的AerosilOX 50，BET表面積為50平方米/克。應(yīng)了解的是，熔凝硅石一詞是指較粗顆粒、球狀玻璃粉末。熔凝硅石的一個(gè)典型實(shí)例是Tokuyama制備的ExcelicaSE-15，平均粒徑為15微米。
依照US 5,063,179(Cabot)，第二個(gè)子步驟(＝熔凝硅石的制造)的實(shí)施方式是將熱解型硅石分散在水中，加以過濾、烘干、利用SOCl2或Cl2進(jìn)一步純化，并于爐內(nèi)加以燒結(jié)。雜質(zhì)(例如鈉及鐵)的濃度約為1ppm(雜質(zhì)總含量＜50ppm)，即仍然相當(dāng)高。
依照J(rèn)P 5301708及JP 62-270415(德山公司)，為制造熔凝硅石，用水蒸汽處理高純度熱解型硅石，加以冷卻及流體化，借助于一螺桿輸送器將其進(jìn)給至一氫氧焰內(nèi)以實(shí)施燒結(jié)作用。利用上述方法所制熔凝硅石產(chǎn)品含有＞1000ppb的雜質(zhì)，該雜質(zhì)是銅、鐵、鈦、鋁、鈣、鎂、鈉、鉀、鎳、鉻、鋰諸元素累積的總和。例如，借助于螺桿輸送器，依照上述方法實(shí)施這些熱解型硅石的分散作用及輸送。螺桿是移動部件，接觸硅石會受到損傷，尤其邊緣部位更為嚴(yán)重。結(jié)果，該螺桿污染到細(xì)石粉末。該項(xiàng)設(shè)備的其他部件也會曝露于磨蝕性硅石微粒，因而受到損傷。尤其應(yīng)提及燃燒器噴嘴，在該處硅石粉末的速度特別高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種純度非常高的硅石粉末。
本發(fā)明的另一目的是提供以廉價(jià)方式制造本發(fā)明粉末的一種方法及裝置。
所制雜質(zhì)總量低于500ppb的硅石粉末可達(dá)成第一個(gè)目標(biāo)。
本發(fā)明硅石粉末內(nèi)的雜質(zhì)總量優(yōu)選低于150ppb。尤其優(yōu)選雜質(zhì)總量低于150ppb及個(gè)別雜質(zhì)含量為銅＜1ppb、鐵＜25ppb、鎳＜2ppb、鉻＜2ppb、鈦＜3ppb、鋁＜31ppb、鈣＜65ppb、鎂＜12ppb、鈉＜12ppb、鉀＜6ppb、及鋰＜1ppb而且該粉末不含碳。
雜質(zhì)等級是利用ICP分析法(感應(yīng)性偶合等離子體，裝置類型為IPC-MS HP 4500)測定，該方法的檢測極限低于1ppb。這些硅石粉末可以是熱解型硅石或熔凝硅石。
熱解型硅石的表面積以50至300平方米/克為佳，尤以150至250平方米/克更佳。原始粒徑以1納米至1000納米為佳，但以5納米至100納米較佳，尤以10納米至30納米更佳。
熔凝硅石的平均粒徑以100納米至200微米為佳，但以1微米至200微米較佳，尤以5微米至40微米更佳。再者該粉末的粒徑分布以狹窄(D(95)-D(5)＜50微米)為佳，但以D(95)-D(5)＜35微米，也即平均粒徑D(50)＝15微米；D(5)＝1微米，D(95)＝50微米較佳，尤以D(5)＝3微米，D(95)＝35微米更佳(利用CILAS 715測量)。
本發(fā)明產(chǎn)品的狹窄粒徑分布意謂另外加工步驟(例如篩選)已不需要而且該粉末適于直接進(jìn)一步加工。例如，圖6所示是依照實(shí)施例4所制熔凝硅石粉末的非常均勻粒徑分布。
本發(fā)明熔凝硅石微粒最好呈球狀而且完全玻璃化。與利用溶膠-凝膠法所制粉末不同，此等熔凝硅石微粒不含任何氣泡或由于使用有機(jī)溶劑、分散劑及流變性試劑所產(chǎn)生的碳雜質(zhì)。
本發(fā)明的高純度熱解型硅石及熔凝硅石粉末可用于現(xiàn)有技術(shù)已知的所有應(yīng)用場合。例如，這些高純度硅石粉末特別適用于制造DE19943103(Wacker Chemie GmbH)所述的成形體。
本發(fā)明的粉末最好可借助于以下方法制造高純度熱解型硅石是由高純度SiCl4的水解而制得，其中作用以形成熱解型硅石的SiCl4水解是在具有無金屬表面的裝置內(nèi)實(shí)施。高純度SiCl4的水解作用是在火焰中實(shí)施。該火焰包括含氧氣體及選自以下組中的氣體烴及氫，但以包括空氣或氧及選自以下組中的氣體較佳甲烷、丙烷及氫，尤以包括氧及氫者更佳。該水解作用最好在H2/O2焰內(nèi)實(shí)施。另外一種方式是，水解作用是在等離子體內(nèi)(例如HF等離子體內(nèi))實(shí)施。
熱解型硅石粉末的沉積作用最好也在具有無金屬表面的裝置內(nèi)實(shí)施。
其他適當(dāng)?shù)钠鹗荚习s質(zhì)＜100ppb的硅烷、有機(jī)硅化合物及鹵硅烷。雜質(zhì)＜100ppb的SiCl4極為適當(dāng)，純度如表1所示的SiCl4則更為適當(dāng)。
同樣高純度的本發(fā)明熔凝硅石粉末也可通過燒結(jié)作用由本發(fā)明的熱解型硅石粉末制成。
高純度熱解型硅石粉末的燒結(jié)作用最好是在用以制造本發(fā)明熱解型硅石粉末的裝置中，在H2/O2焰內(nèi)或借助于HF等離子體實(shí)施。熱解型硅石內(nèi)也可添加控制量的水以控制熔凝硅石粉末的料徑。
為避免遭受環(huán)境元素(例如鈉、鉀、鎂或鈣)的污染，最好是在清潔室內(nèi)情況下和/或在一層流動體的情況下進(jìn)行工作。
在此情況下，該方法是在清潔室內(nèi)等級100000至1(但以10000至100較佳，尤以1000更佳)時(shí)實(shí)施。
作為清潔室內(nèi)情況的變通方式，該方法可在0.913巴至1.513巴(但以1.013巴至1.413巴較佳，尤以1.020巴至1.200巴更佳)的壓力下實(shí)施。超大氣壓力可防止雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)。
若本發(fā)明的粉末是在H2/O2焰內(nèi)制造，本發(fā)明的裝置是噴嘴，該噴嘴包括位于外管內(nèi)的內(nèi)管，所用起始原料選自以下組中SiCl4、SiCl4與O2的混合物、熱解型硅石及熱解型硅石與O2的混合物，且通過該內(nèi)管，其中該內(nèi)管是由以硅為主要組分的含硅材料(例如石英玻璃、熔凝石英、SiC、Si3N4、琺瑯或硅金屬)組成。
最好該內(nèi)管是由以硅為主要組分的含硅材料(例如石英玻璃、熔凝石英、SiC、Si3N4、琺瑯或硅金屬)組成，該材料的表面已經(jīng)利用含氯氣體(例如SOCl2、HCl或Cl2)加以純化。
該裝置最好是噴嘴，在該噴嘴中，內(nèi)管是由石英玻璃或附有石英玻璃表面的材料所組成，該石英玻璃表面最好已經(jīng)利用含氯氣體(例如SOCl2、HCl或Cl2)加以純化。
最好整個(gè)噴嘴是由石英玻璃或具有石英玻璃表面的材料組成。若石英玻璃或該具有石英玻璃表面的材料已經(jīng)利用SOCl2、HCl或Cl2加以純化，純度仍可進(jìn)一步提高。
若僅供應(yīng)熱解型硅石或SiCl4的內(nèi)管是由石英玻璃組成，而噴嘴的其余部分是由(例如)鋼組成，所制粉末的純度較噴嘴由石英玻璃噴嘴制備的略差，但仍較已知硅石粉末高。
所以，本發(fā)明還涉及噴嘴，該噴嘴包括位于外管內(nèi)的內(nèi)管，其中該內(nèi)管是由以硅為主要組分的含硅材料組成。該材料最好選自以下組中石英玻璃、熔凝石英、SiC、Si3N4、琺瑯或硅金屬。
該噴嘴優(yōu)選由選自以下組中的材料組成石英玻璃、熔凝石英、SiC、Si3N4、琺瑯或硅金屬，尤其優(yōu)選由石英玻璃組成。
噴嘴以不將燃料氣體預(yù)先加以混合的噴嘴為佳。在此型噴嘴內(nèi)，燃料氣體H2及O2是分別進(jìn)給至燃燒室內(nèi)。在本發(fā)明噴嘴1的一個(gè)實(shí)施方案中，SiCl4和/或熱解型硅石是在先導(dǎo)室7(pilot chamber)內(nèi)預(yù)先與一種燃料氣體(以O(shè)2為佳)混合，隨后將該混合物進(jìn)給至燃燒室內(nèi)。該噴嘴包括供應(yīng)O2及熱解型硅石(SiCl4)混合物的內(nèi)管5及供應(yīng)H2的外管6(圖3及4)。
在本發(fā)明噴嘴1的另一實(shí)施方案中，所有反應(yīng)成分(H2、O2、SiCl4和/或熱解型硅石)是分別進(jìn)給至燃燒室內(nèi)。該噴嘴包括同心配置的管2、3、4以供應(yīng)熱解型硅石(SiCl4)、O2及H2。一種可能的配置包括內(nèi)管以供應(yīng)熱解型硅石(SiCl4)、中管以供應(yīng)O2及外管以供應(yīng)H2(圖1)。
借助于H2/O2焰以制造本發(fā)明粉末的燃燒爐10最好包括許多本發(fā)明的噴嘴1。若是一個(gè)噴嘴(圖1)，該燃燒爐傳送一種粒徑分布狹窄的粉末，傳送一種粒徑分布甚為狹窄的粉末則使用許多噴嘴，其中起始原料是經(jīng)由三個(gè)同心管供應(yīng)(圖2)，傳送一種粒徑極為狹窄的粉末則使用許多噴嘴及O2/熱解型硅石預(yù)混室，起始原料是經(jīng)由兩個(gè)同心管5、6供應(yīng)(圖3及4)。該配置可使SiCl4(或制造熔凝硅石粉末時(shí)的熱解型硅石粉末)在火焰中分布得特別均勻。
所以本發(fā)明還涉及包含1至30個(gè)(但以6至13個(gè)較佳，尤以7個(gè)更佳)本發(fā)明噴嘴1的燃燒爐10。燃燒爐面向燃燒室的表面最好同樣由石英玻璃組成。圖4所示附有7個(gè)本發(fā)明此型噴嘴1的燃燒爐10。圖3所示是此型燃燒爐的平面圖，圖2所示是附有7個(gè)噴嘴的燃燒爐，其中所有上述3種起始原料是分別送入燃燒室內(nèi)。
熱解型硅石在火焰內(nèi)的分散作用仍可在本發(fā)明噴嘴的變化中獲得進(jìn)一步改善，其中O2及熱解型硅石粉末是在進(jìn)給至燃燒室之前加以預(yù)先混合。
若本發(fā)明的粉末是在等離子體內(nèi)制造，則本發(fā)明的裝置是等離子體吹管11，其中包括粉末噴嘴12、中間管13及外管14(圖4)，且粉末噴嘴、中間管及外管的表面是由以硅石為主要組分的含硅材料制成。最好該表面是由選自以下組中的材料組成石英玻璃、熔凝石英、SiC、Si3N4、琺瑯或硅金屬。最好該表面是利用一種氣體(例如SOCl2、Cl2或HCl)加以純化，熱解型硅石粉末是經(jīng)由該粉末噴嘴計(jì)量加入，等離子體氣體O2是經(jīng)由中間管13計(jì)量加入，遮蔽氣體混合物O2及H2是經(jīng)由外管送入。
最好使用等離子槍，其中粉末噴嘴、中間管及外管的表面是由石英玻璃制成。
尤其最好使用表面是由石英玻璃制成的等離子槍。
等離子槍11還具有感應(yīng)線圈15及水冷卻16與水冷卻夾套17。
高純度粉末可利用本發(fā)明的裝置直接制得。通常所需的進(jìn)一步純化加工步驟則可省去。利用傳統(tǒng)方法未曾達(dá)成的極高純度熱解型及熔凝硅石粉末(表1)，可利用本發(fā)明的噴嘴制得。在清潔室內(nèi)情況下，通過在石英玻璃制噴嘴內(nèi)的燃燒作用仍可將純度進(jìn)一步提高。再者，如果與粉狀起始原料或本發(fā)明產(chǎn)品接觸的制造本發(fā)明熱解型或熔凝硅石粉末設(shè)備的所有表面是經(jīng)設(shè)計(jì)得無污染，則屬有利。所以，用以制造本發(fā)明硅石粉末的裝置，其所有與硅石粉末接觸的表面最好不含金屬。公知制造硅石粉末的設(shè)備包括a)計(jì)量裝置、b)燃燒爐、c)燃燒室、d)旋風(fēng)器及e)儲藏器。若是制造熱解型硅石，旋風(fēng)器與儲藏器之間通常以流化床連接。
前述用以制造本發(fā)明噴嘴的材料，最好也形成計(jì)量裝置、燃燒室、旋風(fēng)器、流化床及儲藏器的表面。在另一實(shí)施方案中，計(jì)量裝置及儲藏器的表面也可以是純塑料。例如，該塑料可以是PFA(全氟烷氧基共聚物)、PTFE(聚四氟乙烯)、HalarE-CTFE、GFK(玻璃纖維強(qiáng)化聚酯樹脂)及PP(聚丙烯)。在計(jì)量區(qū)內(nèi)，硅石粉末的輸送最好不使用移動零件，例如借助于壓縮空氣，利用氣動輸送。


在下列附圖中圖1顯示燃燒爐的出口作為3-管燃燒爐噴嘴，O2不與SiCl4或熱解型硅石預(yù)先混合，圖2所示為包括7個(gè)噴嘴的燃燒爐出口，O2不與SiCl4或熱解型硅石預(yù)先混合，圖3所示為包括7個(gè)噴嘴的燃燒爐出口，O2與SiCl4或熱解型硅石預(yù)先混合，圖4所示為包括7個(gè)石英玻璃噴嘴的燃燒爐，O2與SiCl4或熱解型硅石預(yù)先混合，圖5所示為等離子槍，圖6所示為由實(shí)施例4所制熔凝硅石粉末。
具體實(shí)施例方式
下列諸實(shí)施例用于將本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1在無清潔室條件下借助于氫氧焰由SiCl4制造熱解型硅石粉末為由SiCl4制造熱解型硅石粉末，借助于石英玻璃噴嘴，未經(jīng)預(yù)先混合，將反應(yīng)成分SiCl4、O2及H2送至燃燒室內(nèi)。利用16.6克/分鐘的SiCl4+6.3升/分鐘的O2+8.9升/分鐘的H2實(shí)施該反應(yīng)。該燃燒室是在超出大氣壓力20毫巴的壓力下操作。表1所示是分析結(jié)果。
實(shí)施例2利用清潔室條件，借助于氫氧焰由SiCl4制造熱解型硅石粉末為由SiCl4制造熱解型硅石粉末，借助于石英玻璃噴嘴，未經(jīng)預(yù)先混合，將反應(yīng)成分SiCl4、O2及H2送至燃燒室內(nèi)。利用16.6克/分鐘的SiCl4+6.3升/分鐘的O2+8.9升/分鐘的H2實(shí)施該反應(yīng)。整個(gè)設(shè)備是在屬于清潔室等級10000的清潔室內(nèi)。表1所示是分析結(jié)果。
實(shí)施例3在無清潔室條件下借助于氫氧焰由熱解型硅石粉末制造熔凝硅石粉末為由熱解型硅石粉末制造熔凝硅石粉末，借助于石英玻璃噴嘴，未經(jīng)預(yù)先混合，將反應(yīng)成分熱解型硅石、O2及H2送至燃燒室內(nèi)。利用180升/分鐘的H2+90升/分鐘的O2+60.3克/分鐘的熱解型硅石粉末實(shí)施該反應(yīng)。該燃燒室是在超出大氣壓力40毫巴的壓力下操作。表1所示是分析結(jié)果。
實(shí)施例4在清潔室條件下借助于氫氧焰由熱解型硅石粉末制造熔凝硅石粉末為由熱解型硅石粉末制造熔凝硅石粉末，借助于石英玻璃噴嘴，將經(jīng)預(yù)先混合的反應(yīng)成分熱解型硅石粉末、O2及H2送至燃燒室內(nèi)。利用180升/分鐘的H2+90升/分鐘的O2+60.3克/分鐘的熱解型硅石粉末實(shí)施該反應(yīng)。整個(gè)設(shè)備是在屬于清潔室等級10000的清潔室內(nèi)。表1所示是分析結(jié)果。
實(shí)施例5在清潔室條件下，借助于HF等離子體由熱解型硅石粉末制造熔凝硅石粉末為由熱解型硅石粉末制造熔凝硅石粉末，經(jīng)由包括石英玻璃筒的槍將反應(yīng)成分熱解型硅石粉末、空氣及H2通至燃燒室內(nèi)。利用45升/分鐘的O2作為中央等離子體氣體，90升/分鐘的O2及25升/分鐘的H2作為遮蔽氣體及15千克/小時(shí)的熱解型硅石粉末(經(jīng)由粉末噴嘴計(jì)量加入)。燃燒室內(nèi)的壓力為300托，HF等離子體的總功率為90千瓦。在本案例中，依照固態(tài)技術(shù)的原理，該等離子體是HF等離子體，本領(lǐng)域技術(shù)人員均對其熟悉。整個(gè)設(shè)備是在屬于清潔室等級10000的清潔室內(nèi)。表1所示是分析結(jié)果。
實(shí)施例6在清潔室條件下，利用非石英玻璃制的標(biāo)準(zhǔn)噴嘴借助于氫氧焰由熱解型硅石粉末制造熔凝硅石粉末為由熱解型硅石粉末制造熔凝硅石粉末，借助于不銹鋼噴嘴，經(jīng)預(yù)先混合，將反應(yīng)成分熱解型硅石粉末、O2及H2送至燃燒室內(nèi)。利用180升/分鐘的H2+90升/分鐘的O2+60.3克/分鐘的熱解型硅石粉末實(shí)施該反應(yīng)。整個(gè)設(shè)備是在屬于清潔室等級10000的清潔室內(nèi)。表1所示是分析結(jié)果。
比較例7依照J(rèn)P 59152215借助于氫氧焰由熱解型硅石制造熔凝硅石經(jīng)由螺桿輸送器將高純度熱解型硅石粉末送入氧流體內(nèi)，之后將其送入燃燒爐管內(nèi)。該燃燒爐包括3個(gè)管，經(jīng)由內(nèi)管及外管將7.6立方米/小時(shí)的H2送至燃燒室內(nèi)，而中間管含有3.8立方米/小時(shí)的O2及1.8千克/小時(shí)的熱解型硅石粉末。表1所示是分析結(jié)果。
表1利用ICP/MS測定各個(gè)實(shí)施例所制產(chǎn)品及所用SiCl4的雜質(zhì)含量(ppb)

權(quán)利要求
1.一種硅石粉末，其中雜質(zhì)的總量低于500ppb。
2.一種硅石粉末，其中雜質(zhì)的總量低于150ppb。
3.如權(quán)利要求1的硅石粉末，其中所述雜質(zhì)的總量低于150ppb，且個(gè)別雜質(zhì)含量為銅＜1ppb，鐵＜25ppb，鎳＜2ppb，鉻＜2ppb，鈦＜3ppb，鋁＜31ppb及鈣＜65ppb，鎂＜12ppb，鈉＜12ppb，鉀＜6ppb，鋰＜1ppb，并且該粉末不含碳。
4.如權(quán)利要求1、2或3的硅石粉末，其中所述粉末是熱解型硅石粉末，其BET表面積為50-300平方米/克，優(yōu)選為150-250平方米/克。
5.如權(quán)利要求1、2或3的硅石粉末，其中所述粉末是熔凝硅石粉末，其平均粒徑為100納米至200微米，優(yōu)選1微米至200微米，更優(yōu)選5微米至40微米。
6.如權(quán)利要求5的硅石粉末，其具有狹窄的粒徑分布D(95)-D(5)＜50微米，優(yōu)選D(95)-D(5)＜35微米。
7.如權(quán)利要求5或6的硅石粉末，其具有球狀形貌且完全玻璃化。
8.一種制備權(quán)利要求1-4之一的硅石粉末的方法，在該方法中，通過高純度SiCl4的火焰水解得到高純度熱解型硅石粉末，其中該SiCl4的火焰水解是在具有無金屬表面的裝置內(nèi)實(shí)施。
9.一種制備權(quán)利要求5-7之一的硅石粉末的方法，在該方法中，通過高純度熱解型硅石粉末的燒結(jié)得到高純度熔凝硅石粉末，其中該熱解型硅石粉末的燒結(jié)是在具有無金屬表面的裝置內(nèi)實(shí)施。
10.如權(quán)利要求8或9的方法，其是在清潔室條件下實(shí)施。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中所使用的清潔室條件等級為100000至1，優(yōu)選為10000至100，更優(yōu)選為1000。
12.如權(quán)利要求8或9的方法，其是在0.913巴至1.513巴的壓力下實(shí)施，優(yōu)選壓力為1.013巴至1.413巴，更優(yōu)選1.020巴至1.200巴。
13.一種包括位于外管內(nèi)的內(nèi)管的噴嘴，其中該內(nèi)管由以硅為主要組分的含硅材料組成。
14.一種包括粉末噴嘴、中間管及外管的等離子槍，其中所述粉末噴嘴、中間管及外管的表面由以硅為主要組分的含硅材料制成。
15.一種用于制備權(quán)利要求1-7之一的硅石粉末的裝置，其中所有與該硅石粉末接觸的表面都不含金屬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雜質(zhì)的總量低于500ppb的硅石粉末。
文檔編號C01B39/00GK1642855SQ03806359
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月18日
發(fā)明者霍爾格·斯茲拉特, 弗里茨·施韋特費(fèi)格, 貝恩德·哈克, 馬庫斯·舍費(fèi)爾 申請人:瓦克化學(xué)有限公司