CN102120583A - 电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英砂的提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英的提纯方法，该高纯石英的提纯方法依次包括以下步骤：选矿、水淬、浮选、酸洗、磁选、高温真空处理、氯化处理、超导提纯、电选分离、超声波处理、精馏提纯和电动筛选。本发明的提纯方法工艺简单，提纯效果显著，得到的高纯石英用于电子工业的高纯石英坩埚及内衬材料，提高了石英石的工业价值。

Description

电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英砂的提纯方法

技术领域

本发明涉及一种提纯方法，具体涉及电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英的提纯方法。

背景技术

半导体及电子工业用高纯石英坩埚是半导体技术、光纤通讯、特种光源、航空航天及国防军工等高新技术领域的重要性器皿材料，低铝、低硼、低碱石英坩埚则更是如此，生产单晶硅必须使用高纯低铝石英坩埚，无可替代，它们支撑的产业达数万亿美元，生产高质量高纯石英坩埚，原料是关键。国际上从美国尤尼明公司IOTA系列超纯石英砂质量指标表可以看出，IOTA-标准铝含量是16.2ppm、IOTA-6铝含量是8.0ppm、IOTA-8铝杂质含量的最高标准为7.0ppm（售价太高）。而东海县圣达石英制品公司经过与大专院校、科研院所依靠科学研制出的高纯低铝石英坩埚原料的铝杂质含量是7.5ppm，这也是目前国际上高纯石英坩埚原料铝杂质提纯最高标准。本公司没有批量生产，所以国内生产高纯石英坩埚的原料一直依赖进口，严重制约了我国相关高新技术产业的快速发展和技术提升。目前，低铝、低硼、低碱坩埚石英原料尚未见批量生产，若不能迎头赶上世界先进水平，也势必将制约我国高新技术产业的更进一步发展和技术提升。

从美国尤尼明公司IOTA系列超纯石英砂质量指标表可以看出，IOTA-标准铝含量是16.2ppm、IOTA-6铝含量是8.0ppm、IOTA-8铝杂质含量的最高标准为7.0ppm（售价太高）。而东海县圣达石英制品公司经过与大专院校、科研院所依靠科学研制出的高纯低铝石英坩埚原料的铝杂质含量是7.5ppm，这也是目前高纯石英坩埚原料铝杂质提纯最高标准。

据科技查新，辽宁工学院的张士轩，2001年在其“石英矿物纯化的研究”中“研究了高温HCL(g)法和HCL、HF酸法对去除石英矿物中杂质元素的作用效果，以及高温HCL(g)法反应时间同杂质含量的关系。结果表明，高温HCL(g)法作用强度明显大于HCL 酸浸法，并且当反应时间达到90分钟时，高温HCL(g)法对杂质的作用趋向极限。实验表明，不论是高温HCL(g)法还是HCL 酸法，对Al、B元素的作用均表现出低化学活性，说明Al、B 是石英矿物中最难去除的杂质。”

由此可见，研究半导体电子工业石英坩埚专用高纯低铝石英坩埚原料(铝≤7.5ppm)，有利于缩小我国高纯度半导体石英坩埚原料与国际先进水平的差距，形成拥有我国自主知识产权的半导体级高纯低铝石英坩埚原料核心技术，对打破我国半导体及电子工业用高纯低铝石英坩埚原料受制于人，提升我国高纯石英坩埚制造水平，推动我国半导体电子工业的发展都具有极其重大的社会经济意义。

半导体及电子工业用石英坩埚是太阳能、半导体电子技术、光纤通讯、特种光源、航空航天及国防军工等高新技术领域的重要性器皿，它们支撑的产业达数万亿美元，高纯石英坩埚及内衬材料一直依赖进口，严重制约了我国相关高新技术产业的快速发展和技术提升。目前，国内高纯石英坩埚及内衬材料尚未见批量生产，若不能迎头赶上世界先进水平，势必制约我国高新技术产业的更进一步发展和技术提升。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英的提纯方法，依该提纯方法生产高纯石英，由高纯石英生产电子工业用高纯石英坩埚及内衬材料，以满足国内半导体电子工业、太阳能及其他高新技术行业发展的需要，打破半导体电子工业及太阳能产业所需高纯石英坩埚及内衬材料依赖进口的被动局面。

本发明的技术解决方案是该提纯方法包括以下步骤：

⑴ 选矿：选取铝、铁、钙、镁、钛、镍、锰、铜、钠、钾、钴和硼金属元素含量之和不高于50ppm，二氧化硅含量在99.95﹪左右的石英石作原料；一般是到石英开采的矿点，先是用肉眼直观看，然后带回来检测化验、试验、再检测，最后确定是否能达到使用要求，如确定能用就进行人工初破碎，破碎的石英块直径在3-5厘米，并进行分级，选出高品质的石英块料；

（2）水淬：也就是焙烧，把选出的高品质的石英块料放到950℃的电阻炉内,焙烧4小时，然后放到内有冷却水的不锈钢水箱内，利用温差的变化使石英石中的杂质充分暴露破碎；石英块料中的包裹体和其他杂质在爆裂的同时溢出，水淬也便于破碎和粉碎；出炉后的石英块料在冷却水箱内30秒，用电动机械吊起，然后放到工作台上进行再次分级，把表面不合格的拣出，合格品装包、计量送到破碎车间；

（3）破碎：把焙烧车间送来的合格石英块料，加入鄂式破碎机料斗内，通过阀门控制进行破碎，破碎完的石英块料为1-2厘米，再通过输送机送到粉碎机料斗内，阀门控制经过高锰钢对辊进行粉碎，粉碎过的石英小块料经过振动筛，得60目至160目的规格砂，由输送机送到磁选机内进行磁选，得合格的石英砂；大于60目的小石英块料通过输送机送到粉碎机进行再次粉碎，小于160目的石英粉作为废品销售给废粉收购厂家；60目至160目的合格石英砂运到化学处理车间，用盐酸和氢氟酸进行浸泡，30%含量的盐酸与35%含量的氢氟酸配比是：每吨石英砂用盐酸150公斤、用氢氟酸40公斤，首10℃-20℃浸泡70小时，再25℃-35℃浸泡28小时，浸泡后用水彻底清洗；

(4) 浮选：浮选是把刚才清洗过的石英砂放到浮选机内，按每吨加入氨水0.2公斤、油酸0.5公斤、棕榈酸0.2公斤、煤油0.3公斤、异辛醇0.7公斤，温度55℃，利用各种矿物的密度不同和矿物表面润湿性的差异，浮选出非石英颗粒和其他杂质；

（5）酸洗：30%含量的盐酸与35%含量的氢氟酸配比是：每吨石英砂用盐酸150公斤、用氢氟酸40公斤，首10℃-20℃浸泡70小时，再25℃-35℃浸泡28小时，酸洗后用水彻底清洗，洗好后放入离芯机内进行脱水，脱水后放到850度烘干炉内进行烘干，再放入不锈钢大桶内进行冷却，冷却到50度送到振动筛内进行筛选，筛出60-160目的合格石英砂自动流到磁选机内进行磁选；

（6）磁选：对烘干过的石英砂进行磁选，在磁选之前石英砂用通过振动筛，得出80目-120目的石英砂，再由输送机送到磁选机料斗内，自动下料进行磁选，磁选机磁性在30000高丝以上；磁选机下部有两个出料口，一个是合格的成品料接料口，一个是废品料接料口；

（7）高温真空处理：对磁选后的石英石进行高温1300℃左右真空0.01Mpa处理，高温真空处理是利用石英石的晶型转变过程时的反应机理，在高温1300℃真空0.01Mpa状态下去除石英石中的液态和气态杂质，高温真空有利于脱去石英石中的羟基，提高石英石对熔制工艺的适应性；处理方法是把磁选过的石英砂装入不锈钢耐高温料斗内进行高温1300℃处理，然后氯化处理；

（8）氯化处理：对高温真空处理后的石英石进行氯化处理，氯化处理是在60度的温度条件下，借助氯气的作用，使石英石中碱金属和碱土金属杂质转化成气相的氯化物，采用氯化处理去除石英粉中的碱金属、碱土金属杂质和石英石颗粒表面的杂质，尤其去除铁离子、钠离子；

（9）超导提纯：对氯化处理后的石英石进行超导提纯，超导提纯是将超导技术引入工业选矿的提纯方法，超导材料产生10万高斯的超导磁场，使石英石中的微小杂质和固态包裹体在超导磁场中磁化而被选出，去除石英石中的异物矿和固态包裹体；

（10）电选分离：对超导提纯后的石英石进行电选分离，电选分离就是在高压1万伏电场中利用矿物的电性差异使矿物分离；

（11）超声波处理：用超声波设备对多元化学处理后的石英砂进行超声波震动处理；

（12）精馏提纯：对超声波处理后的石英石进行精馏提纯，精馏提纯是利用不同组分有不同沸点、在同一温度100度下具有不同蒸汽压的特点进行的提纯；

（13）电动筛选：对精馏提纯后的石英石进行425um左右的电动筛选，就是把以后各工艺处理过的石英砂加入电动筛选器，让它自动筛选，出料口处放置高强磁的磁选机自动磁选，磁选机出料口放置包装袋，计量入库，得电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英砂。

本发明的提纯方法工艺简单，提纯效果显著，得到的高纯石英用于电子工业的高纯石英坩埚及内衬材料，提高了石英石的工业价值。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术解决方案的限制。

实施例：依以下具体步骤提纯石英石：

⑴ 选矿：选取铝、铁、钙、镁、钛、镍、锰、铜、钠、钾、钴和硼金属元素含量之和不高于50ppm，二氧化硅含量在99.95﹪左右的石英石作原料；一般是到石英开采的矿点，先是用肉眼直观看，然后带回来检测化验、试验、再检测，最后确定是否能达到使用要求，如确定能用就进行人工初破碎，破碎的石英块直径在3-5厘米，并进行分级，选出高品质的石英块料；

（2）水淬：也就是焙烧，把选出的高品质的石英块料放到950℃的电阻炉内,焙烧4小时，然后放到内有冷却水的不锈钢水箱内，利用温差的变化使石英石中的杂质充分暴露破碎；石英块料中的包裹体和其他杂质在爆裂的同时溢出，水淬也便于破碎和粉碎；出炉后的石英块料在冷却水箱内30秒，用电动机械吊起，然后放到工作台上进行再次分级，把表面不合格的拣出，合格品装包、计量送到破碎车间；

（3）破碎：把焙烧车间送来的合格石英块料，加入鄂式破碎机料斗内，通过阀门控制进行破碎，破碎完的石英块料为1-2厘米，再通过输送机送到粉碎机料斗内，阀门控制经过高锰钢对辊进行粉碎，粉碎过的石英小块料经过振动筛，得60目至160目的规格砂，由输送机送到磁选机内进行磁选，得合格的石英砂；大于60目的小石英块料通过输送机送到粉碎机进行再次粉碎，小于160目的石英粉作为废品销售给废粉收购厂家；60目至160目的合格石英砂运到化学处理车间，用盐酸和氢氟酸进行浸泡，30%含量的盐酸与35%含量的氢氟酸配比是：每吨石英砂用盐酸150公斤、用氢氟酸40公斤，首10℃-20℃浸泡70小时，再25℃-35℃浸泡28小时，浸泡后用水彻底清洗；

(4) 浮选：浮选是把刚才清洗过的石英砂放到浮选机内，按每吨加入氨水0.2公斤、油酸0.5公斤、棕榈酸0.2公斤、煤油0.3公斤、异辛醇0.7公斤，温度55℃，利用各种矿物的密度不同和矿物表面润湿性的差异，浮选出非石英颗粒和其他杂质；

（5）酸洗：30%含量的盐酸与35%含量的氢氟酸配比是：每吨石英砂用盐酸150公斤、用氢氟酸40公斤，首10℃-20℃浸泡70小时，再25℃-35℃浸泡28小时，酸洗后用水彻底清洗，洗好后放入离芯机内进行脱水，脱水后放到850度烘干炉内进行烘干，再放入不锈钢大桶内进行冷却，冷却到50度送到振动筛内进行筛选，筛出60-160目的合格石英砂自动流到磁选机内进行磁选；

（6）磁选：对烘干过的石英砂进行磁选，在磁选之前石英砂用通过振动筛，得出80目-120目的石英砂，再由输送机送到磁选机料斗内，自动下料进行磁选，磁选机磁性在30000高丝以上；磁选机下部有两个出料口，一个是合格的成品料接料口，一个是废品料接料口；

（7）高温真空处理：对磁选后的石英石进行高温1300℃左右真空0.01Mpa处理，高温真空处理是利用石英石的晶型转变过程时的反应机理，在高温1300℃真空0.01Mpa状态下去除石英石中的液态和气态杂质，高温真空有利于脱去石英石中的羟基，提高石英石对熔制工艺的适应性；处理方法是把磁选过的石英砂装入不锈钢耐高温料斗内进行高温1300℃处理，然后氯化处理；

（8）氯化处理：对高温真空处理后的石英石进行氯化处理，氯化处理是在60度的温度条件下，借助氯气的作用，使石英石中碱金属和碱土金属杂质转化成气相的氯化物，采用氯化处理去除石英粉中的碱金属、碱土金属杂质和石英石颗粒表面的杂质，尤其去除铁离子、钠离子；

（9）超导提纯：对氯化处理后的石英石进行超导提纯，超导提纯是将超导技术引入工业选矿的提纯方法，超导材料产生10万高斯的超导磁场，使石英石中的微小杂质和固态包裹体在超导磁场中磁化而被选出，去除石英石中的异物矿和固态包裹体；

（10）电选分离：对超导提纯后的石英石进行电选分离，电选分离就是在高压1万伏电场中利用矿物的电性差异使矿物分离；

（11）超声波处理：用超声波设备对多元化学处理后的石英砂进行超声波震动处理；

（12）精馏提纯：对超声波处理后的石英石进行精馏提纯，精馏提纯是利用不同组分有不同沸点、在同一温度100度下具有不同蒸汽压的特点进行的提纯；

（13）电动筛选：对精馏提纯后的石英石进行425um左右的电动筛选，就是把以后各工艺处理过的石英砂加入电动筛选器，让它自动筛选，出料口处放置高强磁的磁选机自动磁选，磁选机出料口放置包装袋，计量入库，得电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英砂。

Claims (1)

1. 电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英的提纯方法，其特征在于该高纯石英的提纯方法包括以下步骤：

⑴ 选矿：选取铝、铁、钙、镁、钛、镍、锰、铜、钠、钾、钴和硼金属元素含量之和不高于50ppm，二氧化硅含量在99.95﹪左右的石英石作原料；一般是到石英开采的矿点，先是用肉眼直观看，然后带回来检测化验、试验、再检测，最后确定是否能达到使用要求，如确定能用就进行人工初破碎，破碎的石英块直径在3-5厘米，并进行分级，选出高品质的石英块料；

（2）水淬：也就是焙烧，把选出的高品质的石英块料放到950℃的电阻炉内,焙烧4小时，然后放到内有冷却水的不锈钢水箱内，利用温差的变化使石英石中的杂质充分暴露破碎；石英块料中的包裹体和其他杂质在爆裂的同时溢出，水淬也便于破碎和粉碎；出炉后的石英块料在冷却水箱内30秒，用电动机械吊起，然后放到工作台上进行再次分级，把表面不合格的拣出，合格品装包、计量送到破碎车间；

（3）破碎：把焙烧车间送来的合格石英块料，加入鄂式破碎机料斗内，通过阀门控制进行破碎，破碎完的石英块料为1-2厘米，再通过输送机送到粉碎机料斗内，阀门控制经过高锰钢对辊进行粉碎，粉碎过的石英小块料经过振动筛，得60目至160目的规格砂，由输送机送到磁选机内进行磁选，得合格的石英砂；大于60目的小石英块料通过输送机送到粉碎机进行再次粉碎，小于160目的石英粉作为废品销售给废粉收购厂家；60目至160目的合格石英砂运到化学处理车间，用盐酸和氢氟酸进行浸泡，30%含量的盐酸与35%含量的氢氟酸配比是：每吨石英砂用盐酸150公斤、用氢氟酸40公斤，首10℃-20℃浸泡70小时，再25℃-35℃浸泡28小时，浸泡后用水彻底清洗；

(4) 浮选：浮选是把刚才清洗过的石英砂放到浮选机内，按每吨加入氨水0.2公斤、油酸0.5公斤、棕榈酸0.2公斤、煤油0.3公斤、异辛醇0.7公斤，温度55℃，利用各种矿物的密度不同和矿物表面润湿性的差异，浮选出非石英颗粒和其他杂质；

（5）酸洗：30%含量的盐酸与35%含量的氢氟酸配比是：每吨石英砂用盐酸150公斤、用氢氟酸40公斤，首10℃-20℃浸泡70小时，再25℃-35℃浸泡28小时，酸洗后用水彻底清洗，洗好后放入离芯机内进行脱水，脱水后放到850度烘干炉内进行烘干，再放入不锈钢大桶内进行冷却，冷却到50度送到振动筛内进行筛选，筛出60-160目的合格石英砂自动流到磁选机内进行磁选；

（6）磁选：对烘干过的石英砂进行磁选，在磁选之前石英砂用通过振动筛，得出80目-120目的石英砂，再由输送机送到磁选机料斗内，自动下料进行磁选，磁选机磁性在30000高丝以上；磁选机下部有两个出料口，一个是合格的成品料接料口，一个是废品料接料口；    

（7）高温真空处理：对磁选后的石英石进行高温1300℃左右真空0.01Mpa处理，高温真空处理是利用石英石的晶型转变过程时的反应机理，在高温1300℃真空0.01Mpa状态下去除石英石中的液态和气态杂质，高温真空有利于脱去石英石中的羟基，提高石英石对熔制工艺的适应性；处理方法是把磁选过的石英砂装入不锈钢耐高温料斗内进行高温1300℃处理，然后氯化处理；

    （8）氯化处理：对高温真空处理后的石英石进行氯化处理，氯化处理是在60度的温度条件下，借助氯气的作用，使石英石中碱金属和碱土金属杂质转化成气相的氯化物，采用氯化处理去除石英粉中的碱金属、碱土金属杂质和石英石颗粒表面的杂质，尤其去除铁离子、钠离子；

    （9）超导提纯：对氯化处理后的石英石进行超导提纯，超导提纯是将超导技术引入工业选矿的提纯方法，超导材料产生10万高斯的超导磁场，使石英石中的微小杂质和固态包裹体在超导磁场中磁化而被选出，去除石英石中的异物矿和固态包裹体；

    （10）电选分离：对超导提纯后的石英石进行电选分离，电选分离就是在高压1万伏电场中利用矿物的电性差异使矿物分离；

   （11）超声波处理：用超声波设备对多元化学处理后的石英砂进行超声波震动处理；

   （12）精馏提纯：对超声波处理后的石英石进行精馏提纯，精馏提纯是利用不同组分有不同沸点、在100度下具有不同蒸汽压的特点进行的提纯；

   （13）电动筛选：对精馏提纯后的石英石进行425um左右的电动筛选，就是把以后各工艺处理过的石英砂加入电动筛选器，让它自动筛选，出料口处放置高强磁的磁选机自动磁选，磁选机出料口放置包装袋，计量入库，得电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英砂。