CN1218002A - 一种制造高纯度超细氮化硅的方法及设备 - Google Patents

一种制造高纯度超细氮化硅的方法及设备 Download PDF

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Abstract

一种制造高纯度超细氮化硅的方法及设备,其特征是硅烷和氨气的气相化学反应是在立式双温区流态反应器3中进行,该反应器流态床底部设有不锈钢制造的分配板31,载体填料32是粒度为0.1～0.5mm的硅晶体,床层外部设有主加热器33,反应器的上部空间为反应区34,反应区外部设有副加热器35。同现有技术比较,本发明的优点是设备投资少,能耗低,收率高,氮化硅颗粒细而均匀,表面光滑,内部结构无气孔,无团聚现象,适宜工业化生产。

Description

一种制造高纯度超细氮化硅的方法及设备
本发明涉及一种氮与硅的二元化合物，特别涉及一种制造高纯度超细氮化硅的方法及设备。
常用的制造高纯度超细氮化硅的方法是气相反应法，以硅烷和氨气为原料，通过气相化学反应合成氮化硅粉体，其化学反应式为：
根据加热方式的不同，可分为热气相化学反应法和激光法。关于热气相化学反应法，是在电阻加热的管状反应器中进行，通入硅烷和氨气，在反应器内发生气相化学反应制成氮化硅粉体。其优点是设备投资少，操作简单，成本低。存在的缺陷是：反应较难控制，氮化硅颗粒粗细不匀，且有成团现象，游离硅含量不稳定，硅烷转化率低，其原因是在由电阻炉外加热的情况下，热量必须从反应器壁传入，由于反应腔空间较大，反应腔内温差大，原料气通过时，在同一截面上的气体组成和受热都不均匀，造成反应不均一、不完全，产品质量较差。
中国专利CN91101747，公开号为1058194A，提供了一种采用激光合成制备超细氮化硅粉体的方法，利用高聚焦度的激光直接加热反应气体，气体吸收激光能量，在瞬间达到反应温度并完成反应，获得高纯度、超细、粒度均匀、不团聚的氮化硅粉体，但由于反应区域窄小，生产率极低，每小时只能获得高纯度超细氮化硅粉体几克，至今尚无工业实用价值。
本发明的目的在于提供一种制造高纯度超细氮化硅的方法及设备，采用立式双温区流态床反应器来实现工业化生产高纯度超细氮化硅粉体的目的，获得产品粒度均匀，组成均一，粉体致密，收率高。
以下详细叙述本发明的具体内容。
一种制造高纯度超细氮化硅的方法，以硅烷和氨气为原料气，通过气相化学反应合成超细氮化硅粉体，化学反应式为：
其特征在于：该气相化学反应在立式双温区流态床反应器中进行，原料气中硅烷含量为5～20％，自下而上通过反应器，其表观线速为10～60cm/s，反应产物由气流带出，收集在过滤器中；在立式双温区流态床反应器中，流态床区的温度为600～800℃，反应区的温度为500～850℃，在气相化学反应过程中，原料气的流速必须达到最小流态化速度的1.5～8.0倍，立式双温区流态床反应器在原料进入前及反应结束后，必须用高纯氮气冲洗，所收集的超细氮化硅粉体在高纯氮气氛中密封包装。
一种实施上述方法的设备，含有硅烷气源13、氨气源12、氮气源13及其流量计L1、L2、L3压力计P，将硅烷和氨气混合成为原料气的混合器2，气相化学反应器3，过滤器4，废气处理器及放空5，机械真空泵6以及连接管道，将硅烷气源11、氨气源12、氮气源13分别串接流量计L1、L2、L3，流量计L1、L2、L3并接后经过压力计P，混合器2与气相化学反应器3进气口连接，反应器出气口依次串接过滤器、废气处理器及放空5、机械真空泵6，其特征在于：气相化学反应器3采用立式双温区流态床反应器，其流态床底部设有用不锈钢制成的分配板31，流态床的载体填料32是粒度为0.1～0.5mm硅晶体，置于分配板31上，床区外部设有主加热器33，反应器3的上部空间为反应区34，其外部设有副加热器35；所述的反应器3其直径为50～300mm，反应器3其流态层的高度范围为40～300mm，最佳高度范围100～200mm，反应器3其反应区的高度范围为200～1000mm，最佳高度范围为500～800mm，分配板31必须通水冷却，在过滤器4的下方设有一个与之相连接的产品密封包装室。
同现有技术比较，本发明的突出优点是：投资少，能耗低，收率高，产品粉体粒度细，分布均匀，结构致密，纯度高。由于流态床层处具有导热性优良的硅粒子在气流作用下作不停的循环运动，使整个床层处于等温状态，进入床层的反应气体受热均匀，组成均匀，同时气体在反应区内有足够的反应时间和反应空间，为加大反应气体流量和提高硅烷转化率创造了有利条件，如总流量达到6600毫升/分，硅烷转化率高于90％，能大幅度地提高产品产量，这些效果如用现有技术无法实现的。
表1列举在不同工艺条件下产品的产率数据，其中序号A7为流态床未填放硅粒的数据。
                      表1不同条件下制得的粉体产量和产率
 实验序号  反应温度℃   气体总流量ml/分  硅烷流量ml/分   粉体产量g/小时   粉体产率％
    A1     650     2550     230     26.8     93.5％
    A2     750     2550     230     27.0     93.9％
    A3     750     3500     320     28.6     93.0％
    A4     850     2550     230     27.0     94.0％
    A5     850     4500     410     46.6     93.1％
    A6     850     6600     600     69.3     92.0％
    A7     750     2550     230     20.1     70.0％
表2列举在不同工艺条件下产品的粒度分布数据，其中序号B8为流态床层未填放硅粒的数据。
                      表2不同条件下的氮化硅粉体颗粒度
实验序号  反应温度(℃)   气体流量(ml/分) NH3/SiH4比 颗粒平均尺寸(nm)  颗粒分布范围(nm)
    B1     650     2550     10     157     103～240
    B2     750     2550     5     133     88～172
    B3     750     2550     10     140     90～180
    B4     750     2550     15     103     68～172
    B5     850     2550     10     140     100～220
    B6     850     4500     10     130     100～187
    B7     850     6600     10     100     73～150
    B8     750     2550     10     160     90～400
图1为制造高纯度超细氮化硅设备的结构示意图。
图2为获得氮化硅粉体的透射电子显微镜TEM显微照片。
实施例1
不锈钢立式双温区流态床反应器其内径为40mm，床层高度为60mm，反应区高度为300mm，分配板上每平方厘米布孔25个，孔径为1mm，分配板上填放多晶硅颗粒，粒度为0.5mm，分配板通水冷却，床层温度为600℃，反应区温度为850℃，分别由主加热器和副加热器加热，反应器预先用氮气冲洗，之后通入硅烷和氨气，压力为1300Pa，总流量为每分6600毫升，其中硅烷每分600毫升，运行1小时，获得乳白色高纯度超细氮化硅粉体70克，检测结果：产率为92％，粉体的组成用FTIR红外光谱仪测定为无定形氮化硅，粉体的粒度和晶相用透射电子显微镜TEM测定，TEM显微照片显示粉体呈球状，分散性良好，无团聚现象，颗粒表面及内部结构无气孔，颗粒平均尺寸100nm，分布范围为73～150nm，其中分布在两端的颗粒甚少。
实施例2：
床层温度为800℃，反应温度为650℃，通入硅烷和氨气，压力为1500Pa，总流量为每分2550毫升，其中硅烷流量为每分230毫升，运行1小时，获得氮化硅粉体27克，产率为93.5％，氮化硅颗粒平均尺寸为157nm，颗粒分布为103～240nm，其余与实施例1相同。

Claims (11)

1、一种制造高纯度超细氮化硅的方法，以硅烷和氨气为原料气，通过气相化学反应合成超细氮化硅粉体，化学反应式为： ，其特征在于：该气相化学反应在立式双温区流态床反应器(3)中进行，原料气中硅烷含量为5～20％，自下而上通过反应器，其流速为10～60cm/s，反应产物由气流带出，收集在过滤器(4)中。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在立式双温区流态床反应器(3)中，流态床区的温度为600～800℃，反应区(34)的温度为500～850℃。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在气相化学反应过程中，原料气的流速必须达到最小流态化速度的1.5～8.0倍。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：立式双温区流态床反应器在原料气进入前及反应结束后，必须用高纯氮气冲洗。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所收集的超细氮化硅粉体在高纯氮气氛中密封包装。
6、一种实施权利要求1方法的设备，含有硅烷气源(11)、氨气源(12)、氮气源(13)及其流量计(L1)、(L2)、(L3)，压力计(P)，将硅烷和氨气混合成为原料气的混合器(2)，气相化学反应器(3)，过滤器(4)，废气处理器及放空(5)，机械真空泵(6)以及连接管道，将硅烷气源(11)、氨气源(12)、氮气源(13)分别串接流量计(L1)、(L2)、(L3)，流量计(L1)、(L2)、(L3)并接后经过压力计(P)，混合器(2)与气相化学反应器(3)进气口连接，反应器出气口依次串接过滤器(4)、废气处理器及放空(5)、机械真空泵(6)，其特征在于：气相化学反应器(3)采用立式双温区流态床反应器，其流态床底部设有用不锈钢制成的分配板(31)，流态床的载体填料(32)是粒度为0.1～0.5mm硅晶体，置于分配板(31)上，床区外部设有主加热器(33)，反应器(3)的上部空间为反应区(34)，其外部设有副加热器(35)。
7、根据权利要求6的设备，其特征在于：所述的反应器(3)其直径为50～300mm。
8、根据权利要求6的设备，其特征在于：所述的反应器(3)其流态层的高度范围为40～300mm，最佳高度范围100～200mm。
9、根据权利要求6的设备，其特征在于：所述的反应器(3)其反应区(34)的高度范围为200～1000mm，最佳高度范围为500～800mm。
10、根据权利要求6的设备，其特征在于：所述的分配板(31)必须通水冷却。
11、根据权利要求6的设备，其特征在于：在过滤器(4)的下方设有一个与之相连接的产品密封包装室。
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