一種製造高純度超細氮化矽的方法及設備的製作方法
2023-05-31 00:34:31 1
專利名稱：一種製造高純度超細氮化矽的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氮與矽的二元化合物，特別涉及一種製造高純度超細氮化矽的方法及設備。
常用的製造高純度超細氮化矽的方法是氣相反應法，以矽烷和氨氣為原料，通過氣相化學反應合成氮化矽粉體，其化學反應式為根據加熱方式的不同，可分為熱氣相化學反應法和雷射法。關於熱氣相化學反應法，是在電阻加熱的管狀反應器中進行，通入矽烷和氨氣，在反應器內發生氣相化學反應製成氮化矽粉體。其優點是設備投資少，操作簡單，成本低。存在的缺陷是反應較難控制，氮化矽顆粒粗細不勻，且有成團現象，游離矽含量不穩定，矽烷轉化率低，其原因是在由電阻爐外加熱的情況下，熱量必須從反應器壁傳入，由於反應腔空間較大，反應腔內溫差大，原料氣通過時，在同一截面上的氣體組成和受熱都不均勻，造成反應不均一、不完全，產品質量較差。
中國專利CN91101747，公開號為1058194A，提供了一種採用雷射合成製備超細氮化矽粉體的方法，利用高聚焦度的雷射直接加熱反應氣體，氣體吸收雷射能量，在瞬間達到反應溫度並完成反應，獲得高純度、超細、粒度均勻、不團聚的氮化矽粉體，但由於反應區域窄小，生產率極低，每小時只能獲得高純度超細氮化矽粉體幾克，至今尚無工業實用價值。
本發明的目的在於提供一種製造高純度超細氮化矽的方法及設備，採用立式雙溫區流態床反應器來實現工業化生產高純度超細氮化矽粉體的目的，獲得產品粒度均勻，組成均一，粉體緻密，收率高。
以下詳細敘述本發明的具體內容。
一種製造高純度超細氮化矽的方法，以矽烷和氨氣為原料氣，通過氣相化學反應合成超細氮化矽粉體，化學反應式為其特徵在於該氣相化學反應在立式雙溫區流態床反應器中進行，原料氣中矽烷含量為5～20％，自下而上通過反應器，其表觀線速為10～60cm/s，反應產物由氣流帶出，收集在過濾器中；在立式雙溫區流態床反應器中，流態床區的溫度為600～800℃，反應區的溫度為500～850℃，在氣相化學反應過程中，原料氣的流速必須達到最小流態化速度的1.5～8.0倍，立式雙溫區流態床反應器在原料進入前及反應結束後，必須用高純氮氣衝洗，所收集的超細氮化矽粉體在高純氮氣氛中密封包裝。
一種實施上述方法的設備，含有矽烷氣源13、氨氣源12、氮氣源13及其流量計L1、L2、L3壓力計P，將矽烷和氨氣混合成為原料氣的混合器2，氣相化學反應器3，過濾器4，廢氣處理器及放空5，機械真空泵6以及連接管道，將矽烷氣源11、氨氣源12、氮氣源13分別串接流量計L1、L2、L3，流量計L1、L2、L3並接後經過壓力計P，混合器2與氣相化學反應器3進氣口連接，反應器出氣口依次串接過濾器、廢氣處理器及放空5、機械真空泵6，其特徵在於氣相化學反應器3採用立式雙溫區流態床反應器，其流態床底部設有用不鏽鋼製成的分配板31，流態床的載體填料32是粒度為0.1～0.5mm矽晶體，置於分配板31上，床區外部設有主加熱器33，反應器3的上部空間為反應區34，其外部設有副加熱器35；所述的反應器3其直徑為50～300mm，反應器3其流態層的高度範圍為40～300mm，最佳高度範圍100～200mm，反應器3其反應區的高度範圍為200～1000mm，最佳高度範圍為500～800mm，分配板31必須通水冷卻，在過濾器4的下方設有一個與之相連接的產品密封包裝室。
同現有技術比較，本發明的突出優點是投資少，能耗低，收率高，產品粉體粒度細，分布均勻，結構緻密，純度高。由於流態床層處具有導熱性優良的矽粒子在氣流作用下作不停的循環運動，使整個床層處於等溫狀態，進入床層的反應氣體受熱均勻，組成均勻，同時氣體在反應區內有足夠的反應時間和反應空間，為加大反應氣體流量和提高矽烷轉化率創造了有利條件，如總流量達到6600毫升/分，矽烷轉化率高於90％，能大幅度地提高產品產量，這些效果如用現有技術無法實現的。
表1列舉在不同工藝條件下產品的產率數據，其中序號A7為流態床未填放矽粒的數據。
表1不同條件下製得的粉體產量和產率
表2列舉在不同工藝條件下產品的粒度分布數據，其中序號B8為流態床層未填放矽粒的數據。
表2不同條件下的氮化矽粉體顆粒度
圖1為製造高純度超細氮化矽設備的結構示意圖。
圖2為獲得氮化矽粉體的透射電子顯微鏡TEM顯微照片。
實施例1不鏽鋼立式雙溫區流態床反應器其內徑為40mm，床層高度為60mm，反應區高度為300mm，分配板上每平方釐米布孔25個，孔徑為1mm，分配板上填放多晶矽顆粒，粒度為0.5mm，分配板通水冷卻，床層溫度為600℃，反應區溫度為850℃，分別由主加熱器和副加熱器加熱，反應器預先用氮氣衝洗，之後通入矽烷和氨氣，壓力為1300Pa，總流量為每分6600毫升，其中矽烷每分600毫升，運行1小時，獲得乳白色高純度超細氮化矽粉體70克，檢測結果產率為92％，粉體的組成用FTIR紅外光譜儀測定為無定形氮化矽，粉體的粒度和晶相用透射電子顯微鏡TEM測定，TEM顯微照片顯示粉體呈球狀，分散性良好，無團聚現象，顆粒表面及內部結構無氣孔，顆粒平均尺寸100nm，分布範圍為73～150nm，其中分布在兩端的顆粒甚少。
實施例2床層溫度為800℃，反應溫度為650℃，通入矽烷和氨氣，壓力為1500Pa，總流量為每分2550毫升，其中矽烷流量為每分230毫升，運行1小時，獲得氮化矽粉體27克，產率為93.5％，氮化矽顆粒平均尺寸為157nm，顆粒分布為103～240nm，其餘與實施例1相同。
權利要求
1.一種製造高純度超細氮化矽的方法，以矽烷和氨氣為原料氣，通過氣相化學反應合成超細氮化矽粉體，化學反應式為，其特徵在於該氣相化學反應在立式雙溫區流態床反應器(3)中進行，原料氣中矽烷含量為5～20％，自下而上通過反應器，其流速為10～60cm/s，反應產物由氣流帶出，收集在過濾器(4)中。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在立式雙溫區流態床反應器(3)中，流態床區的溫度為600～800℃，反應區(34)的溫度為500～850℃。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在氣相化學反應過程中，原料氣的流速必須達到最小流態化速度的1.5～8.0倍。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於立式雙溫區流態床反應器在原料氣進入前及反應結束後，必須用高純氮氣衝洗。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所收集的超細氮化矽粉體在高純氮氣氛中密封包裝。
6.一種實施權利要求1方法的設備，含有矽烷氣源(11)、氨氣源(12)、氮氣源(13)及其流量計(L1)、(L2)、(L3)，壓力計(P)，將矽烷和氨氣混合成為原料氣的混合器(2)，氣相化學反應器(3)，過濾器(4)，廢氣處理器及放空(5)，機械真空泵(6)以及連接管道，將矽烷氣源(11)、氨氣源(12)、氮氣源(13)分別串接流量計(L1)、(L2)、(L3)，流量計(L1)、(L2)、(L3)並接後經過壓力計(P)，混合器(2)與氣相化學反應器(3)進氣口連接，反應器出氣口依次串接過濾器(4)、廢氣處理器及放空(5)、機械真空泵(6)，其特徵在於氣相化學反應器(3)採用立式雙溫區流態床反應器，其流態床底部設有用不鏽鋼製成的分配板(31)，流態床的載體填料(32)是粒度為0.1～0.5mm矽晶體，置於分配板(31)上，床區外部設有主加熱器(33)，反應器(3)的上部空間為反應區(34)，其外部設有副加熱器(35)。
7.根據權利要求6的設備，其特徵在於所述的反應器(3)其直徑為50～300mm。
8.根據權利要求6的設備，其特徵在於所述的反應器(3)其流態層的高度範圍為40～300mm，最佳高度範圍100～200mm。
9.根據權利要求6的設備，其特徵在於所述的反應器(3)其反應區(34)的高度範圍為200～1000mm，最佳高度範圍為500～800mm。
10.根據權利要求6的設備，其特徵在於所述的分配板(31)必須通水冷卻。
11.根據權利要求6的設備，其特徵在於在過濾器(4)的下方設有一個與之相連接的產品密封包裝室。
全文摘要
一種製造高純度超細氮化矽的方法及設備,其特徵是矽烷和氨氣的氣相化學反應是在立式雙溫區流態反應器3中進行,該反應器流態床底部設有不鏽鋼製造的分配板31,載體填料32是粒度為0.1～0.5mm的矽晶體,床層外部設有主加熱器33,反應器的上部空間為反應區34,反應區外部設有副加熱器35。同現有技術比較,本發明的優點是設備投資少,能耗低,收率高,氮化矽顆粒細而均勻,表面光滑,內部結構無氣孔,無團聚現象,適宜工業化生產。
文檔編號C01B21/068GK1218002SQ9712164
公開日1999年6月2日 申請日期1997年11月20日 優先權日1997年11月20日
發明者姚奎鴻, 周曉茹, 張煥林, 林玉瓶, 餘京松, 沃銀花 申請人:浙江大學