中國粉體網(wǎng)訊  近日有媒體報道，菲利華透露其為國內(nèi)唯一能量產(chǎn)合成石英材料的企業(yè)。菲利華表示，半導體行業(yè)在生產(chǎn)10nm、7nm芯片設(shè)備里，原有的天然石英材料已經(jīng)不能滿足高端制程的需求，合成石英材料純度更高，成為半導體進入高制程的石英材料選擇。

另外因光學性能在光掩膜基板等方面應(yīng)用，日韓貿(mào)易爭端之下日本對韓國光掩膜板的禁運，都帶來了合成石英材料的巨大機遇。菲利華抓住了這個機遇，在2019年初增加了合成石英材料產(chǎn)能，募投項目中進一步擴大合成石英的產(chǎn)能。其在全球占有一席之地，并在國內(nèi)保持絕對領(lǐng)先水平。

（來源：菲利華官網(wǎng)）

據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解，作為半導體、光通訊等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)用石英制品的主要原料——高純石英粉，目前主要有兩大制備途徑：一是物理法，即機械粉碎法；二是化學合成法，包括氣相合成法和液相合成法。

機械粉碎法，即利用天然水晶為原料，經(jīng)過工藝流程：水晶原礦→粉碎→磁選→浮選→酸浸→干燥→焙燒→磁選→成品石英粉。機械粉碎法制備石英粉雖然工藝簡單但易帶入雜質(zhì)，能耗大，成本高，粉料特性也難以控制，制備效率低且粒徑分布寬。

此外，原料天然水晶屬于稀有礦產(chǎn)，特別是一、二級水晶，已日漸枯竭，其儲量已無法滿足目前對高純石英粉的需求。雖然許多國家早已把目標轉(zhuǎn)向儲量豐富的硅石礦物，不斷地探索新的石英礦物原料源。但由于成礦地質(zhì)條件不同，其提純工藝技術(shù)與設(shè)備是制約硅石礦物規(guī)模化開采的一大瓶頸。因此，近年來采用化學合成法制備高純合成石英粉日益受到重視。

1、氣相合成法

作為合成石英粉的方法之一的氣相法，其原理是利用硅或有機硅的氯化物（如SiCl4等）為原料，通過各種手段將原料變成氣體，使之在氫-氧氣流高溫下（一般為1200～1600℃）水解制得煙霧狀的SiO₂，經(jīng)冷卻、分離、脫酸等過程后即得到成品的SiO₂顆粒。

因高溫下SiCl4的水解反應(yīng)在很短的時間內(nèi)完成，要求反應(yīng)物料在極短的時間內(nèi)達到微觀上的均勻混合，且HCl的生成致使設(shè)備腐蝕嚴重，對反應(yīng)器型式、生產(chǎn)設(shè)備材質(zhì)、加熱方式、進料方式均有非常高的要求，而且能耗大，導致生產(chǎn)成本高，使產(chǎn)品價格昂貴。針對這一問題，盡管有研究人員通過控制溫度、分兩步的氣相水解方法制備合成SiO₂粉，但其技術(shù)工藝較復雜，效率低，技術(shù)還不成熟，目前也僅適于實驗室的研制，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)困難。

2、液相合成法

與氣相合成法相比，液相合成法具有反應(yīng)溫度低、設(shè)備簡單，能耗少等優(yōu)點，目前工業(yè)上廣泛采用液相合成法制備超微粉。用于制備石英粉體的液相合成法主要有溶膠-凝膠法、沉淀法、微乳液法、液相水解法等。

（1）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法制備粉體系指以無機鹽或金屬醇鹽為前驅(qū)物，在一定的介質(zhì)和催化劑存在條件下，進行水解縮聚反應(yīng)生成溶膠，再經(jīng)凝膠化、干燥、焙燒、研磨、過篩等過程制得所需粒徑的粉體。

溶膠-凝膠法這項工藝技術(shù)目前存在的主要問題有：用溶膠-凝膠法制備SiO₂粉時殘余碳不易完全清除，使其產(chǎn)生黑斑，影響純度和外觀質(zhì)量；由于反應(yīng)得到的顆粒細小，表面能高而易團聚，導致形成的SiO₂顆粒存在殘留小孔洞；原料主要是有機硅烷，成本較高，而且對人體有一定的危害性；反應(yīng)時間較長，不利于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

（2）化學沉淀法

沉淀法是液相化學合成石英粉體較為廣泛的方法之一。它是以水玻璃（Na₂SiO₃）和鹽酸或其他酸化劑為原料，適時加入表面活性劑到反應(yīng)體系中，控制合成溫度，直至沉淀溶液的pH值為8左右加入穩(wěn)定劑，將得到的沉淀用離心法分離洗滌，經(jīng)低溫干燥，最后高溫灼燒一定時間后得到石英粉體。

雖然沉淀法制備石英粉體具有原料易得、生產(chǎn)流程簡單、能耗低、投資少等諸多優(yōu)點，但是其缺點也不容忽視：工業(yè)級水玻璃的雜質(zhì)含量太高，很難獲得較高純度的SiO₂粉體；反應(yīng)體系的濃度較低，沉淀速度快，沉淀過程不易控制；沉淀法制備的SiO₂粉體顆粒表面含有大量的羥基，使SiO₂原生粒子之間形成氫鍵的機會大大增強，造成嚴重的團聚現(xiàn)象，在電子顯微鏡下可觀察到非常大的SiO₂聚集體，降低了粉體的使用率和消弱了產(chǎn)品的結(jié)合力，補強性能也較差。

（3）微乳液法

微乳液法，又稱反相膠束法，是一種較新的制備粉體材料的液相化學法。所謂微乳液法是指兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，即雙親分子將連續(xù)介質(zhì)分割成微小空間形成微型反應(yīng)器，反應(yīng)物在其中反應(yīng)生成固相，由于成核、晶體生長、聚結(jié)、團聚等過程受到微反應(yīng)器的限制，從而形成包裹有一層表面活性劑，并且有一定凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的微粒。

微乳液法制備石英粉體具有實驗裝置簡單，能耗低；所得顆粒粒徑分布窄，且單分散性、界面性和穩(wěn)定性好。但是由于其成本高、產(chǎn)品的有機成分難于去除且易造成環(huán)境污染，而尚未在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。

（4）液相水解法

液相水解法制備石英粉體系指利用SiCl₄與純水發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，再將水解產(chǎn)物經(jīng)洗滌、液固分離、干燥、鍛燒、研磨和篩分等工序，制備SiO₂粉體的方法。SiCl₄液相水解法制備石英粉，不僅原料低廉易得，而且不含碳，可以制備得到高純度低羥基的SiO₂粉體。但是，工業(yè)化生產(chǎn)過程SiCl₄與水反應(yīng)劇烈，水解過程難以控制，粉體易團聚，很難形成致密的石英粉。

小結(jié)

除了以上方法，許多學者還開展了不少創(chuàng)新性的研究，如固相反應(yīng)法、霧化水解法、噴霧熱解法，但都是處于實驗室研究階段。綜合來看，氣相合成法制備石英粉純度高，反應(yīng)速度快，生產(chǎn)條件易控制，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但是成本高，設(shè)備復雜且要求高；而液相法制備石英粉的方法能耗少、成本低，設(shè)備簡單，但是共同的缺點是粉體易團聚，制備周期長，目前不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

參考來源：

21世紀經(jīng)濟報道

聶蘭艦等：高純合成石英粉的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

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