一种纳米级晶体硅及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201710947779.1 | 申请日 | 2017-10-12 | 公开(公告)号 | CN107473228A | 公开(公告)日 | 2017-12-15 |
| 申请人 | 亚洲硅业(青海)有限公司; 青海省亚硅硅材料工程技术有限公司; | 发明人 | 张宝顺; 宗冰; 丁小海; 陈文胜; 王体虎; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及晶体 硅 制备技术领域，公开了一种 纳米级 晶体硅及其制备方法。纳米级晶体硅的制备方法包括将氯硅烷、硅烷等含硅气体混合氢气通入到 等离子体 发生器中，利用 等离子体发生器 的电 磁场 使混合气体形成等离子体，其具有较高的活性并发生反应，在等离子发生器中产生纳米级的硅颗粒。利用该方法制备纳米级晶体硅，由于硅颗粒是直接由等离子态的反应物反应生成，不经过 破碎 等工序，反应过程在等离子体发生器内，所以不易产生粉尘，也不易引入杂质。生产出的纳米级晶体硅纯度高、收率高，晶格 缺陷 少，性能优越。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种纳米级晶体硅的制备方法，其特征在于，其包括： |
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| 说明书全文 | 一种纳米级晶体硅及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种晶体硅制备技术领域，且特别涉及一种纳米级晶体硅及其制备方法。 背景技术[0002] 纳米晶体硅是新一代光电半导体材料，是具有较宽的间隙能的半导体，也是高功率光源材料。纳米晶体硅具有晶体结构完整、无晶格缺陷、无需破碎、纯度高、粒径小、比表面积大、高表面活性、松装密度低等特点。纳米晶体硅应用于光伏行业，可以有效提高光电转化效率。纳米晶体硅使用于微电子行业，可以有效降低成本，增加电子元件寿命。 [0003] 以微电子行业用纳米晶体硅为例，现有技术是通过破碎块体多晶硅材料制备出符合要求的纳米级别的晶体硅颗粒，所述纳米级晶体硅破碎制备技术具有引入杂质、产生硅粉尘、造成晶体结构缺陷、收率低的问题。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种纳米级晶体硅的制备方法，此方法不易引入杂质，不易产生硅粉尘，并且晶体硅的收率高、纯度高、晶格缺陷少。 [0005] 本发明的另一目的在于提供一种纳米级晶体硅，其晶体结构完整，具有较少的晶格缺陷，纯度高。 [0006] 本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。 [0007] 一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括： [0009] 在本发明的一种实施例中，上述纳米级晶体硅的制备方法中的氯硅烷为四氯化硅(SiCl4)、三氯氢硅(SiHCl3)、二氯二氢硅(SiH2Cl2)、一氯三氢硅(SiH3Cl)中的一种或多种的混合物；硅烷为四氢化硅(SiH4)。 [0010] 在本发明的一种实施例中，上述纳米级晶体硅的制备方法中的含硅气体与氢气的混合摩尔比为1:1～1:25。 [0011] 在本发明的一种实施例中，上述纳米级晶体硅的制备方法中的含硅气体与氢气的混合摩尔比为1:5～1:20。 [0012] 在本发明的一种实施例中，上述纳米级晶体硅的制备方法中的含硅气体与氢气的混合摩尔比为1:10～1:15。 [0014] 在本发明的一种实施例中，上述纳米级晶体硅的制备方法还包括： [0016] 在本发明的一种实施例中，上述纳米级晶体硅的制备方法中的等离子体发生装置的尾气出口下游设置有静电吸附装置，尾气与纳米级硅颗粒在静电吸附装置内的静电场作用下分离。 [0017] 在本发明的一种实施例中，上述纳米级晶体硅的制备方法中的尾气循环至等离子体发生器中再次利用。 [0018] 本发明还提供一种纳米级晶体硅，其通过上述的纳米级晶体硅的制备方法制得。 [0019] 本发明实施例的纳米级晶体硅及其制备方法的有益效果是： [0020] 纳米级晶体硅的制备方法包括将氯硅烷、硅烷等含硅气体混合氢气通入到等离子体发生器中，利用等离子体发生器的电磁场使混合气体形成等离子体，其具有较高的活性并发生反应，在等离子发生器中产生纳米级的硅颗粒。利用该方法制备纳米级晶体硅，由于硅颗粒是直接由等离子态的反应物反应生成，不经过破碎等工序，反应过程在等离子体发生器内，所以不易产生粉尘，也不易引入杂质。生产出的纳米级晶体硅纯度高、收率高，晶格缺陷少，性能优越。 具体实施方式[0021] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。 [0022] 下面对本发明实施例的纳米级晶体硅及其制备方法进行具体说明。 [0023] 本发明的纳米级晶体硅的制备方法包括： [0024] 一、反应步骤 [0025] 将含硅气体与氢气按照1:1～1:25的摩尔比混合。该含硅气体为氯硅烷、硅烷中的至少一者，或者二者的混合物。 [0026] 将一定比例的含硅气体与氢气通入等离子体发生器中，使混合气体在等离子体发生器中放电形成等离子体。具体地，氢气在等离子体发生器中首先电离，形成活性强的氢自由基，氢自由基能够诱导氯硅烷或者硅烷电离，即降低氯硅烷/硅烷所需的起始放电电压，使含硅气体更容易电离。以硅烷(SiH4)为例，在氢自由基的参与下，分步电离出氢自由基，最终得到Si原子，Si原子再形成具有一定晶格结构的晶体硅，电离的尾气为氢气。反应过程如下： [0027] H2→2H·； [0028] SiH4+H·→SiH3·+H2； [0029] SiH3·+H→SiH2·+H2； [0030] SiH2·+H·→SiH·+H2； [0031] SiH·+H·→Si(atom)+H2； [0032] Si(atom)+Si(atom)→2Si(s-Nano)。 [0033] 氯硅烷的电离步骤与硅烷类似，也是在氢自由基的参与下逐步电离，不同的是电离的尾气中含有HCl。氢气在本发明中即作为含硅气体的载气，也作为诱导含硅气体电离的先电离气体。 [0034] 本发明的实施例中，等离子体发生器的电极具有峰值电压为10～100kV、频率为5～12kHz的正弦交流电压。等离子体发生器的放电间隙为1～10mm。应当理解，峰值电压和放电间隙可以根据气体成分做相应的调整，应当以混合气体能够电离为等离子体为准。等离子体发生器内产生的等离子体的温度为40～60℃。 [0036] 形成等离子体的混合气体具有较高的活性，因此至少部分混合气体反应生成纳米级的硅颗粒，纳米级的硅颗粒与尾气混合在一起，从等离子体发生器中送出。 [0037] 二、收集步骤 [0038] 将混合有纳米级硅颗粒的尾气从等离子体发生器内排出并通入到静电吸附装置中。由于纳米级硅颗粒具有较大的表面积，并且在等离子体发生器中增强了活性，纳米级硅颗粒易于在静电场作用下被吸附。尾气排出静电吸附装置后可选地循环至等离子体发生器中继续参与反应，或经处理排向外界。如此，完成纳米级硅颗粒与尾气的分离，在静电吸附装置中收集获得本发明实施例中的纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的粒径小于900nm。 [0039] 以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。 [0040] 实施例1 [0041] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0042] S1、反应步骤 [0043] 将SiH4与氢气按1:1的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0044] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0045] S2、收集步骤 [0046] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0047] 实施例2 [0048] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0049] S1、反应步骤 [0050] 将SiH4与氢气按1:5的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0051] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0052] S2、收集步骤 [0053] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0054] 实施例3 [0055] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0056] S1、反应步骤 [0057] 将SiH4与氢气按1:10的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0058] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0059] S2、收集步骤 [0060] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0061] 实施例4 [0062] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0063] S1、反应步骤 [0064] 将SiH4与氢气按1:15的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0065] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0066] S2、收集步骤 [0067] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0068] 实施例5 [0069] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0070] S1、反应步骤 [0071] 将SiH4与氢气按1:20的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0072] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0073] S2、收集步骤 [0074] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0075] 实施例6 [0076] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0077] S1、反应步骤 [0078] 将SiH4与氢气按1:25的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0079] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0080] S2、收集步骤 [0081] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0082] 实施例7 [0083] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0084] S1、反应步骤 [0085] 将SiH4与氢气按1:12的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0086] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0087] S2、收集步骤 [0088] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0089] 实施例8 [0090] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0091] S1、反应步骤 [0092] 将含硅气体与氢气按1:12的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。其中含硅气体为SiHCl3与SiH4的混合气体。 [0093] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0094] S2、收集步骤 [0095] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0096] 实施例9 [0097] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0098] S1、反应步骤 [0099] 将SiHCl3与氢气按1:12的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0100] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0101] S2、收集步骤 [0102] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0103] 实施例10 [0104] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0105] S1、反应步骤 [0106] 将SiH2Cl2与氢气按1:12的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0107] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0108] S2、收集步骤 [0109] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0110] 实施例11 [0111] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0112] S1、反应步骤 [0113] 将SiH3Cl与氢气按1:12的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0114] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0115] S2、收集步骤 [0116] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0117] 实施例12 [0118] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0119] S1、反应步骤 [0120] 将SiCl4与氢气按1:12的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。 [0121] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0122] S2、收集步骤 [0123] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0124] 实施例13 [0125] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0126] S1、反应步骤 [0127] 将含硅气体与氢气按1:12的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。其中含硅气体为SiHCl3与SiH3Cl的混合气体。 [0128] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0129] S2、收集步骤 [0130] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0131] 实施例14 [0132] 本实施例提供一种纳米级晶体硅的制备方法，其包括以下步骤： [0133] S1、反应步骤 [0134] 将含硅气体与氢气按1:15的摩尔比混合，通入等离子体反应器中，在等离子体发生器内放电，形成等离子体；并反应产生纳米级硅颗粒。其中含硅气体为SiCl4、SiHCl3以及SiH4的混合气体。 [0135] 在本实施例中，等离子体发生器的电极采用电介质阻挡放电，电介质选用高纯氧化铝或高纯石英，放电间隙为5mm。电极的峰值电压为50kV，频率为10kHz。 [0136] S2、收集步骤 [0137] 将含有纳米级硅颗粒的尾气通入至等离子体发生器出口下游的静电吸附装置中，纳米级硅颗粒被吸附于静电吸附装置中，尾气与硅颗粒分离排出静电吸附装置，并循环至等离子体发生器中，继续参与反应。收集静电吸附装置中的纳米级硅颗粒，即得到纳米级晶体硅。纳米级晶体硅的平均粒径为10nm。 [0138] 综上所述，本发明实施例的纳米级晶体硅的制备方法包括将氯硅烷、硅烷等含硅气体混合氢气通入到等离子体发生器中，利用等离子体发生器的电磁场使混合气体形成等离子体，其具有较高的活性并发生反应，在等离子发生器中产生纳米级的硅颗粒。利用该方法制备纳米级晶体硅，由于硅颗粒是直接由等离子态反应物反应生成，不经过破碎等工序，反应过程在等离子体发生器内，所以不易产生粉尘，也不易引入杂质。生产出的纳米级晶体硅纯度高、收率高，晶格缺陷少，性能优越。 [0139] 以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 |
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