纳米级结晶硅粉末制造技术

具有超过５０ｍ↑［２］／ｇＢＥＴ表面积的聚集的结晶硅粉末。粉末通过连续将至少一种汽化的或气态硅烷和任选的至少一种汽化的或气态的掺杂物质以及惰性气体引入反应器并在那里混合组分，其中硅烷的比例相对于硅烷、掺杂物质和惰性气体的总量为０．１～９０ｗｔ．％；通过能量输入造成混合物发生反应，其中等离子体通过微波范围内的电磁辐射在１０～１１００ｍｂａｒ的压力下由能量输入而产生；使反应混合物冷却并且将反应产物以粉末的形式从气体物质中分离而制备。粉末可以用于电子元件的制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米级结晶硅粉末本专利技术涉及纳米级结晶硅粉末、其制备以及应用。由于纳米级硅粉末特殊的光学和电子特性，因而它们得到人们很大的关注。众所周知，硅通过硅烷(SiH4)的热解而制备。在US 4661335中，描述了一种具有低密度以及BET表面积为1-2m2/g的、聚集的、很大程度上为多晶的硅粉末，其是通过在管状反应器中由硅烷在500℃和700℃之间的温度下热解而得到。目前这种粉末已不能满足人们的需求。此外，由于存在大量未反应的硅烷而使得这个方法很不经济。在Laser Physics，第10卷，第939-945页(2000年)中，Kuz′min等人描述了纳米级的硅产品在减压下通过硅烷的激光引导分解的制备方法。由此得到的粉末的每个单独粒子具有3～20纳米的多晶核以及直径高达150纳米的无定形覆盖物。有关硅粉末表面的信息则没有给出。在J.Mater.Sci.Technol.，第11卷，第71-74页(1995年)中，Li等人描述了硅粉末在大气压以及作为稀释气体的氩气存在下通过硅烷的激光引导分解来合成聚集的多晶硅粉末。有关硅粉末表面的信息则没有给出。在Vacuum，第45卷，第1115-1117页(1994年)中，Costa等人描述了表面包含大比例氢的无定形硅粉末。硅粉末通过在真空下借助于射频等离子体反应器由硅烷的分解而制备。在Jap.J.Appl.Physics，第41卷，第144-146页(2002年)中，Makimura等人描述了在真空中氢和氖的存在下含氢的硅纳米粒子通-->过硅靶的激光磨损的制备方法。至于硅纳米粒子是以结晶的形式存在还是以无定形的形式存在的信息则没有给出。EP-A-680384中描述了一种通过减压下在微波等离子体中分解硅烷而在基质上沉积非多晶硅的方法。有关硅表面特性的信息则没有给出。在热壁反应器中制备聚集的纳米级硅粉末是众所周知的(Roth等，Chem.Eng.Technol.24(2001)，3)。这个方法的缺点在于所希望得到的结晶硅与热反应器壁上由硅烷的反应而形成的无定形硅同时生成。另外，结晶硅具有低的小于20m2/g的比表面积，但对于电子应用来说，这样的比表面积通常太粗糙了。此外，Roth等人没有描述得到掺杂硅粉末的方法。这种掺杂的硅粉末在电子工业中由于它们的半导体特性而具有很重要的价值。然而，缺点在于硅粉末在反应器壁上沉积并且充当了绝热器的角色。因而反应器中的温度分布会发生变化，从而导致所制备硅粉末的性质发生变化。现有技术表明了人们在硅粉末上的强烈兴趣。本专利技术的目的是提供一种消除现有技术缺点的硅粉末。特别地，该硅粉末应当是一种具有均匀改性的粉末。该粉末应该能够满足日益增长的电子元件制造方面小型化的需求。专利技术的目的还提供一种制备这种粉末的方法。本专利技术提供了一种聚集的、结晶硅粉末，其特征在于具有超过50m2/g的BET表面积。在优选的实施方案中，本专利技术的硅粉末可以具有100～700m2/g的BET表面积，200～500m2/g的范围是特别优选的。术语“聚集的”应理解为是指球形的或很大程度上球形的原生粒子，如举例来说在反应中首先形成的粒子，在进一步的反应过程中聚结在一起形成聚集体。聚集体的聚结程度可以被工艺参数所影响。这些聚集体可以在更进一步的反应过程中形成团聚体。与通常不能分解-->或只部分分解成原生粒子的聚集体相比，团聚体形成一个只是聚集体的松散凝结体。术语“结晶的”应理解为是指至少90％的粉末是结晶的。这样的一个结晶度的程度可以通过将本专利技术粉末的[111]、[220]以及[311]的信号强度与已知结晶度和晶体大小的硅粉末比较而确定。在本专利技术的范围内，具有至少95％的结晶分数、特别优选为至少98％的结晶分数的硅粉末是优选的。TEM图象的估算以及显示作为结晶状态特征的晶格点阵线的原生粒子的计算适合用于确定结晶度的程度。本专利技术的硅粉末可以具有高达10mol％的氢载荷，1～5mol％的范围是优选的。核磁共振谱如1H-MAS-NMR谱、或IR光谱适合用于饱和程度的确定。此外，本专利技术的硅粉末可以是被掺杂的。以下元素可以优选作为尤其是作为电子元件中的半导体而使用的掺杂组分而使用：磷、砷、锑、铋、硼、铝、镓、铟、铊、铕、铒、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铥、镱或镥。这些元素在本专利技术的硅粉末中的比例可以高达1wt.％。通常其中包含ppm或甚至ppb范围的掺杂组分的硅粉末是所希望得到的。1013～1015个掺杂组分原子/cm3的范围是优选的。此外，对于本专利技术的硅粉末来说，可以包含作为掺杂组分的锂。硅粉末中锂的比例可以高达53wt.％。包含20～40wt.％锂的硅粉末是特别优选的。同样，本专利技术的硅粉末可以包含作为掺杂组分的锗。在这种情况下锗的比例可高达40wt.％。包含10～30wt.％锗的硅粉末是特别优选的。最后，元素铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金和锌也可以用作硅粉末的掺杂组分。它们的比例可以高达硅粉末的5wt％。-->就掺杂组分而言，它可以被均匀地分散在粉末中，或者可以被集中或者插入在覆盖物中或原生粒子的核中。掺杂组分可以优选结合在硅的晶格点上。这极大程度上取决于掺杂物质的性质和反应条件。术语“掺杂组分”在本专利技术的范围内应理解为表示存在于本专利技术的粉末中的元素。术语“掺杂物质”应理解为表示为了得到掺杂组分而在该方法中使用的化合物。本专利技术也提供了一种用于制备本专利技术的硅粉末的方法，其特征在于-至少一种汽化的或气态的硅烷以及任选的至少一种汽化的或气态的掺杂物质，-与惰性气体一起-连续转移到反应器中并在那里混合，-其中硅烷的比例相对于硅烷、掺杂物质和惰性气体总量来说为0.1～90wt.％，-在10～1100mbar的压力下，借助于微波范围内的电磁辐射通过能量的输入而产生等离子体，-使反应混合物领却或将其冷却并且反应产物以粉末的形式从气体物质中分离。本专利技术的方法特征在于产生一个稳定的等离子体，从而与在高真空下操作的方法相比得到非常均匀的产物，并且容许高的转化率。通常硅烷的转化率至少为98％。实施本专利技术的方法，以使气流中任选同时包括掺杂组分的硅烷的比例在0.1～90wt.％之间。高硅烷含量导致高的生产率，因而从经济方面看是显而易见的。然而伴随着非常高的硅烷含量，较大的聚集体的形成也是预期的。在本专利技术的范围内，1～10wt.％的硅烷含量是优选的。在这种浓度下，通常得到直径小于1μm的聚集体。在本专利技术的范围内，硅烷可以是一种在反应条件下产生硅、氢、-->氮和/或卤素的含硅化合物。可以优选使用SiH4、Si2H6、ClSiH3、Cl2SiH2、Cl3SiH和/或SiCl4，SiH4是特别优选的。此外，也可以使用N(SiH3)3，HN(SiH3)2，H2N(SiH3)，(H3Si)2NN(SiH3)2，(H3Si)NHNH(SiH3)或H2NN(SiH3)2。本专利技术意图中的掺杂物质可以是包含以共价键或离子键结合的掺杂组分并且在反应条件下产生掺杂组分、氢、氮、一氧化碳、二氧化碳和/或卤素的化合物。优选可以使用磷、砷、锑、铋、硼、铝、镓、铟、铊、铕、铒、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铥、镱、镥、锂、锗、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金或锌的含氢化合物。特别优选的本文档来自技高网...

【技术保护点】
聚集的结晶硅粉末，其特征在于其具有超过５０ｍ↑［２］／ｇ的ＢＥＴ表面积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2003-11-19 103 53 996.41.聚集的结晶硅粉末，其特征在于其具有超过50m2/g的BET表面积。2.依照权利要求1的聚集的结晶硅粉末，其特征在于所述BET表面积为100～700m2/g。3.依照权利要求1或2的聚集的结晶硅粉末，其特征在于其具有高达10mol％的氢载荷。4.依照权利要求1～3之一的聚集的结晶硅粉末，其特征在于其掺杂有磷、砷、锑、铋、硼、铝、镓、铟、铊、铕、铒、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铥、镥、锂、锗、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金或锌。5.依照权利要求4的聚集的结晶硅粉末，其特征在于掺杂组分磷、砷、锑、铋、硼、铝、镓、铟、铊、铕、铒、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铥、镱和镥的比例高达1wt.％。6.依照权利要求4的聚集的结晶硅粉末，其特征在于掺杂组分锂的比例高达53wt.％。7.依照权利要求4的聚集的结晶硅粉末，其特征在于掺杂组分锗的比例高达40wt.％。8.依照权利要求4的聚集的结晶硅粉末，其特征在于掺杂组分铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金和锌的比例高达5wt.％。9.用于制备依照权利要求1～8的硅粉末的方法，其特征在于-将至少一种汽化的或气态的硅烷以及任选的至少一种汽化的或气态的掺杂物质，-以及惰性气体-连续转移到反应器中并在那里混合，-其中硅烷的比例相对于硅烷、掺杂物质和惰性气体总量为0.1～90wt.％，-在10～1100mbar的压力下，通过借助于微波范围内的电磁辐射的能量输入而产生等离子体，-容许反应混合物冷却并且使反应产物以粉末的形式与气态物质分离。10.依照权利要求9的方法，其特征在于任选包括掺杂组分的硅烷在气流中的比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：马库斯普雷德尔，保罗罗特，哈特穆特维格斯，彼得克雷斯，吉多齐默尔曼，斯特凡黑贝雷尔，弗兰克马丁彼得拉特，
申请(专利权)人：德古萨股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]