专利名称：一种硅酸纯化方法
技术领域：
本发明涉及一种硅酸纯化方法，具体地说，涉及用于制备抛光液的硅溶胶原料硅酸的纯化方法，属于化工技术领域。
背景技术：
在化学机械抛光(CMP)中，所使用的抛光液是以硅溶胶中的二氧化硅胶体作为磨料，而二氧化硅胶体的纯度对抛光后的半导体材料性能影响很大。如果能降低传统工艺制备的硅溶胶中金属元素含量，主要是Ca、Mg、Al等，就可以避抛光过后的材料表面残留这些金属元素，从而避免因为这些金属元素而造成的一系列问题，提高产品合格率。在硅溶胶的合成过程中，如果原料中含有Ca、Mg、Al等高价金属元素，它们往往会以氢氧化物的形式进入硅溶胶网状空隙中，因此通过简单方法难以去除。而这些金属杂质，在抛光的过程中，会与抛光液中其他化学物质相互作用，改变存在形式，重新进入到抛光液中，从而造成污染， 影响抛光效果。因此，离子交换法由于其原料水玻璃中含有较多杂质，其合成的硅溶胶也含有较多杂质，因此无法用在对纯度要求较高的精抛光上。直接用阳离子树脂或阳阴离子组合处理硅酸或硅溶胶，效果均不理想，原因是在 PH值大于4的条件下，多数金属是以氢氧化物形式存在，用离子交换的方法难以去除。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提高一种硅酸纯化方法。本发明的硅酸纯化方法，包括以下步骤
1)阳离子树脂的处理
将全新的强酸型阳离子树脂清洗，先用5wt% WNaOH溶液浸泡过夜，用蒸馏水洗至 PH7-8，再用11%的盐酸溶液浸泡过夜，用蒸馏水清洗至pH值为5 6，如此处理好的强酸型阳离子树脂装满两个树脂柱，即柱1和柱2 ；
2)阴离子树脂的处理
将全新的强碱型阴离子树脂清洗，用5wt%的NaOH溶液浸泡过夜，用蒸馏水洗至pH7-8， 装满树脂柱3，即柱3;
3)水玻璃溶液的配制
取水玻璃，与蒸馏水配制成2-6wt%水玻璃溶液，备用；
4)硅酸的制备
将水玻璃溶液，以一定流速使其流经装满树脂的柱1，当流出液PH为3-4期间，收集溶液1 ；
5)硅酸的酸化
用l-10wt%无机酸溶液将溶液1的pH值调节至0. 1 3，搅拌0. 5-10h小时；6)第二次阳离子树脂处理
将酸化后的溶液1以一定流速流经装满阳离子树脂的柱2，得到溶液2 ；7)pH调节
使用适量的有机碱以一定添加速度添加至溶液2中，调节pH值至3-4，得到溶液3 ；
8)硅酸的纯化
将溶液3以一定流速使其经过柱3，得到最终纯化后的硅酸。优选地，所述的硅酸纯化方法中， 所说的水玻璃模数为1。所说的阳离子树脂为Na型强酸性树脂，树脂的粒度在0. 25-1. 25mm。所说的用于酸化的无机酸为盐酸、硫酸或硝酸。所说的溶液1流经柱2的流速为5L/h_10L/h。当柱2流出液的pH值开始下降时，为收集溶液2的起点；当流出液pH值维持不变时，为收集溶液2的终点。所使用的有机碱为四甲基氢氧化铵、胆碱、吡啶、乙醇胺或二乙烯三胺。所说的添加有机碱溶液的速度为lg/h-60g/h。所说的溶液3流经柱3的流速为5L/h_10L/h。当柱3流出液的pH值开始上升时，为收集最终纯化硅酸的起点；当流出液pH值维持不变时，为收集最终纯化硅酸的终点。本发明的原理是
金属在水中存在的形式与PH有关。以Al为例铝在碱性溶液中存在以下平衡A13++30H_ ^^ Al(OH)3 当 pH=10 时，则 C
=l(r4mol/L
Al (OH)3的溶解度为3*10_33mOl/L，由氢氧化铝溶液溶度积公式
KspAl =C [Al3+]* ( C
=10"12mo 1/L,则此pH下Al3+的含量最大为3*103mol/L，也就是说在酸性条件下，Al (OH)3不会存在于水溶液中，而是以Al3+的形式存在。将硅酸的pH值调节为0. 1 3，使Al (OH) 3转化为Al3+，在经过阳离子树脂除掉 Al3+，可以达到纯化的目的。本发明的硅酸纯化方法，将硅酸的pH值调至0. 1 3，以使其中的金属元素由金属氢氧化物形式转化为离子形式，再通过阳离子树脂交换，去除金属元素，加入有机碱调节PH 为3-4，再将处理后的硅酸经过强碱型阴离子树脂，最终制备出高纯度的硅酸。通过本发明方法处理的硅酸，可将铝元素的去除率由6%提高到94%，将镁元素的去除率由27%提高到 61. 5%，将钙元素的去除率由40%提高到90%。用有机碱将纯化后的硅酸pH值调节至4，可避免使用无机碱与酸中和生成的盐造成硅酸凝胶，纯化后的硅酸金属杂质明显减少，增加了硅酸的稳定性，利于以硅酸为原料所进行的硅溶胶合成。本发明的方法具有如下技术效果
1、从原料硅酸的纯化入手，从源头上避免的大部分金属杂质进入硅溶胶合成过程中。 如果对产品硅溶胶进行类似工艺的纯化，由于碱性条件下，金属杂质以氢氧化物形式存在， 随着硅溶胶的生长，会掺杂进入胶体内部，通过简单的离子交换难以去除；
2、客观地分析、验证了金属存在形式与溶液pH的关系。当溶液为碱性时，金属杂质以氢氧化物形式存在，通过阳离子树脂交换难以除去率较低。本发明根据这一原理，将硅酸PH 调低，使金属氢氧化物充分转化为金属离子形式。再经过阳离子树脂则有效地提高了去除率；
3、降低硅酸的pH将使硅酸处于不稳定状态，容易凝胶。因此本发明采用有机碱将处理后的硅酸PH重新调节回3-4，保证了硅酸的稳定性。同时，如果使用无机碱调节pH，酸碱中和生成盐类，同样对硅酸的稳定不利，有机碱的采用，避免了无机盐的生成；
4、最后使经过了酸化-阳离子树脂-有机碱调节pH后的硅酸经过阴离子树脂，进一步地纯化了硅酸。
具体实施例方式实施例1
本实施例中硅酸纯化方法包括下列步骤
1.阳离子树脂的处理
将全新的强酸型阳离子树脂清洗，先用5wt% WNaOH溶液浸泡过夜，用蒸馏水洗至 PH7-8，再用11%的盐酸溶液浸泡过夜，用蒸馏水清洗至pH值为5 6，如此处理好的强酸型阳离子树脂装满两个树脂柱，即柱1和柱2 ；
2.阴离子树脂的处理
将全新的强碱型阴离子树脂清洗，用5wt%的NaOH溶液浸泡过夜，用蒸馏水洗至pH7-8， 装满树脂柱3 (柱3)。3.水玻璃溶液的配制
取水玻璃，与蒸馏水配制成3wt%水玻璃溶液，备用 4.硅酸的制备
将3wt%的水玻璃溶液，以5L/h流速使其流经装满树脂的柱1，收集溶液1，当流出液pH 大于4时，停止收集。5.硅酸的酸化
将溶液1用10衬％盐酸酸化，调节PH值为1，搅拌1小时。6.第二次阳离子树脂处理
将酸化后的溶液1以5L/h的流速流经装满阳离子树脂的柱2，得到溶液2。7. pH调节以10wt%胆碱以10g/h添加速度添加至溶液2中，调节pH值至3，得到溶液3。8.硅酸的纯化
将溶液3以5L/h的流速使其经过柱3，得到最终纯化后的硅酸。实验ICP结果如下
权利要求
1.一种硅酸纯化方法，其特征在于，包括以下步骤1)阳离子树脂的处理将全新的强酸型阳离子树脂清洗，先用5wt% WNaOH溶液浸泡过夜，用蒸馏水洗至 PH7-8，再用11%的盐酸溶液浸泡过夜，用蒸馏水清洗至pH值为5 6，如此处理好的强酸型阳离子树脂装满两个树脂柱，即柱1和柱2 ；2)阴离子树脂的处理将全新的强碱型阴离子树脂清洗，用5wt%的NaOH溶液浸泡过夜，用蒸馏水洗至pH7-8， 装满树脂柱3，即柱3;3)水玻璃溶液的配制取水玻璃，与蒸馏水配制成2-6wt%水玻璃溶液，备用；4)硅酸的制备将水玻璃溶液，以一定流速使其流经装满树脂的柱1，当流出液PH为3-4期间，收集溶液1 ；5)硅酸的酸化用l-10wt%无机酸溶液将溶液1的pH值调节至0. 1 3，搅拌0. 5-10h小时；6)第二次阳离子树脂处理将酸化后的溶液1以一定流速流经装满阳离子树脂的柱2，得到溶液2 ；7)pH调节使用适量的有机碱以一定添加速度添加至溶液2中，调节pH值至3-4，得到溶液3 ；8)硅酸的纯化将溶液3以一定流速使其经过柱3，得到最终纯化后的硅酸。
2.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，所说的水玻璃模数为1。
3.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，所说的阳离子树脂为Na型强酸性树脂，树脂的粒度在0. 25-1. 25mm。
4.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，所说的用于酸化的无机酸为盐酸、硫酸或硝酸。
5.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，所说的溶液1流经柱2的流速为 5L/h-10L/h。
6.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，当柱2流出液的pH值开始下降时，为收集溶液2的起点；当流出液pH值维持不变时，为收集溶液2的终点。
7.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，所使用的有机碱为四甲基氢氧化铵、胆碱、吡啶、乙醇胺或二乙烯三胺。
8.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，所说的添加有机碱溶液的速度为 lg/h-60g/h。
9.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，所说的溶液3流经柱3的流速为 5L/h-10L/h。
10.根据权利要求1所述的硅酸纯化方法，其特征在于，当柱3流出液的PH值开始上升时，为收集最终纯化硅酸的起点；当流出液PH值维持不变时，为收集最终纯化硅酸的终点。
全文摘要
本发明提供了一种硅酸纯化方法，包括以下步骤1)阳离子树脂的处理；2)阴离子树脂的处理；3)水玻璃溶液的配制；4)硅酸的制备；5)硅酸的酸化；6)第二次阳离子树脂处理；7)pH调节；8)硅酸的纯化。本发明的硅酸纯化方法，可将铝元素的去除率由6%提高到94%，将镁元素的去除率由27%提高到61.5%，将钙元素的去除率由40%提高到90%。用有机碱将纯化后的硅酸pH值调节至4，可避免使用无机碱与酸中和生成的盐造成硅酸凝胶，纯化后的硅酸金属杂质明显减少，增加了硅酸的稳定性，利于以硅酸为原料所进行的硅溶胶合成。
文档编号C01B33/113GK102311122SQ201110220439
公开日2012年1月11日 申请日期2011年8月3日 优先权日2011年8月3日
发明者刘锡林, 徐功涛 申请人:南通海迅天恒纳米科技有限公司