一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺的制作方法

本发明涉及非金属矿物提纯材料，具体为一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺。

背景技术：

1、高纯石英砂是半导体、光电子、光伏等高端制造领域的关键基础材料，随着芯片制程向3nm以下发展，对石英砂纯度要求达到6n（99.9999%）以上，碱金属、铝、钛、硼等杂质需控制在0.1ppm以下。目前，我国高端产品长期依赖进口，供应链安全风险突出，国产化替代需求迫切。

2、现有高纯石英提纯工艺存在明显短板：一是优质矿源稀缺，国内脉石英矿杂质高、包裹体与晶格杂质复杂，传统工艺难以适配，提纯效率低；二是环保压力大，主流技术大量使用氢氟酸、盐酸、硝酸等强腐蚀性试剂，含氟含氯废水废气处理成本高，污染风险突出；三是深度除杂能力不足，常规物理分选与酸浸难以去除亚微米—纳米级包裹体及晶格取代杂质，无法稳定达到6n级纯度；四是量产稳定性差，规模化生产中参数控制粗放、设备易引入二次污染，批次一致性差，难以满足半导体厂商严苛认证要求；五是工艺集成度低，缺乏物理分选、化学浸出、高温还原与等离子体除杂协同体系，流程长、能耗高、试剂消耗大。

3、基于此，有必要提出一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，具备能够无氟无氯、绿色环保、深度除杂、智能稳定的优点，解决了背景技术中提出的问题。

2、本发明提供如下技术方案：一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，包括以下步骤：

3、步骤一：原料预处理：高纯石英原矿经浸泡冲洗、三级破碎分级、色选、氢化煅烧、热磷酸高压浸出、球磨旋流分级，制得粒径0.1～0.5mm、纯度4n以上、杂质可控的原料；

4、步骤二：高梯度磁选：采用立环脉动高梯度湿磁选去除磁性杂质；

5、步骤三：无氟无酸超声浮选协同常压微波等离子体除杂：中性/弱碱性条件下超声浮选与清洗，经常压微波等离子体去除脉石矿物与晶界杂质；

6、步骤四：迭代精细提纯：热磷酸高压浸出—真空微波氢热还原—高纯热磷酸高压浸出，去除包裹体与晶格杂质，制得5n及以上高纯石英砂；

7、步骤五：等离子体终提纯：真空微波氢混合等离子体去除纳米级包裹体与晶格杂质，制得6n以上超高纯石英砂；

8、步骤六：质量控制与产物处理：真空冷却、质检，合格产品在百级洁净车间真空包装入库；工艺尾气、废水、废渣达标处理，热磷酸废液循环使用。

9、优选的，所述步骤一高纯石英原矿标准：sio2质量分数＞3n，杂质总量＜50μg/g，其中al＜30μg/g、ti＜10μg/g、na＜8μg/g、k＜8μg/g、li＜5μg/g、ca＜5μg/g、fe＜3μg/g、p＜2μg/g、b＜1μg/g，放射性元素与气液包裹体痕量。

10、优选的，所述步骤一破碎分级：颚式破碎机粗破至10～30mm，圆锥破碎机中破至5～10mm，对辊破碎机细破至1～5mm；与石英接触的设备内壁采用防污染定制材质。

11、优选的，所述步骤一氢化煅烧：采用4n以上高纯氩、氢混合气体，氢化温度600～1500℃，真空度0.1～0.01pa，千级洁净环境，煅烧时间1～8h。

12、优选的，所述步骤一与步骤四热磷酸高压浸出，采用多功能微波酸浸釜，磷酸浓度20%～50%，液固比2:1～5:1，压力2～10mpa，温度200～250℃；步骤（4）高纯热磷酸浸出采用电子级磷酸，压力2～5mpa，温度200～220℃。

13、优选的，所述步骤二高梯度磁选：背景磁场1.5～2.0t，矿浆浓度25～30%，脉动冲次200～300次/min，给矿粒度-0.074mm占比≥80%。

14、优选的，所述步骤三超声浮选：ph7～9，采用十二烷基磺酸钠与十二胺组合捕收剂，辅以水玻璃抑制，超声频率20～40khz，温度30～40℃；所述常压微波等离子体：微波频率2.450ghz，功率10～50kw，温度1000～1500℃，常压处理30～120min。

15、优选的，所述步骤四真空微波氢热还原：采用5n以上高纯氩、氢混合气体，温度600～1200℃，真空度0.1～0.01pa，百级洁净环境，处理30～240min。

16、优选的，所述步骤五真空微波等离子体：采用6n以上高纯氩、氢混合气体，温度600～1500℃，真空度10⁻²～10⁻4pa，百级洁净环境，处理20～180min，产品杂质总量＜0.1ppm。

17、优选的，所述全流程采用电阻率≥18.2mω・cm超纯水，气体流量由质量流量控制器精准调控；尾气经处理达标排放，废渣经微波等离子体焚烧炉无害化处理，废水回用制超纯水，热磷酸废液循环使用。

18、与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

19、该种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，采用热磷酸氢热还原、微波等离子体协同提纯体系，相较于传统高纯石英制备工艺，可将石英砂纯度稳定提升至6n以上，杂质总量低于0.1ppm，能够深度脱除石英中显微包裹体、亚微米—纳米级包裹体及晶格取代杂质，尤其对al、ti、li、b、碱金属等难去除杂质脱除效果显著，产品纯度、均匀性与批次稳定性完全满足半导体先进制程的严苛使用要求，有效解决传统工艺无法实现超高纯深度提纯的技术瓶颈。

20、该种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，全程采用无氟、无氯、无硝的绿色提纯路线，以热磷酸高压浸出替代强腐蚀性氢氟酸体系，配合氢气还原与微波等离子体物理化学协同除杂，大幅降低废水、废气、废渣处理压力；同时热磷酸废液可纯化循环使用，生产废水经处理后回用于超纯水制备，整体工艺具备低腐蚀、低排放、低能耗、高循环特点，显著降低生产成本与环保治理压力，符合绿色智能制造与可持续发展政策导向。

21、该种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，放宽对高纯石英原矿的品质要求，可适配国产伟晶岩、脉石英等多种矿源，突破优质矿源依赖进口的限制；全流程采用智能装备与精准参数控制，设备接触部位采用防污染定制材质，避免二次污染，实现连续化、稳定化量产，有效提升产品一致性与生产效率。该工艺打破国外技术与市场垄断，大幅提升我国超高纯石英砂自给率，有力保障半导体产业链供应链安全，推动高端石英材料国产化替代与产业高质量发展。

1.一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，其特征在于：所述步骤一高纯石英原矿标准：sio2质量分数＞3n，杂质总量＜50μg/g，其中al＜30μg/g、ti＜10μg/g、na＜8μg/g、k＜8μg/g、li＜5μg/g、ca＜5μg/g、fe＜3μg/g、p＜2μg/g、b＜1μg/g，放射性元素与气液包裹体痕量。

3.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，其特征在于：所述步骤一多级破碎分级：颚式破碎机粗破至10～30mm，圆锥破碎机中破至5～10mm，对辊破碎机细破至1～5mm；与石英接触的设备内壁采用防污染定制材质。

4.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原体系环保智能制造工艺，其特征在于：所述步骤一氢化煅烧：采用4n以上高纯氩、氢混合气体，氢化温度600～1500℃，真空度0.1～0.01pa，千级洁净环境，煅烧时间1～8h。

5.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原环保智能制造工艺，其特征在于：所述步骤一与步骤四热磷酸高压浸出，采用多功能微波酸浸釜，磷酸浓度20%～50%，液固比2:1～5:1，压力2～10mpa，温度200～250℃；步骤（4）高纯热磷酸浸出采用电子级磷酸，压力2～5mpa，温度200～220℃。

6.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原环保智能制造工艺，其特征在于：所述步骤二高梯度磁选：背景磁场1.5～2.0t，矿浆浓度25～30%，脉动冲次200～300次/min，给矿粒度-0.074mm占比≥80%。

7.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原环保智能制造工艺，其特征在于：所述步骤三超声浮选：ph7～9，采用十二烷基磺酸钠与十二胺组合捕收剂，辅以水玻璃抑制，超声频率20～40khz，温度30～40℃；所述常压微波等离子体：微波频率2.450ghz，功率10～50kw，温度1000～1500℃，常压处理30～120min。

8.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原环保智能制造工艺，其特征在于：所述步骤四真空微波氢热还原：采用5n以上高纯氩、氢混合气体，温度600～1200℃，真空度0.1～0.01pa，百级洁净环境，处理30～240min。

9.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原环保智能制造工艺，其特征在于：所述步骤五真空微波等离子体：采用6n以上高纯氩、氢混合气体，温度600～1500℃，真空度10-2～10-4pa，百级洁净环境，处理20～180min，产品杂质总量＜0.1ppm。

10.根据权利要求1所述的一种半导体用超高纯石英砂热磷酸氢热还原环保智能制造工艺，其特征在于：所述全流程采用电阻率≥18.2mωcm超纯水，气体流量由质量流量控制器精准调控；尾气经处理达标排放，废渣经微波等离子体焚烧炉无害化处理，废水回用制超纯水，热磷酸废液循环使用。