一种高纯镓粒的制备方法与流程

本发明涉及高纯金属技术领域，特别涉及一种高纯镓粒的制备方法。

背景技术：

目前高纯镓粒的主要制备方法采用在空气环境中将镓液放在滴料装置内，滴入冷却剂中，使镓凝固，然后清洗、烘干，从而制得镓粒。该方法的主要缺陷为：（a）使用甘油、盐酸等难于清洗的液体做为冷却剂，会引入c、cl等杂质；（b）产品必须用大量纯水洗涤，并需要烘干，过程中会增加产品氧含量。

中国发明专利cn103157799b提供的一种镓粒的制备方法，将镓液滴入成分为甘油和水或者酒精和水混合液的冷却剂中，从而制得镓粒。该方法有以下缺陷：（a）采用甘油作为冷却剂，甘油易附着在镓粒上，增加产品的清洗成本，且会引入杂质（如c）；（b）冷却剂温度不稳定，会导致镓粒形状不规则甚至粘连聚团；（c）冷却剂和保温剂均含有水，并且后续需要清洗、烘干等工艺，会增加产品氧含量。

中国发明专利cn111659897a提供的一种高纯镓粒生产工艺方法。该方法将镓液原料滴入加有浓盐酸的去离子交换水中从而制得高纯镓粒。该方法有以下缺陷：（a）过程中需要不停的移动滴料瓶，难于稳定控制制粒过程；（b）过程中使用浓盐酸，引入杂质离子，增加产品清洗、设备维护等成本并可能对操作人员造成伤害；（c）产品需要清洗、烘干，过程中会增加产品氧含量。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高纯镓粒的制备方法，采用本发明方法能够制得氧含量低于1ppm，粒径为1~10mm、大小均匀，满足半导体掺杂要求的高纯镓粒。

为实现本发明目的，具体技术方案如下：

一种高纯镓粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）提供制备高纯镓粒的装置，所述装置包括：手套箱，所述手套箱包括主箱体和过渡仓，所述主箱体为一密封的箱体结构，所述主箱体侧面开有密封连接的操作手套的人工操作孔，所述手套箱内设有加热板；制粒管，所述制粒管竖直穿过手套箱底部，使制粒管上部位于手套箱主箱体内，所述制粒管下部位于手套箱主箱体外，所述制粒管上部开口处设有可拆卸的密封所述开口的盲板，所述制粒管下部开口处设有产品收集槽；漏斗，所述漏斗与制粒管上部开口相适配；循环冷却系统，所述循环冷却系统被设置为循环使用液体冷却剂冷却制粒管管内产品；抽真空系统，所述抽真空系统与制粒管和/或手套箱相连；供气系统，所述供气系统与制粒管和/或手套箱相连，所供气体为氮气或惰性气体。

（2）装上制粒管的顶部盲板，保持手套箱主箱体内氮气或惰性气体氛围，将高纯镓放入手套箱，置于加热板上，使镓熔化待用；

（3）对制粒管抽真空，再充氮气或惰性气体，取下制粒管顶部盲板，然后将漏斗放置在制粒管顶部；

（4）开启循环冷却系统，使液体冷却剂充满产品收集槽和制粒管，控制冷却剂温度为-10~-30℃；

（5）在手套箱内操作将镓液倒入漏斗中，通过漏斗，镓液滴入冷却剂中，在沉降过程冷凝成粒；

（6）制粒完成后，将产品收集槽中的镓粒和冷却剂分离，镓粒放入手套箱过渡仓中抽真空干燥，再进入主箱体中包装，得高纯镓粒产品。

本发明方法结合制备高纯镓粒的装置，创造性的将制粒管与手套箱密封连接，在制备高纯镓粒的装置内部对物料进行熔化、制粒、干燥和包装，大幅减少镓粒与空气的接触时间，同时对制粒管采用冷却剂循环制冷方式，保证了冷却剂温度和液面的稳定。

进一步的，步骤（2）中，本发明原料为5~8n的高纯镓。

进一步的，步骤（1）中，所述循环冷却系统包括：制冷机、制冷剂、冷却剂出口和冷却剂入口，所述制冷剂出口和制冷剂入口分别设置在制粒管位于手套箱主箱体外部部分的两端，所述制冷机通过管道分别与冷却机出口和冷却剂入口连通，形成制冷循环。

进一步的，步骤（1）和（4）中，所述制冷剂为酒精或异丙醇。

进一步的，步骤（1）中，所述冷却剂出口和冷却剂入口处均设有控制阀门。

进一步的，步骤（1）中，所述制粒管位于手套箱主箱体外部部分的管壁设有真空接口，所述真空接口上设有阀门。

进一步的，步骤（1）中，所述产品收集槽设有开口，所述制粒管下部开口与产品收集槽开口连通。

进一步的，步骤（1）中，所述制粒管下部开口与产品收集槽开口通过密封法兰连接。

为了解决使用石英、普通塑料漏斗易使镓附着，从而造成漏斗嘴堵塞的缺点。本发明优选在步骤（1）、（3）和（5）中，所述漏斗为聚四氟乙烯漏斗。采用聚四氟乙烯做漏斗，进一步优选所述漏斗的漏斗嘴的孔径为0.5~1.5mm。

进一步的，步骤（3）中，取下制粒管顶部开口处的盲板，将漏斗放置在制粒管顶部开口处，控制制粒管管内冷却剂液面没过漏斗嘴0~3cm。

进一步的，步骤（2）中，加热板温度设置为35~50℃，恒温0.5~3h使镓熔化待用。

进一步的，步骤（3）中，对制粒管抽真空，真空度达到10pa以下，结束抽真空。

本发明镓粒为抽真空干燥，为了缩短抽真空干燥时间，在抽真空干燥前需要分离镓粒和大部分冷却剂，进一步的，步骤（6）中，镓粒在放入手套箱前，需通过筛网分离，沥镓粒至无成线液体流下即可，所述筛网规格根据制粒粒径来确定。

进一步的，步骤（6）中，分离后镓粒放入手套箱过渡仓中抽真空干燥，至10pa以下，保持3~6小时。

相对现有技术，本发明的有益效果在于：

（1）本发明在制备高纯镓粒的装置内熔化原料、制粒、干燥、包装，大幅减少镓粒与空气的接触时间；同时采用高纯酒精或异丙醇做冷却剂，整个生产过程中镓粒不与水接触。很好地达到了防止镓粒氧化的效果，生产出的镓粒表面光亮，氧含量小于1ppm，满足客户使用需求。

（2）本发明采用冷却剂循环制冷方式，保证了冷却剂温度和液面的稳定，制得的镓粒粒径均匀，产品球形率高为90~95%。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1高纯镓粒制备装置的结构简图。

图2为本发明实施例1高纯镓粒制备装置中聚四氟乙烯漏斗剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。

实施例1

本实施例提供一种高纯镓粒制备装置。参见图1和图2，所述装置包括：

手套箱1，所述手套箱1包括主箱体和过渡仓2，所述主箱体为一密封的箱体结构，所述主箱体侧面开有密封连接的操作手套的人工操作孔，所述手套箱1内设有加热板；本实施例优选所述加热板为恒温加热板，恒温范围包括35~50℃；

制粒管4，所述制粒管4竖直穿过手套箱1底部，使制粒管4上部位于手套箱1主箱体内，所述制粒管4下部位于手套箱1主箱体外，所述制粒管4上部开口处设有可拆卸的密封所述开口的盲板7，所述制粒管4下部开口处设有产品收集槽6，所述产品收集槽6设有开口，所述制粒管4下部开口与产品收集槽6开口连通，所述制粒管4下部开口与产品收集槽6开口通过密封法兰5连接。本实施例中所述制粒管4位于手套箱1主箱体外部部分的管壁设有真空接口3，所述真空接口3上设有阀门。

聚四氟乙烯漏斗7，所述聚四氟乙烯漏斗7与制粒管4上部开口相适配；本实施例所述漏斗漏斗嘴的孔径为0.5~1.5mm；

循环冷却系统，所述循环冷却系统包括：制冷机9、制冷剂、冷却剂出口8和冷却剂入口9，所述制冷剂出口8和制冷剂入口9分别设置在制粒管4位于手套箱1主箱体外部部分的两端，所述制冷机9通过管道分别与冷却机出口8和冷却剂入口10连通，形成制冷循环，所述冷却剂出口8和冷却剂入口10处均设有控制阀门。

抽真空系统，所述抽真空系统与制粒管4和/或手套箱1相连；

供气系统，所述供气系统与制粒管4和/或手套箱1相连，所供气体为氮气或惰性气体。

实施例2

本实施例公开了一种高纯镓粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用实施例1中所述高纯镓粒制备装置。

（2）装上制粒管4的顶部盲板，保持手套箱1主箱体内氮气氛围，将瓶装的5~8n的高纯镓放入手套箱1中，本实施例中优选采用5n高纯镓，并放在恒温加热板上，设置温度为50℃，恒温0.5h使镓熔化，待用。

（3）将产品收集槽6用密封法兰5连接制粒管4，并关闭冷却剂进口8和出口10的阀门，打开真空接口3处阀门，对制粒管4抽真空，真空度达到10pa以下，结束抽真空，充氮气至常压，并关闭真空接口3处阀门，取下制粒管4顶部盲板，然后将聚四氟乙烯漏斗7放置在制粒管4顶部。

（4）开启循环冷却系统，采用高纯酒精作为冷却剂，打开冷却剂进口和出口阀门，进行循环制冷，冷却剂充满产品收集槽和制粒管，控制温度为-15℃；并通过调节冷却剂循环流量，控制冷却剂液面保持在没过漏斗嘴底部2cm。

（5）在手套箱1内操作将镓液倒入漏斗嘴孔径为0.5mm的聚四氟乙烯漏斗7中，通过聚四氟乙烯漏斗7，镓液滴入冷却剂中，在沉降过程冷凝成粒；

（6）制粒完成后，将冷却剂排出，松开密封法兰5，取下将产品收集槽6，取出镓粒立刻倒入筛网中，沥镓粒至无成线液体流下即可。马上将镓粒放入手套箱1过渡仓中，抽真空，至10pa以下，保持6小时。然后将镓粒转移至手套箱中包装，即为高纯镓粒产品，并送检测粒径和氧含量。

实施例3

本实施例公开了一种高纯镓粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用实施例1中所述高纯镓粒制备装置。

（2）装上制粒管4的顶部盲板，保持手套箱1主箱体内氮气氛围，将瓶装的5~8n的高纯镓放入手套箱1中，本实施例中优选采用5n高纯镓，并放在恒温加热板上，设置温度为40℃，恒温1.5h使镓熔化，待用。

（3）将产品收集槽6用密封法兰5连接制粒管4，并关闭冷却剂进口8和出口10的阀门，打开真空接口3处阀门，对制粒管4抽真空，真空度达到10pa以下，结束抽真空，充氮气至常压，并关闭真空接口3处阀门，取下制粒管4顶部盲板，然后将聚四氟乙烯漏斗7放置在制粒管4顶部。

（4）开启循环冷却系统，采用高纯酒精作为冷却剂，打开冷却剂进口和出口阀门，进行循环制冷，冷却剂充满产品收集槽和制粒管，控制温度为-20℃；并通过调节冷却剂循环流量，控制冷却剂液面保持在没过漏斗嘴底部1.5cm。

（5）在手套箱1内操作将镓液倒入漏斗嘴孔径为0.8mm的聚四氟乙烯漏斗7中，通过聚四氟乙烯漏斗7，镓液滴入冷却剂中，在沉降过程冷凝成粒；

（6）制粒完成后，将冷却剂排出，松开密封法兰5，取下将产品收集槽6，取出镓粒立刻倒入筛网中，沥镓粒至无成线液体流下即可。马上将镓粒放入手套箱1过渡仓中，抽真空，至10pa以下，保持5小时。然后将镓粒转移至手套箱中包装，即为高纯镓粒产品，并送检测粒径和氧含量。

实施例4

本实施例公开了一种高纯镓粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用实施例1中所述高纯镓粒制备装置。

（2）装上制粒管4的顶部盲板，保持手套箱1主箱体内氮气氛围，将瓶装的5~8n的高纯镓放入手套箱1中，本实施例中优选采用5n高纯镓，并放在恒温加热板上，设置温度为35℃，恒温3h使镓熔化，待用。

（3）将产品收集槽6用密封法兰5连接制粒管4，并关闭冷却剂进口8和出口10的阀门，打开真空接口3处阀门，对制粒管4抽真空，真空度达到10pa以下，结束抽真空，充氮气至常压，并关闭真空接口3处阀门，取下制粒管4顶部盲板，然后将聚四氟乙烯漏斗7放置在制粒管4顶部。

（4）开启循环冷却系统，采用高纯酒精作为冷却剂，打开冷却剂进口和出口阀门，进行循环制冷，冷却剂充满产品收集槽和制粒管，控制温度为-25℃；并通过调节冷却剂循环流量，控制冷却剂液面保持在没过漏斗嘴底部0.5cm。

（5）在手套箱1内操作将镓液倒入漏斗嘴孔径为1.5mm的聚四氟乙烯漏斗7中，通过聚四氟乙烯漏斗7，镓液滴入冷却剂中，在沉降过程冷凝成粒；

（6）制粒完成后，将冷却剂排出，松开密封法兰5，取下将产品收集槽6，取出镓粒立刻倒入筛网中，沥镓粒至无成线液体流下即可。马上将镓粒放入手套箱1过渡仓中，抽真空，至10pa以下，保持3小时。然后将镓粒转移至手套箱中包装，即为高纯镓粒产品，并送检测粒径和氧含量。

实施例5

本实施例公开了一种高纯镓粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用实施例1中所述高纯镓粒制备装置。

（2）装上制粒管4的顶部盲板，保持手套箱1主箱体内氮气氛围，将瓶装的5~8n的高纯镓放入手套箱1中，本实施例中优选采用5n高纯镓，并放在恒温加热板上，设置温度为45℃，恒温1h使镓熔化，待用。

（3）将产品收集槽6用密封法兰5连接制粒管4，并关闭冷却剂进口8和出口10的阀门，打开真空接口3处阀门，对制粒管4抽真空，真空度达到10pa以下，结束抽真空，充氮气至常压，并关闭真空接口3处阀门，取下制粒管4顶部盲板，然后将聚四氟乙烯漏斗7放置在制粒管4顶部。

（4）开启循环冷却系统，采用高纯酒精作为冷却剂，打开冷却剂进口和出口阀门，进行循环制冷，冷却剂充满产品收集槽和制粒管，控制温度为-20℃；并通过调节冷却剂循环流量，控制冷却剂液面保持在没过漏斗嘴底部3cm。

（5）在手套箱1内操作将镓液倒入漏斗嘴孔径为1mm的聚四氟乙烯漏斗7中，通过聚四氟乙烯漏斗7，镓液滴入冷却剂中，在沉降过程冷凝成粒；

（6）制粒完成后，将冷却剂排出，松开密封法兰5，取下将产品收集槽6，取出镓粒立刻倒入筛网中，沥镓粒至无成线液体流下即可。马上将镓粒放入手套箱1过渡仓中，抽真空，至10pa以下，保持4小时。然后将镓粒转移至手套箱中包装，即为高纯镓粒产品，并送检测粒径和氧含量。

实施例6

本实施例公开了一种高纯镓粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用实施例1中所述高纯镓粒制备装置。

（2）装上制粒管4的顶部盲板，保持手套箱1主箱体内氮气氛围，将瓶装的5~8n的高纯镓放入手套箱1中，本实施例中优选采用5n高纯镓，并放在恒温加热板上，设置温度为45℃，恒温0.5h使镓熔化，待用。

（3）将产品收集槽6用密封法兰5连接制粒管4，并关闭冷却剂进口8和出口10的阀门，打开真空接口3处阀门，对制粒管4抽真空，真空度达到10pa以下，结束抽真空，充氮气至常压，并关闭真空接口3处阀门，取下制粒管4顶部盲板，然后将聚四氟乙烯漏斗7放置在制粒管4顶部。

（4）开启循环冷却系统，采用高纯酒精作为冷却剂，打开冷却剂进口和出口阀门，进行循环制冷，冷却剂充满产品收集槽和制粒管，控制温度为-25℃；并通过调节冷却剂循环流量，控制冷却剂液面保持在没过漏斗嘴底部1.5cm。

（5）在手套箱1内操作将镓液倒入漏斗嘴孔径为1.2mm的聚四氟乙烯漏斗7中，通过聚四氟乙烯漏斗7，镓液滴入冷却剂中，在沉降过程冷凝成粒；

（6）制粒完成后，将冷却剂排出，松开密封法兰5，取下将产品收集槽6，取出镓粒立刻倒入筛网中，沥镓粒至无成线液体流下即可。马上将镓粒放入手套箱1过渡仓中，抽真空，至10pa以下，保持3小时。然后将镓粒转移至手套箱中包装，即为高纯镓粒产品，并送检测粒径和氧含量。

试验结果分析

对实施例2~6所得高纯镓粒产品的粒径和氧含量检测结果如表1和表2所示。

表1镓粒粒径统计表

表2镓粒氧含量统计表（单位ppm）

由表1和表2可以看出，经过本实施例2~6制得的高纯镓粒，粒径1~10mm，球形率高达90%~95%，氧含量小于1ppm，符合半导体掺杂等领域客户的使用需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。