JPH01290523A - 大きな粒寸を有する高純度高密度シリカを製造する方法 - Google Patents

大きな粒寸を有する高純度高密度シリカを製造する方法

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JPH01290523A
JPH01290523A JP1078717A JP7871789A JPH01290523A JP H01290523 A JPH01290523 A JP H01290523A JP 1078717 A JP1078717 A JP 1078717A JP 7871789 A JP7871789 A JP 7871789A JP H01290523 A JPH01290523 A JP H01290523A
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ソフィア・アール・スー
Leo F Fitzpatrick
レオ・エフ・フィッツパトリック
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シリカの製造に関するものであり、特には大
きな粒寸を有する、高純度・高密度シリカを製造する方
法に関する。本発明によるシリカは、半導体製造用の石
英るつぼ製造等の分野に有用である。
免ユ至11 天然砂と実質上同じ物理的性質を有する、超高純度のそ
して高密度の、大きな粒寸のシリカを入手することが、
半導体製造用の石英るつぼ製造等の分野に代表される産
業界で差し迫った要望となっている。
従」uL術 これまで、多くの研究者が合成シリカを製造してきた。
例えば、単分散シリカ粉末が、多(の研究者により調製
されてきた。スト−バープロセス(5tober pu
rocess )は−様な寸法の球状シリカ粒子のコン
トロールされた成長に基礎を置くものである。これにつ
いては、r Journal of Co11oida
nd Tnterface 5cience J 26
.62−69頁(1968年)を参照されたい。このプ
ロセスは、テトラアルキルシリケート(メチル或いはエ
チル)の加水分解と続いてのアルコール溶液中での珪酸
の縮合を含んだ。形態を制御するための触媒としてアン
モニアが使用された。懸濁液中で得られた粒寸は、0.
5μm未満から2μmの直径範囲を有した。加水分解条
件を修正することによって、B、 Fegleyは、0
.55μmの平均直径を有する単一寸法のSiO□粉末
を製造するのに成功した。この研究は、r Ultra
structure Processing ofCe
ramics、Glasses、  and  Com
positesJ  1 984年、315−333頁
に報告されている。
アルカリ塩或いはモリブデン酸の存在下でのシリカ粒子
の核生成と成長を通しての希釈珪酸溶液の重合化がアイ
ラー(Iler)及びその他のグループにより広範に研
究されてきた。r Journal ofColloi
dand Interface 5cjenceJ V
ol、 75、No。
1.1980年やrThe Chemistry of
 5ilica JJohn Wiley & 5on
s Inc、社刊 (1979年)を参照されたい。彼
らは、30%シリカを含有するアルカリ性ゾルへの2.
4%シリカを含有するアルカリ化酸性ゾル添加法を報告
し、ここではシリカ粒子の平均直径は45μm未満から
60umの最終値まで増大した。
更に、米国特許第3.440.170号は、約45〜1
00μmの重量平均粒子直径を有する凝集していない、
−様な、球状シリカ粒子を含有するシリカゾル及び約1
0〜30μの重量平均直径を有するシリカ粒子を含有す
るアルカリ性シリカゾルを提供することによりゾルを製
造する方法を開示する。
米国特許第3.538.015号は、連続相として水を
有しそして最初の粒子の2.5〜4.0倍の直径まで増
大した、30〜70重量%の、−様な非凝集シリカを含
有するシリカゾルを製造する方法を開示する。
日が 2しよ とする=1 これら特許は、最初の希薄ゾルにおける寸法のせいぜい
2〜4倍大きな寸法を有する粒子を含有する、濃縮した
安定したシリカゾルを調製するものでしかない。加えて
、これらゾルは、安定化剤としての微量のアルカリ金属
或いは他の種の異種元素を含有している。
超高純度の、高密度の、大きな粒寸のシリカの合成はい
まだ報告されていない。
こうしたシリカは、半導体製造用の石英るつぼのような
各種セラミックス製品の製造において必要とされており
、本発明の目的はこうしたシリカを製造する新たな方法
を開発することである。
・ を ゞ るための − 本発明は、テトラアルキルオルトシリケートの駿加水分
解により高純度の大きな粒寸のシリカを調製することに
成功した。
本発明は、 段階】−テトラアルキルオルトシリケートを溶剤と均質
に混合して、約1対3のテトラアルキルオルトシリケー
ト対溶剤モル比を有する溶液を形成すること、 段階2−段階1の生成物を希釈酸溶液に添加すること、 段階3−段階2の生成物を熟成すること、段階4−水酸
化アンモニウムを段階3の生成物に添加して、水及び溶
剤を含むゲルを形成すること、 段階5−段階4の生成物を分篩して、水及び溶剤を含む
粒状ゲルを形成すること、 段階6−段階5の生成物をそこに僅かに含有される水及
び溶剤を除去するに十分の時間真空加熱して、脱水生成
物を形成すること、及び段階7−段階6の生成物を加熱
して、約100〜420μmを有する、大きな粒寸の、
高純度、高密度シリカを形成すること を包含する大きな粒寸を有する、高純度で且つ高密度の
シリカを製造する方法を提供する。
l監ユ且盗上1j 大きな粒寸を有する、高純度で且つ高密度のシリカを製
造する方法の具体例の詳細を述べると、次の段階を包含
する: 段階1−テトラエチルオルトシリケートをエタノールと
均質に混合して、約1対3以上のテトラアルキルオルト
シリケート対エタノールのモル比を有する溶液を形成す
ること。
段階2−段階1の生成物を約1.0〜4,0、好ましく
は2.25の希釈酸溶液に添加し、同時に希釈酸溶液を
40℃以下の温度に維持すること、段階3−段階2の生
成物を約5時間撹拌しながら熟成すること、 段階4−2Nの水酸化アンモニウムを段階3の生成物に
添加して、約6.6〜9.0、好ましくは約8.5のp
)(における、水及びエタノールを含むゲルを形成する
こと、 段階5−段階4の生成物を18〜20メツシユ篩を通し
て分篩して、水及びエタノールを含む粒状ゲルを形成す
ること、 段階6−段階5からの生成物をそこに僅かに含有される
水及びエタノールを除去するに十分の温度(例えば15
0〜250℃)及び時間真空ベーキングして、ベーキン
グされた生成物を形成すること、 段階7−段階6の生成物を通常500〜800℃、特に
は約600℃の温度において酸化雰囲気中で通常2〜5
時間、特には約3時間仮焼して、仮焼生成物を形成する
こと、及び 段階8−段階7の生成物を一般に約1050〜1200
℃の温度において大気中で通常約30分〜4時間加熱し
て、大きな粒寸の高純度の、高密度のシリカを形成する
こと。
このシリカは、約2.19〜2.21 g/ccの密度
、約100〜420umの粒寸並びに1.50 pu+
未満のAI、Ca、 Fe、 Na、 K 、 LL合
計含有量を有するものである。
高純度シリカゲルの形成は、次の3つの必須段階と関与
する重合化機構と関係する: 1、モノマーを重合化しての一次粒子の形成、2、形成
された粒子の成長、及び 3、これら粒子の連鎖結合と、その後3次元ネットワー
クの形成。
重合化反応は、Si (OC2H8)4の酸性加水分解
によるSL (OH)4の最初の形成後、シラノール(
Si−OH)基の縮合に実質基礎を置いている。
−3i−OH+ HO−3I−ニー5i−0−3i−+
 H20低pHにおいては、粒子の成長は2〜4μmの
寸法に一旦達すると停止する。しかし、pHを変えるこ
とにより、ゾルは安定性を失い、コロイド化して連続ネ
ットワークを形成し、これが−層高いシリカ1度を有す
るゲルの形成につながる。
本発明は、上述した理論を基礎として、高純度の、大き
な粒寸のシリカを合成する方法を開発したものである。
シリコンアルコキシド、51(OR) 4(R= CH
a、CJs)は、酸触媒の存在下で水と容易に反応して
、珪酸、SL (OH)4粒子を含有するゾルを形成す
る。ゾルのpHを変えることにより、ゾルは不安定化さ
れる。その結果、粒子は、コロイド化しそして凝集によ
りゲルとなる連続ネットワークを形成する。シリカ粉末
は、これらゲルから水及び溶剤を除去することにより形
成される。
テトラメチルオルトシリケート及びテトラエチルオルト
シリケートのようなテトラアルキルオルトシリケートが
、大きな寸法の、高純度高密度シリカを製造するのに使
用されつる。しかし、高純度のテトラエチルオルトシリ
ケートが本発明における大きな寸法の、高純度高密度シ
リカを製造するのに好ましい。
濃縮試薬等級のNH,OH及び高純度濃縮HNO,、並
びに変性或いは無水エタノールが本発明において使用さ
れる。
すべての反応は、不純物による汚染を防止するためにポ
リプロピレン製実験器具において試験を実施した。粒寸
、密度及び表面積をコントロールするプロセスパラメー
タが系統的に研究されそして最適化された。100gの
Sio□を生成するのに少量のバッチプロセスを使用し
た試験例を実施例及び比較例として示す。
例」。
方式:バッチプロセス 各バッチの理論収量 ・420mQのテトラエチルオルトシリケート(TEO
S)に基づいて113g 1、TEOS (420mu)とエタノール(330m
ρ)とを分液漏斗において均一に混合した。
(TEO3/エタノールのモル比=1/3)2.1の生
成物を300+r+42の酸性水溶液(pH= 2.2
5.300 m 42脱イオン水中にINのHN032
mj2)に滴下して加えた。反応器の温度は40°C以
下に保持した。添加を完了するのに60〜90分を要し
た。
3、反応混合物を機械的撹拌機を使用して撹拌しそして
5時間熟成した。
4、激しく攪拌しなから35mnの2NのNH40Hを
3に添加した。サンプルは速やかにゲル化した(ゲル化
時点での混合物のpHは8.6)。
5、ゲル化サンプルを1.5時間にわたり沈降せしめた
後、12〜15容積%の母液を回収した。
6、母ン夜(p H= 8.3〜8.6)をガスクロマ
トグラフィーHP5710A /質量分析計HP598
0A  (200℃恒温における5P1000Carb
opack B毛管カラム並びにキャリヤガスとしてヘ
リウムを使用した。)により未反応TEO5が存在する
かどうか分析した。母液中にTE01の存在の兆候は何
ら認められなかった。TE01は反応条件下で完全に加
水分解しそして重合した珪酸ネットワークが形成された
7.4からのゲルを18〜20メツシユ篩を通して機域
的に粉砕した。
8.7からの生成物を水及びエタノールを除去するため
に275℃において真空ベーキングした。
9.8からの生成物を酸素気流下で600℃において仮
焼(600℃において3時間保持)した。
10.9からの生成物を大気中1200℃において高密
化(1200℃で4時間保持)し、室温に冷却した。
生成シリカの密度は、2.19 g/cc〜2.21 
g/ccの範囲にあった(アモルファスシリカの理論密
度: 2.17〜2.20g/cc) 、粉末のタップ
密度は真の密度の58〜65%である。全体収率は95
%を超えた。粉末の化学分析及び物理的性質を表■に示
す。
鯉l二■ユ 酸加水分解仮焼シリカを例1にしたがって調製した。こ
の粉末の高密化の研究を、様々の異なった温度及び雰囲
気におい行なった。高密化された粉末の密度をガラス比
重瓶により測定した(ASTMD153 )。結果を表
IIに示す。これから、本ゾル−ゲルシリカは1150
°Cにおいて完全に高密度化し得、そして雰囲気環境は
高密化プロセスに影響を与えないことがわかる。
酸加水分解シリカの化学分析値及び物理的特性A、化学
分析値: 元素       PPM Li          0.05 B、密度: C,タップ密度: D8表面積: 0、088〜0.20 m”/g E9粒子寸法: 平均=  186μm メジアン(中央値)213μm 及エユ 焼成シリカの高密度化 鯉互 この例は、ゲル化サンプルを150℃においてオーブン
中で乾燥した後、02中で600℃仮焼した点を除いて
例1と同じである。真空ベーキングは為されなかった。
高密化段階後、微量の炭素基残渣が認められた。これは
分解した有機物質がボア内部に包み込まれていることを
示す。
■ この例は仮焼スケジュールが変更されたことを除いて例
8と同じであった。TE01 (210mf2.)をと
エタノール(165mj2)と均質に混合した。このT
EOSエタノール溶液を150rr+j2の酸性の水(
p H= 2.25 )に添加した。混合物を機械的撹
拌機で40℃以下で5時間撹拌した。
ゲル化は、周囲温度で2NのN1(401117m℃を
使用して行なった( p H= 8.3〜8.5)。ゲ
ル化サンプルを2樹間沈降せしめた後母液を回収した。
サンプルを18〜20メツシエ篩を通して分篩しそして
大気乾燥した後、粒状サンプルを次のスケジュールに従
い酸素雰囲気中において仮焼した。
250℃−3時間ソーキング;680℃−3時間ソーキ
ング。続いて、大気中での高密化処理を1200℃で2
時間行なった。こうして調製されたシリカは、2.20
 g/ccの真の密度を有し、ブラックスペック(炭素
質残渣)は何ら認められなかった。
何」−飯二一り旦 高密化後のブラックスペックの形成へのpHの影響を調
べるために、系統的なゲル化の研究を行なった。TE0
1 (210m℃)のエタノール(165mj2)溶液
を150m1の酸性の水(pH=2.25)に添加した
。混合物を機械的撹拌機で撹拌しそして40℃以下で5
時間熟成した。2NのNH4OHl m ’2を反応混
合物に添加した。pHは5.5に達した。混合物をゲル
化前このpHで30分間撹拌した。2NのNH,OH添
加量を順次増加した。これらの結果を次の表にまとめて
示す:10   35        1      
   9.011    17        1  
       8・512     5       
 4         7.613     1   
   15         6.6例    高密化
後の密度g/cc 10     2、18 11     2.22 12     2.18 13     2.20 註:アモルファスシリカの理論密度 : 2.17〜2.20 ゲル化後、サンプルを2時間沈降せしめ、その後機城的
分篩を行なった。ゲル化粒子を大気乾燥しそして後25
0℃で3時間、680℃で3時間仮焼し、続いて大気中
で1200℃において2時間高密化した。これら高密化
粉末は、例8から得られたシリカに比べて、かなり少な
い炭素質残渣しか有しなかった。これは、有機物質の除
去を完全にするためには低温でのソーキングと組合わせ
て均質にゲル化することが必要とされることを意味する
健」−先二二り旦 加水分解及びゲル化パラメータを一定に維持して、仮焼
条件を僅かに変えた。シリカの密度及び物理的性質への
仮焼の影響を研究した。TE01(210mj2)のエ
タノール(165mj2)溶液を150mj2の酸性の
水(pH=2.25)に添加した。混合物を40℃以下
で5時間撹拌した。2NのN)14081 m 42を
反応混合物に添加した。pHは5.5に達した。混合物
を10分間撹拌した後、2NのNH4OH5m氾添加し
た(ゲル化時のpHは7.6であった)。分篩後、ゲル
化粒子を次の表の条件で仮焼し、続いて大気中1200
℃で2時間高密化した。
例   酸素註仮焼条件  物理的外観 密度14  
   大気乾燥    検出しつるTE01 (420
mj2)のエタノール(330mI2)溶液を300m
j2の酸性の水(pH=2.25)に添加した。混合物
を40℃以下で5時間撹拌した。2NのNH4OH20
m℃を添加して粒子をゲル化した(ゲル化時のpHは7
.9であった)。
18メツシユナイロン篩を通して分篩後、サンプルを短
時間大気乾燥し、そして後250℃で3時間、680℃
で3時間仮焼し、続いて大気中にて1200℃で2時間
高密化した。ブラックスペックは何ら認められなかった
髭土ユ この例は、330m℃のエタノールを等量の中和化母液
により置換えた以外は、例1と同じであった。1200
℃で2時間高密化後、シリカは、2、23 g/ccの
密度を有した。全体収量は97%以上であった。
匠±1 TE01 (210m℃)を中和化母液(165mff
)と均質に混合した。その後、この有機混合物を150
mj2の酸性の水(pH=2.25)に添加した。ゲル
化前混合物を5時間撹拌した。2NのNH40817m
℃を使用して粒子をゲル化した。
ゲル化時のpHは8.3であった。大気乾燥後に、25
0℃で3時間、680℃で3時間仮焼し、続いて大気中
1200℃で2時間高密化した。こうして調製した粉末
シリカは、2.20 g/ccの真の密度を有した。こ
の場合の全体収量は96.6%以上であった。
例」−旦 この例は例18と同じであるが、但し、粒子をゲル化す
るのに12mβの2 N (7) NH,OHを使用し
た。ゲル化時のpHは7.6〜7.9であった。合成し
たシリカは、2.18〜2.23 g/ccの密度を有
した。全体収lは96%以上であった。fBMを中和し
4回再循環した。収量の劣化は認められなかった。
本発明にしたがって調製されたシリカのユニークな特性
は次の通りである: ・                        
  イ直58.0〜650% 低表面積           0.2+++”/gl
朋Jと飢里 本発明方法により調製された合成シリカ粉末は高純度石
英るつぼに対する物理的要件に見合う。
高純度石英るつぼを作製するための合成シリカ粉末の物
理的要件は、 ■粒子寸法は100〜420μmの範囲内にあるべきで
ある。もし粒寸が420μmより大きいなら、充填密度
が低いものとなる。粒寸が100μmより小さいと、気
体種が内部に捕捉され、泡の形成が起こる。
■高い真の密度及びタップ密度と低表面積は粒内部への
気体の捕捉を回避する。
■溶製石英の低OH含有量、8.0含有量は粘度に直接
的影響を有する。高いOH含有量は石英るつぼのアニー
ル温度を下げる。OH含有量は300ppmを超えるべ
きでない。
■高純度要件は、るつぼの欠陥(ブラックスペック(炭
素質残渣)、光点及び泡)を回避しそして結晶成長中シ
リコンその他の結晶の汚染を回避するために、 A 1 : 2.Oppm最大 Ca及びFe:各0.5 ppm最大 最大シアルカリ含有11a+に+LL);Q、5ppm
最大 とすべきである。
本発明の好ましい具体例について説明したが、本発明の
範囲内で多(の変更を為しうることを銘記されたい。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)段階1−テトラアルキルオルトシリケートを溶剤と
    均質に混合して、約1対3のテトラアルキルオルトシリ
    ケート対溶剤モル比を有する溶液を形成すること、 段階2−段階1の生成物を希釈酸溶液に添加すること、 段階3−段階2の生成物を熟成すること、 段階4−水酸化アンモニウムを段階3の生成物に添加し
    て、水及び溶剤を含むゲルを形成すること、 段階5−段階4の生成物を分篩して、水及び溶剤を含む
    粒状ゲルを形成すること、 段階6−段階5の生成物をそこに僅かに含有される水及
    び溶剤を除去するに十分の時間真空加熱して、脱水生成
    物を形成すること、及び 段階7−段階6の生成物を加熱して約100〜420μ
    mを有する、大きな粒寸の、高純度、高密度シリカを形
    成すること を包含する大きな粒寸を有する、高純度で且つ高密度の
    シリカを製造する方法。 2)段階1のテトラアルキルオルトシリケートがテトラ
    エチルオルトシリケートから成る特許請求の範囲第1項
    記載の大きな粒寸を有する、高純度で且つ高密度のシリ
    カを製造する方法。 3)溶剤がエタノールである特許請求の範囲第1項記載
    の大きな粒寸を有する、高純度で且つ高密度のシリカを
    製造する方法。 4)希釈酸溶液が約1.0〜4.0のpHを有する特許
    請求の範囲第1項記載の大きな粒寸を有する、高純度で
    且つ高密度のシリカを製造する方法。 5)段階3が段階2の生成物を約5時間熟成することか
    ら成る特許請求の範囲第1項記載の大きな粒寸を有する
    、高純度で且つ高密度のシリカを製造する方法。 6)段階4の水及び溶剤を含有するゲルが約6.6〜9
    .0のpHにおいて形成される特許請求の範囲第1項記
    載の大きな粒寸を有する、高純度で且つ高密度のシリカ
    を製造する方法。 7)段階5が段階4の生成物を18〜20メッシュ篩を
    通して分篩して水及び溶剤を含有する粒状のゲルを形成
    する特許請求の範囲第1項記載の大きな粒寸を有する、
    高純度で且つ高密度のシリカを製造する方法。 8)段階7が段階6の生成物を酸化雰囲気中で約600
    ℃の温度で約3時間加熱し、その後大気中約1200℃
    の温度で約4時間加熱して約100〜420μmの粒寸
    を有する高純度、高密度シリカを形成することから成る
    特許請求の範囲第1項記載の大きな粒寸を有する、高純
    度で且つ高密度のシリカを製造する方法。 9)段階1−テトラエチルオルトシリケートをエタノー
    ルと均質に混合して、約1対3のテトラアルキルオルト
    シリケート対エタノールのモル比を有する溶液を形成す
    ること、 段階2−段階1の生成物を約2.25の希釈酸溶液に添
    加し、同時に希釈酸溶液を40℃以下の温度に維持する
    こと、 段階3−段階2の生成物を約5時間撹拌しながら熟成す
    ること、 段階4−2Nの水酸化アンモニウムを段階3の生成物に
    添加して、好ましくは約8.5のpHにおける、水及び
    エタノールを含むゲルを形成すること、 段階5−段階4の生成物を18〜20メッシュ篩を通し
    て分篩して、水及びエタノールを含む粒状ゲルを形成す
    ること、 段階6−段階5からの生成物をそこに僅かに含有される
    水及びエタノールを除去するに十分の温度及び時間真空
    ベーキングして、ベーキングされた生成物を形成するこ
    と、 段階7−段階6の生成物を約600℃の温度において酸
    化雰囲気中で約3時間仮焼して、仮焼生成物を形成する
    こと、及び 段階8−段階7の生成物を約1200℃の温度において
    大気中で約4時間加熱して、約2.1902.21g/
    ccの密度、約100〜420μmの粒寸00に1.5
    0ppm未満のAl、Ca、Fe、Na、K、Li合計
    含有量を有する、大きな粒寸の高純度の、高密度0シリ
    カを形成すること、 を包含する大きな粒寸の高純度の、高密度のシリカを製
    造する方法。
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