JPH06340411A - 合成石英ガラス粉の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超高純度石英ガラス製品の原料として好適な
石英ガラス粉末を得る。 【構成】 テトラアルコキシシランを加水分解すること
により得られた湿潤シリカゲルを乾燥容器内で乾燥する
にあたり、前記乾燥容器として予めアルカリ金属系のア
ルカリ水溶液で内壁を洗浄したものを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造分野、特に
１，０００℃以上の高温度域で使用される超高純度石英
ガラス製品の原料として好適な石英ガラス粉末を提供す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体単結晶製造用のルツボや治
具等は、天然石英を粉砕して得た天然石英粉を溶融して
製造されていたが、天然石英は良質のものであっても種
々の金属不純物を含んでおり、純度の面から十分満足し
得るものではなかった。特に、半導体産業の高性能化に
伴って要求される高純度単結晶には、金属不純物が混入
すると半導体の性能に悪影響を与えるので、金属不純物
等の混入が懸念されるようなルツボや治具等を使用する
ことは出来ない。この為、最近では、合成による高純度
な石英ガラス粉末が必要になってきている。

【０００３】近年、純度的にすぐれたシリカ源として、
アルコキシシランを原料としたゾル・ゲル法によるシリ
カガラスが紹介されている。例えば、特開昭６２−１７
６９２８号公報には、アルコキシシランを酸またはアル
カリの存在下、加水分解してゲルを調製し、これを粉
砕、乾燥した後、焼成して石英ガラス粉末を製造する方
法が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】合成石英ガラス粉は、
アルコキシシランを加水分解、乾燥、粉砕して得られた
ドライゲルを１，０００〜１，３００℃まで焼成するこ
とにより得られる。ところが、このゲルの乾燥工程に使
用される乾燥容器は、使用頻度が増すに従って、その内
壁部分に膜状の付着物が生成してくることがある。これ
をそのまま放置して、乾燥回数を重ねていくと、膜状付
着物は、その厚みを増していき、そのうち、乾燥時に剥
離が起こり、製品中に薄片状の異物となって混入する。
この薄片状異物がその後の処理において、製品品質に何
ら影響を及ぼさないのであれば問題はないが、この薄片
状異物が、焼成工程において、その内部に未燃カーボン
を包含し、黒色異物となり易い事が判った。このように
カーボンがガラス層内部に包含されて黒色異物となって
しまうと、溶融して、ルツボやインゴットに成形する
際、ガス化して発泡の原因となり、非常に問題であっ
た。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者等は上記のような
不都合のない合成石英ガラス粉末を得るため、鋭意研究
を重ねた結果、ゾル・ゲル法による合成石英ガラス粉末
の製造において、ゲルの乾燥工程に使用する乾燥容器の
内部に付着した薄片状異物をアルカリ金属系のアルカリ
水溶液にて定期的に溶解洗浄することにより、製品粉末
中に薄片状異物の混入が無く、ひいては、ルツボやイン
ゴットへの溶融成形時に発泡の少ない合成石英ガラス粉
末を提供できることを見出し、本発明に到達した。

【０００６】以下、本発明につき、さらに詳細に説明す
る。本発明で対象となる合成石英ガラス粉は、アルコキ
シシランを加水分解して得られるシリカゲルを乾燥後、
焼成することにより得られる石英ガラス粉である。ゾル
・ゲル法によるアルコキシシランの加水分解は、周知の
方法に従って、アルコキシシランと水を反応させること
によって行なわれる。原料として用いられるアルコキシ
シランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキ
シシラン等のＣ₁ 〜Ｃ₄ の低級アルコキシシラン或いは
そのオリゴマーが好ましい。

【０００７】水の使用量は通常、アルコキシシラン中の
アルコキシ基の１倍当量以上１０倍当量以下から選択す
る。この際、必要に応じてアルコール類等の有機溶媒を
混合してもよい。アルコールとしては、メタノール、エ
タノール、プロパノール、ブタノール等が挙げられる。
また、触媒として、塩酸、酢酸のような酸や、アンモニ
アのようなアルカリを用いてもよい。

【０００８】当然のことながら、高純度の石英ガラス粉
末を得るには、ここで使用する原料アルコキシシラン、
水、溶媒等、この反応系に導入される物質は、すべて高
純度であるのが好適である。加水分解生成物をゲル化さ
せるには、加熱すれば直ちにゲルを得ることが出来る
が、常温で放置しても数時間でゲル化するので、加温の
程度を調節することによってゲル化時間を調節すること
が出来る。得られたゲルは細分化してから乾燥してもよ
いし、乾燥してから細分化してもよい。乾燥シリカゲル
粉末の粒径は、６０〜９００μｍ、好ましくは、８０〜
８００μｍである。この乾燥は、通常、ゲルを真空中あ
るいは不活性ガス中で１００〜２００℃に加熱すること
により行なわれる。

【０００９】本発明方法においては、アルカリ金属系の
アルカリ水溶液で、浸漬洗浄することにより、膜状付着
物（成分はＳｉＯ₂ ）が、珪酸アルカリの塩となって溶
解除去される。この時用いるアルカリ金属系のアルカリ
の種類としては、ＮａＯＨ，ＫＯＨ，Ｎａ₂ ＣＯ₃ ，Ｋ
₂ ＣＯ₃ 等が適当であるが、珪酸アルカリの塩を形成す
るようなアルカリ金属系のアルカリであれば特にこれら
に限定されるものではない。また、用いる水溶液の濃度
としては、アルカリの種類や洗浄時の温度により異なる
が、０．０１重量％〜１０重量％位が適当である。この
濃度が、あまり低すぎると、溶解速度が遅く、膜状異物
の溶解可能量も小さくなるので好ましくない。アルカリ
浸漬洗浄時の温度としては、通常、２０〜１５０℃、好
ましくは、６０〜１２０℃がよい。洗浄温度が低い場合
には、溶解速度が遅いため、浸漬時間に長時間を要す。
例えば、１％のＮａＯＨ水溶液を用いて煮沸洗浄した場
合には、１００〜５００リットル程度の容器で９０〜１
２０分と、短時間で十分である。また、溶解洗浄する頻
度としては、乾燥容器の形態、乾燥方法、１回あたりの
乾燥仕込み量等によって異なるため、膜状付着物の成長
状態を見ながら決定するのが一般的である。通常１０〜
１００バッチにつき１回行なうのが好適であり、あまり
不必要に短い周期で洗浄しても、時間を要し工業的でな
い。

【００１０】上記のような方法を用いて定期的に乾燥容
器内壁を洗浄しながら、ゲルの乾燥を行ない、乾燥シリ
カゲル粉末を得る。このようにして得られる乾燥シリカ
ゲル粉末を、１０００〜１４００℃の温度範囲において
焼成・無孔化し、合成石英ガラス粉末を得る。製品粉末
中には、薄片状異物に起因する未燃カーボンを含んだ黒
色異物は、ほとんどみられず、この粉末を用いて、イン
ゴットを溶融成形すると、非常に泡の少ない透明なイン
ゴットを得ることが出来る。

【００１１】

【実施例】以下実施例によって本発明を具体的に説明す
るが、本発明はその要旨をこえない限り、以下の実施例
に限定されるものではない。

【００１２】参考例 内容積２５０リットルのコニカルドライヤー（円錐型乾
燥器）に、常温でテトラメトキシシラン５０ｋｇおよび
純水３０ｋｇを仕込みコニカルドライヤーを毎分６ｒｐ
ｍで２０分間転動させ、両液の混合および加水分解反応
を行なった。反応熱によってドライヤーの気相部の温度
が６５℃になると転動を停止しゲル化させた。常圧で３
０分間放置するとゲル化が完了し湿潤ゲル体が得られ
た。次に、コニカルドライヤーのジャケット部に３ｋｇ
／ｃｍ² Ｇの水蒸気を流して加温し、さらに内部圧力を
１００Ｔｏｒｒに減圧し、６ｒｐｍで転動させながら、
内部気相部の温度が１２５℃に達するまで乾燥を行なっ
た。乾燥の終了した乾燥シリカゲル粉末は、コニカルド
ライヤーから抜き出され、１００〜５００μｍに粒度調
整を行ない、以上の操作を繰り返し、同様の手順で２
０，４０，６０，８０バッチ目のサンプルを採取した。
この際、各サンプリング毎に乾燥器内壁部の観察を行な
ったところ、４０バッチ目付近で目視的にも膜状付着物
が生成してきたのが確認でき、６０，８０バッチ目で
は、さらに厚みを増し、一部が剥げ落ちているのが確認
された。次に、サンプリングした各サンプル１ｋｇずつ
を１２００℃まで２００℃／Ｈｒの速度で昇温し、１２
００℃で５時間保持した。冷却後、各サンプルを取り出
し黒色異物の数を調べたところ、目視的に確認できるも
のが、１バッチ目は０個、２０バッチ目で０個、４０バ
ッチ目で２個、６０バッチ目で５個、８０バッチ目で７
個であった。さらに、各サンプルを酸素−水素炎の加熱
によるベルヌイ型溶融装置を用いて溶融し、１２ｍｍφ
×５０ｍｍのインゴットを作製し、発泡状態を調べた。
結果を表１に示すが、合格レベルのインゴットは、４０
バッチ目までであり、６０，８０バッチ目は不合格であ
った。

【００１３】実施例１ 参考例１において、４０バッチを終了したところで、コ
ニカルドライヤー内に１％ＮａＯＨ水溶液１３０リット
ルを仕込み、ジャケット部に３ｋｇ／ｃｍ² Ｇの水蒸気
を流して加温し、６ｒｐｍの速度で転動させながら、１
時間、内壁部の煮沸洗浄を行なった。その後、容器内の
ＮａＯＨ水溶液を抜き出し、容器内のＮａＯＨを完全に
取り除くため超純水１３０リットルを仕込んで、６ｒｐ
ｍで５分間転動した後、抜き出す操作を５回繰り返し
た。洗浄後、再度、参考例１と同様の方法でゲルの加水
分解・乾燥を行ない、４０バッチ目ごとにアルカリ洗浄
を行いながら運転を続けた。なお、アルカリ洗浄後の容
器内壁部を観察したところ、膜状付着物は完全に溶解除
去されていた。さらに、アルカリ洗浄後に乾燥させたシ
リカゲル中のＮａ濃度を測定したところ、０．０１ｐｐ
ｍ未満で、問題なかった。また、サンプリングは、４
０，４１，８０，８１バッチ目で行ない、参考例１と同
様の評価を行なった。結果を表１に示す。

【００１４】比較例１ 実施例１において、ＮａＯＨ水溶液を用いずに、超純水
だけで同様の洗浄操作を４０バッチ目ごとに行ないなが
ら乾燥器の運転を行ない、４０，４１，８０，８１バッ
チ目ごとにサンプリングを行なった。各サンプルは、実
施例１と同様の方法で評価を行なった。結果を表１に示
す。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【発明の効果】本発明により、発泡の無い透明な石英ガ
ラス製品を作るのに適した合成石英ガラス粉末を提供す
ることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 テトラアルコキシシランを加水分解する
   ことにより得た湿潤シリカゲルを乾燥容器内で乾燥する
   にあたり、前記乾燥容器として、予めアルカリ金属系の
   アルカリ水溶液により容器内壁を洗浄したものを用いる
   ことを特徴とする合成石英ガラス粉末の製造方法。
2. 【請求項２】 アルカリ水溶液がアルカリ金属の水酸化
   物または炭酸塩である請求項１の方法。