JPH07157308A - 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。 【構成】 テトラアルコキシシランの加水分解により得
たシリカゲルの粉末を焼成することによりご合成石英ガ
ラス粉を製造する際、焼成時に該シリカゲル粉末を流動
させながら焼成することを特徴とする合成石英ガラス粉
の製造方法。

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とアルカリ
の存在下、加水分解してゲルを調整し、これを粉砕、乾
燥した後、焼成して石英ガラス粉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】ゾル・ゲル法による合
成石英ガラス粉の製造では、原料としてアルコキシシラ
ンを用い、これを加水分解・縮重合させてウエットゲル
とし、更に副生したアルコールや水を乾燥除去してドラ
イゲルとする。ところが、アルコキシ基の１００％が反
応してしまうわけではなく、一部がドライゲル中に結合
アルコキシ基として残留している。さらに、反応で副生
したアルコールも一部がドライゲル中に取り残されてい
る。実際、ドライゲル中のカーボン濃度を測定すると約
１０，０００〜１５，０００ｐｐｍである。

【０００５】このドライゲルを焼成すると大部分のカー
ボン分は燃焼除去されるが、一部が未燃カーボンとなっ
てガラス中に閉じこめられ黒色異物となることがある。
この黒色異物が合成石英粉の製品中に混入していると、
ルツボやインゴットに成形するために溶融した際、ＣＯ
やＣＯ₂ ガスとなって発泡の原因となる。このようにし
て得られた泡を含んだ石英ルツボや炉心管等では、高温
使用時の寸法安定性や、単結晶引き上げ時に泡が弾けて
液面揺動、結晶欠陥になる等の問題があった。

【０００６】

【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の製
造において、乾燥シリカゲル粉末を焼成する工程におい
て、該シリカゲル粉末を流動させることにより、製品中
の黒色異物が少なく、引いては溶融成形時に泡の少ない
合成石英ガラス粉を得ることが出来ることを見出し、本
発明に到達した。

【０００７】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
法にしたがって、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。

【０００８】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やエーテル類等
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、
エーテルとしてはアセトン等が挙げられる。また、触媒
として塩酸、酢酸のような酸やアンモニウムのようなア
ルカリを用いてもよい。当然のことながら、高純度の石
英ガラス粉を得るには、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
べて高純度であることが必要である。

【０００９】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、６
０〜９００μｍ、好ましくは８０〜８００μｍである。
ゲルの乾燥の程度については、Ｈ₂ Ｏ含有量で通常、１
〜１０重量％であり、通常、ゲルを真空中或いは不活性
ガス中で１００〜２００℃に加熱することにより行なわ
れる。

【００１０】上記のようにして製造した乾燥シリカゲル
粉を、以下に述べる特定の焼成条件下で焼成する。すな
わち、空気雰囲気下乃至酸素濃度のより高い雰囲気下に
おいて、シリカゲル粉末を流動させながら、焼成を行な
うものである。この流動は、焼成の全期間行っても良い
が、以下に説明する要件を考慮して特定の温度領域のみ
を効果的に行っても良い。この様な温度領域としては、
ゲルが無孔化する１０００℃以下、特に４００〜８００
℃の領域であり、且つこの領域で酸素温度を高めると本
発明の効果を向上させたり、焼成時間の短縮が図れる。
例えば、円筒型の石英容器にシリカゲル粉末を仕込み、
該円筒容器を回転させることにより、粉体層を流動させ
る方法がある。但し、粉体を流動させる方法としては、
特にこの方法に限定されるものではなく、例えば、ルツ
ボにシリカゲル粉末を仕込み、その下層部より、空気等
をバブリングさせる等の方法によっても行なうことが出
来る。通常、このシリカゲル粉末を静置した状態で焼成
を行なうと、粉体下層部まで、酸素の拡散が十分に行き
渡らず、カーボン含有物が完全に酸化されずに、未燃カ
ーボンとなって、黒色異物の発生原因となる。これに対
し、常に粉体層を流動させてやることにより、各シリカ
ゲル粒子は、十分に酸素と接触し、ひいては、黒色異物
の発生を大幅に押さえることが可能となった。ここで、
焼成時の、昇温速度としては、特に、ゲルの封孔前であ
る、８００℃以下において、１０００℃／Ｈｒ以下、好
ましくは、５００℃／Ｈｒ以下としてやることが好まし
い。これよりも、急速に昇温を行なうと、カーボンが完
全に酸化される前に、ゲルが封孔し、黒色異物の発生を
押さえる効果が、あまり期待できない。また、途中、４
００〜８００℃の範囲において、０．５〜５時間程度の
保持を行うのも効果的である。この場合、空気雰囲気で
は１．５〜５時間酸素高濃度下では０．５〜３時間が好
ましい。このようにして、最終的に、１０００〜１４０
０℃まで焼成し、ゲルの無孔化を行い、合成シリカガラ
ス粉を得る。

【００１１】このようにして得られた石英ガラス粉は、
粉体の流動を行なわずに焼成した物と比べ、極めて黒色
異物の少ないものとなる。この、黒色異物の極めて少な
いシリカガラス粉末を溶融成形すると、非常に泡の少な
いインゴットやルツボを製造することが出来る。

【００１２】

【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、その要旨を越えない限り、以下の
実施例に限定されるものではない。 実施例−１ 撹拌槽に、テトラメトキシシランとこれに対して５倍当
量の水を仕込み、３０℃の温度で１時間撹拌し、加水分
解反応によって均一なゾル溶液を得た。さらに、これを
塩化ビニル製のバットに移し、２４時間放置して、ゲル
化させた。このゲルを、１４０℃の真空乾燥機を用いて
１２時間乾燥を行なった後、１００〜５００μｍの粒子
径に粒度調整を行なった。このようにして得られたシリ
カガラス粉末１．５ｋｇを、ロータリーキルン型の電気
炉の、石英ガラス製内管に仕込んだ。この石英管の左側
から、空気を１０１／ｍｉｎで供給しながら、２ｒｐｍ
で石英管を回転させ、２００℃／Ｈｒの昇温速度で１２
００℃まで昇温し、この温度で１０時間保持した。自然
冷却後、この合成石英ガラス粉末を取り出し、その中の
黒色異物の数を目視で調べたところ、８個であった。ま
た、この粉末を酸素−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、発泡状態を調べたところ、ごく小さな泡
が１個見られた。

【００１３】実施例−２ 実施例１において、焼成条件を、２００℃／Ｈｒで６０
０℃まで昇温し、この温度で２時間保持した後、さらに
２００℃／Ｈｒで１２００℃まで昇温し、この温度で１
０時間保持する事により行なった。そして、同様に得ら
れた合成石英ガラス粉末中の黒色異物の数を目視で調べ
たところ、１個であった。さらに、この粉末でベルヌイ
法により１２ｍｍφ×５０ｍｍのインゴットを作製した
ところ、泡は皆無であった。

【００１４】比較例−１ 実施例１と同様の方法で乾燥シリカゲル粉末を作製し、
１５０ｍｍφ×１５０ｍｍＨの石英ガラス製ルツボに
１．５ｋｇ仕込んだ。この時の、粉体層高は、１２０ｍ
ｍであった。このルツボを、電気炉内にセットし、ルツ
ボ表面に空気を１０１／ｍｉｎで流しながら、２００℃
／Ｈｒで１２００℃まで昇温し、この温度で１０時間保
持した。自然冷却後、得られた合成石英ガラス粉末中の
黒色異物の数を目視で調べたところ、４５個／ｋｇであ
った。さらに、この粉末でベルヌイ法により、１２ｍｍ
φ×５０ｍｍのインゴットを作製したところ、非常に多
くの泡（このうち０．５ｍｍφ以上の大きな泡３個）が
見られた。

【００１５】

【発明の効果】本発明により黒色異物の少ない石英ガラ
ス粉を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 浩昭 北九州市八幡西区黒崎城石１番１号 三菱 化成株式会社黒崎工場内

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の加水分解によ
   り得たシリカゲルの粉末を焼成することにより合成石英
   ガラス粉を製造するにあたり、焼成時に、該シリカゲル
   粉末を流動させながら焼成することを特徴とする合成石
   英ガラス粉の製造方法。
2. 【請求項２】 焼成工程のうち、４００〜８００℃にお
   いてシリカゲル粉末を流動させることを特徴とする請求
   項１記載の製造方法。