JP2005531475A - 高純度シリカ粉末、その製造方法及び製造装置 - Google Patents

高純度シリカ粉末、その製造方法及び製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、高純度シリカ粉末及び高温域における高純度シリカ粉末の製造方法、及び製造装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 不純物の合計が、５００ｐｐｂ未満であることを特徴とするシリカ粉末であり、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）の炎加水分解が、金属を含まない表面を有する装置において実行され、高純度四塩化ケイ素の炎加水分解により高純度ヒュームドシリカ粉末が得られることを特徴とするシリカ粉末の製造方法であり、シリカ粉末を製造する装置であって、シリカ粉末と接する表面全てが、金属を含まないことを特徴とするシリカ粉末の製造装置である。

Description

本発明は、高純度シリカ粉末及び高温域における高純度シリカ粉末の製造方法、及び製造装置に関する。
高純度シリカ粉末は、多数の技術分野において用いられている。適用分野を例に挙げると、光ファイバー、シリコン単結晶を引き上げるための石英ルツボ、光電子工学（例えば、レンズ及びミラー）、電子工学で用いられる受動素子における充填剤、及びウエハのための研磨剤懸濁液を含む（化学機械研磨剤）。上記の用途には粉末が、高純度であることが要求される。
光学通信のための二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から作られる光ファイバーにおいて、水酸基、鉄、及び銅等の不純物による吸収、又は、気泡、結晶核、及び不均一により生ずる散乱により情報担体としての光放射強度が減少されるべきではない。結晶核は、カルシウム及びマグネシウム等の不純物により形成される。
石英ガラスルツボにおいて、シリコン単結晶を引き上げる過程中に不純物の数、及びタイプに応じてルツボの内表面に腐食が生じる。腐食により引き上げ可能な時間が減少してしまう。更に、単結晶の冷却中に、付加的な不純物それぞれが、酸素析出物において形成される核の数を増加させる。
光学ガラスにおいて、例えば、ナトリウム及び遷移金属は、ガラスにおける伝送損失に関係する。したがって、遷移金属の濃度は、１００ｐｐｂを超えないことが必要である。この値だけが、波長２４８ｎｍの伝送が９９．５％以上、及び波長１９３ｎｍの伝送が９８％以上であることを確実にする。更に、光ファイバー、石英ルツボ、及びガラス用シリカ粉末は、有機不純物を含んではいけない。そうでなければ焼結工程中に多数の気泡が形成される。
鉄、ナトリウム及びカリウム元素の濃度が、０．２ｐｐｍを超えず、並びに、アルミニウム及びチタン元素の濃度が、１ｐｐｍを超えなければ、高純度二酸化ケイ素はまた、ＩＣチップ保護用のエポキシ樹脂において充填剤として使用することができる。これらの元素は、熱膨張係数、導電率及び受動素子の耐食性を変える。これらはチップ保護機能の効力を無くし得る。
研磨剤懸濁液は、半導体表面を直接研磨するために使用される。この目的のために使用する二酸化ケイ素は、例えば、アルミニウムの場合、４ｐｐｍの濃度を超えてはいけない。
公知の高純度シリカ粉末の製造方法は、シリコン含有前駆物質の加水分解である。これは、例えば、有機溶媒が存在する水において、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）の加水分解が実行される（Ｄｅｇｕｓｓａ 特許文献１参照）、最初にケイフッ化アンモニウムとアンモニア水を混ぜ、その後、フッ化水素酸と混ぜる（日産化学工業、特許文献２参照）又は、アルカリ金属ケイ酸塩に希鉱酸を加えてシリカを沈降させることにより実行されるであろう（日本鋼管、特許文献３、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗｕｈａｎ、特許文献４参照）。形成されるシリカは、沈降シリカとしても知られており、主に触媒担体として、並びに、ＬＳＩ及びＶＬＳＩ回路装置保護用エポキシ樹脂充填剤として使用される。上記の方法では流動性の低い多孔性で気泡を含む不完全な球状粒子が形成される。更に大変重大な欠点は上記の方法により水酸基、炭素、フッ素、窒素、並びに、ナトリウム及びカリウム等のアルカリ金属等の一定の不純物がある程度導入されるため、これらの方法では純度が制限されがちである。これらの欠点により、著しい光散乱及び光吸収、並びに、適用製品の機械的安定度、及び熱的安定性の低下が生じる。したがって、この方法は、基本的に光ファイバー、ルツボ、及びガラス分野に使用するには不適切である。
天然石英はまた、上記の適用へは厳しい純度が要求されるため除外される。しかしながら、不十分に純粋な石英を更に精製する処理工程を追加することにより許容可能な純度レベルに達成しようとする試みは絶えない。特許文献５（Ｓｉｅｍｅｎｓ）によると、天然石英は溶融により細い繊維に変換され、そしてこれらの繊維は、酸、及び塩基を使用する複数の浸出処理工程により処理される。繊維が高表面積で薄いため、遷移金属イオンのレベルを１ｐｐｍ未満に減らすことができる。繊維は光ファイバー分野で直接使用されるので、この方法は安価である。更なる適用及び成形された形状寸法のために、特許文献６（Ｓｉｅｍｅｎｓ）に従って、精製された純粋な繊維は粉砕され、水、分散液及び他の助剤を用いてスリップに変換され、その後、スリップキャスト法、及び最終的には焼結方法が行われるならば、最終結果として多くの混成源を伴う複雑な方法となる。特許文献７（Ｈｅｒａｅｕｓ）によると、天然石英は粉砕され、スクリーニングされ、１０００℃に予熱され、Ｃｌ２／ＨＣｌで処理され、冷却及び脱離処理工程を受ける。この時間を要する方法により、鉄に関しては約７０ｐｐｂの純度が得られる。アルカリ土類金属、及びアルミニウムはクリストバライトを形成することが知られており、したがって、例えばルツボの品質を低下させ、これらの元素が低い揮発性の塩化物を形成するため、これらの元素に由来する不純物は、この程度までしか取り除かれない（処理前：ナトリウム＝１１００ｐｐｂ、カリウム＝１０５０ｐｐｂ、リチウム＝７１０ｐｐｂ、カルシウム＞３７０ｐｐｂ、アルミニウム＝１６０００ｐｐｂ、鉄＝４１０ｐｐｂ；処理後：ナトリウム＜１０ｐｐｂ、カリウム＞８０ｐｐｂ、リチウム＝７００ｐｐｂ、カルシウム＞１２０ｐｐｂ、アルミニウム＝１６０００ｐｐｂ、鉄＞３０ｐｐｂ）。
特許文献８（Ｑｕａｒｔｚ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によると、石英は、高周波を使用して更に精製することができる。しかしながら、高周波は、可溶性の複合体を直ぐに形成する鉄等の一定の元素とのみ選択的に反応する。
更なる精製が、二酸化ケイ素粒においてもまた実行されている。特許文献９及び特許文献１０（Ｈｅｒａｅｕｓ）によると、二酸化ケイ素粒は、塩化水素により高温で製造及び精製される。顆粒が高表面積を有するため、したがって、より簡単に、より早く塩化水素に反応できることが利点である。出発点の顆粒の純度がナトリウム＜５０ｐｐｂ、鉄＝２５０ｐｐｂ、アルミニウム＜１ｐｐｍである場合、更なる精製により非常に高純度レベルに達することができる（ナトリウム＝５ｐｐｂ、鉄＝１０ｐｐｂ、アルミニウム＝１５ｐｐｂ）。唯一の欠点は、最初に、高多孔性のシリカ粒を製造する必要があり（孔容積 ０．５ｃｍ３、孔径 ５０ｎｍ、ＢＥＴ １００ｍ２／ｇ、密度 ０．７ｇ／ｃｍ３、粒サイズ １８０〜５００μｍ）、これは時間を要する方法であり、これらの粒はまだ完成品に担当せず、むしろさらに焼結されなければならない。更に、高多孔性は、例えばルツボを形成する場合に、成形に続き焼結する間に残存ガスを含む潜在的危険性を隠している。
特許文献１１（Ｈｅｒａｅｕｓ）によると、高温で使用される精製ガス塩素／塩化水素に加えて、電界（一般的に６５２Ｖ／ｃｍ）もまた、シリカ粒の更なる精製に使用することができる。更なる精製の効果は、電界の存在下でより強力であり、特に電界中で活発に移動するアルカリ金属イオンを伴うとより強力である。この方法は、ナトリウムレベルを、例えば１ｐｐｍから５０ｐｐｂに減らすことが可能である。
特許文献１２（Ｈｅｒａｅｕｓ）によると、更なる精製は、ガス流内で不純粉末を加熱すると不純物が軟化し融解された凝集物を形成し、粉末は衝突表面に誘導されて該表面には不純融解凝集物のみが付着するような方法で可能である。この方法は、出発物質が非常に不純な粉末の場合にのみ意味をなす。しかしながら、酸化マグネシウム及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の高融点酸化物に関する更なる精製は、この方法では不可能である。この目的のために必要な多量のガスは更に欠点を示す。
高純度（金属不純レベル＜１ｐｐｍ、炭素＜５ｐｐｍ、ホウ素＜５０ｐｐｍ、リン＜１０ｐｐｂ）は、有機シラン及び水から初めにゾル、その後ゲルが形成されるゾル−ゲル法の使用により達成される。次に、乾燥、不活性ガスを使用する焼成、及び焼結の処理工程が続く（三菱化学 特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５参照）。この方法は、高純度オルガノシランが出発物質として作用するため、非常に時間を要し、また高価である。概して、有機系流動助剤、分散剤及び溶剤が、製造過程に使用され、完成品は黒色炭素粒子及び一酸化炭素、二酸化炭素気泡を含み得るという結果を伴う。水を使用すると水酸基含量が高くなり、結果的に製品中に気泡を形成し、及び熱的安定性が低い製品となる。この物質が、チョクラルスキー法使用によるＳｉ単結晶の製造のためのシリカルツボの形成に使用される場合、気泡及び孔は高温及び減圧のために増大する。引き上げ過程中に、気泡は、シリコンメルトにおける乱れだけでなく、また結晶欠陥の形成、及びルツボの長時間安定性の低下にも関係する。
高純度シリカはまた、原理上はＣＶＤ又はＯＶＤ法を使用して含酸素燃料火炎の存在下で高純度オルガノシラン、又は四塩化ケイ素からシリカを沈降させることにより製造される（Ｃｏｒｎｉｎｇ、特許文献１６、特許文献１７、特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０、特許文献２１、特許文献２２、特許文献２３、特許文献２４参照）。しかしながら、この方法は、粉末を製造せず、むしろ、輪郭がある単純な形状のガラス体を製造する。単純な形状は光学ガラス及びレンズを含む。光ファイバーは高純度形態に製造されたガラス体を延伸することにより得ることができる。単純なガラス体からいかなる所望の形状のガラス体をも製造するためには、ガラス体は初めに粉砕されて粉末を形成し、次に分散され、成形され、焼結されなければならない。しかしながら、これは特に粉砕工程中に広範囲で汚染を引き起こし得る。
更にこの方法の欠点は、著しい高純度を達成するために、例えば、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）等の高価な高純度オルガノシランが使用されることである。
高純度二酸化ケイ素層はまた、高純度基板における析出により製造することができる（例えば、プラズマＣＶＤ／ＯＶＤによる特許文献２５、特許文献２６参照）。唯一の欠点は、１５０ｎｍ／ｍｉｎの低析出率だけを達成可能なことである（非特許文献１参照）。コーティング方法は、高額な製造費用を伴う。高純度シリカ粉末は、これらの方法により得ることができない。
他の容易な方法は、火炎内でシリカを形成することである。この観点では２つの違う取り組みが公知である。特許文献２７（トヨタ自動車／信越化学工業）、高純度金属ケイ素粉末がＣ３Ｈ２ｎ＋２／Ｏ２燃焼火災（Ｃ３Ｈ２ｎ＋２は点火のためだけに必要とされる）により酸化され高純度シリカ粉末を形成することができる。しかしながら、発明者は、この反応は多数の未燃焼粒子を製造する問題を把握している。出発物質が非常に微細（０．２μｍ）でなければ完全酸化の実現は難しい。しかしながら、やはり、そのような高純度形態のケイ素微細粒子を製造することはほぼ不可能である。
また、ヒュームドシリカは、酸水素炎内で四塩化ケイ素から製造することができ、第１工程において火炎により加水分解され、第２工程において焼結によりヒュームドシリカが、溶融シリカに変換される。
ヒュームドシリカという用語は、高温火炎内でシランが反応することにより製造され、しばしば非常に凝集及び集合するナノスケールの粉末である超微細粒子という意味で理解されるべきである。ヒュームドシリカの一般的な一例は、Ｄｅｇｕｓｓａ製造のＡｅｒｏｓｉｌ(R)ＯＸ５０であり、ＢＥＴ表面積が５０ｍ２／ｇである。溶融シリカという用語は、より粗い粒状の球状ガラス粉末として理解されるべきである。溶融シリカの一般的な一例は、トクヤマ製造のＥｘｃｅｌｉｃａ(R)ＳＥ−１５であり、平均粒径が１５μｍである。
特許文献２８（Ｃａｂｏｔ）によると、第２の補助工程（＝溶融シリカの製造）は、ヒュームドシリカが水中に分散され、ろ過され、乾燥され、塩化チオニル（ＳＯＣｌ２）又は塩素を使用して更に精製され、窯炉において焼結されることで実行される。ナトリウム及び鉄等の不純物の濃度は、約１ｐｐｍ（不純物の全含量＜５０ｐｐｍ）であり、未だむしろ高い値である。
特許文献２９及び特許文献３０（日本アエロジル）によると、第２の補助工程（＝溶融シリカの製造）において、ヒュームドシリカ粉末は分散形状で、例えば直接スクリューコンベヤにより酸水素炎内に移動され、焼結されて溶融シリカ粉末を形成する。
特許文献３１及び特許文献３２（トクヤマ）によると、溶融シリカを製造するために高純度ヒュームドシリカは、水蒸気で処理され、冷却され、流動化され、焼結されるために、スクリューコンベヤにより酸水素炎内に送られる。上記の方法を使用して得られた溶融シリカ製品は、銅、鉄、チタン、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、ニッケル、クロム、リチウム元素の累積合計として１０００ｐｐｂよりも少ない不純物を含有する。上記の方法によるヒュームドシリカ粒子の分散及び搬送は、例えば、スクリューコンベヤを用いて実行される。スクリューはシリカとの接触を通して特に端部領域において、摩耗する移動部である。よって、スクリューは、シリコン粉末を汚染する。他の設置されている部品もまた、シリカ粒子の研磨を受けるため激しく摩耗する。特に、バーナーノズルにおいては、シリカ粉末の速度が特に速いことを言及すべきである。
独国特許出願公開第３９３７３９４号明細書 特開平４−１７５２１８号公報 欧州特許第０４０９１６７号明細書 中国特許第１１８８０７５号明細書 独国特許出願公開第３１２３０２４号明細書 独国特許出願公開第３７４１３９３号明細書 欧州特許第０７３７６５３号明細書 米国特許第４８１８５１０号明細書 米国特許第６１８００７７号明細書 欧州特許出願公開第１０８８７８９号明細書 米国特許第４９５６０６９号明細書 欧州特許出願公開第１００６０８７号明細書 欧州特許出願公開第０８３１０６０号明細書 欧州特許出願公開第０８０１０２６号明細書 欧州特許出願公開第０４７４１５８号明細書 米国特許第５０４３００２号明細書 米国特許第５１５２８１９号明細書 欧州特許出願公開第０４７１１３９号明細書 国際公開第０１／１７９１９号パンフレット 国際公開第９７／３０９３３号パンフレット 国際公開第９７／２２５５３号パンフレット 欧州特許出願公開第０９７８４８６号明細書 欧州特許出願公開第０９７８４８７号明細書 国際公開第００／１７１１５号パンフレット 英国特許出願公開第２２０８１１４号明細書 欧州特許出願公開第１０６９０８３号明細書 特開平５−１９３９０８号公報 米国特許第５０６３１７９号明細書 特開昭５９−１５２２１５号公報 特開平５−３３０８１７号公報 特開平５−３０１７０８号公報 特開昭６２−２７０４１５号公報 Ｊ．Ｃ．Ａｌｏｎｓｏ等、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ １３（６）、１９９５、ｐｐ．２９２４ ｆｆ．
本発明の目的は、非常に高純度なシリカ粉末を提供することである。
本発明の更なる目的は、本発明の粉末の安価な製造方法及び製造装置を提供することである。
第１の目的は、不純物の合計が５００ｐｐｂ未満のシリカ粉末により達成される。
本発明によるシリカ粉末の不純物の合計が、１５０ｐｐｂ未満であるのが好ましい。特に好ましくは、不純物の合計が、１５０ｐｐｂ未満であり、不純物レベルがそれぞれ、銅＜１ｐｐｂ、鉄＜２５ｐｐｂ、ニッケル＜２ｐｐｂ、クロム＜２ｐｐｂ、チタン＜３ｐｐｂ、アルミニウム＜３１ｐｐｂ、カルシウム＜６５ｐｐｂ、マグネシウム＜１２ｐｐｂ、ナトリウム＜１２ｐｐｂ、カリウム＜６ｐｐｂ、及びリチウム＜１ｐｐｂであり、粉末は炭素を含まない。
不純物レベルはＩＣＰ分析法を使用して決められ（誘導結合プラズマ、装置タイプＩＣＰ−ＭＳ ＨＰ４５００）、該方法の検出下限値は１ｐｐｂ未満である。
シリカ粉末はヒュームドシリカ又は溶融シリカのどちらでもよい。
ヒュームドシリカ粒子は、好ましくはＢＥＴ表面積が５０〜３００ｍ２／gであり、特に好ましくは、１５０〜２５０ｍ２／gである。一次粒径は１ｎｍ〜１０００ｎｍ、好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍ、非常に特に好ましくは１０ｎｍ〜３０ｎｍである。
溶融シリカ粉末は、平均粒径が好ましくは１００ｎｍ〜２００μｍ、特に好ましくは１μｍ〜２００μｍ、非常に特に好ましくは５μｍ〜４０μｍである。更に、粉末は粒径分布が狭く、好ましくはＤ（９５）−Ｄ（５）＜５０μｍ、特に好ましくはＤ（９５）−Ｄ（５）＜３５μｍであり、例えば、平均粒径がＤ（５０）＝１５μｍ：Ｄ（５）＝１μｍ、Ｄ（９５）＝５０μｍ、特に好ましくは、Ｄ（５）＝３μｍ、Ｄ（９５）＝３５μｍ（ＣＩＬＡＳ ７１５を使用して測定）。
本発明の粒径分布が狭い製品は、スクリーニング等の付加的な処理工程を必要とせず、粉末が直接的に更なる処理に適している。図６は、粒径分布が非常に均一である実施例４により製造される溶融シリカ粉末の一例を示す。
本発明による粉末の溶融シリカ粒子は、好ましくは、球形であり、完全にガラス化している。ゾル−ゲル法を使用して製造する粉末とは違い、有機溶剤、分散剤、流動助剤を使用することで生じる気泡又は炭素不純物を一切含まない。
本発明による高純度ヒュームドシリカ及び溶融シリカ粉末は、先行技術として公知である全ての用途に使用可能である。これらは、例えば、独国特許出願公開第１９９４３１０３号明細書（Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＧｍｂＨ）に示すような形状体の製造に好適である。
本発明による粉末は、好ましくは、高純度四塩化ケイ素の加水分解により高純度ヒュームドシリカ粉末を得る方法により製造可能であり、ヒュームドシリカ粉末を形成する四塩化ケイ素の加水分解は金属を含まない表面を有する装置において実行される。高純度四塩化ケイ素の加水分解は火炎内で実行される。火炎は、酸素含有ガス、及び炭化水素、水素からなる群から選択される１種のガスを含み、好ましくは空気又は酸素、及びメタン、プロパン、水素からなる群から選択される１種のガスを含み、特に好ましくは酸素及び水素を含む。加水分解は、好ましくは、水素／酸素火炎内において実行される。また、加水分解は例えば、高周波プラズマ等のプラズマにおいて実行される。
好ましくは、ヒュームドシリカ粉末の析出もまた、金属を含まない表面を有する装置において実行される。
その他の適当な出発物質は、不純物レベルが１００ｐｐｂよりも少ないシラン、オルガノシリコン化合物、ハロシランを含む。不純物レベルが１００ｐｐｂよりも少ない四塩化ケイ素が好適であり、表１に示す四塩化ケイ素の純度が特に好適である。
本発明のヒュームドシリカ粉末を焼結することで、本発明の高純度溶融シリカ粉末もまた製造することができる。
高純度ヒュームドシリカ粉末の焼結は、水素／酸素火炎内、又は高周波プラズマにより、本発明のヒュームドシリカ粉末製造に使用する装置において実行するのが好ましい。溶融シリカ粉末の粒径を調節するために、水量を調整してヒュームドシリカに加えることもできる。
ナトリウム、カリウム、マグネシウム、又はカルシウム等の環境要素からの汚染を防ぐために、クリーンルーム状態及び／又は層流下で作業するのが好ましい。
この場合の方法は、クリーンルーム状態がクラス１０００００〜１、好ましくは、１００００〜１００、特に好ましくは１００の状態下で実行される。
この方法は、クリーンルーム状態に代わり、０．９１３ｂａｒ〜１．５１３ｂａｒ、好ましくは１．０１３ｂａｒ〜１．４１３ｂａｒ、特に好ましくは１．０２０ｂａｒ〜１．２００ｂａｒの圧力下で実行することができる。大気圧以上の圧力が装置に不純物が混入するのを防ぐ。
本発明の粉末が、水素／酸素火炎内において製造される場合、本発明の装置は
外管の中に内管が配置されるノズルであり、内管は例えば石英ガラス、溶融石英、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、エナメル又はシリコン金属等のシリコンを主成分とするシリコン含有物質からなり、出発物質は四塩化ケイ素、四塩化ケイ素と酸素混合、ヒュームドシリカ、及びヒュームドシリカと酸素混合からなる群より選択され、内管を通る。
内管は、好ましくは、例えば、石英ガラス、溶融石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素、エナメル又はシリコン金属等のシリコンを主成分とするシリコン含有物質で構成され、物質表面は、例えば、塩化チオニル、塩化水素又は塩素等の塩素含有ガスを使用して精製される。
装置は、特に好ましくは石英ガラス、又は石英ガラス表面を有する物質からなり、特に好ましくは、該表面は、例えば、塩化チオニル、塩化水素又は塩素等の塩素含有ガスを使用して精製される内管を有するノズルである。
ノズル全体が、石英ガラス、又は石英ガラス表面を有する物質からなることが特に好ましい。石英ガラス、又は石英ガラス表面を有する物質が例えば塩化チオニル、塩化水素又は塩素を使用して精製される場合に、純度を更に向上させることができる。
ヒュームドシリカ又は四塩化ケイ素を供給するための内管のみが、石英ガラスからなり、ノズルの他の部分が、例えば、鉄からなる場合には、製造される粉末の純度は石英ガラスからなるノズルよりも僅かに劣るが、しかし、公知のシリカ粉末の場合よりもなお高純度である。
したがって、本発明はまた、内管が外管の中に配置され、シリコンを主成分とするシリコン含有物質からなる内管を含むノズルに関する。この物質は、好ましくは、石英ガラス、溶融石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素、エナメル又はシリコン金属からなる群より選択される。
ノズルは、好ましくは、石英ガラス、溶融石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素、エナメル又はシリコン金属からなる群より選択される物質からなり、特に好ましくは石英ガラスからなる。
ノズルは、好ましくは、燃料ガスを予め混合しないノズルである。このタイプのノズルにおいて、燃料ガスである水素及び酸素は、個別に燃焼室に送り込まれる。本発明によるノズルの一実施形態において、四塩化ケイ素及び／又はヒュームドシリカは、燃料ガスの１つ、好ましくは酸素とパイロット室で予め混合され、そして、混合ガスが燃焼室に送り込まれる。ノズルは、酸素及びヒュームドシリカ（四塩化ケイ素）の混合物を供給する内管、及び水素を供給する外管を含む（図４）。
本発明のノズルのもう１つの実施形態において、全ての反応対象物（水素、酸素、四塩化ケイ素及び／又はヒュームドシリカ）は、燃焼室に個別に送り込まれる。ノズルは、ヒュームドシリカ（四塩化ケイ素）、酸素、及び水素を供給するために同心円状に配置される管を含む。配置の１例は、ヒュームドシリカ（四塩化ケイ素）の供給のための内管、酸素供給のための中間管、水素の供給のための外管を含む（図１）。
水素／酸素炎により本発明の粉末を製造するためのバーナーは、本発明の複数のノズルを含むことが好ましい。バーナーは、粒径分布が狭い粉末を１本のノズルの場合に供給し(図１)、粒径分布が特に狭い粉末を、出発物質が３本の同心管を通して供給される複数のノズルで供給し(図２)、粒径分布が特に非常に狭い粉末を、出発物質が２本の同心管を通して供給される複数のノズル及び酸素／ヒュームドシリカ予混合室で供給する(図３)のが好ましい。この配置により、火炎内で四塩化ケイ素を（又は、溶融シリカ粉末を製造する場合に、ヒュームドシリカ粉末を）特に均質に分布させることができる。
したがって、本発明はまた１〜３０本、好ましくは６〜１３本、特に好ましくは７本の本発明のノズルを含むバーナーにも関する。燃焼室に面するバーナーの表面は、石英ガラスからなるのと同様なのが好ましい。このタイプのノズルを７本有するバーナーを、本発明の図４に図示する。図３は、図４のタイプのバーナーの平面図を図示する。図２は、上記に記載したように出発物質の３つ全てが燃焼室に個別に導入される７本のノズルを有するバーナーの平面図を図示する。
火炎内のヒュームドシリカの分散は、酸素、及びヒュームドシリカ粉末が燃焼室に送り込まれる前に予め混合される本発明のノズルの改良により更に向上される。
本発明の粉末がプラズマで製造される場合、本発明の装置は粉末ノズル、中間管、及び外管を含むプラズマトーチであり（図４）、粉末ノズル、中間管及び外管はシリコンを主成分とするシリコン含有物質からなる表面を有する。表面は、好ましくは、石英ガラス、溶融石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素、エナメル又はシリコン金属からなる群より選択される１つの物質からなる。表面は、好ましくは、塩化チオニル、塩素又は塩化水素等のガスを使用して精製される。四塩化ケイ素又はヒュームドシリカ粉末は粉末ノズルを介して測定され、プラズマガス酸素は中間管を介して測定され、及び酸素と水素混合のシュラウドガスは外管を介して導入される。
粉末ノズル、中間管及び外管が、石英ガラスからなる表面を有するプラズマトーチを使用するのが特に好ましい。
石英ガラスからなる表面を有するプラズマトーチがとりわけ好ましい。
高純度粉末は、本発明の装置を使用して直接製造することができる。通常必要である更なる精製処理工程が不要である。超高純度ヒュームドシリカ及び溶融シリカ（表１）は、従来の方法を使用して達成されるのではなく、本発明のノズルを使用して製造することができる。クリーンルーム状態下で石英ガラスからなるノズル内での燃焼により、純度をより更に向上させることができる。更に、粉末形成における出発物質、又は、本発明の製品と接触する本発明のヒュームドシリカ及び溶融シリカ製造のための装置の表面全てが汚染されないように設計されていれば有利である。したがって、本発明のシリカ粉末製造装置は、好ましくは、シリカ粉末が接触する表面全てが金属を含まないという事実により特徴づけられる。シリカ粉末の製造装置は、ａ）測定装置、ｂ)バーナー、ｃ）燃焼室、ｄ）サイクロン、及びｅ）サイロを含むことが公知である。ヒュームドシリカ製造の場合、概してサイクロンとサイロの間にまた、流動層が連結される。
本発明のノズル用に述べられてきた物質は、好ましくは、測定、燃焼室、サイクロン、流動層、及びサイロの表面もまた形成する。もう1つの実施形態は、測定装置及びサイロはまた、純粋なプラスチック表面を有する。プラスチックは、例えばＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ共重合体）、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)、Ｈａｌａｒ（Ｒ） Ｅ−ＣＴＦＥ、ＧＦＰ（ガラス繊維強化ポリエステル樹脂）及びＰＰ（ポリプロピレン）であり得る。測定領域において、シリカ粉末は、例えば、圧縮空気により空気コンベヤを使用して移動部無しで搬送されるのが好ましい。
次の実施例により本発明を更に説明する。
実施例１：クリーンルーム状態下でなく酸水素炎により四塩化ケイ素からヒュームドシリカ粉末を製造
四塩化ケイ素からヒュームドシリカ粉末を製造するために、反応対象物である四塩化ケイ素、酸素、及び水素は予め混合されずに石英ガラスノズルにより燃焼室へ通される。反応は四塩化ケイ素 １６．６ ｇ／ｍｉｎ＋酸素６．３ ｌ／ｍｉｎ＋水素 ８．９ ｌ／ｍｉｎを使用して実行される。燃焼室は大気圧よりも大きい２０ｍｂａｒの圧力下で操作される。表１は分析結果を示す。
実施例２：クリーンルーム状態を使用し酸水素炎により四塩化ケイ素からヒュームドシリカ粉末を製造
四塩化ケイ素からヒュームドシリカ粉末を製造するために、反応対象物である四塩化ケイ素、酸素、及び水素は予め混合されずに石英ガラスノズルにより燃焼室へ通される。反応は四塩化ケイ素 １６．６ ｇ／ｍｉｎ＋酸素 ６．３ ｌ／ｍｉｎ＋水素 ８．９ ｌ／ｍｉｎを使用して実行される。装置全体がクリーンルームクラス１００００に属するクリーンルーム内にある。表１は分析結果を示す。
実施例３：クリーンルーム状態下でなく酸水素炎によりヒュームドシリカ粉末から溶融シリカ粉末を製造
ヒュームドシリカ粉末から溶融シリカ粉末を製造するために、反応対象物であるヒュームドシリカ、酸素、及び水素は予め混合されずに石英ガラスノズルにより燃焼室へ通される。反応は水素 １８０ ｌ／ｍｉｎ＋酸素 ９０ ｌ／ｍｉｎ＋ヒュームドシリカ粉末 ６０．３ ｇ／ｍｉｎを使用して実行される。燃焼室は、大気圧よりも大きい４０ｍｂａｒの圧力で操作される。表１は、分析結果を示す。
実施例４：クリーンルーム状態下で酸水素炎によりヒュームドシリカ粉末から溶融シリカ粉末を製造
ヒュームドシリカ粉末から溶融シリカ粉末を製造するために、反応対象物であるヒュームドシリカ粉末、酸素、及び水素は予め混合しながら石英ガラスノズルにより燃焼室へ通される。反応は水素 １８０ ｌ／ｍｉｎ＋酸素 ９０ ｌ／ｍｉｎ＋ヒュームドシリカ粉末 ６０．３ ｇ／ｍｉｎを使用して実行される。装置全体がクリーンルームクラス１００００に属するクリーンルーム内にある。表１は分析結果を示す。
実施例５：クリーンルーム状態下で高周波プラズマによりヒュームドシリカ粉末から溶融シリカ粉末を製造
ヒュームドシリカ粉末から溶融シリカ粉末を製造するために、反応対象物であるヒュームドシリカ粉末、空気、及び水素は石英ガラスシリンダを含むトーチを介して燃焼室へ通される。反応は、センタープラズマガスとして酸素 ４５ ｌ／ｍｉｎ、シュラウドガスとして酸素 ９０ ｌ／ｍｉｎ及び水素 ２５ ｌ／ｍｉｎ、粉末ノズルを介して測定されるヒュームドシリカ粉末 １５ ｋｇ／ｈを使用して実行される。燃焼室の圧力は、３００ｔｏｒｒであり、高周波プラズマの全出力は９０ｋＷである。本発明の場合、プラズマは当業者が精通している半導体技術の原理による高周波プラズマである。装置全体が、クリーンルームクラス１００００に属するクリーンルーム内にある。表１は、分析結果を示す。
実施例６：クリーンルーム状態下で石英ガラスでない標準ノズルを使用し酸水素炎によりヒュームドシリカ粉末から溶融シリカ粉末を製造
ヒュームドシリカ粉末から溶融シリカ粉末を製造するために、反応対象物であるヒュームドシリカ粉末、酸素、及び水素は予め混合されてステンレス鋼ノズルにより燃焼室へ通される。反応は水素 １８０ ｌ／ｍｉｎ＋酸素 ９０ ｌ／ｍｉｎ＋ヒュームドシリカ粉末 ６０．３ ｇ／ｍｉｎを使用して実行される。装置全体がクリーンルームクラス１００００に属するクリーンルーム内にある。表１は分析結果を示す。
[比較例１]
比較例７：特開昭５９−１５２２１５号公報による酸水素炎によりヒュームドシリカから溶融シリカを製造
高純度ヒュームドシリカ粉末は、スクリューコンベヤにより酸素流に通され、そしてバーナー管に通される。バーナーは３本の管を含み、水素 ７．６ ｍ３／ｈが内管及び外管を介して燃焼室に導入され、内管は酸素 ３．８ ｍ３／ｈ及びヒュームドシリカ粉末 １．８ ｋｇ／ｈを含む。表１は、分析結果を示す。
Figure 2005531475
 各実施例において製造される製品の不純物レベル、及び使用された四塩化ケイ素の不純物レベルを示す。単位はｐｐｂであり、ＩＣＰ／ＭＳを使用して測定した。
図１は、酸素、及び四塩化ケイ素又はヒュームドシリカを予め混合しない３本の管からなるバーナーノズルとしてのバーナー出口を示す図である。 図２は、酸素、及び四塩化ケイ素又はヒュームドシリカを予め混合しない７本のノズルを含むバーナー出口を示す図である。 図３は、酸素、及び四塩化ケイ素又はヒュームドシリカを予め混合する７本のノズルを含むバーナー出口を示す図である。 図４は、酸素、及び四塩化ケイ素又はヒュームドシリカを予め混合しない７本の石英ガラスノズルを含むバーナーを示す図である。 図５は、プラズマトーチを示す図である。 図６は、実施例４の溶融シリカ粉末の写真である。

Claims (15)

  1. 不純物の合計が、５００ｐｐｂ未満であるシリカ粉末。
  2. 不純物の合計が、１５０ｐｐｂ未満であるシリカ粉末。
  3. 不純物の合計が、１５０ｐｐｂ未満であり、不純物レベルがそれぞれ、銅＜１ｐｐｂ、鉄＜２５ｐｐｂ、ニッケル＜２ｐｐｂ、クロム＜２ｐｐｂ、チタン＜３ｐｐｂ、アルミニウム＜３１ｐｐｂ、及びカルシウム＜６５ｐｐｂ、マグネシウム＜１２ｐｐｂ、ナトリウム＜１２ｐｐｂ、カリウム＜６ｐｐｂ、リチウム＜１ｐｐｂであり、及び粉末が炭素を含まない請求項１に記載のシリカ粉末。
  4. 該粉末が、ヒュームドシリカ粉末であって、ＢＥＴ表面積が５０〜３００ｍ２／ｇ、好ましくは１５０〜２５０ｍ２／ｇである請求項１から３のいずれかに記載のシリカ粉末。
  5. 該粉末が、溶融シリカ粉末であって、平均粒径が１００ｎｍ〜２００μｍ、好ましくは１μｍ〜２００μｍ、非常に特に好ましくは５μｍ〜４０μｍである請求項１から３のいずれかに記載のシリカ粉末。
  6. 粒径分布が狭く、Ｄ（９５）−Ｄ（５）＜５０μｍ、好ましくは、Ｄ（９５）−Ｄ（５）＜３５μｍである請求項５に記載のシリカ粉末。
  7. 球形を有し、且つ完全にガラス状である請求項５又は６に記載のシリカ粉末。
  8. 四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）の炎加水分解が、金属を含まない表面を有する装置において実行され、高純度四塩化ケイ素の炎加水分解により高純度ヒュームドシリカ粉末が得られる請求項１から４のいずれかに記載のシリカ粉末の製造方法。
  9. ヒュームドシリカ粉末の焼結が、金属を含まない表面を有する装置において実行され、高純度ヒュームドシリカ粉末を焼結することで高純度溶融シリカ粉末が得られる請求項５から７のいずれかに記載のシリカ粉末の製造方法。
  10. クリーンルーム状態下で実行される請求項８又は９に記載のシリカ粉末の製造方法。
  11. １０００００〜１クラス、好ましくは１００００〜１００クラス、特に好ましくは１０００クラスのクリーンルーム状態を使用する請求項１０に記載のシリカ粉末の製造方法。
  12. ０．９１３ｂａｒ〜１．５１３ｂａｒ、好ましくは１．０１３ｂａｒ〜１．４１３ｂａｒ、特に好ましくは１．０２０ｂａｒ〜１．２００ｂａｒの圧力で実行する請求項８又は９に記載のシリカ粉末の製造方法。
  13. シリコンを主成分とするシリコン含有物質からなり外管内に位置する内管を含むノズル。
  14. シリコンを主成分とするシリコン含有物質からなる表面を有する粉末ノズル、中間管、及び外管を含むプラズマトーチ。
  15. 請求項１から７のいずれかに記載のシリカ粉末を製造する装置であって、シリカ粉末と接する表面全てが、金属を含まないシリカ粉末の製造装置。
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