JPH0517123A - 高純度シリカガラス粉末の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】高純度シリカゲル粉末を焼成して高純度シリカ
ガラス粉末を製造するにあたり、加熱手段を備えた竪型
移動層装置を用い、原料シリカ粉末を連続的に装置上方
部から供給し下方部から排出させる移動層方式とし、移
動層の下方部より上方部に向けて少量のガスを流通さ
せ、かつ、１０００〜１３００℃の温度下で焼成を行な
うことにより高純度シリカ質粉末を製造する。 【効果】本発明の方法によれば、連続的に移動層で焼成
ができるため、大量のシリカ質粉末を効率的に処理可能
であり、また、焼成物の内部温度分布も均一であるの
で、場所による品質のバラツキが少なく、流動層方式と
比べて粉化が少なく、シャープな粒径分布を持った製品
が得られるので工業的に有利である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシリコン単結晶引き上げ
用のルツボの製造あるいはＬＳＩの封止材等の半導体関
連分野で用いられる高純度シリカガラス粉末の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的なガラスの製法は、原料を容器中
で溶融した後、冷却する方法が用いられているが、この
製法では溶融に用いる容器からの不純物混入により高純
度ガラスは得られなかった。近年、ニュー・ガラスと呼
ばれる高機能ガラスの開発が盛んに行われており、その
製造プロセスとしてはゾル−ゲル法、気相反応法、無重
力状態におけるガラス溶融、超急冷などの方法がある。

【０００３】これらのうち、金属アルコキシドなどの有
機金属化合物を出発原料とするゾル−ゲル法によって作
られるガラスの種類は多岐に亘っており、大変適用範囲
の広いガラス製造法である。この方法では、上記有機金
属化合物を加水分解して得られる金属水酸化物あるいは
酸化物の微粒子が溶液中に分散したゾルを生成させ、こ
れをゲル化した後に乾燥、焼成、粉砕、溶融などの工程
を経てガラスを作る。

【０００４】金属アルコキシドとしては、テトラメトキ
シシランやテトラエトキシシランを出発原料とすること
が多いが、その他のシリコンアルコキシドを出発原料と
することも可能である。ゾル−ゲル法では、容器からの
不純物混入の心配がなく、原料が蒸留などの手段で容易
に精製できるため、高純度ガラスが得られる上、バルク
体、ファイバーを始めとする各種形状のものが作成でき
る、比較的低温でガラスの製造が可能である等の利点が
ある半面、一般に原料が高価であるとか、プロセスの時
間が長いなどの欠点もある。

【０００５】ゾル−ゲル法を始めとして液相法による高
純度ガラス粉末の製造においては、ゲル生成後、乾燥、
粉砕、焼成工程が必要であり、これらの工程が製造上の
ボトルネックとなっている。特に焼成工程では乾燥後の
ゲル内部に残留した水分や有機物を除去する必要がある
ため、数時間から数十時間をかけてゆっくりと焼成を行
っている。この際の焼成温度は焼成されるゲルの粒径が
小さい方が低温でもよく、焼成時間は短くなる傾向にあ
るものの、一般的に８００〜１３００℃と高温であるた
め、温度コントロールを誤ると、粒子が焼結する危険性
があるので、焼成炉の温度分布の均一化に留意する必要
がある。

【０００６】また、高純度品ゆえ、これらの工程間ある
いは工程内でのゲルや焼成品の取り扱いに気を配り、不
純物の混入を極力避けなければならない。ゲルの焼成方
法としては、通常、シリカゲルを焼成炉中で静置状態で
焼成する方法（特開昭６１−１６８５３９）が一般的で
ある。また、実用化されていないが、シリカゲルを流動
層において焼成することを示唆する文献（特開昭５２−
８１３１５）も知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら焼成炉中
で静置状態において焼成を行なう方法では、通常、不純
物の混入を避けるため、ゲルを高純度の容器に入れ、こ
れを焼成炉内に仕込んで焼成を行なうが、一旦、容器に
入れて焼成を行なう方法では、容器への投入・排出等の
手間、並びに容器大きさの制限などにより生産性が上が
らず、大規模の焼成には不向きである上、工程内でのハ
ンドリング時に不純物が混入するおそれもある。

【０００８】従って、大量のシリカゲル粉末を連続的に
焼成処理するには、流動層式又は移動層式などの処理法
が採用できれば望ましいが、流動層式の場合には、シリ
カ質粒子と装置内壁との摩擦が激しく、一般にレンガ等
で構成される内壁成分が不純物として混入する欠点があ
る。また、移動層式の場合には、一般的に対象粉体の粒
径として数ｍｍ以上のものでないと、装置内でスムース
な移動ができず不適当とされており、１００〜８００μ
ｍ程度の微細粒子では安定した処理は無理であろうと考
えられていた。

【課題を解決するための手段】

【０００９】本発明者らは、上記実情に鑑み、乾燥後の
高純度シリカゲル粉末を連続的に焼成して高純度シリカ
ガラス粉末を製造する方法について鋭意検討を行った結
果、特定の手段を採用して移動層方式にて焼成を行なう
ときには微細なシリカ質粉末であってもスムーズな処理
ができ、極めて優れた結果が得られることを見出して本
発明を完成した。即ち、本発明は工業的に有利に高純度
シリカゲル粉末の焼成を行なうことを目的とするもので
あり、その要旨とするところは、高純度シリカゲル粉末
を焼成して高純度シリカガラス粉末を製造するにあた
り、加熱手段を備えた竪型移動層装置を用い、原料シリ
カ粉末を連続的に装置上方部から供給し下方部から排出
させる移動層方式とし、移動層の下方部より上方部に向
けて少量のガスを流通させ、かつ、１０００〜１３００
℃の温度下で焼成を行なうことを特徴とする高純度シリ
カガラス粉末の製造法に存する。

【００１０】以下に本発明につき更に詳細に説明する。
本発明において、焼成される高純度シリカゲル粉末とし
ては、通常、アルコキシシランを出発原料とするゾル−
ゲル法により得られる高純度シリカゲルの粉末が挙げら
れる。このゾル−ゲル法においては、アルコキシシラン
を加水分解することによりケイ素の水酸化物あるいは酸
化物の微粒子を分散したゾルを生成させ、これをゲル化
した後、乾燥、粉砕、焼成しシリカガラス粉末を得、次
いで、これを粉砕、溶融などの工程を経ることにより高
純度シリカガラス製品を製造することができる。

【００１１】また、本発明では、上記ゾル−ゲル法の外
に、加水分解時に微粉末シリカを共存させたり、あるい
は例えば、ケイ酸アルカリを出発原料とするゾル−ゲル
法、又はハロゲン化ケイ素を出発原料とする加水分解や
気相法などにより得られた高純度シリカゲル粉末を用い
ることもできる。本発明で用いる高純度シリカゲル粉末
の粒径としては、その密度によっても異なるが、通常１
００〜８００μｍ、好ましくは１００〜５００μｍであ
る。また、該粉末の嵩密度は通常、０．６〜０．７ｇ／
ｃｍ³である。そして、この嵩密度は焼成処理により
１．０〜１．５ｇ／ｃｍ³に変化する。本発明で対象と
するシリカ質粉末は高純度のものであるが、例えば、Ｎ
ａ、Ｋなどのアルカリ金属やＦｅ、Ｃｕ、Ｎｉなどの全
金属成分の含有量は１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐ
ｐｍ以下である。更に、焼成処理に供するシリカゲル粉
末の含水量は、通常、１０重量％以下である。

【００１２】本発明においては上記したような高純度シ
リカゲル粉末を焼成するにあたり、加熱手段を備えた竪
型移動層装置を用い、該粉末を連続的に装置上方部から
供給し、下方部から排出させる移動層方式とし、移動層
の下方部より上方部に向けて少量のガスを流通させ、か
つ、１０００〜１３００℃の温度下で行なう。該温度下
での焼成時間は、通常１〜３０時間、好ましくは３〜２
０時間である。移動層装置内の高純度シリカ質粉末の滞
留時間は１〜５０時間程度である。

【００１３】本発明で用いる移動層装置は、通常、筒
状、横断面形状としては本体の加工上あるいは層内温度
分布の均一化という点で円形が望ましいが、短形、多角
形、楕円形等どのような形状でも構わない。更に、装置
直径が場所により上下方向で変化しないものや下方部に
勾配をつけたもの、下方部が絞られたもの等、種々の形
状が考えられるが、その型式については竪型とされる。
移動層装置のサイズは特に限定されないが、通常の工業
的装置としては、例えば、内径が２０〜１５０ｃｍであ
り、高さが３〜２０ｍ程度である。

【００１４】加熱用の熱源としては、電気、液体燃料、
気体燃料等いずれも使用可能であり、加熱方法について
も内部加熱、外部加熱あるいはその併用いずれも可能で
ある。製品中への不純物混入という観点から考えると外
部加熱方式が望ましいが、発熱部にシリカ質ガラスある
いは炭化ケイ素、窒化ケイ素等でライニングを施せば、
内部加熱を行っても支障はない。半径方向温度分布をよ
り均一にするためには内部加熱を行なえば良い。

【００１５】本発明において、移動層を形成させるため
に用いる竪型移動層装置は、焼成するシリカ質粉末と接
する内面がシリカ質ガラス、炭化ケイ素あるいは窒化ケ
イ素等の耐熱性、耐摩耗性を有する材料で形成された装
置であると焼成物中への不純物の混入が少なくなるので
望ましい。本発明においては焼成中、移動層の下方部か
ら少量のガスを上方部に向けて流通させることを必須の
要件とする。このガスとしては、通常、空気、窒素、ア
ルゴン、ヘリウム等のガスが挙げられる。このガス中の
水分は少ない方が望ましく、通常、乾燥ガスが使用され
る。これらのガスを予熱することにより加熱用のエネル
ギーを節約することができる。これらのガスの予熱には
排ガスと間接熱交換が良く、熱交換によってトータルの
エネルギー消費量が減少する。更に、装置に供給する原
料を排ガスで間接的に加熱することにより、全体のエネ
ルギー効率が向上する。なお、ガスの供給口はガスの分
散性を向上させるため複数に分割されていてもよい。

【００１６】本発明において、移動層とは容器内に充填
された粒子が重力又は、振動等の機械的操作により、下
方へ移動する粒子層をいう。吹き込むガス量は、少なく
とも焼成中に発生する水分や二酸化炭素等のガスを系外
へ運び出す役割もあり、例えば、ガス線速度で１０〜３
０００ｃｍ／分、好ましくは１０〜２００ｃｍ／分、更
に好ましくは３０〜１００ｃｍ／分である。焼成温度、
および焼成時間は高純度シリカ質粉末の粒度分布によっ
て大きく異なるが、焼成温度は１０００〜１３００℃の
範囲、好ましくは１０００〜１２００℃の範囲が適当で
ある。焼成温度を上げ過ぎると、粒子同志が焼結を起こ
し、焼成炉の運転が不可能になるためである。粒子同志
の焼結温度はその粒子径によって変化し、粒子径が小さ
くなるほど焼結温度が低くなる。また、焼成時間は、通
常、１〜３０時間、好ましくは３〜２０時間である。本
発明では移動層装置内で、シリカ質粉末が順次、予熱、
焼成、冷却され、最終的に目標とするシリカガラス粉末
を得ることが出来る。ここで得られるシリカガラス粉末
中のシラノール基濃度は１０００ｐｐｍ以下、好ましく
は１００ｐｐｍ以下である。

【００１７】焼成圧力については、装置の構造上、常圧
操作が簡単であるが、加圧および減圧操作を行なっても
差し支えない。加圧、減圧操作においては、原料供給部
や製品の排出部におけるシールの問題、装置の強度等に
考慮する必要がある。移動層は粒子の滞留時間が制御し
やすく、粉化、発塵が少なく、他の焼成方式と比較する
と、高純度の製品を得やすいという利点がある。本発明
で対象とするシリカ質粉末の粒子径は、通常、１００〜
８００μｍ、好ましくは１００〜５００μｍである。粒
子径が小さい場合には、移動層内の通風が悪くなるばか
りか、焼結のおそれもあるので、粉末の移動速度、供給
ガス量、焼成温度などを調節する必要がある。

【００１８】なお、本発明において、高純度シリカゲル
粉末が連続的に竪型移動層装置上方部から供給され、下
方部から排出される移動層方式とするが、連続的とは、
間断なく該粉末が装置上方部から供給され、下方部から
排出されることのほか、該供給及び該排出操作を断続的
に行うことも含むものである。また、移動層の移動速度
は、通常、１０〜５０ｃｍ／ｈｒである。また、該粉末
の供給及び排出について、竪型移動層装置の上方部、即
ち頂部あるいは上方側部から供給され、下方部即ち底部
あるいは下方側部から排出されることを含むものであ
る。

【００１９】次に、図面によって本発明を具体的に説明
する。図１は本発明で用いられる竪型移動層装置の一例
を示す概略説明図である。原料高純度シリカゲル粉末は
原料供給口３から原料供給用バルブ２を経て装置本体６
内へ供給される。供給された被焼成物は装置下部からの
抜き出しに伴い徐々に下方へ移動するが、その移動中、
加熱器１により加熱され焼成が行なわれる。充分な滞留
時間を経た後、装置下方部において冷却され、最後に焼
成物フィーダ１０によって系外へ排出される。焼成物フ
ィーダの形式はテーブル・フィーダ等に代表される回転
動型、振動フィーダ等に代表される往復動型、あるいは
スクリュー・フィーダ等の容器受入型等、いずれのタイ
プも使用可能である。

【００２０】一方、ガスはガス供給口１１から入り、９
のガス分散装置で装置内に均一に分散された後粒子間を
上昇していき、最終的には４のガス排出口より排出され
る。前述の如く、排ガスはガス供給口１１にフィードさ
れるガスと間接熱交換させることによって、エネルギー
効率を向上させることができる。また焼成物フィーダ１
０の保護と、取り出し後のハンドリングを容易にするた
め冷媒入口８より冷却水を供給し、焼成品の冷却を行な
う。焼成品との熱交換で加熱された冷媒は冷媒出口７よ
り系外へパージされる。冷媒としては水に限定すること
無く、他の冷媒を用いても差し支えない。装置本体６は
内面がシリカ質ガラスあるいは炭化ケイ素、窒化ケイ素
という耐熱、耐磨耗性のセラミックスでライニングすれ
ば、粒子と壁との接触による磨耗による不純物の混入が
抑えられる。

【００２１】

【発明の効果】本発明の方法によれば、連続的に移動層
で焼成ができるため、大量のシリカ質粉末を効率的に処
理可能であり、また、焼成物の内部温度分布も比較的均
一であるので、場所による品質のバラツキが少なく、流
動層方式と比べて粉化が少なく、シャープな粒径分布を
持った製品が得られる。シリカ粒子のような微細な粉体
を移動層で処理できると言うことは非常に予想外のこと
であるが、この原因は明確ではないが、本発明の場合、
移動層の下方より少量のガスを流通させているため、こ
れが何らかの好ましい影響を与えているものと推定され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明において用いられる竪型移動装置
の一例を示す概略説明図である。

【符号の説明】

１ 加熱器 ２ 原料供給用バルブ ３ 原料供給口 ４ ガス排出口 ５ 被焼成物 ６ 装置本体 ７ 冷媒出口 ８ 冷媒入口 ９ ガス分散装置 １０ 焼成物フィーダ １１ ガス供給口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高純度シリカゲル粉末を焼成して高純
   度シリカガラス粉末を製造するにあたり、加熱手段を備
   えた竪型移動層装置を用い、原料シリカ粉末を連続的に
   装置上方部から供給し下方部から排出させる移動層方式
   とし、移動層の下方部より上方部に向けて少量のガスを
   流通させ、かつ、１０００〜１３００℃の温度下で焼成
   を行なうことを特徴とする高純度シリカガラス粉末の製
   造法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の高純度シリカガラス
   粉末の製造法において、用いる竪型移動層装置の高純度
   シリカ質粉末と接する内面が、シリカ質ガラス、炭化ケ
   イ素及び窒化ケイ素からなる群から選ばれる材料で形成
   されていることを特徴とする方法。