JP2002105355A - 高純度カーボンブラック - Google Patents

高純度カーボンブラック

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JP2002105355A
JP2002105355A JP2000303160A JP2000303160A JP2002105355A JP 2002105355 A JP2002105355 A JP 2002105355A JP 2000303160 A JP2000303160 A JP 2000303160A JP 2000303160 A JP2000303160 A JP 2000303160A JP 2002105355 A JP2002105355 A JP 2002105355A
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carbon black
reaction tube
purity carbon
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hydrocarbon
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Masanobu Maeda
真伸 前田
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Tokai Carbon Co Ltd
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Tokai Carbon Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属不純物による汚染を嫌う半導体関連分
野、例えばICやLSIなどの半導体デバイス製造工程
中のフォトレジストプロセスにおける反射防止膜の形成
などに好適な高純度カーボンブラックを提供する。 【解決手段】 縦型円筒状反応管の下部スクロール部か
らフィルターを介して送入した空気により、反応管下部
から中心軸方向に気体状で導入した原料炭化水素流の表
層部を燃焼するとともに、外熱式ヒーターにより加熱さ
れた反応帯域において原料炭化水素を熱分解して得られ
たカーボンブラックであって、灰分が5ppm 以下、各金
属元素含有量が200ppb 以下であることを特徴とする
高純度カーボンブラック。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不純物、特に金属
不純物による汚染を嫌う半導体関連分野、例えばIC、
LSIなどの半導体デバイス製造工程中のフォトレジス
トプロセスにおける反射防止膜の形成などに好適に用い
ることのできる高純度カーボンブラックに関する。
【0002】
【従来の技術】カーボンブラックは、ゴム補強材を中心
とするゴム用途分野をはじめ、黒色顔料として樹脂着色
剤、印刷インキ、塗料などの用途や導電性付与剤などの
用途に広く使用されており、カーボンブラックの種類と
してはファーネスブラック、チャンネルブラック、サー
マルブラック、アセチレンブラックが古くから知られて
いる。
【0003】このうち、主流となっているのはオイルフ
ァーネスブラックで、オイルファーネスブラックの基本
的な製造技術は、耐火煉瓦で内張りした円筒状の燃焼
域、反応域および反応停止域を同軸的に連設した反応炉
を用い、燃焼域で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを生
成させ、燃焼ガス流中に炭化水素原料油を導入して原料
炭化水素の不完全燃焼および熱分解反応により炭化水素
をカーボンブラックに転化させ、次いで反応停止域にお
いてカーボンブラック含有ガス流を急冷して反応を終結
させ、最終的にカーボンブラックを捕集工程で回収する
プロセスからなっている。
【0004】しかしながら、オイルファーネスブラック
は原料油や冷却水などに含まれる金属塩類および反応炉
の内張煉瓦の剥離片や製造設備の腐食などによる金属錆
片などに起因する不可避的不純物が混入することがあ
り、これらの不純物は除去設備により除去されるが、市
販されているオイルファーネスブラックには、凡そ1000
〜5000ppm 程度の灰分、 500〜1000ppm 程度の金属不純
物が含まれている。
【0005】したがって、高純度性が要求される、例え
ば半導体分野において使用するためには、これらの不純
物が少なく、特に金属不純物が極めて少ないことが必要
となる。金属不純物は、例えばハロゲン系のガスを含む
非酸化性雰囲気中で高温熱処理することにより除去する
ことができるが、高温熱処理時にカーボンブラック粒子
が擬黒鉛結晶化して構造変化が生じ、またカーボンブラ
ック粒子表面の化学的性状も変化することになる。この
カーボンブラック粒子の物理化学的性状の変化による、
例えば比表面積の低下や表面不活性化などの特性変化
は、用途によっては使用が制限されることとなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、カーボンブ
ラックを後処理的に高温熱処理して金属不純物を除去す
るのではなく、カーボンブラックの製造プロセス面から
不純物の含有量を極めて低位に抑制するものであり、そ
の目的は、特に金属不純物による汚染を嫌う半導体関連
分野、例えばIC、LSIなどの半導体デバイス製造工
程中のフォトレジストプロセスにおける反射防止膜の形
成などに好適に用いることのできる高純度カーボンブラ
ックを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による高純度カーボンブラックは、縦型円筒
状反応管の下部スクロール部からフィルターを介して送
入した空気により、反応管下部から中心軸方向に気体状
で導入した原料炭化水素流の表層部を燃焼するととも
に、外熱式ヒータにより加熱された反応帯域において原
料炭化水素を熱分解して得られたカーボンブラックであ
って、灰分が5ppm 以下、各金属元素含有量が200pp
b 以下であることを構成上の特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の高純度カーボンブラック
は、図1に例示した製造装置により製造される。すなわ
ち、図1は本発明の高純度カーボンブラックを製造する
装置の1例を示した模式図で、1は縦型円筒状反応管、
2は1の下部に設けたスクロール部であり、空気がスク
ロール部2から反応管1に送入される。なお、空気は不
純物汚染を排除するために、エアーフィルター3を通し
て粉塵などを除去したうえで送入される。
【0009】スクロール部2には、縦型円筒状反応管1
の中心軸方向に原料炭化水素を導入するための原料導入
ノズル4が挿着されている。原料炭化水素には、例えば
ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素単
体、あるいは石炭系炭化水素や石油系炭化水素を蒸留精
製して用いることができ、加熱気化して気体状で導入さ
れる。好ましくは、メタン、プロパン、天然ガス、石炭
ガス、石油ガスなどの気体状炭化水素が使用される。な
お、これらの気体状炭化水素はエアーフィルター5を通
してミストなどの不純物を除去することが好ましい。
【0010】縦型円筒状反応管1、スクロール部2、原
料導入ノズル4などは損傷による不純物混入を防ぐため
に、高強度、高耐熱性、高耐蝕性のアルミナ、石英、ム
ライト、ジルコニアなどのセラミックス、ステンレス、
白金などの金属を用いることが好ましい。
【0011】縦型円筒状反応管1には電熱ヒーターなど
の外熱式ヒータ−6を設け、外部から加熱して原料炭化
水素の熱分解を促進する反応帯域7が形成されている。
反応帯域7で熱分解して生成したカーボンブラックを含
むガス流は、冷却装置8で所定温度に冷却した後、バッ
グフィルターなどの適宜な捕集装置9でカーボンブラッ
クが回収される。
【0012】この装置により、本発明の高純度カーボン
ブラックは次のようにして製造される。原料導入ノズル
4から縦型円筒状反応管1の中心軸方向に導入した気体
状原料炭化水素は円柱状の原料ガス流を形成し、スクロ
ール部2から縦型円筒状反応管1に送入された空気は外
熱式ヒーター6により加熱されている反応帯域7におい
て層流を形成する。反応帯域7において空気と接触した
原料炭化水素は、外周部のみ、すなわち表層部が燃焼し
て高温ガス流を形成し、原料ガス流は外周部の高温ガス
流および外熱式ヒーター6から熱の供給を受けてカーボ
ンブラックに転化する。
【0013】このようにして、気体状炭化水素流の表層
部が燃焼して原料流の周囲が高温ガス流で包囲され、そ
の周辺は空気流が流通して断熱ガス流が形成されること
になる。すなわち、原料炭化水素流は、その周囲からの
熱負荷を受けて、その内部には小さな高温領域が形成さ
れ熱分解してカーボンブラックに転化するとともに、縦
型円筒状反応管1の内壁に直接接触することが防止さ
れ、内壁部は比較的に低温に維持され、内壁部の損傷が
低減化する。
【0014】更に、原料炭化水素および空気はエアーフ
ィルターにより不純物を除去しているので、生成したカ
ーボンブラックも極めて不純物が少ない、高純度のカー
ボンブラックが得られる。
【0015】このようにして得られた、本発明の高純度
カーボンブラックは、具体的に灰分が5ppm 以下に、ま
た各金属元素の含有量も200ppb 以下に抑えることが
可能となる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して詳
細に説明する。
【0017】実施例1、2 図1に示した装置によりカーボンブラックを製造した。
縦型円筒状反応管1は直径22mm、高さ1000mmのア
ルミナ管を用い、電気ヒーター6により反応帯域7を1
200℃に加熱した。原料炭化水素にはプロパンガスを
用いてステンレス(SUS316)製の原料導入ノズル4から反
応管1の中心軸方向に導入した。また、エアーフィルタ
ー3を通した空気をスクロール部2から送入して、プロ
パンガス流の周囲に流通させた。このようにして原料プ
ロパンガス流の表層部を燃焼しながら、反応帯域7でプ
ロパンガスを熱分解した。カーボンブラックを含有する
ガス流は冷却装置8で冷却後、捕集装置9でカーボンブ
ラックを分離、捕集した。このようにして窒素吸着比表
面積およびDBP吸収量の異なる2種類のカーボンブラ
ック試料を得た。
【0018】比較例1 チャンネル法で製造された灰分の少ない顔料用の市販カ
ーボンブラック(デグッサ社製 FW200)を試料とした。
【0019】比較例2 市販のオイルファーネスカーボンブラック(東海カーボ
ン社製 S-600)を高純度化処理して試料とした。高純度
化処理は、塩素ガスの流通下に2800℃の温度で30
分間処理して行った。
【0020】これらの試料について、下記の方法により
特性を測定して、その結果を表1に示した。 窒素吸着比表面積:JIS K6217 ; 1779 C法 DBP吸収量:JIS K6217 ; 1779 A法 pH値:JIS K6217 ; 1982 灰分:JIS K6218 ; 1779 但し、5回の測定値の平均
【0021】
【表1】
【0022】次に、実施例1、2のカーボンブラック試
料中に含まれる金属元素含有量を測定し、その結果を表
2に示した。なお、測定はAlはJIS R7223に
準じてCa添加灰化し、酸溶解後、誘導結合プラズマ原
子発光分析法にて測定し、Ca、Cr、Cu、Fe、M
g、Mn、Niは800〜950℃で高温灰化し、酸溶
解後、誘導結合プラズマ原子発光分析法にて測定し、
K、Naは800〜950℃で高温灰化し、酸溶解後、
原子吸光法にて測定した。
【0023】
【表2】
【0024】表1、2の結果から、実施例のカーボンブ
ラックは、低灰分のチャンネルブラックに比べて灰分が
極めて少なく、また高純度化処理したオイルファーネス
ブラックに比較しても低灰分であることが判る。また、
各金属元素の含有量は、いずれも200 ppb以下と極め
て高純度である。
【0025】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、カーボ
ンブラック製造プロセス面から金属不純物などの混入を
阻止し、特に金属不純物による汚染を嫌う半導体関連分
野、例えばIC、LSIなどの半導体デバイス製造工程
中のフォトレジストプロセスにおける反射防止膜の形成
などに好適に用いることのできる高純度カーボンブラッ
クを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高純度カーボンブラックを製造する装
置を例示した模式図である。
【符号の説明】
1 縦型円筒状反応管 2 スクロール部 3 エアーフィルター 4 原料導入ノズル 5 エアーフィルター 6 外熱式ヒーター 7 反応帯域 8 冷却装置 9 捕集装置 10 エアータンク 11 原料ガスボンベ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 縦型円筒状反応管の下部スクロール部か
    らフィルターを介して送入した空気により、反応管下部
    から中心軸方向に気体状で導入した原料炭化水素流の表
    層部を燃焼するとともに、外熱式ヒータにより加熱され
    た反応帯域において原料炭化水素を熱分解して得られた
    カーボンブラックであって、灰分が5ppm 以下、各金属
    元素含有量が200ppb 以下であることを特徴とする高
    純度カーボンブラック。
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