JP2005060209A - 高純度石英の精製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 各用途に適応する高純度の石英の精製法、特に、半導体の製品化に際し用いられる石英坩堝の原材料として、石英の純度が高く、これを用いた石英坩堝が高い耐熱性を有し不純物が溶出せず、内外の温度勾配の調整が容易であり、さらには、シリカのへたりによる劣化が抑制された経済性のある石英坩堝となる石英坩堝用の原材料を提供できる高純度石英の精製法を提供すること。
【解決手段】シリカサンドから石英を精製する方法において、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属を除去する加熱処理工程とオートクレーブにおける有機酸処理工程と、さらに、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属と放射性元素を除去する高温ガス処理工程とを含むことを特徴とする高純度石英の精製方法。
【選択図】なし

Description

発明の詳細な説明

本発明は、シリカサンドから石英を精製する高純度石英の精製方法に関する。

石英の用途は広く、石英は、例えば、ガラス、セメント、フィラー及び坩堝等の窯業、ガラス工業や電子工業の原材料として重用されているばかりでなく、建築材料、光学プリズム、ガラス繊維、光ファイバー、研磨剤、乾燥剤及び宝石・装飾用等の原材料として、広範囲に渡って用いられている。

そして、その何れの用途においても高純度の石英が要望され、特に、情報技術関連機器の基盤ともなる半導体を製品化するに際して用いる石英坩堝には、その内外の温度勾配の調整が容易であることや高い耐熱性を有することに加え、不純物により粗悪品の半導体が生成しないように、該坩堝から不純物が溶出しないことが肝要とされ、また、石英坩堝は高価なことから経済性が考慮され再利用されているがその使用回数が制限され、不経済であり、石英坩堝の原材料には高純度の石英が要望されている。

一方、石英はシリカサンドを精製して得られる。
そのシリカサンドの鉱床は自然界に多数存在しており、その鉱床は珪質ドロマイト（Ｃａ、Ｍｇに富む石灰岩）が珪化・風化して形成されており、或いは、花崗岩起源の火成岩が風化侵食作用を受け再堆積して成っている。
したがって、そのシリカサンドには、多量のＣａとＭｇが含まれるばかりでなく、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｆｅ等の他の元素、有機物及びＵ、Ｔｈ等の放射性元素が含まれており、石英はこれらの不純物を含むシリカサンドを精製することにより得られる。

その精製法は、一般的には、シリカサンドを、水洗→乾燥→粉砕→篩い分け→磁力選鉱（Ｆｅ除去）→酸処理→浮遊選鉱→酸洗浄→純水洗浄→乾燥等の各工程を経ることからなり、高純度石英は精製されている。

発明が解決しようとする課題

しかし、その精製法ではシリカサンドに含まれる不純物の除去は充分とは言えず、得られる石英の純度にはおのずと限界があり、要望される高純度の石英は得られなかった。

したがって、本発明の目的は、各用途に適応する高純度の石英の精製法、特に、半導体の製品化に際し用いられる石英坩堝の原材料として、石英の純度が高く、これを用いた石英坩堝が高い耐熱性を有し不純物が溶出せず、内外の温度勾配の調整が容易であり、さらには、シリカのへたりや劣化が抑制された経済性の石英坩堝とする石英坩堝の原材料を提供できる高純度石英の精製法を提供することである。

課題を解決するための手段

上記目的は以下の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、シリカサンドから石英を精製する方法において、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属を除去する加熱処理工程を含むことを特徴とする高純度石英の精製方法を提供する。

また、本発明は、シリカサンドから石英を精製する方法において、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属を除去する過熱工程とオートクレーブにおける有機酸処理工程とを含むことを特徴とする高純度石英の精製方法を提供する。

さらに、本発明は、シリカサンドから石英を精製する方法において、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属等を除去する加熱工程とオートクレーブにおける有機酸処理工程と、さらに、高温ガス処理工程等を含むことを特徴とする高純度シリカサンドに含まれるアルカリ金属と放射性元素を除去する高温ガス処理工程とを含むことを特徴とする高純度石英の精製方法を提供する。

本発明者は、上記した従来技術の課題を解決すべき鋭意検討の結果、主として鉄（Ｆｅ）が除去された磁力選鉱後のシリカサンドを高温で熱処理することにより、Ｃａ、Ｍｇ等のアルカリ土類金属を含む鉱物をシリカサンドがら分離でき、さらに、その後の塩酸処理後に残存するアルカリ土類金属を、高温のクエン酸、コハク酸及び酢酸等の有機酸を用いて酸処理することによりさらに除去でき、また、Ｕ、Ｔｈ等の放射性元素及びＢ、Ｐ等元素を塩素ガス、塩酸ガス等のハロゲンガスを用いてガス処理及び窒素ガス等不活性ガス処理することにより高純度の石英が得られることを知見して本発明に至った．

次に実施の形態を挙げて本発明をさらに詳細に説明する．
原料に用いるシリカサンドは自然界に存在するシリカサンドの鉱床から得られ、その鉱床により、ブラジル産、インド産、オーストラリア産、中国産、インドネシア産等とそれぞれの国名で区別されている。本発明では、その何れの国のシリカサンドも使用できる。そのなかでも、特に、ブラジル産のシリカサンドはドロマイトの風化が進んだ共存体でペグマタイト系のシリカが少なく、結晶性の良い石英の単結晶あるいは水晶により構成されており、シリカサンドの原材料として好ましく本発明に使用できる。

加熱処理工程では、磁力選鉱後のシリカサンドを高温に晒す。このシリカサンドを高温で処理することにより、晒されたシリカサンドはシリカとドロマイトとの熱膨張の差により、それらの界面にズレが生じ亀裂が発生する。その好適な加熱処理温度は６００〜１３００℃であり、好ましくは９００〜１１００℃である。次いで、塩酸と弗酸が混在する溶液中に浸漬せしめ、酸処理すると、ドロマイトは該溶液中に溶出し、シリカサンドに含まれるＣａ、Ｍｇは除去される。尚、前記各酸の濃度は５〜３５％であり、好ましくは１０〜２０％である。

また、オートクレーブにおける有機酸処理工程では、加熱・酸処理後のシリカサンドをクエン酸、コハク酸及び酢酸等の高温の有機酸溶液中に浸漬せしめる。この処理により、シリカサンドに残存するＣａ、Ｍｇはさらに該溶液中に溶出する。その有機酸溶液の温度は１００〜３００℃であり、好ましくは１６０〜２４０℃である。また、有機酸の濃度は５〜３０％であり、好ましくは１０〜２０％である。

その後、付着あるいは、分離したアルカリ土類のＣａ、Ｍｇ酸化物を浮遊選鉱法で除去した。使用した薬品は、パイン油、ザンセット、ケロシン油など無機薬剤は硫酸、弗酸である。

さらに、高温ガス処理工程では、有機酸処理工程後のシリカサンドを高温の塩素ガス中に晒し、次いで、高温の窒素ガス等の不活性ガス中に晒す。この高温ガス処理により、残存するアルカリ土類金属は減少しさらに、シリカ結晶の表面及びクラックに浮き出た及び結晶中に含まれるＵ、Ｔｈ等の放射性元素は除去される。尚、前記それぞれのガス温度は６００〜１３００℃であり、好ましくはそれぞれ１０００〜１２５０℃ある。また、それぞれの晒し時間は０．１〜２時間であり、好ましくは０．２〜１時間である。

次に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
シリカカサンドは、ブラジル産の鉱石を用い、この鉱石を水洗して乾燥し、粉砕して篩い分けした（３５メッシュ篩下）のものを試料にした。尚、このシリカサンドは一般に高純度シリカとして扱われているペグマタイト系と異なり公知の方法で処理してＸ線回折試験を行なった。その結果このシリカサンドには石英結晶系が強く単結晶の面反射ピークが１箇所にしが出現せず、多結晶質のシリカが含まれないことが確認された（多結晶質のシリカは石英のピークが複数の回折角度に出現する）。

シリカサンドを１２０００Ｇの電磁マグネットを用いて磁力選鉱を行い、さらに、１０％塩酸溶液中に１８時間浸漬した。次いで、該浸漬処理後のシリカサンドを１１５０℃の大気中で１時間加熱した。（以下、処理後のシリカサンドを加熱処理シリカと云う）。

次いで、上記加熱処理シリカを、オートクレーブ中の１０％濃度に調整した有機酸であるクエン酸溶液中に移し、該クエン酸溶液を加熱して２２０℃に保ちながら２４時間浸漬させた。（以下、該高温の有機酸処理後のシリカサンドを有機酸処理シリカと云う）

その後、付着あるいは、分離したアルカリ土類金属の酸化物を浮遊選鉱法で除去した。使用した薬品は、パイン油を補集剤として０．０２％、ザンセット０．０１％、ケロシン油０．３％添加し、無機薬剤は硫酸（１＋１）０．０５％、弗酸３５％を０，０５％添加しアルカリ土類金属を除去した。

さらに、該有機酸処理シリカを、１２００℃に加温した塩酸ガス中に２時間晒した。その後、窒素ガスで２時間晒し付着不純物を除去した。次いで，２０％濃度の塩酸と２０％濃度の弗酸との混合溶液中に１８時間浸漬した。（以下、高温ガス処理後のシリカサンドをガス処理シリカという）。

上記、各行程後のシリカサンドに含まれる各元素について化学分析を行った。尚、化学分析した元素は試料に用いたシリカサンドＸ線回析より選択した。また、シリカの純度はＣａとＭｇとの量に左右されることは明白であることから、主として、ＣａとＭｇの量を確認した。また、有機物の存在は赤外吸収法により確認した。その結果を表１に示す。また、従来法による処理結果を表２に示す。

処理工程による化学分析値を示す。

これらの分析結果（長崎県窯業技術センター及びニッテクリサーチ）から請求項目の処理工程が優れていることがわかる。

シリカサンドに含まれる不純物は各工程を経るに従い減少し、高純度のシリカが得られた。
尚、シリカの純度については、他のブラジル産のシリカサンドについても検討してみたが、シリカの純度が９８％であったものが９９．９９９９％となり、本発明を実施することにより高純度のシリカが得られることが確認できた。
また、ブラジル産シリカサンドがら得られる高純度のシリカは透明性が高く、緻密性・耐熱性が高い傾向を示すことが認められ、これを原材料として得られた石英坩堝はシリカのへたりが少なく、使用回数が増え，経済的であった。

発明の効果

本発明によれば，シリカサンドは各工程を経るに従い石英外の他の元素は減少し、さらには、高温のハロゲンガス処理及び不活性ガス処理により石英結晶中の有機物及び放射性元素が除去され、各用途に好適に適応する高純度の石英が得られる。特に、半導体の製品化に際し用いられる石英坩堝の原材料として、石英の純度が高く、これを原材料として用いた石英坩堝が高い耐熱性を有し不純物が溶出せず、内外の温度勾配の調整が容易であり、さらには、シリカのへたりによる劣化が抑制された経済性のある石英坩堝用原材料の石英を提供できる。

Claims (7)

1. シリカサンドから石英を精製する方法において、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属を除去する加熱処理工程を含むことを特徴とする高純度石英の精製方法。
2. シリカサンドから石英を精製する方法において、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属を除去する加熱処理工程とオートクレーブにおける有機酸処理工程とを含むことを特徴とする高純度石英の精製方法。
3. シリカサンドから石英を精製する方法において、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属を除去する加熱処理工程とオートクレーブにおける有機酸処理工程と、さらに、シリカサンドに含まれるアルカリ土類金属と放射性元素を除去する高温ガス処理工程とを含むことを特徴とする高純度石英の精製方法。
4. シリカサンドがブラジル国産のシリカサンドである請求項１〜３の何れか１項に記載の高純度石英の精製方法。
5. 加熱処理工程における加熱温度が６００〜１３００℃である請求項１〜４の何れか１項に記載の高純度石英の精製方法。
6. 有機酸処理工程において用いる酸がクエン酸、コハク酸、酢酸等の有機酸である請求項２〜５の何れか１項に記載の高純度石英の精製方法。
7. 高温ガス処理工程にハロゲンガス処理工程と不活性ガス処理工程が含まれる請求項３〜６の何れか１項に記載の高純度石英の精製方法。