JP2005298273A - 高純度ＳｉＯ固体の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、スプラッシュ現象を引き起こす粉体原料、もしくは不純物濃度が高い原料を用いても、高純度ＳｉＯ固体の製造が可能な製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】 ＳｉＯ_２を含む原料とＣ又はＳｉを含む原料とを減圧下で加熱し、ＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を冷却し、ＳｉＯ固体を析出させた後、一度析出したＳｉＯ固体を再気化し、別の領域にＳｉＯ固体を再析出させることを特徴とするＳｉＯ固体の製造方法、及び、そのための装置である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、例えば、高純度Ｓｉ製造原料、Ｓｉ系セラミックス製造原料、高分子フィルム蒸着用原料として利用される高純度のＳｉＯ固体を安価に、かつ生産性良く製造する方法および製造装置に関する。

ＳｉＯ固体を製造する際には、Ｓｉを含む原料＋ＳｉＯ_２を含む原料又はＣ＋ＳｉＯ_２を含む原料の組合せで、それぞれ粉体で用いられる場合が多い（例えば、特許文献１、特許文献２）。高純度のＣ粉末は比較的容易に手に入るが、ＳｉやＳｉＯ_２粉末はＳｉＯ気体発生効率を上げるために、一般に市販されている５０〜２００μｍ径の粉末を粉砕し、５０μｍ以下の原料を使用する方法（特許文献３、特許文献４）がある。この場合、粉砕過程での汚染を受ける。また、Ｓｉを含む原料＋ＳｉＯ_２を含む原料又はＣ＋ＳｉＯ_２を含む原料の組合せのいずれの粉末も混練するので、その時の汚染も避けられない。

さらに、原料の粉径が小さくなるほど、スプラッシュ現象により飛散し、析出したＳｉＯ固体への混入の可能性が高くなる。特許文献５においては、スプラッシュ現象によるＳｉＯ固体への原料混入を抑えるため、原料充填箇所とＳｉＯ固体析出箇所との間に、飛散した原料を通さずに、ＳｉＯ気体のみを通過させる遮蔽板を設置すれば、金属不純物濃度が５０ｐｐｍ以下のＳｉＯ固体の製造が可能であるとされている。しかしながら、該発明では、Ｓｉを含む原料として、半導体グレードの高純度Ｓｉウェハーを粉砕したものを使用しているにもかかわらず、ＳｉＯ固体中のＦｅ濃度は８ｐｐｍ以上、さらに、数種類の不純物元素の濃度が１ｐｐｍ以上となっており、原料Ｓｉより純度が低下している。この場合、原料を粉砕する過程で汚染を受けていると考えられる。

一方、ＳｉＯを高純度化する方法として、例えば、特許文献６で開示された方法がある。これはＳｉＯ気体を急冷して得られたＳｉＯ固体を１４００〜１８００℃で加熱した後、再蒸留する方法である。蒸発室と捕集室とからなる装置において、蒸発室に入れられたＳｉＯ固体を該温度に加熱し、捕集室を加熱せずに減圧状態にすると、蒸発室で蒸発したＳｉＯ気体が捕集室に導入され、粉末を形成する。しかし、この方法だと蒸発室の温度で蒸発してしまう不純物も捕集室に導入されることになり、実際に純度９９．９％のＳｉＯしか得られていない。
特開昭６３−１０３８１４号公報 特開平４−８１５２４号公報 特開平６−５７４１７号公報 特開２０００−２６２５７２号公報 特開２００２−１９４５３５号公報 特開昭６０−２１５５１４号公報

上述したように、原料として粉体を使用すると、スプラッシュ現象により原料自身が飛散し、ＳｉＯ固体中に混入することがある。さらに、反応率を高めるために、微細な粉体を用いようとすると、よりその可能性が高くなってしまう。

原料の１つであるＳｉＯ_２粉末は、安価で、高純度のものを比較的容易に入手することが可能である。

Ｓｉ粉末は、純度９８〜９９％程度の金属Ｓｉを用いられることが多い。このＳｉ粉末は、質量分率で数百〜数千ｐｐｍのＦｅ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃａ等の不純物が含まれており、スプラッシュ現象により飛散してＳｉＯ固体中に混入すると、ＳｉＯ中のこれらの不純物濃度が高くなってしまう。半導体グレードのような高純度Ｓｉを用いても、粉砕工程や、ＳｉＯ２粉末との混合工程により汚染を受けてしまうため、同様の問題が起こる。さらに、半導体グレードの高純度Ｓｉを用いた場合、原料コストが高くなるため、大量生産に適した原料とは言えない。

また、高純度Ｃ粉末も容易に入手可能であるが、スプラッシュ現象が起こると、Ｃ自身がＳｉＯ固体中の不純物となってしまう問題がある。

特許文献６で開示された、Ｓｉ原料と酸素気体をプラズマで反応させ、一度ＳｉＯ固体を析出し、さらにＳｉＯを蒸留する方法においては、主たる目的がＳｉとＳｉＯの分離であって、その他の不純物はＳｉＯ中にそのまま残留し、分離されない。

本発明の目的は、スプラッシュ現象を引き起こす粉体原料、もしくは不純物濃度が高い原料を用いても、高純度ＳｉＯ固体の製造が可能な製造方法及び製造装置を提供することである。

本発明者らは、ＳｉＯ_２を含む原料とＣ又はＳｉを含む原料とを減圧下で加熱し、ＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を冷却し、ＳｉＯ固体を析出させる方法において、スプラッシュ現象による原料混入や、原料中の不純物濃度が高くその蒸気圧が高いために不純物元素がＳｉＯ固体に付着混入することが原因となり、ＳｉＯ固体が汚染されても、該ＳｉＯ固体を再気化し、冷却、再析出させることより、高純度のＳｉＯ固体が製造できることを見出した。

本発明の製造方法は、ＳｉＯ_２を含む原料及びＣ又はＳｉを含む原料を減圧下で加熱し、ＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を冷却し、ＳｉＯ固体を析出させることでＳｉＯ固体を製造する方法であって、一度析出したＳｉＯ固体を再気化した後再度冷却し、別の領域にＳｉＯ固体を再析出させることを特徴とするＳｉＯ固体の製造方法である。さらに、該ＳｉＯ固体を再気化し、別の領域へのＳｉＯ固体の再析出を複数回繰り返すことにより、より高純度なＳｉＯ固体の製造が可能である。

また、本発明の製造方法においては、該ＳｉＯを最後に固体析出させる温度を４５０〜１０００℃にすることが望ましい。

本発明の製造装置は、真空ポンプを備えた減圧容器内に、Ｃ又はＳｉを含む原料とＳｉＯ_２を含む原料とを収容する原料容器、該原料容器の加熱手段、Ｃ又はＳｉ原料とＳｉＯ_２を含む原料とから生成するＳｉＯ気体を冷却固化する第一のＳｉＯ析出部、該析出部の加熱手段、および、析出したＳｉＯ固体から生成するＳｉＯ気体を再度冷却固化する第二のＳｉＯ析出部を少なくとも備える。もしくは、該加熱手段を有するＳｉＯ析出部を、複数個備えたＳｉＯ固体の製造装置である。

本発明の製造装置においては、該ＳｉＯ析出部それぞれに排気経路を備え、該原料容器が設置される領域と第一のＳｉＯ析出部の間、各ＳｉＯ析出部同士の間および各ＳｉＯ析出部と該ＳｉＯ析出部の排気経路との間に、気体の流出入を制御する手段を備えていることが望ましい。

本発明のＳｉＯ固体を製造する方法及び装置によれば、スプラッシュ現象が起き易い粉体原料や、不純物濃度が高い原料を用いても、高純度のＳｉＯ固体を製造することが可能である。このことから、高価な高純度原料を使用する必要がなく、低価格の原料の使用が可能なので、低コストで、高純度ＳｉＯ固体を提供することができる。

ＳｉＯ_２を含む原料とＣ又はＳｉを含む原料とからＳｉＯ固体を製造する方法において、原料を減圧下で加熱し、ＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を冷却し、一度、ＳｉＯ固体を析出させた後、該ＳｉＯ固体を減圧下で気化した後再度冷却し、再びＳｉＯ固体を析出させる。

不純物を含んだ原料より発生したＳｉＯ気体中には、原料温度Ｔ_０で、各不純物元素がその濃度に応じた蒸気圧分の気体として含まれる。ある不純物ｎの蒸気圧Ｐ（Ｔ_０）_ｎは、（１）式で表される。

ここで、ｋ_ｎ：マトリックスと不純物ｎとの相互作用で決まる係数、Ｐ（Ｔ_０）_ｎ，ｅｑ：原料温度Ｔ_０での不純物ｎ単体の平衡蒸気圧、Ｎ_ｎ：不純物ｎのモル分率である。

次に、ＳｉＯの析出温度Ｔ_１で、不純物元素気体が単位時間当たりにＳｉＯ固体に付着混入する量ｄＮ／ｄｔは、（２）式で表される。

ここで、α（Ｔ_１）：凝縮係数、Ｐ（Ｔ_１）_ｎ，ｅｑ：析出温度Ｔ_１での不純物ｎ単体の平衡蒸気圧、ｍ：不純物ｎの原子量、ｋ：ボルツマン定数である。

また、下地（この場合ＳｉＯ固体）に入射する不純物元素気体の量に対する、凝縮量の割合である凝縮係数α（Ｔ_１）は析出温度Ｔ_１と過飽和度σに依存する。過飽和度σは、（３）式で表わされる。

例えば、真空蒸着法のように、室温に近い温度Ｔ_１に保持された下地に、金属元素単体を蒸着する場合、（１）式において、Ｐ（Ｔ_０）_ｎ＝Ｐ（Ｔ_０）_ｎ，ｅｑとなるため、過飽和度σも大きく、凝縮係数α（Ｔ_１）＝１とされる場合がある。しかしながら、その場合でも、下地温度が数百℃以上になると凝縮係数は極端に小さくなることが知られている。

一方、本発明の方法のように、原料中に各不純物元素が多量に含まれていない場合には、（１）式においてＰ（Ｔ_０）_ｎ＜Ｐ（Ｔ_０）_ｎ，ｅｑとなり、（３）式において過飽和度σも小さくなる。また、ＳｉＯの析出温度Ｔ_１が数百℃以上ということから、各不純物元素の凝縮係数は１以下と考えられる。したがって、原料から気化した不純物元素全量がＳｉＯ固体に付着混入することはない。

さらに、ＳｉＯ固体の析出温度Ｔ_１が高いほど、凝縮係数α（Ｔ_１）が小さくなるので、（２）式においては、分子の値が小さく、分母の値が大きくなり、ＳｉＯ固体に付着混入する量ｄＮ／ｄｔはより少なくなると考えられる。

不純物を含んだ原料からＳｉＯ気体を経由して析出したＳｉＯ固体中に含まれる不純物濃度は、原料中のそれより低い値になる。次に、一度析出したＳｉＯ固体を最初の原料より純度の高い原料と考えると、これを気化させ、ＳｉＯ固体を再析出させる場合、上記のことから、ＳｉＯ固体中の不純物濃度はさらに低下する。

したがって、ＳｉＯ固体の気化、析出を繰り返すことによって、より高純度のＳｉＯ固体を得ることができる。

本発明の方法を実施するには、ＳｉＯ_２を含む原料＋ＣまたはＳｉＯ_２を含む原料＋Ｓｉを含む原料を収容する原料容器を配置する原料部と、複数のＳｉＯ固体の析出部が必要である。簡単のため、ＳｉＯ固体の析出部が２箇所の場合について説明する。

最初に、減圧下でＳｉＯ_２を含む原料とＣ又はＳｉを含む原料を収容する原料容器を好ましくは１３００℃〜１８００℃に加熱し、ＳｉＯ気体を発生させる。この温度範囲としたのは、１３００℃未満では原料の反応が進まない虞があり、１８００℃超ではＳｉもしくはＳｉＯが存在する環境下で、耐久性を確保できる炉材の確保が困難なためである。

原料より発生したＳｉＯ気体は、好ましくは２００〜１２００℃に保持された第一のＳｉＯ析出部にＳｉＯ固体を冷却固化させる。第一のＳｉＯ析出部に析出しなかったＳｉＯ気体及び原料から気化した不純物気体が、第二のＳｉＯ析出部を通過する場合には、第二のＳｉＯ析出部の温度を予め２００℃以上に設定しておく。

第一のＳｉＯ析出部の温度は、ＳｉＯ固体を純化し、かつ、ＳｉＯ気体からＳｉＯ固体への析出率を高くするためには、特に限定されないが、４５０〜１０００℃がより望ましい。ただし、第一の析出部からＳｉＯ固体を気化し、第二のＳｉＯ析出部にＳｉＯ固体が析出する過程で、ＳｉＯ固体はさらに純化されるため、加熱温度は２００℃以上であれば充分である。一方、１０００℃超の高温にする場合、ＳｉＯ固体の析出率が低下する可能性があるが、ＳｉＯ固体が付着する領域を広くすることで、１２００℃であっても、８０％以上の析出率を確保することが可能である。また、このとき、第二のＳｉＯ析出部の温度を２００℃以上とするのは、不純物気体を付着固化させないためである。

次に、原料からのＳｉＯ気体の発生が終了したら、原料容器の温度を１２００〜１３００℃に下げる。原料温度を１２００〜１３００℃としたのは、１２００℃以下であると、第一のＳｉＯ析出部から気化したＳｉＯが原料部に析出する可能性があることと、原料が残存して、不純物気体が発生する場合にも、１３００℃ではその発生が微量であるため、第二のＳｉＯ析出部に不純物気体は付着固化しないからである。

その後、第一のＳｉＯ析出部を１３００℃以上に加熱し、ＳｉＯ気体を再発生させ、好ましくは温度が４５０〜１０００℃に設定された第二のＳｉＯ析出部にＳｉＯ固体を再析出させる。ＳｉＯ気体を再発生させる際の第一のＳｉＯ析出部の加熱温度の上限は、析出部の材質の耐熱性により決まる。例えば、析出部が石英製の場合では１５００℃が上限であり、カーボン製の場合では１８００℃が上限となる。

さらに、精密にＳｉＯ固体を純化するために、第一のＳｉＯ析出部と第二のＳｉＯ析出部それぞれに排気経路を備えることが有効である。原料容器が設置される空間と第一のＳｉＯ析出部の間、第一のＳｉＯ析出部と第二のＳｉＯ析出部の間および、第一の析出部とその排気経路の間に、気体の流出入を制御する手段を備えることが有効である。

原料よりＳｉＯ気体を気化させ、第一のＳｉＯ析出部にＳｉＯ固体を冷却固化させる際に、第一のＳｉＯ析出部と第二のＳｉＯ析出部の間を遮断し、第一の析出部とその排気経路の間を開放することにより、原料から発生した不純物気体は、第二のＳｉＯ析出部に流入することなく、排気経路に流れ込む。

次に、第一のＳｉＯ析出部よりＳｉＯを気化させる際には、原料と第一のＳｉＯ析出部の間および第一のＳｉＯ析出部とその排気経路の間を遮断し、第一と第二のＳｉＯ析出部の間を開放にすることで、原料からの不純物気体を流入させること無く、ＳｉＯ気体を第二のＳｉＯ析出部に冷却固化することができる。

上述した方法によるＳｉＯ固体製造を可能にする装置は、真空ポンプを備えた減圧容器内に、ＣまたはＳｉを含む原料とＳｉＯ_２を含む原料とを収容する原料容器、該原料容器の加熱手段、Ｃ又はＳｉを含む原料とＳｉＯ_２を含む原料とから生成するＳｉＯ気体を冷却固化する第一のＳｉＯ析出部、該析出部の加熱手段、および、析出したＳｉＯ固体から生成するＳｉＯ気体を再度冷却固化する第二のＳｉＯ析出部を少なくとも備えること特徴としたＳｉＯ固体の製造装置である。

図１は、本発明のＳｉＯ固体製造装置の一例である。

図１に示された本発明のＳｉＯ固体製造装置は、容器内を少なくともＳｉＯの蒸気圧以下に減圧できる能力を持つ真空ポンプを備えた減圧容器内に、原料１を収容する原料容器２を入れる原料部３と、原料より気化したＳｉＯ気体を最初に析出固化させる第一のＳｉＯ析出部４と、ＳｉＯ固体を回収する第二のＳｉＯ析出部５と、排気口１０とで構成されている。

原料部３と第一のＳｉＯ析出部４にはそれぞれヒータ６とヒータ７が設置されており、それぞれのヒータは、原料１又は第一のＳｉＯ析出部４を、１３００℃以上に加熱できるようになっている。

第二のＳｉＯ析出部５は、原料部３や第一の析出部４からの輻射、ＳｉＯ気体の持つ熱エネルギー、およびＳｉＯの凝縮熱により加熱される。それらを加味し、素材の熱伝導率や厚みを最適化した断熱材９を具備することにより、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を析出させる際には、第二のＳｉＯ析出部５は２００℃以上に、第二のＳｉＯ析出部５にＳｉＯ固体を析出させる際には４５０〜１０００℃の範囲に制御することができる。しかしながら、ＳｉＯを大量生産する場合には、ＳｉＯの凝縮熱が大きいため、逆に第二のＳｉＯ析出部５には、冷却装置を設置することが必要となる。また、ヒータが具備されたＳｉＯ析出部を第一のＳｉＯ析出部４と第二のＳｉＯ析出部５の間に増設すれば、ＳｉＯ固体の再気化、再析出を複数回行うことができる。

より精密にＳｉＯ固体中の不純物除去が可能な装置は、各ＳｉＯ析出部それぞれに排気経路を備え、原料容器が設置される領域と第一のＳｉＯ析出部の間、各ＳｉＯ析出部同士の間および、各ＳｉＯ析出部とその排気経路の間に、気体の流出入を遮断する手段を備えるＳｉＯ固体の製造装置である。

図２は、本発明のＳｉＯ固体製造装置の別の一例である。図２および図３において、同一の符号が付された部位は図１と同様の部材である。

図２および図３に示された本発明のＳｉＯ固体製造装置では、各ＳｉＯ析出部には不純物排気口１１と不純物排気口１２が、原料部３と第一のＳｉＯ析出部４の間にはシャッター１３が、第一のＳｉＯ析出部４と第二のＳｉＯ析出部５との間にはシャッター１４が、第一のＳｉＯ析出部４と不純物排気口１１との間にはシャッター１５が設置されている。不純物排気口１１と不純物排気口１２は、それぞれ他のＳｉＯ析出部に気体が流入しないよう設計され、気体の流出入の制御は、穴の開いた仕切り板にシャッターを押し付けたり、離したりすることで、各領域間の気体の流れを止めたり、開放にすることができる。

最初に原料からＳｉＯ気体を発生させ、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯを冷却固化させる場合、シャッター１３を開、シャッター１４を閉、シャッター１５を開にすれば、原料から発生した不純物気体が第二のＳｉＯ析出部５に流入することはない。次に、第一のＳｉＯ析出部４からＳｉＯ固体を再気化する際には、シャッター１３を閉、シャッター１４を開、シャッター１５を閉とすることにより、原料部から不純物気体が流入することなく、再気化されたＳｉＯ気体を第二のＳｉＯ析出部５に再析出することができる。

さらに、図３に示した本発明のＳｉＯ固体製造装置を用いれば、ＳｉＯ固体の再気化、再析出を複数回行うことが可能である。

原料からＳｉＯ気体を発生させる際、シャッター１３、シャッター１４、シャッター１５、シャッター１７を開、シャッター１６を閉にすれば、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯが冷却固化され、不純物排気口１１を通じて不純物は排気される。次に、シャッター１４、シャッター１６、シャッター１７を開、シャッター１３、シャッター１５を閉にし、ヒータ７により第一のＳｉＯ析出部４を１３００〜１８００℃に加熱し、ＳｉＯ固体を全量気化させ、第二のＳｉＯ析出部５にＳｉＯ固体を冷却固化させる。逆に、ＳｉＯ固体を第二のＳｉＯ析出部５から全量気化させ、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を冷却固化させることも可能である。ＳｉＯ固体を複数回析出させる際の最終回の析出温度は、４５０〜１０００℃が好ましい。

（実施例１）
図１の装置を用い、本発明を実施した。

直径１２０ｍｍ、深さ３００ｍｍのカーボン製原料容器２に平均粉径５０μｍのＳｉ粉３００ｇと平均粉径２００μｍのケイ砂７００ｇを均一になるように混合して充填し、原料部３に装入した。各原料の不純物濃度は、表１に示す通りである。

第一のＳｉＯ析出部４には直径１１０ｍｍ、長さ８００ｍｍのカーボン製析出容器を、第二のＳｉＯ析出部５には嵩密度１００ｋｇ／ｍ^３、厚さ２０ｍｍのカーボン製断熱材９が装着された直径８０ｍｍ、長さ５００ｍｍの石英製容器を設置した。

最初に、真空容器内を真空ポンプで排気口１０より圧力が１Ｐａ以下になるまで排気した後、ヒータ６により原料部３の昇温を開始した。

原料部３の温度が１５００℃になるまで昇温し、Ｓｉ粉とケイ砂の反応によりＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を第一のＳｉＯ析出部４に析出させた。このとき、第一のＳｉＯ析出部４と第二のＳｉＯ析出部５の温度分布はそれぞれ５００〜７００℃、２００〜４００℃であった。

所定の時間、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を冷却固化した後、原料からのＳｉＯ気体の発生を停止するために、原料部３を１３００℃まで降温した。

次に、第一のＳｉＯ析出部４の昇温を開始し、１３００℃になった時点で温度を保持し、第一のＳｉＯ析出部４のＳｉＯ固体を気化させ、５００〜７００℃の温度範囲に制御された第二のＳｉＯ析出部５にＳｉＯ固体を再析出させた。

実験後、原料容器２内には、最初に充填した量の２０％の原料が残存し、ＳｉＯ気化時に原料容器２外に突沸したと思われる原料が、原料部３の底部に堆積していた。得られたＳｉＯの不純物濃度は表１に示される通りであった。

（実施例２）
図２の装置を用い、本発明を実施した。

直径１２０ｍｍ、深さ３００ｍｍのカーボン製原料容器２に平均粉径５０μｍのＳｉ粉３００ｇと平均粉径２００μｍのケイ砂７００ｇを均一になる様に混合して充填し、原料部３に装入した。各原料は、実施例１と同じものを使用した。

第一のＳｉＯ析出部４には直径１１０ｍｍ、長さ８００ｍｍのカーボン製析出容器を、第二のＳｉＯ析出部５には、嵩密度１００ｋｇ／ｍ^３、厚さ１０ｍｍのカーボン製断熱材９が装着された直径１００ｍｍ、長さ５００ｍｍの石英製容器を設置した。

最初に、カーボン製シャッター１３とシャッター１５を開、カーボン製シャッター１４を閉にして、真空容器内を真空ポンプで排気口１０より圧力が１Ｐａ以下になるまで排気した後、ヒータ８によりシャッター１４とシャッター１５がある領域を１３００℃に、ヒータ６により原料部３を１２００℃に昇温した。

次に、原料部３を１５００℃まで昇温し、Ｓｉ粉とケイ砂の反応によりＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を第一のＳｉＯ析出部４に析出させた。このとき、第一のＳｉＯ析出部４の温度分布は６００〜８００℃であり、第一のＳｉＯ析出部４に付着固化しない不純物気体は不純物排気口１１を経由して、系外に排出される。

所定の時間、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を冷却固化した後、原料からのＳｉＯ気体の発生を停止するために、原料部３を１３００℃まで降温し、さらに、シャッター１３を閉にした。

次に、シャッター１５を閉にし、シャッター１４を開にして、該シャッターがある領域を１５００℃まで昇温し、第一のＳｉＯ析出部４の昇温を開始した。１５００℃になった時点で温度を保持し、第一のＳｉＯ析出部４のＳｉＯ固体を気化させ、６００〜８００℃の温度範囲になった第二のＳｉＯ析出部５にＳｉＯ固体を再析出させた。

実験後、原料容器２内には、最初に充填した量の２０％の原料が残存し、ＳｉＯ気化時に原料容器２外に突沸したと思われる原料が、原料部３の底部に堆積していた。得られたＳｉＯの不純物濃度は表１に示される通りであった。

（実施例３）
図２の装置を用い、本発明を実施した。

直径１２０ｍｍ、深さ３００ｍｍのカーボン製原料容器２に、３〜７ｍｍのケイ石粒を１．２ｋｇと、１０〜５０ｍｍのＳｉ粒を０．６ｋｇとを混合して充填し、原料部３に装入した。各原料の不純物濃度は、表１に示す通りである。

第一のＳｉＯ析出部４には直径１１０ｍｍ、長さ８００ｍｍのカーボン製析出容器を、第二のＳｉＯ析出部５には、嵩密度１００ｋｇ／ｍ^３、厚さ１０ｍｍのカーボン製断熱材９が装着された直径１００ｍｍ、長さ５００ｍｍの石英製容器を設置した。

最初に、カーボン製シャッター１３とシャッター１５を開、カーボン製シャッター１４を閉にして、真空容器内を真空ポンプで排気口１０より圧力が１Ｐａ以下になるまで排気した後、ヒータ８によりシャッター１４とシャッター１５がある領域を１３００℃に、ヒータ６により原料部３を１３００℃に昇温した。

次に、原料部３の温度が１６００℃になるまで昇温し、溶解したＳｉ融液とケイ石粒の反応によりＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を第一のＳｉＯ析出部４に析出させた。

このとき、第一のＳｉＯ析出部４の温度分布は６００〜８５０℃であり、第一のＳｉＯ析出部４に付着固化しない不純物気体は不純物排気口１１を経由して、系外に排出される。所定の時間、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を冷却固化した後、原料からのＳｉＯ気体の発生を停止するために、原料部３を１３００℃まで降温し、さらに、シャッター１３を閉にした。

次に、シャッター１５を閉にし、シャッター１４を開にして、該シャッターがある領域を１５００℃まで昇温し、第一のＳｉＯ析出部４の昇温を開始した。１５００℃になった時点で温度を保持し、第一のＳｉＯ析出部４のＳｉＯ固体を気化させ、６００〜８００℃の温度範囲になった第二のＳｉＯ析出部５にＳｉＯ固体を再析出させた。得られたＳｉＯの不純物濃度は、表１に示される通りであった。この実験においては、原料として粉体を用いておらず、Ｓｉ原料が融液化するため、原料の飛散は起こらなかった。

（実施例４）
図３の装置を用い、本発明を実施した。

直径１２０ｍｍ、深さ３００ｍｍのカーボン製反応原料容器２に平均粉径５０μｍのＳｉ粉３００ｇと平均粉径２００μｍのケイ砂７００ｇを均一になるように混合して充填し、原料部３に装入した。各原料は、実施例１と同じものを使用した。

第一のＳｉＯ析出部４と第二のＳｉＯ析出部５には、直径１００ｍｍ、長さ５００ｍｍの石英製容器を設置した。

最初に、カーボン製シャッター１３〜１７を開にして、真空容器内を真空ポンプで不純物排気口１１、不純物排気口１２より圧力が１Ｐａ以下になるまで排気した後、ヒータ７とヒータ８により、第一のＳｉＯ析出部４と第二のＳｉＯ析出部５をそれぞれ５００℃に、ヒータ６により、原料部３を１２００℃に昇温した。

次に、シャッター１６を閉にして、原料部３を１５００℃になるまで昇温し、Ｓｉ粉とケイ砂の反応によりＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を第一のＳｉＯ析出部４に析出させた。このとき、ヒータ７により第一のＳｉＯ析出部４の温度分布が５００〜８００℃になるよう調節した。第一のＳｉＯ析出部４に付着固化しない不純物気体は不純物排気口１１を経由して、系外に排出される。

所定の時間、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を冷却固化した後、原料からのＳｉＯ気体の発生を停止するために、原料部３を１３００℃まで降温し、シャッター１３を閉にした。次に、シャッター１５を閉にし、シャッター１４、シャッター１６、シャッター１７を開にして、第一のＳｉＯ析出部４を１５００℃まで昇温した。

第一のＳｉＯ析出部４のＳｉＯ固体を気化させ、５００〜８００℃の温度範囲に制御された第二のＳｉＯ析出部５にＳｉＯ固体を再析出させた。今度は、第一のＳｉＯ析出部４の温度を５００℃まで下げ、シャッター１４〜１６を開、シャッター１７を閉にして、第二のＳｉＯ析出部５を１５００℃まで昇温、ＳｉＯ固体を気化させ、５００〜８００℃の温度範囲に制御された第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を再析出させた。

さらにもう一度、第一のＳｉＯ析出部４のＳｉＯ固体を再気化し、第二のＳｉＯ析出部５に再析出させ、実験を終了した。原料容器２内には、最初に充填した量の２０％の原料が残存し、ＳｉＯ気化時に原料容器２外に突沸したと思われる原料が、原料部３の底部に堆積していた。得られたＳｉＯの不純物濃度は、表１に示される通りであった。

（比較例１）
図１の装置から第二のＳｉＯ析出部５と断熱材を取り除いた装置を用い、比較実験を実施した。

直径１２０ｍｍ、深さ３００ｍｍのカーボン製原料容器２に、平均粉径５０μｍのＳｉ粉３００ｇと平均粉径２００μｍのケイ砂７００ｇを均一になるように混合して充填し、原料部３に装入した。各原料は、実施例１と同じものを使用した。第一のＳｉＯ析出部４には直径１１０ｍｍ、長さ８００ｍｍの石英製析出容器を設置した。

最初に、真空容器内を真空ポンプで排気口１０より圧力が１Ｐａ以下になるまで排気した後、ヒータ７により第一のＳｉＯ析出部４を、ヒータ６により原料部３の昇温を開始した。

原料部３の温度が１５００℃になるまで昇温し、Ｓｉ粉とケイ砂の反応によりＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を第一のＳｉＯ析出部４に析出させた。このとき、第一のＳｉＯ析出部４の温度分布が５００〜７００℃になるようにヒータ７のパワーを調整した。

所定の時間、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を冷却固化した後、第一のＳｉＯ析出部４の温度を該温度分布に保持しながら、原料からのＳｉＯ気体の発生を停止するためにヒータ６をオフにした。原料部３が１３００℃以下になった時点で、ヒータ７のパワーもオフにした。

実験終了後、第一のＳｉＯ析出部４からＳｉＯを回収し、得られたＳｉＯの不純物濃度は表１に示される通りであった。この場合も、原料容器２内には、最初に充填した量の２０％の原料が残存し、ＳｉＯ気化時に原料容器２外に突沸したと思われる原料が、原料部３の底部に堆積していた。

（比較例２）
比較例１と同じ装置を用いて実施した。

直径１２０ｍｍ、深さ３００ｍｍのカーボン製反応原料容器２に、３〜７ｍｍのケイ石粒を１．２ｋｇと、１０〜５０ｍｍのＳｉ粒を０．６ｋｇとを混合して充填し、原料部３に装入した。各原料は、実施例３と同じものを使用した。

第一のＳｉＯ析出部４には直径１１０ｍｍ、長さ８００ｍｍの石英製析出容器を設置した。

最初に、真空容器内を真空ポンプで排気口１０より圧力が１Ｐａ以下になるまで排気した後、ヒータ７により第一のＳｉＯ析出部４を、ヒータ６により原料部３の昇温を開始した。原料部３の温度が１６００℃になるまで昇温し、溶解したＳｉとケイ石粒の反応によりＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を第一のＳｉＯ析出部４に析出させた。このとき、第一のＳｉＯ析出部４の温度分布が５００〜７００℃になるようにヒータ７のパワーを調整した。

所定の時間、第一のＳｉＯ析出部４にＳｉＯ固体を冷却固化した後、第一のＳｉＯ析出部４の温度を該温度分布に保持しながら、原料からのＳｉＯ気体の発生を停止するためにヒータ６をオフにした。

原料部３が１３００℃以下になった時点で、ヒータ７のパワーもオフにした。得られたＳｉＯの不純物濃度は、表１に示される通りであった。この実験においては、原料として粉体を用いておらず、Ｓｉ原料が融液化するため、原料の飛散は起こらなかった。

表１の結果より、粉体原料を用い、原料の飛散が生じた場合でも、一度析出したＳｉＯ固体を再気化し、４５０〜１０００℃の温度に設定された別の領域にＳｉＯ固体を再析出させることにより、ＳｉＯ固体中の不純物濃度が充分低下することがわかった。

また、実施例１と実施例２および実施例４とを比較すると、実施例２および実施例４の方が、各不純物濃度が低くなっており、気体の流出入を制御するシャッターを有効に活用することにより、ＳｉＯ固体中の不純物濃度をより低下させられたことが示された。

さらに、原料飛散が起らないＳｉ融液とケイ石粒を用いた場合、一度析出したＳｉＯ固体の不純物濃度は比較的低いが、本発明を実施することにより、さらに高純度なＳｉＯを得られることが判明した。

本発明を実施するＳｉＯ固体製造装置の概念図である。 本発明を実施する他のＳｉＯ固体製造装置の概念図である。 本発明を実施する別のＳｉＯ固体製造装置の概念図である。

符号の説明

１ 原料
２ 原料容器
３ 原料部
４ 第一のＳｉＯ析出部
５ 第二のＳｉＯ析出部
６〜８ ヒータ
９ 断熱材
１０ 排気口
１１ 不純物排気口
１２ 不純物排気口
１３〜１７ シャッター

Claims (6)

1. ＳｉＯ_２を含む原料とＣ又はＳｉを含む原料とを減圧下で加熱し、ＳｉＯ気体を発生させ、該ＳｉＯ気体を冷却し、固体を析出させることでＳｉＯ固体を製造する方法であって、一度析出したＳｉＯ固体を再気化した後再度冷却し、別の領域にＳｉＯ固体を再析出させることを特徴とするＳｉＯ固体の製造方法。
2. 該ＳｉＯ固体を再気化し、別の領域へのＳｉＯ固体の再析出を複数回繰り返す請求項１に記載のＳｉＯ固体の製造方法。
3. 該ＳｉＯ固体を最後に固体析出させる温度が４５０〜１０００℃である請求項１または２に記載のＳｉＯ固体の製造方法。
4. 真空ポンプを備えた減圧容器内に、Ｃ又はＳｉを含む原料とＳｉＯ_２を含む原料とを収容する原料容器、該原料容器の加熱手段、Ｃ又はＳｉを含む原料とＳｉＯ_２を含む原料とから生成するＳｉＯ気体を冷却固化する第一のＳｉＯ析出部、該析出部の加熱手段、および、析出したＳｉＯ固体から生成するＳｉＯ気体を再度冷却固化する第二のＳｉＯ析出部を少なくとも備えることを特徴とするＳｉＯ固体の製造装置。
5. 該加熱手段を有するＳｉＯ析出部を複数個備えた請求項４に記載のＳｉＯ固体の製造装置。
6. 該ＳｉＯ析出部それぞれに排気経路を備え、該原料容器が設置される領域と第一のＳｉＯ析出部との間、各ＳｉＯ析出部同士の間および各ＳｉＯ析出部と該ＳｉＯ析出部の排気経路との間に、気体の流出入を制御する手段を備える請求項４または５に記載のＳｉＯ固体の製造装置。

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