JP2010111524A - Silica container and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリカを主な構成成分とするシリカ容器及びその製造方法に関し、特には、低コスト、高寸法精度、高耐久性のシリカ容器及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a silica container mainly composed of silica and a method for producing the same, and more particularly to a low-cost, high dimensional accuracy, high durability silica container and a method for producing the same.
シリカガラスは大規模集積回路(LSI)製造用投影露光装置(リソグラフィー装置)のレンズ、プリズム、フォトマスクやディスプレイ用TFT基板、ランプ用チューブ、窓材、反射板、半導体工業用洗浄容器、半導体工業用治具、及びシリコン半導体溶融容器等の材料として用いられている。しかしながら、これらシリカガラスの原料としては高価な四塩化ケイ素等の化合物や高純度化処理された石英粉を用いなければならず、またシリカガラス溶融温度や加工温度は約2000℃と著しく高温であるため、エネルギー消費量が多く地球温暖化ガスの1つとして考えられる二酸化炭素の大量排出を引き起してしまう。
そこでその対策の1つとして従来、比較的安価な粉体原料又はシリカ化合物等を用いたシリカガラスの製造方法が考えられてきた。
Silica glass is a lens for projection exposure equipment (lithography equipment) for manufacturing large-scale integrated circuits (LSIs), prisms, photomasks and TFT substrates for displays, lamp tubes, window materials, reflectors, semiconductor industry cleaning containers, and semiconductor industry. It is used as a material for jigs and silicon semiconductor melting containers. However, as raw materials for these silica glasses, expensive compounds such as silicon tetrachloride and highly purified quartz powder must be used, and the silica glass melting temperature and processing temperature are extremely high, about 2000 ° C. Therefore, a large amount of energy is consumed, and a large amount of carbon dioxide, which is considered as one of the global warming gases, is caused.
Therefore, as one of the countermeasures, conventionally, a method for producing silica glass using a relatively inexpensive powder raw material or silica compound has been considered.
例えば特許文献1では、シリコンアルコキシドを加水分解してシリカゾルとし、次いでゲル化させてウエットゲルとし、乾燥によりドライゲルとし、最後に高温焼成により透明ガラス体を得る方法(ゾル−ゲル法)が示されている。また特許文献2では、テトラメトキシシランもしくは、テトラエトキシシランと、シリカ微粒子を含むシリカゾル溶液とから構成されるシリカゾル混合溶液から、ゾル−ゲル法によって透明シリカガラスを得る方法が示されている。また、特許文献3では、シリコンアルコキシド及びシリカ微粒子を主原料として、透明シリカガラスを製造する方法において、200℃〜1300℃未満の加熱処理は酸素ガス含有雰囲気で行い、更に1700℃以上に昇温させる加熱処理を水素ガス含有雰囲気で行い、かつ前記2つの加熱処理の間に減圧雰囲気加熱処理を行うことが示されている。
しかし、これら従来のゾル−ゲル法では、作製されたシリカガラスの寸法精度や耐久性に問題があるばかりではなく、高温下での焼成工程が必要なことからエネルギーコストの面でもそれほど安価ではなかった。
For example,
However, these conventional sol-gel methods not only have problems in the dimensional accuracy and durability of the produced silica glass, but also require a baking process at a high temperature, so they are not so cheap in terms of energy cost. It was.
また、例えば特許文献4では、少なくとも2つの異なるシリカガラス粒子、例えばシリカガラス微粉末とシリカガラス粒を混合して水含有懸濁液とし、次いで加圧成形し、乾燥後に高温下で焼結してシリカ含有複合体を得る方法(スリップキャスト法)が示されている。また、特許文献5では、100μm以下のサイズのシリカガラス粒子と100μm以上のサイズのシリカガラス顆粒を含有する混合水溶液(スリップ)の作製、成形型枠への注入、次いで乾燥、焼結により不透明シリカガラス複合材を作製する方法が示されている。
しかし、これら従来のスリップキャスト法では、乾燥工程や焼結工程での水分の大量蒸発による成形体の収縮が大きく、寸法精度の高い肉厚のシリカガラス成形体を作ることは出来なかった。
Also, for example, in
However, these conventional slip casting methods have a large shrinkage of the molded product due to mass evaporation of moisture in the drying process and the sintering process, and it has not been possible to produce a thick silica glass molded product with high dimensional accuracy.
本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、高寸法精度、高耐久性の、シリカを主な構成成分とするシリカ容器を、安価な比較的低品位のシリカ粉体を主原料として、投入エネルギー量を少なく、低コストで製造するためのシリカ容器の製造方法、並びにこのようなシリカ容器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. A silica container mainly composed of silica having high dimensional accuracy and high durability is used as a main raw material. An object of the present invention is to provide a method for producing a silica container for producing at low cost with a small amount of input energy, and to provide such a silica container.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、シリカを主な構成成分とし、回転対称性を有するシリカ容器の製造方法であって、少なくとも、
(1)骨材となるシリカ粒子である第一の原料粉、非晶質シリカからなり、平均粒径が前記第一の原料粉の平均粒径よりも小さく、球状である第二の原料粉、主成分がシリカであり、アルミニウム元素及び/又はOH基を含有することとシリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物粉を含有することとの少なくとも一方を満足する第三の原料粉、及び、結晶質シリカからなり、前記第一の原料粉及び前記第二の原料粉よりもシリカ純度が高い第四の原料粉を準備する工程と、
(2)前記第二の原料粉を、少なくとも有機質バインダー及び純水と混合して混合スラリーとし、該混合スラリーを乾燥させることにより、バインダーコーティングされた顆粒体を作製する工程と、
(3)前記第一の原料粉と前記第二の原料粉から作製した顆粒体とを混合して混合粉体を作製する工程と、
(4)前記混合粉体を、回転対称性を有する外型枠の内壁に導入し、前記外型枠を回転させながら、前記混合粉体を前記外型枠に応じた所定形状とする工程と、
(5)前記所定形状とした混合粉体を、前記外型枠と内型枠とで挟み、該混合粉体を加圧することにより基体を成形する加圧成形工程と、
(6)前記基体を酸素含有雰囲気下で焼成することにより該基体を不透明シリカ層からなるものとし、該焼成した基体を少なくとも徐冷点から歪点までの温度域を徐冷して歪除去する工程と、
(7)前記基体の内側から前記第三の原料粉を散布して供給しながら前記基体の内側に配置した加熱源により溶融することで、前記基体の内表面上に、シリカガラスからなる中間層を形成する工程と、
(8)前記中間層が形成された基体の内側から前記第四の原料粉を散布して供給しながら前記中間層が形成された基体の内側に配置した加熱源により溶融することで、前記中間層の内表面上に、透明シリカガラスからなる内側層を形成する工程と
を有し、前記(5)の工程終了後に、前記(6)の工程と、前記(7)及び(8)の工程とを順不同で行うことを特徴とするシリカ容器の製造方法を提供する(請求項1)。
The present invention was made in order to solve the above problems, and is a method for producing a silica container having silica as a main component and having rotational symmetry,
(1) First raw material powder that is silica particles to be an aggregate, second raw material powder that is made of amorphous silica and has an average particle size smaller than the average particle size of the first raw material powder and is spherical. And a third raw material satisfying at least one of the main component being silica, containing an aluminum element and / or an OH group, and containing a compound powder serving as a crystal nucleus material for crystallization of silica glass. A step of preparing a fourth raw material powder consisting of powder and crystalline silica and having a higher silica purity than the first raw material powder and the second raw material powder;
(2) A step of preparing a binder-coated granule by mixing the second raw material powder with at least an organic binder and pure water to form a mixed slurry, and drying the mixed slurry;
(3) a step of preparing a mixed powder by mixing the first raw material powder and a granule prepared from the second raw material powder;
(4) introducing the mixed powder into an inner wall of an outer mold frame having rotational symmetry, and making the mixed powder a predetermined shape according to the outer mold frame while rotating the outer mold frame; ,
(5) A pressure forming step of forming the base by sandwiching the mixed powder having the predetermined shape between the outer mold frame and the inner mold frame, and pressing the mixed powder;
(6) The base body is made of an opaque silica layer by firing the base body in an oxygen-containing atmosphere, and the fired base body is gradually cooled at least in the temperature range from the slow cooling point to the strain point to remove the strain. Process,
(7) An intermediate layer made of silica glass is melted on the inner surface of the substrate by melting with a heating source disposed inside the substrate while the third raw material powder is dispersed and supplied from the inside of the substrate. Forming a step;
(8) While the fourth raw material powder is dispersed and supplied from the inside of the substrate on which the intermediate layer is formed, the intermediate material is melted by a heating source disposed on the inside of the substrate on which the intermediate layer is formed. Forming an inner layer made of transparent silica glass on the inner surface of the layer, and after the step (5), the step (6) and the steps (7) and (8) A method for producing a silica container is provided, wherein the steps are performed in any order (Claim 1).
このような工程によるシリカ容器の製造方法であれば、収容する内容物への不純物汚染を十分に防止できる能力を有し、高寸法精度、高耐久性、特に耐熱変形性を有するシリカ容器を、少ないエネルギー消費量で、高生産性かつ低コストで製造することができる。 If it is a manufacturing method of a silica container by such a process, it has the ability to sufficiently prevent impurities contamination to the contents to be stored, a silica container having high dimensional accuracy, high durability, particularly heat distortion resistance, With low energy consumption, it can be manufactured with high productivity and low cost.
この場合、前記第三の原料粉に含有するアルミニウム元素及びOH基の合計濃度を50〜5000wt.ppmとすることが好ましい(請求項2)。また、前記第三の原料粉に含有する結晶核材となる化合物粉の割合を、50〜5000wt.ppmとすることが好ましい(請求項3)。 In this case, the total concentration of aluminum elements and OH groups contained in the third raw material powder is 50 to 5000 wt. It is preferable to set it as ppm (Claim 2). Moreover, the ratio of the compound powder used as the crystal nucleus material contained in said 3rd raw material powder is 50-5000 wt. It is preferable to set it as ppm (Claim 3).
このように、第三の原料粉に、アルミニウム元素及び/又はOH基を含有する場合には、第三の原料粉に含有するアルミニウム元素及びOH基の合計濃度を50〜5000wt.ppmとし、シリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物粉を含有する場合には、第三の原料粉に含有する結晶核材となる化合物粉の割合を、50〜5000wt.ppmとすれば、製造したシリカ容器を使用する際に、シリカ容器の、特に基体に含まれる不純物の拡散をより効果的に防ぐことができる。その結果、シリカ容器に収容する内容物への不純物汚染をより効果的に防止することができる。 Thus, when the third raw material powder contains an aluminum element and / or OH group, the total concentration of the aluminum element and OH group contained in the third raw material powder is 50 to 5000 wt. In the case of containing the compound powder that becomes the crystal nucleus material for crystallization of silica glass, the ratio of the compound powder that becomes the crystal nucleus material contained in the third raw material powder is 50 to 5000 wt. If it is set as ppm, when using the manufactured silica container, the spreading | diffusion of the impurity contained in a silica container, especially a base | substrate can be prevented more effectively. As a result, it is possible to more effectively prevent impurity contamination of the contents accommodated in the silica container.
また、上記のいずれかのシリカ容器の製造方法において、さらに、前記内側層の表面にカルシウム、ストロンチウム、バリウムの少なくとも一種を含む溶液を塗布する工程を有することが好ましい(請求項4)。そしてこの場合、前記内側層の表面に塗布する溶液中のカルシウム、ストロンチウム、バリウムの合計濃度を、5〜500μg/cm2とすることが好ましい(請求項5)。 In any one of the above-described methods for producing a silica container, it is preferable that the method further includes a step of applying a solution containing at least one of calcium, strontium, and barium to the surface of the inner layer. And in this case, calcium solution is applied to the surface of the inner layer, strontium, the total concentration of the barium, it is preferable that the 5~500μg / cm 2 (Claim 5).
このように、本発明のシリカ容器の製造方法において、内側層の表面にカルシウム、ストロンチウム、バリウムの少なくとも一種を含む溶液を塗布する工程を有するものとすれば、内側層の表面にこれらの元素を含む塗布層が形成される。このような塗布層により、1300〜1600℃程度の温度下で内側層を構成する透明シリカガラス層が再結晶化し、収容する内容物への不純物汚染をより低減させることができるとともに、シリカガラス表面のエッチングや溶解を抑制することができる。また、特に上記のような濃度であればさらに効果的である。 Thus, in the method for producing a silica container of the present invention, if the step of applying a solution containing at least one of calcium, strontium, and barium is applied to the surface of the inner layer, these elements are added to the surface of the inner layer. A coating layer containing is formed. With such a coating layer, the transparent silica glass layer constituting the inner layer can be recrystallized at a temperature of about 1300 to 1600 ° C., and the contamination of the contents contained therein can be further reduced, and the silica glass surface Etching and dissolution can be suppressed. In particular, the above concentration is more effective.
また、本発明に係るシリカ容器の製造方法では、前記第四の原料粉にカルシウム、ストロンチウム、バリウムの少なくとも一種を含有させる工程を有することが好ましい(請求項6)。そしてこの場合、前記第四の原料粉に含有させるカルシウム、ストロンチウム、バリウムの合計濃度を、50〜5000wt.ppmとすることが好ましい(請求項7)。 Moreover, in the manufacturing method of the silica container which concerns on this invention, it is preferable to have a process which makes the said 4th raw material powder contain at least 1 type of calcium, strontium, and barium (Claim 6). In this case, the total concentration of calcium, strontium, and barium contained in the fourth raw material powder is 50 to 5000 wt. It is preferable to set it as ppm (Claim 7).
このように、第四の原料粉にカルシウム、ストロンチウム、バリウムの少なくとも一種を含有させる工程を有するものとすれば、製造したシリカ容器の内側層にこれらの元素を含有させることができる。このことによっても、1300〜1600℃程度の温度下で内側層を構成する透明シリカガラス層を再結晶化することができる。また、特に上記のような濃度であればさらに効果的である。 As described above, if the fourth raw material powder has a step of containing at least one of calcium, strontium, and barium, these elements can be contained in the inner layer of the manufactured silica container. Also by this, the transparent silica glass layer which comprises an inner layer can be recrystallized under the temperature of about 1300-1600 degreeC. In particular, the above concentration is more effective.
また、本発明に係るシリカ容器の製造方法では、前記第一の原料粉を、シリカ塊を粉砕、整粒することにより作製したものとすることができる(請求項8)。
このように、第一の原料粉を、シリカ塊を粉砕、整粒することにより作製したものとすれば、より安価なシリカ原料から製造し、低コストのシリカ容器とすることができる。
またこのような、シリカ塊を粉砕、整粒することにより作製したシリカ粉を原料としても、本発明のシリカ容器の製造方法であれば、容器に収容する内容物への不純物汚染を十分に防止することができる。
Moreover, in the manufacturing method of the silica container which concerns on this invention, said 1st raw material powder shall be produced by grind | pulverizing and sizing a silica lump (Claim 8).
Thus, if the first raw material powder is prepared by pulverizing and sizing the silica lump, the first raw material powder can be manufactured from a cheaper silica raw material to form a low-cost silica container.
Moreover, even if the silica powder produced by pulverizing and sizing the silica lump is used as a raw material, the method for producing a silica container of the present invention sufficiently prevents impurity contamination in the contents contained in the container. can do.
また、本発明のシリカ容器の製造方法では、前記第一の原料粉のシリカ純度を99.5〜99.999wt.%とすることができる(請求項9)。
このように、本発明のシリカ容器の製造方法の場合、原料とする第一の原料粉のシリカ純度を99.5〜99.999wt.%と比較的低純度のものとしても、収容する内容物への不純物汚染を十分に防止することができる。
Moreover, in the manufacturing method of the silica container of this invention, the silica purity of said 1st raw material powder is 99.5-99.999 wt. % (Claim 9).
Thus, in the case of the method for producing a silica container of the present invention, the silica purity of the first raw material powder as a raw material is 99.5 to 99.999 wt. %, It is possible to sufficiently prevent impurities from being contained in the contents to be contained.
また、本発明のシリカ容器の製造方法では、前記第一の原料粉の粒径を0.05〜5mmとすることが好ましい(請求項10)。また、前記第二の原料粉の粒径を0.1〜10μmとすることが好ましい(請求項11)。 Moreover, in the manufacturing method of the silica container of this invention, it is preferable that the particle size of said 1st raw material powder shall be 0.05-5 mm (Claim 10). Moreover, it is preferable that the particle diameter of said 2nd raw material powder shall be 0.1-10 micrometers (Claim 11).
このように、第一の原料粉の粒径を0.05〜5mmとしたり、第二の原料粉の粒径を0.1〜10μmとしたりすれば、低コストで、高寸法精度、高耐久性等の長所を有するシリカ容器の製造をより確実に行うことができる。 Thus, if the particle diameter of the first raw material powder is set to 0.05 to 5 mm or the particle diameter of the second raw material powder is set to 0.1 to 10 μm, high dimensional accuracy and high durability can be achieved at low cost. The silica container having advantages such as properties can be more reliably produced.
また、前記混合粉体の加圧成形を、加圧圧力0.1〜1MPa、温度50〜300℃の範囲で行うことが好ましい(請求項12)。
このように、混合粉体の加圧成形を、加圧圧力0.1〜1MPa、温度50〜300℃の範囲で行えば、本発明に係るシリカ容器の製造をより確実に行うことができる。
Moreover, it is preferable to perform the pressure molding of the mixed powder in a range of a pressure of 0.1 to 1 MPa and a temperature of 50 to 300 ° C. (Claim 12).
Thus, if the pressure molding of mixed powder is performed in the range of pressurization pressure 0.1-1 MPa and temperature 50-300 degreeC, manufacture of the silica container based on this invention can be performed more reliably.
また、前記混合粉体を作製する際の前記第一の原料粉と前記第二の原料粉との混合比を、(第二の原料粉)/{(第一の原料粉)+(第二の原料粉)}が5wt.%以上50wt.%未満であるようにすることが好ましい(請求項13)。
このように、混合粉体を作製する際の第一の原料粉と第二の原料粉との混合比を、(第二の原料粉)/{(第一の原料粉)+(第二の原料粉)}が5wt.%以上50wt.%未満であるようにすれば、シリカ容器の製造コストを十分に低減しながらも、寸法精度や耐久性を十分に確保することができる。
Further, the mixing ratio of the first raw material powder and the second raw material powder when the mixed powder is produced is (second raw material powder) / {(first raw material powder) + (second Raw material powder)} is 5 wt. % Or more and 50 wt. It is preferable to make it less than% (claim 13).
Thus, the mixing ratio of the first raw material powder and the second raw material powder when producing the mixed powder is (second raw material powder) / {(first raw material powder) + (second Raw material powder)} is 5 wt. % Or more and 50 wt. If it is less than%, dimensional accuracy and durability can be sufficiently ensured while sufficiently reducing the manufacturing cost of the silica container.
また、本発明のシリカ容器の製造方法では、前記中間層の厚さを0.1〜5mmとして形成することが好ましい(請求項14)。また、前記内側層の厚さを0.1〜5mmとして形成することが好ましい(請求項15)。 Moreover, in the manufacturing method of the silica container of this invention, it is preferable to form the thickness of the said intermediate | middle layer as 0.1-5 mm (Claim 14). Moreover, it is preferable to form the inner layer with a thickness of 0.1 to 5 mm.
このように、中間層の厚さや、内側層の厚さを0.1mm以上として形成すれば、収容する内容物への汚染を十分に防止できる。また、中間層の厚さや、内側層の厚さを5mm以下として形成すれば、製造に必要な投入エネルギーが大きくなりすぎることもなく、十分に低コストにシリカ容器を製造することができる。 In this way, if the thickness of the intermediate layer and the thickness of the inner layer are formed to be 0.1 mm or more, contamination of the contents to be stored can be sufficiently prevented. Further, if the thickness of the intermediate layer and the thickness of the inner layer are 5 mm or less, the silica container can be manufactured at a sufficiently low cost without the input energy required for manufacturing being excessively increased.
また、前記有機バインダーをパラフィン系バインダーまたはステアリン酸系バインダーとすることができる(請求項16)。
このような有機バインダーを用いれば、低コストながらも高寸法精度、高耐久性を有する基体を構成することができる。その結果、シリカ容器の製造をより確実に低コストながらも高寸法精度、高耐久性を持たせて行うことができる。
The organic binder may be a paraffin binder or a stearic acid binder.
By using such an organic binder, it is possible to construct a substrate having high dimensional accuracy and high durability at a low cost. As a result, the production of the silica container can be carried out with high dimensional accuracy and high durability, more reliably at low cost.
また、前記シリカ容器を、シリコン単結晶引上げ用ルツボとして使用するものとすることができる(請求項17)。
このように、本発明のシリカ容器の製造方法によって製造されたシリカ容器は、シリコン単結晶引上げ用ルツボとして好適に使用することができる。その結果、シリコン単結晶製造のための総投入エネルギーや総コストを低減することができる。
Further, the silica container can be used as a crucible for pulling up a silicon single crystal.
Thus, the silica container manufactured by the method for manufacturing a silica container of the present invention can be suitably used as a crucible for pulling up a silicon single crystal. As a result, the total input energy and the total cost for manufacturing the silicon single crystal can be reduced.
また、前記第四の原料粉として、不純物量が、リチウム、ナトリウム、カリウムについては各々10wt.ppb以下、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、金については各々1wt.ppb以下のものを用いることが好ましい(請求項18)。
このように、第四の原料粉を、上記のような不純物量のものとすれば、シリカ容器から収容した内容物への不純物拡散が効果的に防止されるものであり、特には太陽光発電用(ソーラー用、太陽電池用)シリコン単結晶引き上げルツボとして好適に使用することができる。
The fourth raw material powder has an impurity amount of 10 wt. For ppb or less, titanium, vanadium, chromium, manganese, zirconium, niobium, molybdenum, tantalum, tungsten, and gold are each 1 wt. It is preferable to use a material having a ppb or less (claim 18).
Thus, if the fourth raw material powder has an impurity amount as described above, impurity diffusion from the silica container to the contents accommodated can be effectively prevented. It can be suitably used as a silicon single crystal pulling crucible (for solar, for solar cells).
また、本発明は、上記のいずれかのシリカ容器の製造方法によって製造されたシリカ容器を提供する(請求項19)。
このように、上記のいずれかのシリカ容器の製造方法によって製造されたシリカ容器であれば、少ないエネルギー消費量で、高生産性かつ低コストで製造されたシリカ容器であり、収容する内容物への不純物汚染を十分に防止できる能力を有し、高寸法精度、高耐久性を有するシリカ容器とすることができる。
Moreover, this invention provides the silica container manufactured by the manufacturing method of one of said silica containers (Claim 19).
Thus, if it is a silica container manufactured by one of the above-mentioned manufacturing methods of a silica container, it is a silica container manufactured with low energy consumption, high productivity, and low cost, to the contents to be stored. It is possible to make a silica container having the ability to sufficiently prevent the contamination of impurities and having high dimensional accuracy and high durability.
また、本発明は、回転対称性を有するシリカ容器であって、少なくとも、気泡を含有し、白色不透明であり、かさ密度が1.90〜2.09g/cm3であり、シリカ純度が99.5〜99.999wt.%である不透明シリカ層からなる基体を有し、該基体の内側に、アルミニウム元素及び/又はOH基を含有することとシリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物成分を含有することとの少なくとも一方を満足するシリカガラスからなり、厚さが0.1〜5mmである中間層を有し、該中間層の内側表面上に、実質的に気泡を含有しない透明シリカガラス層からなり、かさ密度が2.20〜2.21g/cm3であり、厚さが0.1〜5mmである内側層を有することを特徴とするシリカ容器を提供する(請求項20)。 The present invention is also a silica container having rotational symmetry, which contains at least bubbles, is white and opaque, has a bulk density of 1.90 to 2.09 g / cm 3 , and has a silica purity of 99. 5 to 99.999 wt. % Of a non-transparent silica layer, and the inside of the substrate contains an aluminum element and / or an OH group and a compound component that becomes a crystal nucleus material for crystallization of silica glass. And an intermediate layer having a thickness of 0.1 to 5 mm, and a transparent silica glass layer substantially free of bubbles on the inner surface of the intermediate layer. A silica container having an inner layer having a bulk density of 2.20 to 2.21 g / cm 3 and a thickness of 0.1 to 5 mm is provided (claim 20).
このようなシリカ容器であれば、低コストのシリカ容器でありながらも、収容する内容物への不純物汚染を十分に防止できる能力を有し、高寸法精度、高耐久性を有する安価なシリカ容器とすることができる。 If it is such a silica container, it is a low-cost silica container, but it has the ability to sufficiently prevent the contamination of the contents to be contained, and is an inexpensive silica container having high dimensional accuracy and high durability. It can be.
この場合、前記中間層が含有するアルミニウム元素及びOH基の合計濃度が50〜5000wt.ppmであることが好ましい(請求項21)。また、前記中間層が含有する結晶核材となる化合物成分の濃度が、50〜5000wt.ppmであることが好ましい(請求項22)。 In this case, the total concentration of aluminum elements and OH groups contained in the intermediate layer is 50 to 5000 wt. Preferably, it is ppm (claim 21). Further, the concentration of the compound component serving as a crystal nucleus material contained in the intermediate layer is 50 to 5000 wt. It is preferably ppm (claim 22).
このように、中間層がアルミニウム元素及び/又はOH基を含有する場合には、そのアルミニウム元素及びOH基の合計濃度が50〜5000wt.ppmであることが好ましい。また、中間層が結晶核材となる化合物成分を含有する場合には、その結晶核材となる化合物成分の濃度が、50〜5000wt.ppmであることが好ましい。このような値とすることにより、シリカ容器内表面への不純物の拡散をより効果的に防ぐことができる。 Thus, when the intermediate layer contains an aluminum element and / or OH group, the total concentration of the aluminum element and OH group is 50 to 5000 wt. Preference is given to ppm. When the intermediate layer contains a compound component that becomes a crystal nucleus material, the concentration of the compound component that becomes the crystal nucleus material is 50 to 5000 wt. Preference is given to ppm. By setting it as such a value, the spreading | diffusion of the impurity to the silica container inner surface can be prevented more effectively.
また、前記基体における直径20μm以上の気泡の含有量が10000個/cm3以上であり、前記内側層における直径20μm以上の気泡の含有量が30個/cm3以下であることが好ましい(請求項23)。
このように、基体における直径20μm以上の気泡の含有量が10000個/cm3以上であり、内側層における直径20μm以上の気泡の含有量が30個/cm3以下であるようにすれば、基体の耐久性をより高くすることができ、シリカ容器内表面(内側層の表面)の荒れを抑制し、シリカ容器内表面のエッチングや溶解への耐性を高くすることができる。
In addition, the content of bubbles having a diameter of 20 μm or more in the substrate is preferably 10,000 / cm 3 or more, and the content of bubbles having a diameter of 20 μm or more in the inner layer is preferably 30 / cm 3 or less (claims). 23).
Thus, if the content of bubbles having a diameter of 20 μm or more in the substrate is 10,000 / cm 3 or more and the content of bubbles having a diameter of 20 μm or more in the inner layer is 30 / cm 3 or less, the substrate The durability of the inner surface of the silica container (surface of the inner layer) can be suppressed, and the resistance to etching and dissolution of the inner surface of the silica container can be increased.
また、基体のリチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムの合計濃度が10〜100wt.ppmであることが好ましい(請求項24)。
このように、基体のリチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムの合計濃度が10〜100wt.ppmとすれば、シリカ容器の耐熱変形性をさらに向上させることができる。
Further, the total concentration of lithium, sodium, potassium, magnesium and calcium of the substrate is 10 to 100 wt. Preferably, it is ppm (claim 24).
Thus, the total concentration of lithium, sodium, potassium, magnesium and calcium of the substrate is 10 to 100 wt. If it is set as ppm, the heat-resistant deformation property of a silica container can further be improved.
また、前記内側層のOH基濃度が100wt.ppm以下であることが好ましい(請求項25)。
このように内側層のOH基濃度が100wt.ppm以下であれば、シリカ容器内表面のエッチングや溶解への耐性をさらに高くすることができる。
The OH group concentration of the inner layer is 100 wt. It is preferably at most ppm (claim 25).
Thus, the OH group concentration of the inner layer is 100 wt. If it is ppm or less, the resistance to etching and dissolution of the inner surface of the silica container can be further increased.
また、前記内側層がカルシウム、ストロンチウム、バリウムの少なくとも一種を含有するものであることが好ましい(請求項26)。そしてこの場合、前記内側層が含有するカルシウム、ストロンチウム、バリウムの合計濃度が50〜5000wt.ppmであることが好ましい(請求項27)。 The inner layer preferably contains at least one of calcium, strontium, and barium. In this case, the total concentration of calcium, strontium and barium contained in the inner layer is 50 to 5000 wt. It is preferably ppm (claim 27).
このように、内側層がカルシウム、ストロンチウム、バリウムの少なくとも一種を含有するものであり、特に上記のような合計濃度であれば、1300〜1600℃程度の温度下で内側層を構成する透明シリカガラス層を再結晶化することができる。また、特に上記のような濃度とすればさらに効果的である。 In this way, the inner layer contains at least one of calcium, strontium, and barium, and the transparent silica glass that constitutes the inner layer at a temperature of about 1300 to 1600 ° C., particularly if the total concentration is as described above. The layer can be recrystallized. In particular, it is more effective if the concentration is as described above.
また、前記内側層の内側に、さらに、カルシウム、ストロンチウム、バリウムの少なくとも一種を含有する塗布層を有することもできる(請求項28)。そしてこの場合、前記塗布層に含有されるカルシウム、ストロンチウム、バリウムの合計濃度が5〜500μg/cm2であることが好ましい(請求項29)。 In addition, a coating layer containing at least one of calcium, strontium, and barium can be further provided inside the inner layer (claim 28). In this case, the total concentration of calcium, strontium, and barium contained in the coating layer is preferably 5 to 500 μg / cm 2 .
このように、内側層の内側に、さらに、カルシウム、ストロンチウム、バリウムの少なくとも一種を含有する塗布層を有するものであれば、このような塗布層により、1300〜1600℃程度の温度下で内側層を構成する透明シリカガラス層が再結晶化し、収容する内容物への不純物汚染をより低減させることができるとともに、シリカガラス表面のエッチングや溶解を抑制することができる。また、特に上記のような濃度とすればさらに効果的である。 Thus, if the inner layer further has a coating layer containing at least one of calcium, strontium, and barium, the inner layer can be formed at a temperature of about 1300 to 1600 ° C. by such a coating layer. The transparent silica glass layer constituting the material can be recrystallized to further reduce impurity contamination of the contents to be contained, and to suppress etching and dissolution of the silica glass surface. In particular, it is more effective if the concentration is as described above.
また、前記基体がアルミニウムを30〜3000wt.ppm含有するものであることが好ましい(請求項30)。
このように、基体がアルミニウムを30〜3000wt.ppm含有するものであれば、基体にも不純物拡散防止効果を付与することができ、収容する内容物への不純物汚染をより低減させることができる
Further, the base is made of 30 to 3000 wt. It is preferable that it contains ppm (Claim 30).
Thus, the substrate is made of 30 to 3000 wt. As long as it contains ppm, the substrate can be imparted with an impurity diffusion preventing effect, and the contamination of the contents to be contained can be further reduced.
以上のように、本発明に従うシリカ容器の製造方法であれば、安価な比較的低品位のシリカ粉体を原料とし、これを成形、焼成して所定形状のシリカ容器を得るものであり、高寸法精度、高耐久性を有し、かつエネルギー消費量の少ない、高生産性かつ低コストの製造方法及びシリカ容器を得ることができる。
また、本発明に従うシリカ容器であれば、低コスト、低エネルギー消費量で得られるシリカ容器でありながらも、収容する内容物への不純物汚染を十分に防止できる能力を有するのみならず、高温で長時間使用しても熱変形しにくく、内容物による容器内表面のエッチングや溶解の少ない、高寸法精度、高耐久性を有する安価なシリカ容器とすることができる。
As described above, if the method for producing a silica container according to the present invention, an inexpensive, relatively low-grade silica powder is used as a raw material, and this is molded and fired to obtain a silica container having a predetermined shape. A highly productive and low-cost production method and silica container having dimensional accuracy, high durability, and low energy consumption can be obtained.
In addition, if the silica container according to the present invention is a silica container obtained at low cost and low energy consumption, it has not only the ability to sufficiently prevent impurity contamination to the contents to be stored, but also at a high temperature. Even if it is used for a long time, it is difficult to be thermally deformed, and it is possible to obtain an inexpensive silica container having high dimensional accuracy and high durability with little etching and dissolution of the inner surface of the container.
特に太陽光発電用(太陽電池用、ソーラー用)シリコン結晶の製造に使用されるシリカルツボでは、シリコン結晶の大型化に従って大口径ルツボが必要とされ、金属シリコン溶融時のルツボの軟化、変形を防止することが第1の課題として考えられる。また、シリコン結晶の作成時に、シリカルツボに含まれている不純物金属元素、アルカリ金属元素Li、Na、Kのみならず、特にTa、Mo、Nd、Zr、W、Ti、V、Au、Cr、Mn、Co、Fe、Pb、Ag、Al、Ni、Cu等がシリコン結晶に取り込まれた場合、光電変換効率の低下を引き起してしまう。従って、シリカルツボに含まれる金属不純物がシリコン融液に拡散して来ない様にシリカルツボに不純物金属元素のシールド作用(遮蔽作用)を持たせることが第2の課題と考えられる。更に、シリコン結晶の作成時にシリカルツボがシリコン融液に溶解し、酸素元素がこのシリコン結晶に含有されると、大幅に光電効率の低下を引き起してしまうことがある。従って、シリコン融液に対して溶解しにくい(耐エッチング性のある)シリカルツボ表面を形成することが第3の課題と考えられる。 In particular, silica crucibles used in the production of silicon crystals for photovoltaic power generation (for solar cells and solar) require large-diameter crucibles as the silicon crystals increase in size, preventing crucibles from softening and deformation when melting metal silicon. This is considered as a first problem. Further, not only impurity metal elements and alkali metal elements Li, Na, and K contained in the silica crucible at the time of forming the silicon crystal, but particularly Ta, Mo, Nd, Zr, W, Ti, V, Au, Cr, Mn When Co, Fe, Pb, Ag, Al, Ni, Cu or the like is taken into the silicon crystal, the photoelectric conversion efficiency is lowered. Accordingly, it is considered that the second problem is to give the silica crucible a shielding action (shielding action) of the impurity metal element so that the metal impurities contained in the silica crucible do not diffuse into the silicon melt. Further, when the silica crucible is dissolved in the silicon melt at the time of forming the silicon crystal and the oxygen element is contained in the silicon crystal, the photoelectric efficiency may be greatly lowered. Therefore, it is considered that the third problem is to form a silica crucible surface that is difficult to dissolve in the silicon melt (having etching resistance).
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。特に、以下では主に本発明を好適に適用できる一例として、太陽電池(太陽光発電、ソーラー発電)の材料とされる金属シリコン(Si)溶融用容器(ルツボ)として使用することができるシリカ容器の作製方法の説明を行うが、本発明はこれに限定されることなく、シリカを主な構成成分とするシリカ容器に広く適用することができる。 Hereinafter, although the present invention is explained in detail, referring to drawings, the present invention is not limited to these. In particular, as an example to which the present invention can be preferably applied mainly below, a silica container that can be used as a metal silicon (Si) melting container (crucible) used as a material for solar cells (solar power generation, solar power generation). However, the present invention is not limited to this and can be widely applied to silica containers containing silica as a main constituent.
上記のように、ソーラー用シリコン結晶を作成するために使用されるシリカルツボに対しては、耐熱変形性及び不純物金属元素シールド性(遮蔽性)及び耐シリコン融液エッチング性の3つの特性を同時に満足させることが要求される。 As described above, the silica crucible used to make solar silicon crystals satisfies the three characteristics of heat-resistant deformation, impurity metal element shielding (shielding) and silicon melt etching resistance simultaneously. It is required to make it.
図1に本発明に係るシリカ容器の一例の概略断面図を示す。
本発明に係るシリカ容器71は回転対称性を有し、その基本構造は、最外層の基体51、中間層56及び内側層58の3層構造から成る。そして、これらのそれぞれの層は主には、基体51は耐熱変形性等の耐久性を担う層として、中間層56は不純物シールド層として、内側層58は内容物に対する耐エッチング性を担う層として位置づけられる。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of a silica container according to the present invention.
The
基体51では、主成分がシリカであるが、あえてアルカリ金属元素Li、Na、K及びアルカリ土類元素Ca、Mgの合計値を10wt.ppm〜100wt.ppm含有させることが好ましい。また同時に、アルミニウム(Al)を30wt.ppm〜3000wt.ppm含有させても良い。このことにより、シリコン結晶作成時の約1500℃前後の温度下において、シリカ基体51中にクリストバライト等のシリカ系やアルミノシリケート系の微結晶が大量に生成し、基体51の耐熱変形性を大幅に向上させることが可能となる。
In the
不純物拡散防止効果(不純物シールド効果)を持たせるべき中間層56では、一つの態様としては、アルミニウム(Al)元素及び/又はOH基を含有するシリカガラス層とする。この場合、アルミニウム元素及びOH基の合計濃度を50〜5000wt.ppmとすることが好ましい。Al元素を含有させた不純物シールドの考えは文献(特許3764776号)にLSI用シリコン単結晶引き上げ用ルツボを例として示されている。Al元素のみをドープしたシリカガラスが不純物シールド性を有することはある程度認められる。しかしながら、比較的高濃度の不純物金属元素が存在する場合、Al元素のみでは完全なシールドは困難である。この場合、Al元素と同時にOH基を含有させたシリカガラスでは大幅に不純物シールド特性を向上させることが可能となる。
この不純物シールド効果はAl元素又はOH基の一方でも認められるが、Al元素とOH基を同時に含有させることで大きな効果が生ずる。
In the
This impurity shielding effect is recognized for either Al element or OH group, but a great effect is produced by containing Al element and OH group simultaneously.
別の態様としては、中間層56をシリカ微結晶を有するシリカガラス層、すなわちグラスセラミックスで形成する。グラスセラミックスの作成方法は文献(特許2931742号)に示されている。シリカガラス、好ましくはOH基を含有するシリカガラスの中に耐熱性セラミック粒子からなる結晶核生成剤、例えば酸化物としてはAl2O3、CaO、MgO、BeO、ZrO2、HfO2、ホウ化物としてはZrB2、HfB2、TiB2、LaB6、炭化物としてはZrC、HfC、TiC、TaC、窒化物としてはZrN、HfN、TiN、TaNの少なくとも1種を含有させておく。その後容器として使用する時前に1400〜1500℃にて加熱処理しておくか又は、容器として使用され1500℃前後の温度下に置かれると、その結晶核生成剤を中心としてクリストバライト、オパール等の微結晶が生成し、不純物シールド効果を発現するようになる。
As another aspect, the
内側層58の耐シリコン融液エッチング性の透明シリカガラス層では、シリコンに比較してイオン半径の大きいアルカリ土類金属元素Ba、Sr、Caの少なくとも1種を50〜5000wt.ppm均一にドープしておくか、又は表面に5〜500μg/cm2でコーティングすることにより目的を達成することが出来る。結晶化促進剤については文献(特許3100836号、特許3046545号)に示されている。
In the transparent silica glass layer of the
しかし本発明では特に、中間層56の不純物シールド層の表面上に耐シリコン融液エッチング性の透明シリカガラス層からなる内側層58を重ねて形成することにより、内側層中へのガラスの粘性度を低下させるようなアルカリ金属元素の拡散を防止し、より高い耐シリコン融液エッチング性を保持することが可能となる。かつ、この内側層中に含まれるOH基を100wt.ppm以下、好ましくは10wt.ppm以下とすることにより耐シリコン融液エッチング性を長時間保持することが可能となる。
However, in the present invention, in particular, the viscosity of the glass into the inner layer is obtained by forming an
以上の通り、基体51、中間層56、内側層58の各々が別々の機能を有することにより、シリカ容器として必要とされる、耐熱変形性、不純物シールド性、耐シリコン融液エッチング性の3つの特性を同時に充分満足させることが出来るのである。
As described above, each of the
以下では、上記のようなシリカ容器の製造方法を説明する。
図2に、本発明に係るシリカ容器の製造方法の一例を示す。
Below, the manufacturing method of the above silica containers is demonstrated.
In FIG. 2, an example of the manufacturing method of the silica container which concerns on this invention is shown.
(工程1:各原料粉の準備)
まず、図2の(1)に示すように、シリカ容器を製造するにあたって原料となるシリカ粉を準備する。なお、それぞれの原料粉は、少なくとも該原料粉を使用する工程の前に準備すれば良い。
ここで準備する原料粉は以下の通りである。
(a)骨材となるシリカ粒子である第一の原料粉11、
(b)非晶質シリカからなり、平均粒径が第一の原料粉の平均粒径よりも小さく、球状である第二の原料粉12、
(c)主成分がシリカであり、アルミニウム元素及び/又はOH基を含有することとシリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物粉を含有することとの少なくとも一方を満足する第三の原料粉13、
(d)結晶質シリカからなり、第一の原料粉及び第二の原料粉よりもシリカ純度が高い第四の原料粉14。
なお、本明細書中では、シリカ純度(SiO2純度)とは材料中のシリカ(SiO2)分の割合を意味する。ただし、金属元素は不純物とするが、OH基やO2ガス、N2ガス等のガス成分は不純物としては考えない。
以下では、第一、第二、第三、第四のそれぞれの原料粉の準備について一つずつ説明する。
(Step 1: Preparation of each raw material powder)
First, as shown to (1) of FIG. 2, the silica powder used as a raw material in preparing a silica container is prepared. In addition, what is necessary is just to prepare each raw material powder before the process of using this raw material powder at least.
The raw material powder prepared here is as follows.
(A) first raw material powder 11 which is silica particles to be an aggregate;
(B) a second raw material powder 12 made of amorphous silica and having an average particle size smaller than the average particle size of the first raw material powder and having a spherical shape;
(C) A third component in which the main component is silica and satisfies at least one of containing an aluminum element and / or an OH group and containing a compound powder serving as a crystal nucleus material for crystallization of silica glass.
(D) Fourth
In the present specification, the silica purity (SiO 2 purity) means the proportion of silica (SiO 2 ) in the material. However, metal elements are impurities, but gas components such as OH groups, O 2 gas, and N 2 gas are not considered as impurities.
Below, preparation of each of 1st, 2nd, 3rd, and 4th raw material powder is demonstrated one by one.
(第一の原料粉)
第一の原料粉11は、本発明に係るシリカ容器のうち、不透明シリカ層からなる基体の骨材となるものであり、基体の主な構成材料となるものである。
この第一の原料粉は例えば以下のようにしてシリカ塊を粉砕、整粒することにより作製することができるが、これに限定されない。
(First raw material powder)
The first raw material powder 11 is an aggregate of a base made of an opaque silica layer in the silica container according to the present invention, and is a main constituent material of the base.
The first raw material powder can be produced, for example, by pulverizing and sizing the silica lump as follows, but is not limited thereto.
まず、直径5〜50mm程度の天然シリカ塊(天然に産出する水晶、石英、珪石、珪質岩石、オパール石等)を大気雰囲気下、600〜1000℃の温度域にて1〜10時間程度加熱する。次いで該天然シリカ塊を水中に投入し、急冷却後取出し、乾燥させる。この処理により、次のクラッシャー等による粉砕、整粒の処理を行いやすくできるが、この加熱急冷処理は行わずに粉砕処理へ進んでもよい。 First, a natural silica lump (naturally produced crystal, quartz, silica, siliceous rock, opal stone, etc.) having a diameter of about 5 to 50 mm is heated in a temperature range of 600 to 1000 ° C. for about 1 to 10 hours in an air atmosphere. To do. Next, the natural silica mass is poured into water, taken out after rapid cooling, and dried. This process facilitates the subsequent crushing and sizing process by a crusher or the like, but the process may proceed to the pulverization process without performing the heating and quenching process.
次いで、該天然シリカ塊をクラッシャー等により粉砕、整粒し、粒径を好ましくは0.05〜5mm、より好ましくは0.1〜1mmに調整して天然シリカ粉を得る。
次いで、この天然シリカ粉を傾斜角度を有するシリカガラス製チューブから成るロータリーキルンの中に投入し、キルン内部を塩化水素(HCl)又は、塩素(Cl2)ガス含有雰囲気とし、700〜1100℃にて1〜100時間程度加熱することにより高純度化処理を行う。ただし高純度を必要としない製品用途では、この高純度化処理を行わずに次処理へ進んでもよい。
Next, the natural silica lump is pulverized and sized by a crusher or the like, and the particle size is preferably adjusted to 0.05 to 5 mm, more preferably 0.1 to 1 mm to obtain natural silica powder.
Next, this natural silica powder is put into a rotary kiln composed of a silica glass tube having an inclination angle, and the inside of the kiln is made into an atmosphere containing hydrogen chloride (HCl) or chlorine (Cl 2 ) gas at 700 to 1100 ° C. High purity treatment is performed by heating for about 1 to 100 hours. However, in a product application that does not require high purity, the process may proceed to the next process without performing the purification process.
以上のような工程後に得られる第一の原料粉は結晶質のシリカであるが、シリカ容器の使用目的によっては、第一の原料粉として非晶質のシリカガラススクラップを使用することもできる。
第一の原料粉の粒径は、上記のように、0.05〜5mmとすることが好ましく、0.1〜1mmとすることがより好ましい。
第一の原料粉のシリカ純度は、99.5wt.%以上とすることが好ましく、99.99wt.%以上とすることがさらに好ましい。また、本発明のシリカ容器の製造方法であれば、第一の原料粉のシリカ純度は99.999%以下と比較的低純度のものとしても、製造されるシリカ容器は、収容する内容物への不純物汚染を十分に防止することができる。そのため、従来よりも低コストでシリカ容器を製造することができることになる。
The first raw material powder obtained after the above steps is crystalline silica, but amorphous silica glass scrap can be used as the first raw material powder depending on the purpose of use of the silica container.
As described above, the particle diameter of the first raw material powder is preferably 0.05 to 5 mm, and more preferably 0.1 to 1 mm.
The silica purity of the first raw material powder is 99.5 wt. % Or more, preferably 99.99 wt. % Or more is more preferable. Moreover, if it is the manufacturing method of the silica container of this invention, even if the silica purity of the 1st raw material powder is 99.999% or less and a thing with comparatively low purity, the manufactured silica container is to the contents to accommodate. Impurity contamination can be sufficiently prevented. Therefore, a silica container can be manufactured at a lower cost than before.
(第二の原料粉)
第二の原料粉12は、本発明に係るシリカ容器のうち、不透明シリカ層からなる基体を第一の原料粉11とともに構成する材料となるものである。この第二の原料粉12に必要な条件は非晶質シリカからなり球状であること(球状非晶質シリカ粉)と、平均粒径が第一の原料粉の平均粒径よりも小さいことである。
(Second raw material powder)
The 2nd raw material powder 12 becomes a material which comprises the base | substrate which consists of an opaque silica layer with the 1st raw material powder 11 among the silica containers which concern on this invention. The necessary conditions for the second raw material powder 12 are that it is made of amorphous silica and is spherical (spherical amorphous silica powder), and that the average particle size is smaller than the average particle size of the first raw material powder. is there.
本発明のシリカ容器の製造方法において、基体を構成するために好ましい第二の原料粉12の粒径は0.1〜10μm、さらに好ましくは0.2〜5μmである。第二の原料粉12としての球状非晶質シリカ粉の作製方法は特に限定されないが、大きく分けて湿式法のゾル−ゲル法(アルコキシド法)と乾式法の溶融法(溶射法、燃焼法)があり、各種の公知の方法(例えば、「高純度シリカの応用技術」(株式会社シーエムシー、1991年3月1日発行、PP.306−310)に概要が記載されている)によって作製することができる。また、第二の原料粉12としてはその他にも、四塩化珪素(SiCl4)等の珪素化合物原料の火炎加水分解法によって作製するシリカガラス微粉体、いわゆるスート粉を用いることができる。この場合のスート粉の粒径も0.1〜10μm程度が好ましい。 In the method for producing a silica container of the present invention, the preferred particle diameter of the second raw material powder 12 for constituting the substrate is 0.1 to 10 μm, more preferably 0.2 to 5 μm. The method for producing the spherical amorphous silica powder as the second raw material powder 12 is not particularly limited, but is roughly divided into a wet method sol-gel method (alkoxide method) and a dry method melting method (spraying method, combustion method). And is prepared by various known methods (for example, the outline is described in “Application Technology of High-Purity Silica” (CMC Co., Ltd., issued on March 1, 1991, PP. 306-310)). be able to. In addition, as the second raw material powder 12, silica glass fine powder produced by a flame hydrolysis method of a silicon compound raw material such as silicon tetrachloride (SiCl 4 ), so-called soot powder, can be used. The particle size of the soot powder in this case is also preferably about 0.1 to 10 μm.
なお、第一の原料粉11または第二の原料粉12に、例えば金属元素のアルミニウム(Al)を含有(ドープ)させておくと、製造するシリカ容器の不透明シリカ層からなる基体にアルミニウムを含有することができる。アルミニウムを含有させると、後述のシリカガラス層中にOH基を含有する場合の効果と同様に、不純物金属元素の拡散を低減させ、製造したシリカ容器の収容する被処理物に対する不純物金属元素の容器内表面への拡散を防止する効果があるので好ましい。
このアルミニウムの含有方法は特に限定されず、可溶性のアルミニウム化合物を含む溶液に原料粉を浸漬して含浸させ、次いで一定速度で引き上げて乾燥するなどの方法を用いることができる。
また、このアルミニウムのドープは、後述する、第一の原料粉と第二の原料粉(の顆粒体)とを混合粉体とした後に行ってもよい。ドープ濃度は30〜3000wt.ppmが好ましい。
When the first raw material powder 11 or the second raw material powder 12 contains (dope), for example, the metal element aluminum (Al), the base made of an opaque silica layer of the silica container to be manufactured contains aluminum. can do. When aluminum is contained, as in the case of containing an OH group in the silica glass layer described later, the diffusion of the impurity metal element is reduced, and the container of the impurity metal element with respect to the object to be processed contained in the manufactured silica container This is preferable because it has an effect of preventing diffusion to the inner surface.
The method for containing aluminum is not particularly limited, and it is possible to use a method in which the raw material powder is immersed and impregnated in a solution containing a soluble aluminum compound, and then pulled up at a constant speed and dried.
The dope of aluminum may be performed after a first raw material powder and a second raw material powder (a granule thereof) described later are mixed powder. The dope concentration is 30 to 3000 wt. ppm is preferred.
(第三の原料粉)
第三の原料粉13として、主成分がシリカである原料粉を準備する。この第三の原料粉13は、不純物金属元素の拡散を防止するシールド性シリカガラス層を形成するためのシリカ粉であり、そのために、アルミニウム元素(Al元素)及び/又はOH基を含有するか、シリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物粉を含有するかのいずれか少なくとも一方を満足する必要がある。
(Third raw material powder)
As the third
第三の原料粉13の材質は、高純度化処理された天然石英粉、天然水晶粉、又は合成クリストバライト粉、合成シリカガラス粉が考えられる。これらに上記Al元素及び/又はOH基を含有するか、シリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物粉を含有させる。粒径は10〜500μm、好ましくは50〜200μmである。
The material of the third
第三の原料粉13にAl元素及び/又はOH基を含有する場合には、第三の原料粉に含有するAl元素及びOH基の合計濃度を50〜5000wt.ppmとし、シリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物粉を含有する場合には、第三の原料粉に含有する結晶核材となる化合物粉の割合を、50〜5000wt.ppmとすることが好ましい。
When the third
第三の原料粉13にAl元素、OH基を含有させる方法は特に限定されないが、例えば以下のようにすることができる。すなわち、Al元素を含有させるためには、Alの硝酸塩、塩化物又は炭酸塩の水溶液又はアルコール溶液を調製し、その中に高純度シリカ粉を浸漬させて乾燥することにより作製できる。また、OH基は、第三の原料粉13を合成粉とする場合は、合成条件を調整することにより10〜1000wt.ppm程度を第三の原料粉13中に含有させることが可能である。そして、これらのようにして第三の原料粉に含有させるAl元素及びOH基の濃度を、上記のように合計して50〜5000wt.ppmとすることが好ましい。
Although the method of making the 3rd
シリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物粉(以下、単に結晶核剤と呼ぶことがある)としては、例えば約2000℃以上のような高融点を持つ化合物の微粉体が挙げられ、例えば酸化物としてはAl2O3、CaO、MgO、BeO、ZrO2、HfO2、ホウ化物としてはZrB2、HfB2、TiB2、LaB6、炭化物としてはZrC、HfC、TiC、TaC、窒化物としてはZrN、HfN、TiN、TaNの中から少なくとも1種以上を均一に混合することにより作製することができる。 Examples of compound powders that serve as crystal nuclei for crystallization of silica glass (hereinafter sometimes simply referred to as crystal nucleating agents) include fine powders of compounds having a high melting point such as about 2000 ° C. or higher. For example, Al 2 O 3 , CaO, MgO, BeO, ZrO 2 , HfO 2 as oxides, ZrB 2 , HfB 2 , TiB 2 , LaB 6 as borides, ZrC, HfC, TiC, TaC as carbides, The nitride can be produced by uniformly mixing at least one of ZrN, HfN, TiN, and TaN.
このように、第三の原料粉13にAl元素及び/又はOH基を含有するか結晶核材を含有させることにより、シリカ容器71を製造した際に、中間層56が、特に基体51に含まれる不純物の拡散をより効果的に防ぐことができる。その結果、シリカ容器71に収容する内容物への不純物汚染をより効果的に防止することができる。
In this way, when the
(第四の原料粉)
第四の原料粉14として、内側層用の高純度のシリカ粉を準備する。
この第四の原料粉14の材質としては、高純度化処理された天然石英粉、天然水晶粉、又は合成クリストバライト粉、合成シリカガラス粉が考えられる。透明シリカガラス層の気泡量を少なくする目的であれば結晶質シリカ粉が好ましい。また、より高純度な透明シリカガラス層とする目的であれば、合成シリカガラス粉や合成クリストバライト粉が好ましい。粒径は10〜500μm、好ましくは50〜200μmである。
(Fourth raw material powder)
As the fourth
As a material of the fourth
また、第四の原料粉14としては、純度はシリカ(SiO2)成分が99.9999wt.%以上であることが好ましい。また、好ましくはアルカリ金属元素リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)の各々が10wt.ppb以下、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、金(Au)の各々が1wt.ppb以下である。
Further, as the fourth
また、本発明によって製造するシリカ容器を、例えば太陽電池製造におけるシリコン単結晶連続引き上げ(マルチプリング)用容器のような、高耐久性が要求されるシリコン金属溶融用容器として用いる場合には、収容物のシリコン融液による透明シリカガラス層のエッチング溶解を低減する目的から、2族(2A族)のカルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)の少なくとも一種を第四の原料粉14に含有させる工程を有することが好ましい。含有させる2族元素はSr又はBaであることがさらに好ましく、シリコン単結晶中に取り込まれづらい点からBaであることが特に好ましい。これらの2族元素が含有された第四の原料粉は、水又はアルコールに溶解する2族元素の塩化物、硝酸塩又は炭酸塩を選び、この化合物の水溶液又はアルコール溶液を作製し、この中にシリカ原料粉を浸漬させ、その後乾燥させることにより得ることができる。この第四の原料粉14に含有させるカルシウム、ストロンチウム、バリウムの合計濃度は50〜5000wt.ppmとすることが好ましい。
Further, when the silica container produced according to the present invention is used as a silicon metal melting container that requires high durability, such as a container for continuously pulling a silicon single crystal (multi-pling) in solar cell production, it is accommodated. For the purpose of reducing the etching dissolution of the transparent silica glass layer by the silicon melt of the material, at least one of group 2 (group 2A) calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba) is used as the fourth
(工程2:第二の原料粉をバインダーコーティングされた顆粒体とする工程)
次に、図2の(2)に示すように、上記した工程1において準備した第二の原料粉12をバインダーコーティングされた顆粒体とする。第二の原料粉をバインダーコーティングされた顆粒体とするには、例えば以下のような手順により行うことができる。
(Step 2: Step of making second raw material powder into binder-coated granules)
Next, as shown in (2) of FIG. 2, the second raw material powder 12 prepared in the above-described
まず、第二の原料粉12を、少なくとも有機質バインダー及び純水と混合して混合スラリーとする。具体的には、顆粒体22のコアとなる球状非晶質シリカ粉である第二の原料粉12に、パラフィン系バインダー(融点40〜70℃)又はステアリン酸系バインダー(融点70〜150℃)を好ましくは重量比率1〜10wt.%程度さらに好ましくは2〜5wt.%程度混合し粘性値10〜100mPa・sとなるように純水を加え(水分率としては重量比で20〜60%程度)、その後20〜30μmに設定されたメッシュフィルターにより異物を除去して混合スラリー(シリカスラリー、懸濁液)を作製する。 First, the second raw material powder 12 is mixed with at least an organic binder and pure water to obtain a mixed slurry. Specifically, a paraffinic binder (melting point: 40 to 70 ° C.) or a stearic acid binder (melting point: 70 to 150 ° C.) is added to the second raw material powder 12 that is a spherical amorphous silica powder that becomes the core of the granule 22. Is preferably 1 to 10 wt. %, More preferably 2 to 5 wt. % Pure water is added so that the viscosity value is 10 to 100 mPa · s (the water content is about 20 to 60% by weight), and then the foreign matter is removed by a mesh filter set to 20 to 30 μm. A mixed slurry (silica slurry, suspension) is prepared.
有機バインダーは上記のパラフィン系バインダー、ステアリン酸系バインダーに限定されるものではないが、これらであれば、安価でありながらも比較的低温の熱処理下で安定して顆粒体22を作製でき、基体を作製できるので好ましい。
また、有機バインダーはその他ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル系バインダー、グリセリン等を適宜複数種類混合してもよい。
The organic binder is not limited to the above-mentioned paraffinic binder and stearic acid binder, but with these, the granules 22 can be stably produced under a relatively low temperature heat treatment while being inexpensive. Is preferable.
In addition, as for the organic binder, other types of polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, acrylic binder, glycerin and the like may be appropriately mixed.
この混合スラリーを乾燥させることにより、バインダーコーティングされた顆粒体22を作製する。混合スラリーの乾燥方法は特に限定されないが、例えば、噴霧乾燥機(スプレードライヤー)に投入してバインダーが表面にコーティングされている球状非晶質シリカ粉の顆粒体を作製することができる。このスプレードライヤーは円柱状のホッパー型チャンバーと該チャンバーの上部に設置された混合スラリーを噴霧する装置(アトマイザー)と、該チャンバーの横に設置された熱風給気ダクトと該チャンバー下部に設置された顆粒体捕集口からなる。熱風給気ダクトから流出する空気温度は使用するバインダーの融点より高く設定する必要があり、100〜250℃の範囲に設定する。これにより作製される顆粒体22は、バインダーが表面にコーティングされた球状非晶質シリカ粉の集合体であり、粒径20〜200μmの範囲で所定の平均粒径に設定することが可能である。 The mixed slurry is dried to produce a binder-coated granule 22. The method for drying the mixed slurry is not particularly limited, and for example, it can be put into a spray drier (spray dryer) to produce spherical amorphous silica powder granules on which the binder is coated. This spray dryer was installed in a cylindrical hopper-type chamber, a device (atomizer) for spraying the mixed slurry installed in the upper part of the chamber, a hot air supply duct installed beside the chamber, and a lower part of the chamber It consists of a granule collection port. The temperature of the air flowing out from the hot air supply duct needs to be set higher than the melting point of the binder to be used, and is set in the range of 100 to 250 ° C. The granules 22 thus produced are aggregates of spherical amorphous silica powders whose surfaces are coated with a binder, and can be set to a predetermined average particle size within a particle size range of 20 to 200 μm. .
(工程3:第一の原料粉と、第二の原料粉の顆粒体との混合)
次に、図2の(3)に示すように、第一の原料粉11と、第二の原料粉12から作製した顆粒体22とを均一に混合して混合粉体31を作製する。
第一の原料粉と第二の原料粉の顆粒体の混合手法としては、比較的量が少ない場合には、V型ミキサー等を用いることもできるが、これに限定されない。
(Process 3: Mixing of the first raw material powder and the granule of the second raw material powder)
Next, as shown in FIG. 2 (3), the first raw material powder 11 and the granule 22 made from the second raw material powder 12 are uniformly mixed to produce a
As a method for mixing the granule of the first raw material powder and the second raw material powder, a V-type mixer or the like can be used when the amount is relatively small, but is not limited thereto.
この混合粉体31を作製する際の第一の原料粉11と第二の原料粉12の混合比としては、(第二の原料粉)/{(第一の原料粉)+(第二の原料粉)}が5wt.%以上50wt.%未満であるようにすることが好ましく、10wt.%以上30wt.%以下とすることがさらに好ましい。これは以下のような理由による。
すなわち、製造コストを低減させる目的からは、なるべく第一の原料粉を多い割合とすることが好ましいからである。混合粉体中の第二の原料粉の混合比率を5wt.%以上とすれば、成形、焼成後のシリカ容器基体の空隙が多くなりすぎることもなく、かさ密度を十分に高くすることができる。その結果、シリカ容器の寸法精度や耐熱性を確保できる。
また、第二の原料粉の混合比率が高いほど、成形、焼成後のシリカ容器基体の空隙が少なくなり、かさ密度を比較的高くすることができるので、シリカ容器の寸法精度や耐熱性をより確保できるし、混合比率が50wt.%未満であれば、製造コストを十分に低く抑えることができる。
As a mixing ratio of the first raw material powder 11 and the second raw material powder 12 when the
That is, for the purpose of reducing the manufacturing cost, it is preferable to make the first raw material powder as much as possible. The mixing ratio of the second raw material powder in the mixed powder is 5 wt. If it is at least%, the void density of the silica container substrate after molding and firing will not increase too much, and the bulk density can be made sufficiently high. As a result, the dimensional accuracy and heat resistance of the silica container can be ensured.
Also, the higher the mixing ratio of the second raw material powder, the smaller the voids of the silica container substrate after molding and firing, and the bulk density can be made relatively high, so that the dimensional accuracy and heat resistance of the silica container can be increased. And the mixing ratio is 50 wt. If it is less than%, the manufacturing cost can be kept sufficiently low.
(工程4:混合粉体の外型枠への導入)
次に、図2の(4)に示すように、混合粉体31を成形するための回転対称性を有する外型枠に導入する。
この工程の様子を模式的に図4(a)に示す。
まず、図4(a)に示すように、混合粉体31を回転する外型枠101の内壁部へ徐々に投入し、回転による遠心力を利用しつつ、混合粉体31を外型枠101の内壁の形状に応じた所定の形状とする。またこのとき、内側成形用枠102等を利用して混合粉体31の内側形状を整えてもよい。
また、この混合粉体31の外型枠101への供給方法は特に限定されないが、例えば、攪拌用スクリュー104と計量フィーダ105を備えるホッパー103を用いることができる。この場合、ホッパー103に充填された混合粉体31を、攪拌用スクリュー104で攪拌し、計量フィーダ105で供給量を調節しながら供給する。
(Process 4: Introduction of mixed powder into outer mold)
Next, as shown in (4) of FIG. 2, the
A state of this process is schematically shown in FIG.
First, as shown in FIG. 4A, the
The method for supplying the
(工程5:混合粉体の加圧成形)
次に、図2の(5)に示すように、所定形状とした混合粉体31を、外型枠と内型枠とで挟み、混合粉体31を加圧することにより基体を成形する。
この工程の様子を模式的に図4(b)、(c)に示す。
まず、図4(b)に示すように、上記工程4で所定形状とした混合粉体31に、内型枠となるプランジャ111を挿入し、外型枠101の回転を停止する。その後、プランジャ111を加圧し、0.1〜1MPaの所定の圧力に調整しつつ混合粉体31の温度が50〜300℃の所定の温度に達するまで昇温し、ある程度圧密して、バインダーが溶着するまで保持する。
次いで、図4(c)に示すように、プランジャ111を引き抜き室温まで放冷し、混合粉体31を加圧成形した基体51を得る。プランジャの材質はステンレススチール等の金属、グラファイト等のセラミックスが用いられるが、これに限定されない。
(Process 5: Pressure molding of mixed powder)
Next, as shown in FIG. 2 (5), the
The state of this process is schematically shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c).
First, as shown in FIG. 4B, the
Next, as shown in FIG. 4 (c), the
(工程6:雰囲気加熱処理による基体の焼成)
この工程では、まず、基体51を酸素含有雰囲気下で焼成することにより基体51を不透明シリカ層からなるものとする。
図7を参照しながら説明する。
基体51を外型枠101から取り出し、高純度アルミナボードを保温材とし、二珪化モリブデンをヒーター306とする電気抵抗加熱炉301内に設置する。なお、電気抵抗加熱炉301は、その他、雰囲気ガスを供給するガス供給口302、雰囲気ガスを排出するガス排出口303、ガス供給口302、ガス排出口303を通過するガスをそれぞれ制御する開閉バルブ304、305等を具備している。
なお、後述の工程7(中間層形成)及び工程8(内側層形成)をこの工程6(基体焼成、歪除去)よりも先に行う場合には、図7の基体51には既に中間層56及び内側層58が形成されていることになる。
(Step 6: Firing of substrate by atmospheric heat treatment)
In this step, first, the
This will be described with reference to FIG.
The
In the case where Step 7 (intermediate layer formation) and Step 8 (inner layer formation) described later are performed prior to Step 6 (substrate baking, strain removal), the
次いで、酸素ガス含有雰囲気にて、室温から1000℃に至るまで50℃/時間〜200℃/時間の昇温速度にて昇温し、基体に含まれているバインダー等の有機物質を酸化、燃焼、除去する。次いで1000℃から1200〜1500℃に至るまでに、20℃/時間〜100℃/時間にて昇温し、引き続き1200〜1500℃好ましくは1300〜1400℃の範囲の所定温度にて、1〜10時間保持し、シリカ基体51中の第一の原料粉11であるシリカ骨材と第二の原料粉12の顆粒体22の混合粉体31を焼結させる。焼結中の電気抵抗加熱炉301内の雰囲気は酸素ガス含有雰囲気のままでも良いし、又は窒素ガス100%雰囲気とする事も可能であり、原料粉の特性に対応して、任意に選定することが出来る。
Next, in an oxygen gas-containing atmosphere, the temperature is increased from room temperature to 1000 ° C. at a temperature increase rate of 50 ° C./hour to 200 ° C./hour to oxidize and burn organic substances such as binder contained in the substrate. ,Remove. Subsequently, the temperature is increased from 1000 ° C. to 1200 to 1500 ° C. at 20 ° C./hour to 100 ° C./hour, and then continuously at a predetermined temperature in the range of 1200 to 1500 ° C., preferably 1300 to 1400 ° C. The
次に、焼成した基体51を少なくとも徐冷点から歪点までの温度域を徐冷して歪除去する。
例えば、焼成完了後、1100〜1200℃の温度域(シリカガラスの除冷点付近)まで降温し、次いで900℃程度(シリカガラスの歪点以下)まで5℃/時間〜20℃/時間で徐々に降温を行い、シリカ容器基体51の残留歪を除去し、室温まで放冷させる。
Next, the
For example, after completion of firing, the temperature is lowered to a temperature range of 1100 to 1200 ° C. (near the cooling point of silica glass) and then gradually increased to about 900 ° C. (below the strain point of silica glass) at 5 ° C./hour to 20 ° C./hour. The temperature is lowered to remove the residual strain of the
(工程7:放電溶融法による仮成形体(以下、シリカ基体)内表面上への中間層の形成)
この工程では、基体51の内側から第三の原料粉13を散布して供給しながら基体51の内側に配置した加熱源により溶融することで、基体51の内表面上に、中間層56を形成する。基本的な形成方法は、例えば特公平4−22861及び特公平7−29871に示される内容に従う。図5を参照しながら説明する。
シリカ基体の内表面上への中間層を形成する装置は回転軸対称性を有する回転可能な外型枠201、回転モーター(図示せず)、及び中間層56形成用の第三の原料粉13が入ったホッパー233、ホッパー233内で第三の原料粉13を攪拌する攪拌用スクリュー234、計量フィーダ235、及び放電溶融(アーク溶融)の熱源となるカーボン電極212、電線、高圧電源ユニット211等から成る。
なお、この工程で用いる外型枠201は、工程5の外型枠101と同一でも構わない。
(Step 7: Formation of intermediate layer on inner surface of temporary molded body (hereinafter referred to as silica substrate) by electric discharge melting method)
In this step, an
The apparatus for forming the intermediate layer on the inner surface of the silica substrate includes a rotatable
The
中間層の形成手段としては、先ず外型枠201を所定の回転速度に設定し、高圧電源ユニットから徐々に高電圧を負荷するのと同時に原料ホッパー233から徐々に中間層形成用の第三の原料粉13を基体51の上部から散布する。この時カーボン電極間に放電は開始されており、シリカ基体内部はシリカ粉の溶融温度域(1800〜2000℃程度と推定)にあるため、散布された第三の原料粉13(シリカ粉)はシリカの溶融粒子となって基体51の内表面に付着していく。基体51の上部開口部に設置されているカーボン電極、原料粉投入口、蓋213は基体51に対してある程度位置が変化させられる機構となっており、これらの位置を変化させることにより、基体51の全内表面に均一厚さで中間層56を形成することができる。中間層56は、気泡の含有が少なく、無色半透明〜無色透明である。
As the intermediate layer forming means, first, the
なお、中間層56の厚さは0.1〜5mmとして形成することが好ましい。中間層の厚さは0.1mm以上であれば、シリカ容器内側への不純物拡散を十分に抑制することができ、収容する内容物への汚染を十分に防止できる。また、中間層の厚さが5mm以下であれば、製造に必要な投入エネルギーが大きくなりすぎることもなく、十分に低コストにシリカ容器を製造することができる。
The
放電溶融中のシリカ基体内部の雰囲気ガスはカーボン電極の消耗を少なくするために、一般に窒素ガス(N2)100%を用いるが水素ガス(H2)含有雰囲気にするとより気泡の少ない高純度な中間層56が得られる。また、この雰囲気ガス中の水蒸気含有濃度を制御することにより、中間層56中のOH基濃度を所定の値に設定することが出来る。OH基を含有させる効果としては、例えば基体の中に含まれるアルカリ金属元素等の不純物金属元素の拡散を低減させることにより、シリカ容器として使用するときに中に入れる被処理物質に対する汚染を防止することが出来る。
In order to reduce the consumption of the carbon electrode, the atmosphere gas inside the silica substrate during discharge melting generally uses 100% nitrogen gas (N 2 ). However, when the atmosphere containing hydrogen gas (H 2 ) is used, the atmosphere gas has higher purity with fewer bubbles. An
(工程8:放電溶融法による中間層表面上への内側層の形成)
この工程では、中間層56が形成された基体51の内側から第四の原料粉14を散布して供給しながら中間層56が形成された基体51の内側に配置した加熱源により溶融することで、中間層56の内表面上に、内側層58を形成する。基本的な形成方法は、上記の工程7と同様である。
なお、内側層58の厚さは0.1〜5mm、実質的に気泡を含有せず、無色透明として形成することが好ましい。内側層の厚さは0.1mm以上であれば、収容する内容物への汚染を十分に防止することができる。また、内側層の厚さが5mm以下であれば、製造に必要な投入エネルギーが大きくなりすぎることもなく、十分に低コストにシリカ容器を製造することができる。
(Step 8: Formation of inner layer on intermediate layer surface by electric discharge melting method)
In this step, the fourth
The
図6を参照しながら説明する。
中間層56の内表面上への内側層58を形成する装置は回転軸対称性を有する回転可能な外型枠201、回転モーター(図示せず)、及び内側層58形成用の第四の原料粉14が入ったホッパー243、ホッパー243内で第四の原料粉14を攪拌する攪拌用スクリュー244、計量フィーダ245、及び放電溶融(アーク溶融)の熱源となるカーボン電極212、電線、高圧電源ユニット211から成る。
第四の原料粉14を供給するためのホッパー243とその一部を構成する攪拌用スクリュー244、計量フィーダ245は、工程7の第三の原料粉13のためのものと同一のものとしてもよいが、別のものを準備しても用いてもよい。
This will be described with reference to FIG.
The apparatus for forming the
The
なお、上記工程6と工程7及び工程8は順不同で行うことができる。工程7及び工程8を工程6よりも先に行う場合を、図3に示す。
この場合、内側層58と中間層56が高温で焼成されることになるので、工程6を工程7及び工程8よりも先に行うことが好ましいことが多い。
In addition, the said
In this case, since the
このようにして、本発明のシリカ容器71を得ることができるが、必要に応じて以下のようにシリカ容器の洗浄を行う。
Thus, although the
(シリカ容器の洗浄、乾燥)
例えば、フッ化水素酸水溶液(HF)1〜10%程度にて、5〜30分間の表面エッチングを行い、次いで純水で洗浄し、クリーンエア中で乾燥させてシリカ容器を得る。
(Silica container cleaning and drying)
For example, surface etching is performed for about 5 to 30 minutes with about 1 to 10% hydrofluoric acid aqueous solution (HF), then washed with pure water and dried in clean air to obtain a silica container.
(塗布層の形成)
さらに、本発明では、内側層58の表面にカルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)の少なくとも一種を含む溶液を塗布する工程を設けることができる。
作製されたシリカ容器71の内表面部分に、結晶化促進剤としてCa、Sr、Baの少なくとも1種以上をコーティングする。これらCa、Sr、Baの硝酸塩、酸化物、炭酸塩のいずれかの水溶液又はアルコール溶液を作成し、これを内側層58の内表面に塗布し、乾燥させる。このCa、Sr、Baの合計濃度は、5〜500μg/cm2とすることが好ましい。
この処理は、シリカ容器の用途に応じて行わない場合もある。
(Formation of coating layer)
Furthermore, in the present invention, a step of applying a solution containing at least one of calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba) to the surface of the
The inner surface portion of the manufactured
This treatment may not be performed depending on the use of the silica container.
以上のような工程を経て、上記したような、図1に示す本発明に係るシリカ容器71を製造することができる。
シリカ容器71を構成する各層のうち、基体51は、気泡を含有し、白色不透明であり、不透明シリカ層からなる。また、基体51のかさ密度は典型的には1.90〜2.09g/cm3であり、このようなかさ密度であれば、基体51の耐熱変形性をより高くすることができる。
また、本発明のシリカ容器71の場合、基体51はシリカ純度が99.5〜99.999wt.%のような比較的低純度であっても、収容する内容物への不純物汚染を十分に防止することができる。
Through the above steps, the
Of the layers constituting the
In the case of the
さらに、本発明のシリカ容器71は、基体51の内側に、アルミニウム元素及び/又はOH基を含有することとシリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物成分を含有することとの少なくとも一方を満足するシリカガラスからなる中間層56を有する。
Furthermore, the
さらに、本発明のシリカ容器71は、中間層56の内側表面上に、実質的に気泡を含有しない透明シリカガラス層からなる内側層58を有する。また、内側層58のかさ密度は典型的には2.20〜2.21g/cm3である。
Furthermore, the
また、本発明に係るシリカ容器の製造方法によれば、シリカ容器71の、基体51における直径20μm以上の気泡の含有量が10000個/cm3以上とすることができる。そして、基体51中の気泡の含有量がこのような値であれば、基体51の耐熱変形性をより高くすることができ,シリカ容器71の耐熱変形性もより高くすることができるので好ましい。
また、本発明に係るシリカ容器の製造方法によれば、シリカ容器71の、内側層58における直径20μm以上の気泡の含有量が30個/cm3以下とすることができる。そして、内側層58中の気泡の含有量が、このような実質的に気泡を含有しない値であれば、内側層58の表面の荒れ(シリカ容器71の内表面)を抑制し、シリカ容器71の内表面のエッチングや溶解への耐性を高くすることができるので好ましい。
Moreover, according to the manufacturing method of the silica container which concerns on this invention, content of the bubble of diameter 20 micrometers or more in the base |
Moreover, according to the manufacturing method of the silica container which concerns on this invention, content of the bubble of diameter 20 micrometers or more in the
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
図2に示した本発明のシリカ容器の製造方法に従い、シリカ容器を以下のように製造した。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples of the present invention, but the present invention is not limited to these.
Example 1
According to the method for producing a silica container of the present invention shown in FIG. 2, a silica container was produced as follows.
まず、第一の原料粉11を以下のように準備した。
天然珪石を100kg準備し、大気雰囲気下で、1000℃、10時間の条件で加熱後、純水の入った水槽へ投入し、急冷却した。これを乾燥後、クラッシャーを用いて粉砕し、粒径50〜500μm、シリカ(SiO2)純度99.995wt.%、総重量80kgのシリカ粉(天然珪石粉)とした。
First, the first raw material powder 11 was prepared as follows.
100 kg of natural silica was prepared, heated in an air atmosphere at 1000 ° C. for 10 hours, put into a water tank containing pure water, and rapidly cooled. This was dried and then pulverized using a crusher to obtain a particle size of 50 to 500 μm and a silica (SiO 2 ) purity of 99.995 wt. %, And a total weight of 80 kg of silica powder (natural silica powder).
また、以下のように、第二の原料粉12を準備した。
溶融法によって球状非晶質シリカ粉(第二の原料粉)を合成した。この球状非晶質シリカ粉は、粒径0.3〜2μm、平均粒径0.6μm、平均比表面積5m2/g、重量20kgであった。
Moreover, the 2nd raw material powder 12 was prepared as follows.
Spherical amorphous silica powder (second raw material powder) was synthesized by a melting method. The spherical amorphous silica powder had a particle size of 0.3-2 μm, an average particle size of 0.6 μm, an average specific surface area of 5 m 2 / g, and a weight of 20 kg.
このようにして準備した第二の原料粉12を、以下のようにしてバインダーコーティングされた顆粒体22とした。
第二の原料粉12、20kgに対して、パラフィン系バインダー(融点55℃)200g、ステアリン酸系バインダー(融点100℃)200g、純水5kgを混合し、混合スラリーを作製した。この混合スラリーを、スプレードライヤーにより乾燥させ、バインダーコーティングされた顆粒体22を作製した。このバインダーコーティングされた球状非晶質シリカガラスの顆粒体の、顆粒径は10〜100μmであり、平均は50μmであった。
Thus, the prepared 2nd raw material powder 12 was used as the granule 22 by which binder coating was carried out as follows.
A paraffinic binder (melting point 55 ° C.) 200 g, a stearic acid binder (melting point 100 ° C.) 200 g, and
また、第三の原料粉13を以下のようにして準備した。まず、高純度天然石英粉(粒径50〜500μm、シリカ純度99.9999wt.%以上)を重量2kg準備し、次に、塩化アルミニウム(AlCl3)を含む水溶液に浸漬、乾燥した。
また、第四の原料粉14として、粒径50〜300μm、シリカ純度99.9999wt.%以上の、高純度処理を施したクリストバライト粉を、重量2kg準備した。
Moreover, the 3rd
The fourth
次に、V型混合器を使用し、第一の原料粉11と第二の原料粉の顆粒体22を均一に混合し、混合粉体31とした。
混合比は第一の原料粉11、80wt.%に対して第二の原料粉の顆粒体22、20wt.%とした(すなわち、重量混合比(第二の原料粉)/{(第一の原料粉)+(第二の原料粉)}=20wt.%)。
Next, using a V-shaped mixer, the first raw material powder 11 and the granule 22 of the second raw material powder were uniformly mixed to obtain a
The mixing ratio was 1st raw material powder 11, 80 wt. % Of the second raw material granule 22, 20 wt. % (That is, weight mixing ratio (second raw material powder) / {(first raw material powder) + (second raw material powder)} = 20 wt.%).
次に、図4(a)に示すように、回転する円筒型ステンレススチール製外型枠101の内側へ混合粉体31を投入し、外型枠101の形状に合わせて均一の厚さになるように混合粉体31の形状を調整した。
次に、図4(b)、(c)に示すように、外型枠101内部にステンレススチール製内型枠(プランジャ)111を挿入し、約3t加重により混合粉体31に0.1MPa(1kgf/cm2)の圧力で加圧しつつ、プランジャ111を加熱することにより100℃に昇温して1時間保持した。
プランジャ111を引抜き、混合粉体31の成形体を形成し、これを基体51とした。基体51の寸法は外径300mm、高さ300mm、厚さ10mmであった。
Next, as shown in FIG. 4 (a), the
Next, as shown in FIGS. 4B and 4C, a stainless steel inner mold (plunger) 111 is inserted into the
The
次に、図7に示すように、基体51の焼成及び歪除去処理(アニール処理)を以下のようにして行った。
二珪化モリブデンヒータ306を具備する、炉内寸法1m×1m×1mの高純度アルミナボードの耐熱材からなる電気抵抗加熱炉301内に基体51を設置した。そして、室温から1000℃まで200℃/時間の昇温速度で約5時間かけて昇温、1300℃まで20℃/時間の昇温速度で昇温した後、1300℃にて3時間保持した。
次いで1300℃から1150℃まで100℃/時間の降温速度で降温、1150℃で一時間保持し、1150℃から950℃まで20℃/時間の降温速度で降温し、除冷を行い、歪除去を行った。
次いで放冷して室温に戻した。
Next, as shown in FIG. 7, the
The
Next, the temperature is lowered from 1300 ° C. to 1150 ° C. at a rate of 100 ° C./hour, held at 1150 ° C. for 1 hour, and the temperature is lowered from 1150 ° C. to 950 ° C. at a rate of 20 ° C./hour. went.
Then it was allowed to cool and returned to room temperature.
次に、図5のように、放電溶融(アーク溶融)によって、基体51の内面上に中間層56を厚さ約1.2mmで形成した。
外型枠201に入っている基体51の内部にカーボン電極212を挿入し、第三の原料粉供給口、蓋213を設定した。その後、外型枠201を回転しながら、第三の原料粉を徐々に投入しつつカーボン電極212で放電加熱(電気アーク加熱)した。
Next, as shown in FIG. 5, an
A
次に、図6のように、放電溶融(アーク溶融)によって、中間層56の内面上に内側層58を約3.2mmの厚さで形成した。
外型枠201に入っている基体51の内部にカーボン電極212を挿入し、第四の原料粉供給口、蓋213を設定した。その後、外型枠201を回転しながら、第四の原料粉を徐々に投入しつつカーボン電極212で放電加熱(電気アーク加熱)した。
Next, as shown in FIG. 6, an
A
このようにして製造したシリカ容器71を5%フッ酸水溶液(HF)にて5分間洗浄後、純水洗浄し、乾燥させた。
The
次に、硝酸バリウムBa(NO3)2の水溶液を作成し、シリカ容器71の内表面に均一に塗布(コーティング)し、乾燥した。
Next, an aqueous solution of barium nitrate Ba (NO 3 ) 2 was prepared, uniformly applied (coated) to the inner surface of the
(実施例2)
基本的には実施例1と同様にシリカ容器の製造を行ったが、以下の点が異なる。
すなわち、第四の原料粉14としてバリウムをドープしたものを以下のようにして準備した。まず、粒径50〜300μm、シリカ純度99.9999wt.%以上の高純度処理したクリストバライト粉を2kg準備した。また、硝酸バリウム(Ba(NO3)2)100gをエチルアルコールC2H5OH50wt.%を含む水溶液5Lを入れ、溶解させてバリウム含有溶液を作製した。その後、円筒型シリカガラス製容器の中に上記高純度処理したクリストバライト粉を入れ、次いでバリウム含有溶液を入れ、撹拌し、クリーンオーブン内で100℃にて乾燥し、バリウムを含有するクリストバライト粉を作製し、第四の原料粉14とした。
また、シリカ容器71内面への塗布層の形成を行わなかった。
(Example 2)
Basically, a silica container was produced in the same manner as in Example 1, but the following points were different.
That is, the fourth
Further, no coating layer was formed on the inner surface of the
(実施例3)
実施例2と同様に、ただし、以下のように製造条件を変更してシリカ容器71の製造を行った。
すなわち、第二の原料粉12の球状シリカ粉として、四塩化珪素(SiCl4)を原料とした火炎加水分解法により作製されたスート粉を用いた。また、第三の原料粉13として、ジルコニアを混入したものとした。また、第一の原料粉と第二の原料粉の顆粒体との混合粉体31を、塩化アルミニウム(AlCl3)を含む水溶液に浸漬、乾燥させ、アルミニウムをドープした。また、基体51の焼成を1350℃、3時間とした。
(Example 3)
The
That is, soot powder produced by a flame hydrolysis method using silicon tetrachloride (SiCl 4 ) as a raw material was used as the spherical silica powder of the second raw material powder 12. Further, zirconia was mixed as the third
(実施例4)
実施例3と同様に、ただし、以下のように製造条件を変更してシリカ容器71の製造を行った。
すなわち、第三の原料粉13として、マグネシアを混入したものとした。第一の原料粉11として粒径100〜1000μm、シリカ純度99.995wt.%のシリカガラススクラップ粉を用いた。また、基体51の焼成を1250℃、3時間とした。
Example 4
The
That is, magnesia was mixed as the third
(比較例1)
概ね従来法に従ってシリカ容器(シリカルツボ)を作製した。
実施例1とは以下のように異なる。
まず、第一の原料粉に相当するものとしてシリカ純度99.995wt.%以上の高純度である天然石英粉(粒径50〜300μm)を用いた。また、ルツボ基体(不透明シリカ層)を作製する際に第二の原料粉に相当するものを用いず、上記第一の原料粉に相当する高純度処理した天然石英粉のみを用いた。また、第三の原料粉に相当するものを用いなかった。また、ルツボ基体の焼成を独立して行わず、第四の原料粉に相当する原料粉から内側層に相当する透明シリカガラス層を形成する際の温度、雰囲気条件で内面からのカーボン電極放電加熱により基体を焼結させるものとした。
(Comparative Example 1)
In general, a silica container (silica crucible) was prepared according to a conventional method.
It differs from Example 1 as follows.
First, the silica purity of 99.995 wt. % Natural quartz powder (particle size 50-300 μm) having a purity of at least%. In addition, when producing the crucible base (opaque silica layer), only the high-purity-treated natural quartz powder corresponding to the first raw material powder was used without using the one corresponding to the second raw material powder. Moreover, the thing equivalent to a 3rd raw material powder was not used. Also, without firing the crucible substrate independently, the carbon electrode discharge heating from the inner surface at the temperature and atmospheric conditions when forming the transparent silica glass layer corresponding to the inner layer from the raw material powder corresponding to the fourth raw material powder To sinter the substrate.
(比較例2)
比較例1と同様に、ただし、硝酸バリウム溶液を内側層に相当する透明シリカガラス層の内面に塗布する工程を設け、シリカ容器を作製した。
(Comparative Example 2)
As in Comparative Example 1, except that a step of applying the barium nitrate solution to the inner surface of the transparent silica glass layer corresponding to the inner layer was provided to produce a silica container.
[実施例及び比較例における評価方法]
各実施例及び比較例において製造したシリカ容器の物性、特性評価を以下のようにして行った。
[Evaluation Methods in Examples and Comparative Examples]
The physical properties and characteristics of the silica containers produced in each of the examples and comparative examples were evaluated as follows.
(気泡含有量の測定方法)
シリカ容器の基体及び透明シリカガラス層における気泡含有量の測定について、各々任意の位置から寸法10mm×10mm×厚さ1.2mmサンプルを切り出す。次いで該サンプルについて両面平行鏡面研磨を行い、寸法を10mm×10mm×厚さ1mmとする。これを実体顕微鏡により観察し、視野をスキャンさせつつ気泡の数量をカウントする。該サンプルにおける気泡数量を10倍することにより単位体積(cm3)当たりの気泡数を求めた。この時サンプル中の気泡含有量の多少に従って、観察しやすいようにサンプル厚さを調整した。
(Measurement method of bubble content)
For the measurement of the bubble content in the substrate of the silica container and the transparent silica glass layer, a sample of size 10 mm × 10 mm × thickness 1.2 mm is cut out from each arbitrary position. Next, the sample is subjected to double-sided parallel mirror polishing to make the dimensions 10 mm × 10 mm ×
(不純物金属元素濃度分析)
透明シリカガラス層と、不透明シリカ層からなる基体の不純物金属元素濃度を以下のように測定した。
不純物金属元素濃度が比較的低い(高純度である)場合は、プラズマ発光分析法(ICP−AES、Inductively Coupled Plasma − Atomic Emission Spectroscopy)又はプラズマ質量分析法(ICP−MS、Inductively Coupled Plasma − Mass Spectroscopy)で行い、不純物金属元素濃度が比較的高い(低純度である)場合は、原子吸光光度法(AAS、Atomic Absorption Spectroscopy)で行った。
(Impurity metal element concentration analysis)
The impurity metal element concentration of the substrate composed of the transparent silica glass layer and the opaque silica layer was measured as follows.
When the impurity metal element concentration is relatively low (high purity), plasma emission analysis (ICP-AES, Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy) or plasma mass spectrometry (ICP-MS, Inductively Coupled Plasma Plus) In the case where the impurity metal element concentration is relatively high (low purity), atomic absorption spectrophotometry (AAS) was used.
(かさ密度(比重))
水槽と精密重量計を使用して、アルキメデス法により測定した。
(Bulk density (specific gravity))
It measured by the Archimedes method using the water tank and the precision weight scale.
(シリコン単結晶連続引き上げ(マルチプリング)評価)
シリカ容器の中に純度99.99999wt.%の金属ポリシリコンを投入し、昇温を行いシリコン融液とし、次いでシリコン単結晶の引上げを10回繰り返して行い(マルチ引上げ)、単結晶育成の成功率として評価した。引上げ条件は、CZ装置内を103Paアルゴン(Ar)ガス100%雰囲気で、引上げ速度0.5mm/分、シリコン単結晶寸法、直径100mm、長さ100mmとした。単結晶育成10回繰り返しの成功率の評価分類は以下の通りとした。
8回以上 ◎(特に良好)
6回以上〜8回未満 ○(良好)
4回以上〜6回未満 △(やや不良)
4回未満 ×(不良)
(Silicon single crystal continuous pulling (multiple pulling) evaluation)
In a silica container, a purity of 99.99999 wt. % Metal polysilicon was added, the temperature was raised to obtain a silicon melt, and then the silicon single crystal was pulled 10 times repeatedly (multi-pulling), and the success rate of single crystal growth was evaluated. The pulling conditions were such that the inside of the CZ apparatus was a 10 3 Pa argon (Ar) gas 100% atmosphere, the pulling rate was 0.5 mm / min, the silicon single crystal size, the diameter was 100 mm, and the length was 100 mm. The evaluation classification of the success rate of 10 times of single crystal growth was as follows.
8 times or more ◎ (particularly good)
6 times to less than 8 times ○ (good)
4 times or more and less than 6 times △ (somewhat bad)
Less than 4 times × (defect)
(シリカ容器の透明シリカガラス層の不純物拡散防止効果)
製造したシリカ容器を高純度アルミナボードの耐熱材とし、二珪化モリブデンをヒーターとする電気炉内に設置し、大気雰囲気、1450℃、24時間加熱処理を行う。次いで、該容器の内表面部分10μmをフッ化水素酸(HF)水溶液で洗浄除去する。次いで、該容器の内表面部分の厚さ100μmをフッ化水素酸(HF)50%水溶液にて溶解エッチング処理を行い、このエッチング溶液のアルカリ金属元素濃度値を分析することにより、シリカ純度の低い容器基体から高純度透明シリカガラス層への不純物金属元素の拡散が多かったか、少なかったかを評価した。
内表面厚さ100μm部分におけるLi、Na、Kの合計濃度値による分類は以下の通りとした。
1wt.ppm未満 ○(良好)
1以上〜10wt.ppm未満 △(やや不良)
10wt.ppm以上 ×(不良)
(Effect diffusion prevention effect of transparent silica glass layer of silica container)
The manufactured silica container is set in an electric furnace using a high-purity alumina board as a heat-resistant material and molybdenum disilicide as a heater, and is subjected to heat treatment at 1450 ° C. for 24 hours. Next, 10 μm of the inner surface portion of the container is washed away with a hydrofluoric acid (HF) aqueous solution. Next, 100 μm in thickness of the inner surface portion of the container is subjected to a dissolution etching treatment with a 50% aqueous solution of hydrofluoric acid (HF), and the alkali metal element concentration value of this etching solution is analyzed, whereby the silica purity is low. It was evaluated whether the impurity metal element diffused from the container substrate to the high-purity transparent silica glass layer more or less.
The classification based on the total concentration values of Li, Na, and K in the inner surface thickness of 100 μm was as follows.
1 wt. Less than ppm ○ (Good)
1 to 10 wt. Less than ppm △ (somewhat bad)
10 wt. ppm or more × (defect)
(シリカ容器の内表面再結晶化効果)
製造したシリカ容器を、高純度アルミナボードを耐熱材とし二珪化モリブデンをヒーターとする電気炉内に設置し、大気雰囲気、1450℃、6時間加熱処理を行う。次いで該容器内表面部分の白色失透(クリストバライト結晶)部分を目視観察することにより再結晶化効果を評価した。再結晶化効果の評価分類は以下の通りとした。
全内表面積の80%以上が白色失透化 ○(良好)
全内表面積の50%以上〜80%未満が白色失透化 △(やや不良)
全内表面積の50%未満が白色失透化 ×(不良)
(Internal surface recrystallization effect of silica container)
The manufactured silica container is placed in an electric furnace using high-purity alumina board as a heat-resistant material and molybdenum disilicide as a heater, and subjected to heat treatment at 1450 ° C. for 6 hours. Subsequently, the recrystallization effect was evaluated by visually observing the white devitrification (cristobalite crystal) part of the inner surface part of the container. The evaluation classification of the recrystallization effect was as follows.
More than 80% of total internal surface area is white devitrified ○ (good)
50% to less than 80% of total internal surface area is white devitrified △ (somewhat poor)
Less than 50% of total internal surface area is white devitrified × (defect)
(各原料粉の粒径測定方法)
光学顕微鏡又は電子顕微鏡で各原料粉の形状観察及び面積測定を行い、形状を真円と仮定し、その面積値から直径を計算した。この手法を統計的に繰り返し行い、粒径の範囲の値とした。
(Method for measuring particle size of each raw material powder)
The shape observation and area measurement of each raw material powder were performed with an optical microscope or an electron microscope, the shape was assumed to be a perfect circle, and the diameter was calculated from the area value. This method was repeated statistically to obtain a value in the particle size range.
(シリカ容器の耐熱変形性)
シリコン単結晶10回連続引上げ後の、シリカ容器最上部の容器内側への倒れ込み量を評価した。耐熱変形性の評価分類は以下の通りとした。
内側への壁の倒れ込み量 1cm未満 ○(良好)
内側への壁の倒れ込み量 1〜5cm △(やや不良)
内側への壁の倒れ込み量 5cm以上 ×(不良)
(Heat-resistant deformation of silica container)
After the silicon single crystal was continuously pulled 10 times, the amount of collapse of the uppermost silica container into the container was evaluated. The evaluation classification of heat distortion resistance was as follows.
Amount of wall falling down to less than 1 cm ○ (Good)
Amount of wall falling into the inside 1-5cm △ (somewhat bad)
The amount of wall collapse to the inside 5 cm or more × (defect)
実施例1〜4、比較例1〜2で製造したそれぞれのシリカ容器の製造条件と、測定した物性値、評価結果をまとめ、下記の表1〜3に示す。 The production conditions, measured physical property values, and evaluation results of the silica containers produced in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 are summarized and shown in Tables 1 to 3 below.
表1〜3からわかるように、本発明に係るシリカ容器の製造方法に従った実施例1〜4では、比較例1より安価で、高生産性で供給できる低純度シリカ粒子を用いているにもかかわらず、単結晶引上げにおいて比較例1の従来のシリカ容器と遜色ない結果を出せるシリカ容器を製造することができた。 As can be seen from Tables 1 to 3, in Examples 1 to 4 according to the method for producing a silica container according to the present invention, low-purity silica particles that are less expensive than Comparative Example 1 and can be supplied with high productivity are used. Nevertheless, it was possible to produce a silica container capable of producing results comparable to the conventional silica container of Comparative Example 1 in pulling a single crystal.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment is merely an example, and the present invention has the same configuration as that of the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
11…第一の原料粉、 12…第二の原料粉、 13…第三の原料粉、
14…第四の原料粉
22…バインダーコーティングされた顆粒体、
31…第一の原料粉と第二の原料粉の顆粒体の混合粉体、
51…基体、 56…中間層、 58…内側層、
71…シリカ容器、
101…外型枠、 102…内側成形用枠、
103…ホッパー、 104…攪拌用スクリュー、 105…計量フィーダ、
111…内型枠(プランジャ)、
201…外型枠、
211…高電圧電源ユニット、 212…カーボン電極、 213…蓋、
233…ホッパー、 234…攪拌用スクリュー、 235…計量フィーダ、
243…ホッパー、 244…攪拌用スクリュー、 245…計量フィーダ、
301…電気抵抗加熱炉、 302…ガス供給口、 303…ガス排出口、
304、305…開閉バルブ、 306…ヒーター。
11 ... First raw material powder, 12 ... Second raw material powder, 13 ... Third raw material powder,
14 ... Fourth raw material powder 22 ... Binder-coated granules,
31 ... Mixed powder of granules of the first raw material powder and the second raw material powder,
51 ... Substrate, 56 ... Intermediate layer, 58 ... Inner layer,
71 ... Silica container,
101 ... Outer mold frame, 102 ... Inner mold frame,
103 ... Hopper, 104 ... Stirring screw, 105 ... Measuring feeder,
111 ... Inner formwork (plunger),
201: outer formwork,
211 ... High voltage power supply unit, 212 ... Carbon electrode, 213 ... Lid,
233 ... Hopper, 234 ... Stirring screw, 235 ... Weighing feeder,
243 ... Hopper, 244 ... Stirring screw, 245 ... Metering feeder,
301 ... Electric resistance heating furnace, 302 ... Gas supply port, 303 ... Gas discharge port,
304, 305 ... Open / close valve, 306 ... Heater.
Claims (30)
(1)骨材となるシリカ粒子である第一の原料粉、非晶質シリカからなり、平均粒径が前記第一の原料粉の平均粒径よりも小さく、球状である第二の原料粉、主成分がシリカであり、アルミニウム元素及び/又はOH基を含有することとシリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物粉を含有することとの少なくとも一方を満足する第三の原料粉、及び、結晶質シリカからなり、前記第一の原料粉及び前記第二の原料粉よりもシリカ純度が高い第四の原料粉を準備する工程と、
(2)前記第二の原料粉を、少なくとも有機質バインダー及び純水と混合して混合スラリーとし、該混合スラリーを乾燥させることにより、バインダーコーティングされた顆粒体を作製する工程と、
(3)前記第一の原料粉と前記第二の原料粉から作製した顆粒体とを混合して混合粉体を作製する工程と、
(4)前記混合粉体を、回転対称性を有する外型枠の内壁に導入し、前記外型枠を回転させながら、前記混合粉体を前記外型枠に応じた所定形状とする工程と、
(5)前記所定形状とした混合粉体を、前記外型枠と内型枠とで挟み、該混合粉体を加圧することにより基体を成形する加圧成形工程と、
(6)前記基体を酸素含有雰囲気下で焼成することにより該基体を不透明シリカ層からなるものとし、該焼成した基体を少なくとも徐冷点から歪点までの温度域を徐冷して歪除去する工程と、
(7)前記基体の内側から前記第三の原料粉を散布して供給しながら前記基体の内側に配置した加熱源により溶融することで、前記基体の内表面上に、シリカガラスからなる中間層を形成する工程と、
(8)前記中間層が形成された基体の内側から前記第四の原料粉を散布して供給しながら前記中間層が形成された基体の内側に配置した加熱源により溶融することで、前記中間層の内表面上に、透明シリカガラスからなる内側層を形成する工程と
を有し、前記(5)の工程終了後に、前記(6)の工程と、前記(7)及び(8)の工程とを順不同で行うことを特徴とするシリカ容器の製造方法。 A method for producing a silica container having silica as a main constituent and having rotational symmetry, at least,
(1) First raw material powder that is silica particles to be an aggregate, second raw material powder that is made of amorphous silica and has an average particle size smaller than the average particle size of the first raw material powder and is spherical. And a third raw material satisfying at least one of the main component being silica, containing an aluminum element and / or an OH group, and containing a compound powder serving as a crystal nucleus material for crystallization of silica glass. A step of preparing a fourth raw material powder consisting of powder and crystalline silica and having a higher silica purity than the first raw material powder and the second raw material powder;
(2) A step of preparing a binder-coated granule by mixing the second raw material powder with at least an organic binder and pure water to form a mixed slurry, and drying the mixed slurry;
(3) a step of preparing a mixed powder by mixing the first raw material powder and a granule prepared from the second raw material powder;
(4) introducing the mixed powder into an inner wall of an outer mold frame having rotational symmetry, and making the mixed powder a predetermined shape according to the outer mold frame while rotating the outer mold frame; ,
(5) A pressure forming step of forming the base by sandwiching the mixed powder having the predetermined shape between the outer mold frame and the inner mold frame, and pressing the mixed powder;
(6) The base body is made of an opaque silica layer by firing the base body in an oxygen-containing atmosphere, and the fired base body is gradually cooled at least in the temperature range from the slow cooling point to the strain point to remove the strain. Process,
(7) An intermediate layer made of silica glass is melted on the inner surface of the substrate by melting with a heating source disposed inside the substrate while the third raw material powder is dispersed and supplied from the inside of the substrate. Forming a step;
(8) While the fourth raw material powder is dispersed and supplied from the inside of the substrate on which the intermediate layer is formed, the intermediate material is melted by a heating source disposed on the inside of the substrate on which the intermediate layer is formed. Forming an inner layer made of transparent silica glass on the inner surface of the layer, and after the step (5), the step (6) and the steps (7) and (8) A method for producing a silica container, wherein the steps are performed in any order.
気泡を含有し、白色不透明であり、かさ密度が1.90〜2.09g/cm3であり、シリカ純度が99.5〜99.999wt.%である不透明シリカ層からなる基体を有し、
該基体の内側に、アルミニウム元素及び/又はOH基を含有することとシリカガラスの結晶化のための結晶核材となる化合物成分を含有することとの少なくとも一方を満足するシリカガラスからなり、厚さが0.1〜5mmである中間層を有し、
該中間層の内側表面上に、実質的に気泡を含有しない透明シリカガラス層からなり、かさ密度が2.20〜2.21g/cm3であり、厚さが0.1〜5mmである内側層を有することを特徴とするシリカ容器。 A silica container having rotational symmetry, at least,
It contains bubbles, is white and opaque, has a bulk density of 1.90 to 2.09 g / cm 3 , and a silica purity of 99.5 to 99.999 wt. % Having a substrate composed of an opaque silica layer,
The inside of the substrate is made of silica glass satisfying at least one of containing an aluminum element and / or OH group and containing a compound component serving as a crystal nucleus material for crystallization of the silica glass. Having an intermediate layer with a thickness of 0.1 to 5 mm,
An inner side consisting of a transparent silica glass layer substantially free of bubbles on the inner surface of the intermediate layer, having a bulk density of 2.20 to 2.21 g / cm 3 and a thickness of 0.1 to 5 mm A silica container comprising a layer.
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