JP2012188332A - 高純度シリカ原料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原料のケイ石よりも高純度のシリカ原料を製造する方法の提供。
【解決手段】天然ケイ石中における不純物は天然ケイ石の結晶粒界に集中しており、天然ケイ石を結晶粒界が現れる程度に粉砕した後に結晶粒界を酸によって溶解除去することで純度が高いシリカ原料が得られることを発見した。本発明の高純度シリカ原料の製造方法は、結晶粒界に沿ってケイ石原料を粉砕する工程と、フッ酸を含有する酸溶液にて前記粉砕物を洗浄する洗浄工程と、を有することを特徴とする。つまり、ケイ石原料を粉砕することで結晶粒界を露出させた状態として、酸溶液にて結晶粒界を除去することで、不純物を優先的に除去することが可能になり、高純度のシリカ原料を得ることができる。効果的に結晶粒界を露出する目的で、前記粉砕工程の前に、４００℃以上に前記ケイ石原料を加熱し冷却液に投入する熱処理工程を有することが望ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、天然のケイ石から高純度のシリカが得られる高純度シリカ原料の製造方法に関する。

従来、天然のケイ石から高純度のシリカを製造する方法としては天然のケイ石として高純度のものを採用する方法があった（特許文献１）。特許文献１には不純物としてのウラン含有量が０．１ｐｐｂの天然ケイ石を用いて溶融シリカ粉末を製造する方法が開示されている。

特許第３４３４０４７号公報

しかしながら、必要とする純度の天然ケイ石を確保することは困難であり、ある程度の不純物を含む天然ケイ石を原料として純度が高いシリカ原料を製造することが望まれる。

本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、原料となるケイ石よりも高純度のシリカ原料が製造できる高純度シリカ原料の製造方法を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する目的で本発明者らが鋭意研究を行った結果、天然ケイ石中における不純物は天然ケイ石の結晶粒界に集中しており、天然ケイ石を結晶粒界が現れる程度に粉砕した後に結晶粒界を酸によって溶解除去することで純度が高いシリカ原料が得られることを発見し以下の発明を完成させた。

すなわち、本発明の高純度シリカ原料の製造方法は、結晶粒界に沿ってケイ石原料を粉砕する工程と、フッ酸を含有する酸溶液にて前記粉砕物を洗浄する洗浄工程と、を有することを特徴とする。

つまり、ケイ石原料を粉砕することで結晶粒界を露出させた状態として、酸溶液にて結晶粒界を除去することで、不純物を優先的に除去することが可能になり、高純度のシリカ原料を得ることができる。

ここで、ケイ石原料を粉砕するに当たり効果的に結晶粒界を露出する目的で、前記粉砕工程の前に、４００℃以上に前記ケイ石原料を加熱し冷却液に投入する熱処理工程を有することが望ましい。ケイ石原料を加熱して急冷することで生じる応力によって、構造的に弱い結晶粒界の部分で優先的に破壊され、不純物を多く含有する結晶粒界が露出する。

前記ケイ石原料は結晶粒の平均粒径が１００μｍ〜１ｃｍ以下であり、前記粉砕物は平均粒径が該結晶粒の大きさより小さくすることが望ましい。平均粒径はケイ石原料における任意の位置の断面において画像解析を行って算出した面積メジアン平均粒径である。

そして、除去すべき不純物としては半導体メモリ素子においてソフトエラー発生の一因であるウランが挙げられる。本製造方法を採用すると、前記ケイ石原料としてウラン含有量が２０ｐｐｂ以下であるものを採用しても充分に実用性があるシリカ原料を提供することができる。

更に、上述の製造方法にて製造された高純度シリカ原料を所望の粒径に粉砕し、火炎中に投入し溶融・球状化する溶融球状化工程、を有する球状シリカ微粒子の製造方法がある。高純度シリカ原料を用いて溶融シリカ微粒子を製造することで高純度のシリカ微粒子を提供できる。特に高純度な球状シリカ微粒子が得られるので半導体素子封止用に好適である。

（高純度シリカ原料の製造方法）
本発明の高純度シリカ原料の製造方法は簡易な方法によりシリカの純度を上げることができるので目的よりも低い純度の天然ケイ石を用いることが可能になってコストが低減できる。

本実施形態の高純度シリカ原料の製造方法は粉砕工程と洗浄工程とを有する。本製造方法にて製造したシリカ原料は純度が要求される球状シリカ微粒子の原料として採用できる。本製造方法にて除去できる不純物としては原理的には特に限定されず、例えば、ウランが挙げられる。

純度が要求される球状シリカ微粒子としては半導体封止材、基板材料、無機ペースト、接着剤、コーティング剤、精密成形樹脂、プリプレグなどで樹脂中に分散して用いられるシリカ微粒子として用いることができる。

ケイ石原料は無水ケイ酸を主成分とする鉱石であって特に限定されない。例えば、白ケイ石、青白ケイ石、赤白ケイ石、軟ケイ石、ケイ砂などが挙げられ、最終的に必要な不純物濃度、入手性、価格などから適正に選択する。特に、不純物としてのウランを除去することが望まれる場合にはウラン濃度が２０ｐｐｂ以下であるケイ石原料が望ましい。

そして、ケイ石原料は結晶粒の平均粒径が１００μｍ〜１ｃｍ以下であることが望ましい。結晶粒か小さい方が粉砕しやすいからである。結晶粒の粒径の測定は前述の方法で測定したものを採用できる。ここで、粒径としては断面において露出する部分における円相当径が採用できる。

粉砕工程はケイ石原料を粉砕する工程である。粉砕により結晶粒界を露出させる工程である。結晶粒界を効果的に露出させるためには粉砕後の粒子の粒径がケイ石原料がもつ結晶粒の大きさよりも小さくすることが望ましい。粉砕は不純物の混入を抑制するために不純物の含有量が少ない装置を用いて行うことが望ましい。特に、ケイ石原料や粉砕物に接触する部分における不純物の含有量が少ないものを選択することが望ましい。

そして、結晶粒界にて破壊が進行しやすくするために熱処理工程を粉砕工程の前に有することが望ましい。熱処理工程はケイ石原料を加熱した後に冷却液に浸漬して急冷する工程である。加熱した後に急冷することで結晶粒界に沿って破壊される。加熱温度は特に限定しないが、望ましくは４００℃以上に加熱し、より望ましくは６００℃以上に加熱し、更に望ましくは９００℃以上に加熱する。冷却液としては特に限定されないが、単なる水や、何らかの添加剤を加えた水溶液、油などである。

洗浄工程は酸溶液にて粉砕物を洗浄する工程である。酸溶液はフッ酸を含有し、洗浄により結晶粒界近傍を溶解除去する。結晶粒界が除去されることで結晶粒界に集中している不純物が除去できる。

酸溶液中のフッ酸濃度は特に限定されないが、充分な溶解除去速度を実現するためには１質量％以上、更には３質量％以上にすることが望ましく、取扱性の観点からは２０質量％以下、更には１０質量％以下にすることが望ましい。また、結晶粒界を充分に溶解可能なフッ酸量を算出して、それだけの量のフッ酸を含有する酸溶液を調製することが望ましい。更に、酸溶液はフッ酸の他の酸（例えば、塩酸や硝酸）を含有することが望ましい。

洗浄工程は結晶粒界を溶解除去するのに充分な時間行うことが望ましい。粉砕物に対して酸溶液にて洗浄した後に酸溶液を分離する。更に酸溶液や酸溶液中に溶解した不純物を洗浄することが望ましい。酸溶液などの洗浄はイオン交換水などの不純物の含有量が小さい液体にて行うことが望ましい。また、酸溶液由来の酸の残留を抑制するためにアルカリ性物質を添加して酸を中和することが望ましい。酸を中和した後には更にイオン交換水などにて洗浄することが望ましい。

（球状シリカ微粒子の製造方法）
本実施形態の球状シリカ微粒子の製造方法はいわゆる火炎溶融法を採用して真球度の高いシリカ微粒子を製造する。火炎溶融法は前述の高純度シリカ原料を粉砕などにより必要な粒径分布を持つ粉末とした後に、火炎中に投入・融解させた後、冷却・固化させることで、球状シリカ微粒子を製造する方法である。

融解・固化は耐火レンガなどにて構成される炉中にて行われるが、不純物の混入を防止するために、耐火レンガなどのシリカ原料に接触する部分には不純物の含有量が少ない材料を採用することが望ましい。

ウラン量２０ｐｐｍの天然ケイ石（ケイ石原料に相当）１００ｋｇを電気炉中で１０００℃に加熱した。その後、イオン交換水（冷却液に相当）中に投入して急冷した（熱処理工程）。

水中から回収したケイ石をジョークラッシャーにて粒径５ｍｍから１０ｍｍ程度に粉砕した。更にロールクラッシャーにて平均粒径１ｍｍから２ｍｍ程度に粉砕した（粉砕工程）。ウラン含有量を測定したところ２０ｐｐｂであった。

５％フッ酸水溶液と２０％塩酸水溶液とを１：１で混合した混合酸水溶液（酸溶液に相当）をシリカ質量１０ｋｇ当たり、２〜３Ｌ加えて一度撹拌した後、３日間放置することで洗浄した（洗浄工程）。

その後、ｐＨが２になるまで、イオン交換水を加えて上澄みを溢れ出させながら撹拌した。その後、ｐＨが５〜９になるまでアンモニア水を加えて中和し、更にイオン交換水を加えて上澄みを溢れ出させながら撹拌することにより洗浄した。

固形分をろ取、洗浄した後、乾燥した。９５ｋｇのシリカ破砕物が得られた。得られたシリカ破砕物についてウラン含有量を測定したところ０．３ｐｐｂであった。

このシリカ破砕物をアルミナ製のボール（ウラン含有量０．１ｐｐｂ）を用いたボールミルにて粉砕し、平均粒径３０μｍのシリカ微粉末を得た。このシリカ微粉末のウラン含有量は０．４ｐｐｂであった。

このシリカ微粉末を耐火材で内張りした炉を用いて火炎溶融法にて球状シリカ微粒子を製造した。得られた球状シリカ微粒子の体積平均粒径は３５μｍであった。得られた球状シリカ微粒子はウラン含有量が０．７ｐｐｂであった。

比較例

混合酸水溶液に代えてイオン交換水を用いた以外は実施例と同様の工程にてシリカ破砕物を得た。得られたシリカ破砕物のウラン含有量は１５ｐｐｂであり、実施例の０．３ｐｐｂと比較して大きな値となった。なお、酸溶液にて洗浄を行っていない比較例においてもウラン含有量が低下したのは粉砕により結晶粒界が露出するときに結晶粒界が剥がれて除去されたためと考えられる。

Claims (6)

1. 結晶粒界に沿ってケイ石原料を粉砕する工程と、
   フッ酸を含有する酸溶液にて前記粉砕物を洗浄する洗浄工程と、を有することを特徴とする高純度シリカ原料の製造方法。
2. 前記粉砕工程の前に、４００℃以上に前記ケイ石原料を加熱し冷却液に投入する熱処理工程を有する請求項１に記載の高純度シリカ原料の製造方法。
3. 前記ケイ石原料はウラン含有量が２０ｐｐｂ以下である請求項１又は２に記載の高純度シリカ原料の製造方法。
4. 前記ケイ石原料は結晶粒の平均粒径が１００μｍ〜１ｃｍ以下であり、
   前記粉砕物は平均粒径が該結晶粒の大きさより小さくする請求項１〜３のいずれかに記載の高純度シリカ原料の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかの製造方法にて製造された高純度シリカ原料を所望の粒径に粉砕し、火炎中に投入し溶融・球状化する溶融球状化工程を有する球状シリカ微粒子の製造方法。
6. 請求項５に記載の製造方法にて製造された前記球状シリカ微粒子は半導体素子封止用である球状シリカ微粒子の製造方法。