JP2621491B2 - Method for producing silica glass - Google Patents

Method for producing silica glass

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JP2621491B2 JP18579089A JP18579089A JP2621491B2 JP 2621491 B2 JP2621491 B2 JP 2621491B2 JP 18579089 A JP18579089 A JP 18579089A JP 18579089 A JP18579089 A JP 18579089A JP 2621491 B2 JP2621491 B2 JP 2621491B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は光学用、半導体工業用、電子工業用、理工学
用等に使用されるシリカガラスを製造する方法に関す
る。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing silica glass used for optics, semiconductor industry, electronics industry, science and engineering, and the like.

[従来の技術] シリカガラスは耐熱性、耐蝕性及び光学的性質に優れ
ていることから、半導体製造に欠かせない重要な材料で
あり、さらには光ファイバやIC製造用フォトマスク基
板、TFT基板などに使用され、その用途はますます拡大
されている。
[Prior art] Silica glass is an important material for semiconductor production due to its excellent heat resistance, corrosion resistance and optical properties. In addition, photomask substrates for optical fiber and IC production, and TFT substrates It is used for such purposes, and its use is being further expanded.

従来のシリカガラスの製造法には、天然石英を電気炉
又は酸水素炎により溶解する方法、あるいは四塩化ケイ
素を酸水素炎又はプラズマ炎中で高温酸化し溶解する方
法があるが、いずれの方法も製造工程に2000℃あるいは
それ以上の高温を必要とするため、大量のエネルギーを
消費し、又製造時にそのような高温に耐える材料が必要
であり、又高純度のものが得にくいなど経済的、品質的
にいくつかの問題点をもっている。
Conventional methods for producing silica glass include a method in which natural quartz is melted by an electric furnace or an oxyhydrogen flame, and a method in which silicon tetrachloride is oxidized at a high temperature in an oxyhydrogen flame or a plasma flame and dissolved. Requires a high temperature of 2000 ° C or more in the manufacturing process, consumes a large amount of energy, requires materials that can withstand such high temperatures during manufacturing, and is economical because it is difficult to obtain high-purity products. However, it has some problems in quality.

これに対し、近年ゾルーゲル法と呼ばれるシリカガラ
スを低温で合成する方法が注目されている。その概要を
簡単に述べる。
On the other hand, in recent years, a method called sol-gel method for synthesizing silica glass at a low temperature has attracted attention. The outline is briefly described.

シリコンアルコキシドの加水分解、重合によって、あ
るいは四塩化ケイ素の気相加水分解によって作製したSi
O2微粒子を分散させた水、有機溶剤、あるいは水−有機
溶剤混合溶液のシリカゾルを静置、昇温、ゲル化剤の添
加等によってゲル化させる。その後、ゲルを蒸発、乾燥
することによりシリカ乾燥ゲルとする。この乾燥ゲルを
適当な雰囲気中で焼結することによりシリカガラスを得
る。
Si prepared by hydrolysis and polymerization of silicon alkoxide or by gas phase hydrolysis of silicon tetrachloride
The silica sol of water, an organic solvent, or a mixed solution of water and an organic solvent in which O 2 fine particles are dispersed is gelled by standing, heating, and adding a gelling agent. Thereafter, the gel is evaporated and dried to obtain a silica dry gel. The dried gel is sintered in an appropriate atmosphere to obtain silica glass.

上記のゾルーゲル法によるシリカガラスの製造法には
次の問題がある。すなわち、SiO2微粒子を水、有機溶剤
等に均一に分散させることは非常に困難であり、シリカ
ゾル中にSiO2微粒子の大きな凝集体が残りやすい。この
ような凝集体はゲルを焼結して作製したガラスの中の欠
陥(空孔)の原因となり、品質の低下を生じさせる。こ
のためSiO2微粒子の分散を良くするために、シリカゾル
に超音波を照射する方法、凝集体により生ずるガラスの
中の欠陥(空孔)を消すために焼結ガラスを更に加圧下
で焼結する方法が提案されているが、いずれも工程数の
増加、不純物混入の機会の増加を引き起こす。
The method for producing silica glass by the sol-gel method has the following problems. That is, it is extremely difficult to uniformly disperse the SiO 2 fine particles in water, an organic solvent, or the like, and large aggregates of the SiO 2 fine particles tend to remain in the silica sol. Such agglomerates cause defects (voids) in the glass produced by sintering the gel, and cause deterioration in quality. Therefore, to improve the dispersion of the SiO 2 fine particles, a method of irradiating the silica sol with ultrasonic waves, and further sintering the sintered glass under pressure in order to eliminate defects (voids) in the glass caused by the aggregates Methods have been proposed, but all of them cause an increase in the number of steps and an increase in opportunities for impurity contamination.

液相へのSiO2微粒子の分散工程をなくすため、シリコ
ンアルコキシドを塩基触媒の存在下で加水分解してSiO2
微粒子を含むゾルを作製し、これを直接、ゲル化させる
方法が提案されている。
To eliminate the step of dispersing fine SiO 2 particles into the liquid phase, by hydrolyzing a silicon alkoxide in the presence of a base catalyst SiO 2
A method has been proposed in which a sol containing fine particles is produced, and this is directly gelled.

[発明が解決しようとする課題] しかし、この方法では、乾燥過程でゲルにクラックや
割れが発生しやすい。このようなゲルの破壊を防ぐため
には、ゾル中に含まれるSiO2微粒子径を大きくする必要
があり、このためアルコキシドの加水分解の際に用いる
水は、アルコキシドに対して大過剰でかつ濃厚な塩基を
含む必要がある。したがってゾルをゲル化する前に、大
過剰の水を除去する濃縮工程が必要となり、工程数の増
加を引き起こした。又ゾルをゲル化に適当なpHにするた
め、酸を加える必要があるが、これによってゾル中に多
量に生成する塩は乾燥過程でゲル中に析出し、ガラス化
した際に空孔の発生を引き起こすという問題が生じた。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in this method, cracks and cracks are easily generated in the gel during the drying process. In order to prevent such gel destruction, it is necessary to increase the diameter of the SiO 2 fine particles contained in the sol.Therefore, the water used in the hydrolysis of the alkoxide has a large excess and a large concentration with respect to the alkoxide. It must contain a base. Therefore, before gelation of the sol, a concentration step for removing a large excess of water was required, causing an increase in the number of steps. In addition, it is necessary to add an acid in order to bring the sol to a pH suitable for gelation, but this causes a large amount of salt formed in the sol to precipitate in the gel during the drying process and generate porosity when vitrified. Caused a problem.

これらの問題を解決するため発明者らは、先にゲル化
前にSiO2微粒子の分散工程及びゾルの濃縮工程を必要と
しないシリカガラスの製造法、すなわち、ポリエチレン
グリコール及び/又はその誘導体の存在下にシリコンア
ルコキシドを塩基性触媒を用いて加水分解してSiO2微粒
子を含むシリカゾルを得、このシリカゾルに酸とともに
水を加え、次いでシリコンアルコキシドを添加し、ゲル
化し、乾燥、焼結することを特徴とするシリカガラスの
製造法を提案した。しかしながら、この方法によっても
多数回のバッチの中には、時には乾燥工程でゲルにクラ
ックや割れが生じ、乾燥ゲルの歩留まりが低下する場合
がみられた。本発明は乾燥工程におけるゲルのクラック
や割れを防ぎ、空孔等の欠陥の少ない大型のシリカガラ
スの製造方法を提供することを目的とする。
In order to solve these problems, the present inventors have proposed a method for producing silica glass that does not require a step of dispersing SiO 2 fine particles and a step of concentrating a sol before gelation, that is, the presence of polyethylene glycol and / or a derivative thereof. The silicon alkoxide is hydrolyzed using a basic catalyst below to obtain a silica sol containing fine particles of SiO 2 , water is added to the silica sol together with an acid, and then the silicon alkoxide is added, gelled, dried and sintered. A production method of the characteristic silica glass was proposed. However, even with this method, in some batches, cracks and cracks sometimes occur in the gel during the drying step, and the yield of the dried gel is sometimes reduced. An object of the present invention is to provide a method for producing a large-sized silica glass which prevents cracks and cracks in a gel in a drying step and has few defects such as voids.

[課題を解決するための手段] 前記目的を達成するために本発明者らは、乾燥工程で
ゲルにクラックや割れが生じる原因及びその防止方法を
種々検討したところ、ゲルの割れはゲルの収縮工程で起
こること、またこのようなゲルの割れは、SiO2微粒子を
含むシリカゾルに加えるシリコンアルコキシドの量を増
やすと比較的抑えられるものの、ゲルは緻密化し、乾燥
工程の終期にゲルの割れが発生すること、更にはシリコ
ンアルコキシドの量を増やしたときに起こるゲルの緻密
化はアルキル基(R)の異なる2種類以上のシリコンア
ルコキシド(Si(OR)4)の混合物を用いることにより抑
えられることを見出し、本発明を完成した。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present inventors have studied various causes of cracks and cracks in the gel during the drying step and methods for preventing the cracks. What happens in the process and such cracking of the gel can be relatively suppressed by increasing the amount of silicon alkoxide added to the silica sol containing SiO 2 fine particles, but the gel densifies and gel cracking occurs at the end of the drying process And that the gel densification that occurs when the amount of silicon alkoxide is increased can be suppressed by using a mixture of two or more types of silicon alkoxides (Si (OR) 4 ) having different alkyl groups (R). Heading, the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、ポリエチレングリコール及び/
又はその誘導体の存在下にシリコンアルコキシドを塩基
性触媒を用いて加水分解してSiO2微粒子を含むシリカゾ
ルを得、このシリカゾルに酸とともに水を加え、次いで
シリコンアルコキシドを添加し、ゲル化し、乾燥、焼結
するシリカガラスの製造法において、添加するシリコン
アルコキシド(Si(OR)4)がアルキル基(R)の異なる
2種類以上のシリコンアルコキシドの混合物であること
を特徴とするシリカガラスの製造法を提供するものであ
る。
That is, the present invention provides polyethylene glycol and / or
Alternatively, a silicon alkoxide is hydrolyzed using a basic catalyst in the presence of a derivative thereof to obtain a silica sol containing SiO 2 fine particles, water is added to the silica sol together with an acid, then a silicon alkoxide is added, gelled, dried, In a method for producing silica glass to be sintered, a method for producing silica glass is characterized in that the silicon alkoxide (Si (OR) 4 ) to be added is a mixture of two or more types of silicon alkoxides having different alkyl groups (R). To provide.

SiO2微粒子を含むシリカゾルに加える酸としては、塩
酸、硝酸、ぎ酸、酢酸、プロピオン酸等が使用できる。
加える酸の量は、SiO2微粒子を含むシリカゾルのpHが3
〜5となるようにする。
Hydrochloric acid, nitric acid, formic acid, acetic acid, propionic acid and the like can be used as the acid added to the silica sol containing the SiO 2 fine particles.
The amount of the acid to be added is such that the pH of the silica sol containing the SiO 2 fine particles is 3
55.

酸とともに加える水の量は、次いで加えるシリコンア
ルコキシドの加水分解に必要な理論量の0.1〜4倍とす
ると良好な結果が得られる。
Good results are obtained if the amount of water added with the acid is 0.1 to 4 times the theoretical amount required for the hydrolysis of the silicon alkoxide to be subsequently added.

酸とともに水を加えたのち、添加するシリコンアルコ
キシドの混合物としては、テトラメトキシシラン、テト
ラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブ
トキシシラン、又はこれらが部分的に縮重合したもの等
から選ばれる2種類以上のシリコンアルコキシドの混合
物を用いることができる。2種類以上のシリコンアルコ
キシドの混合物の適当な組合せ及び組成については、Si
O2微粒子を含むシリカゾルの組成、特にアルコール(シ
リコンアルコキシドの加水分解生成物及び溶媒に由来)
の組成により変動するので、特に限定するものではな
い。
After adding water together with the acid, the mixture of silicon alkoxides to be added is at least two kinds selected from tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, or a partially condensed polymer thereof. Can be used. For suitable combinations and compositions of mixtures of two or more silicon alkoxides, see Si
Composition of silica sol containing O 2 fine particles, especially alcohol (derived from hydrolysis product of silicon alkoxide and solvent)
Is not particularly limited since it varies depending on the composition of

シリカガラスは、上記のようにして調製したシリカゾ
ルをシャーレ等の容器に移し、室温〜70℃に保持してゲ
ル化し、次いで室温以上の温度で乾燥して乾燥ゲルと
し、更に公知の方法、たとえば空気中で1000〜1400℃に
昇温して焼結することにより得られる。
Silica glass is prepared by transferring the silica sol prepared as described above to a container such as a Petri dish, gelling while maintaining the temperature at room temperature to 70 ° C., and then drying at a temperature equal to or higher than room temperature to obtain a dried gel. It is obtained by raising the temperature to 1000 to 1400 ° C in air and sintering.

[作用] ポリエチレングリコール及び/又はその誘導体の存在
下、塩基性触媒を用いてシリコンアルコキシドを加水分
解して作製したSiO2微粒子を含むシリカゾルに酸ととも
に水を加え、次いでアルカリ基(R)の異なる2種類以
上のシリコンアルコキシド(Si(OR)4)の混合物を加
え、ゲル化すると、多量のシリコンアルコキシドを添加
してもゲルの緻密化が起こらず、その結果、乾燥ゲルの
歩留まりが著しく向上する。この理由の詳細は不明であ
るが、SiO2微粒子を含むシリカゾルに酸とともに水を加
えたのち、大きなRを含むシリコンアルコキシド(例え
ばシリコンブトキシド)を多量添加するとSiO2微粒子の
凝集が起こり、したがって、例えばR(R1>R2)の異な
る2種類のシリコンアルコキシドをシリカゾルに加える
と、R1を含む大きい方のシリコンアルコキシドそれ自身
があるいは加水分解生成物のアルコールがシリカゾル中
のSiO2微粒子及びその2次粒子の成長を促進し、その結
果としてゲルの緻密化を抑制するものと推測される。な
お、本発明は、上記の推察に拘束されるものではない。
[Action] In the presence of polyethylene glycol and / or a derivative thereof, water is added together with an acid to silica sol containing SiO 2 fine particles produced by hydrolyzing silicon alkoxide using a basic catalyst, and then the alkali group (R) is different. When a mixture of two or more types of silicon alkoxides (Si (OR) 4 ) is added and gelled, the gel does not densify even if a large amount of silicon alkoxides are added, and as a result, the yield of dry gel is significantly improved. . Although the details of this reason are unknown, after adding water to the silica sol containing the SiO 2 fine particles together with the acid and then adding a large amount of silicon alkoxide (for example, silicon butoxide) containing a large amount of R, aggregation of the SiO 2 fine particles occurs. For example, when two types of silicon alkoxides having different R (R 1 > R 2 ) are added to a silica sol, the larger silicon alkoxide itself containing R 1 or the alcohol as a hydrolysis product is converted into fine particles of SiO 2 in the silica sol and the same. It is presumed that this promotes the growth of the secondary particles and consequently suppresses the densification of the gel. It should be noted that the present invention is not limited to the above assumption.

[実施例] (実施例1) 2−プロピルアルコール284gと0.01Mコリン水溶液160
gを混合し、これにポリエチレングリコール(分子量200
00)16.8gを添加し溶解させた。得られた溶液をのテト
ラメトキシシラン(Si(OCH3)4)340gにゆっくりと加
え、更に充分混合しシリカゾルを得た。これを室温で一
晩静置して熟成させた。次いで激しく攪拌しながらシリ
カゾルに1M塩酸水溶液0.8mlとともに水48.3gを加え、次
いでテトラメトキシシラン153g及びテトラエトキシシラ
ン23.3gの混合物を添加した。これをテフロンでコーテ
ィングした直径300mmのステンレス製シャーレに入れ、
アルミ箔で蓋をし30℃でゲル化させた。蓋に孔を開け、
60℃の恒温槽中で2週間乾燥し、その後、120℃まで昇
温してその温度で1日乾燥し、乾燥ゲルを得た。得られ
た乾燥ゲルには、クラックや割れはみられなかった。得
られた乾燥ゲルを空気中1300℃まで加熱して焼結し、シ
リカガラスを得た。得られたシリカガラスには空孔等の
欠陥はなかった。
[Example] (Example 1) 284 g of 2-propyl alcohol and 160 M aqueous solution of 0.01M choline
g of polyethylene glycol (molecular weight 200
00) 16.8 g was added and dissolved. The obtained solution was slowly added to 340 g of tetramethoxysilane (Si (OCH 3 ) 4 ), and further sufficiently mixed to obtain a silica sol. This was allowed to stand at room temperature overnight to ripen. Then, with vigorous stirring, 48.3 g of water was added to the silica sol together with 0.8 ml of a 1M aqueous hydrochloric acid solution, and then a mixture of 153 g of tetramethoxysilane and 23.3 g of tetraethoxysilane was added. Put this in a 300 mm diameter stainless steel petri dish coated with Teflon,
It was covered with aluminum foil and gelled at 30 ° C. Drill a hole in the lid,
It was dried in a thermostat at 60 ° C. for 2 weeks, then heated to 120 ° C. and dried at that temperature for 1 day to obtain a dried gel. No cracks or cracks were found in the obtained dried gel. The obtained dried gel was heated to 1300 ° C. in the air and sintered to obtain silica glass. The obtained silica glass had no defects such as voids.

(実施例2) 実施例1と同様にして作製したシリカゾルに激しく攪
拌しながら1M塩酸水溶液0.8mlとともに水48.3gを加え、
次いでテトラメトキシシラン136gとテトラエトキシシラ
ン46.5gの混合物を添加した。これを実施例1と同様に
してゲル化、乾燥、焼結ガラス化した。乾燥ゲルには、
クラックや割れはみられず、又得られたシリカガラスに
も、空孔等の欠陥はなかった。
(Example 2) 48.3 g of water was added together with 0.8 ml of a 1M aqueous hydrochloric acid solution to a silica sol prepared in the same manner as in Example 1 while stirring vigorously.
Then, a mixture of 136 g of tetramethoxysilane and 46.5 g of tetraethoxysilane was added. This was gelled, dried, and sintered vitrified in the same manner as in Example 1. For dried gels,
No cracks or cracks were observed, and the obtained silica glass had no defects such as voids.

(実施例3) 実施例1と同様にして作製したシリカゾルに激しく攪
拌しながら1M塩酸水溶液0.8mlとともに水48.3gを加え次
いでテトラメトキシシラン102gとテトラエトキシシラン
93.1gの混合物を添加した。これを実施例1と同様にし
てゲル化、乾燥、焼結ガラス化した。乾燥ゲルには、ク
ラックや割れはなく、又得られたシリカガラスにも、空
孔等の欠陥はなかった。
(Example 3) To a silica sol prepared in the same manner as in Example 1, 48.3 g of water was added together with 0.8 ml of a 1 M aqueous hydrochloric acid solution while vigorously stirring, and then 102 g of tetramethoxysilane and tetraethoxysilane were added.
93.1 g of the mixture was added. This was gelled, dried, and sintered vitrified in the same manner as in Example 1. The dried gel had no cracks or cracks, and the obtained silica glass had no defects such as voids.

[発明の効果] 本発明によれば、クラックや割れがなく、又空孔等の
欠陥の少ない大形のシリカガラスをゲル−ゾル法により
容易に製造可能となる。その大きさは基本的には制約が
なく、形状も板状、棒状、管状等のいずれでも製造でき
る。
[Effects of the Invention] According to the present invention, large-sized silica glass free from cracks and cracks and having few defects such as voids can be easily produced by a gel-sol method. The size is basically not limited, and it can be manufactured in any shape such as a plate shape, a rod shape, and a tubular shape.

又、本発明によればシリカガラスは、従来よりも安価
に製造できるため、従来から使用されてきたIC製造用フ
ォトマスク基材等の分野はもちろん、液晶表示基材等に
も応用が拡大できる。
Further, according to the present invention, silica glass can be manufactured at a lower cost than in the past, so that its application can be expanded not only in the field of photomask base materials for IC manufacturing and the like, but also in liquid crystal display base materials and the like, which have been conventionally used. .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嶋崎 俊勝 茨城県つくば市和台48番地 日立化成工 業株式会社筑波開発研究所内 (56)参考文献 特開 平3−40927(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Toshikatsu Shimazaki 48, Wadai, Tsukuba-shi, Ibaraki Hitachi Chemical Co., Ltd. Tsukuba Development Laboratory (56) References JP-A-3-40927 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ポリエチレングリコール及び/又はその誘
導体の存在下にシリコンアルコキシドを塩基性触媒を用
いて加水分解してSiO2微粒子を含むシリカゾルを得、こ
のシリカゾルに酸とともに水を加え、次いでシリコンア
ルコキシドを添加し、ゲル化し、乾燥、焼結するシリカ
ガラスの製造法において、添加するシリコンアルコキシ
ド(Si(OR)4)がアルキル基(R)の異なる2種類以上
のシリコンアルコキシドの混合物であることを特徴とす
るシリカガラスの製造法。
A silica sol containing SiO 2 fine particles is obtained by hydrolyzing a silicon alkoxide using a basic catalyst in the presence of polyethylene glycol and / or a derivative thereof, and water is added to the silica sol together with an acid. Is added, gelled, dried and sintered, the silicon alkoxide (Si (OR) 4 ) to be added is a mixture of two or more silicon alkoxides having different alkyl groups (R). Characteristic method of producing silica glass.
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