JP4979930B2 - Method for producing anisotropic silica sol - Google Patents

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Description

本発明は、特に研磨材として好適な異方形状シリカゾルの効率的な製造方法およびその製造方法により得られる異方形状シリカゾルに関する。   The present invention relates to an efficient production method of an anisotropic shaped silica sol particularly suitable as an abrasive and an anisotropic shaped silica sol obtained by the production method.

半導体の集積回路付基板の製造においては、シリコンウェーハ上に銅などの金属で回路を形成する際に凹凸あるいは段差が生じるので、これを研磨して表面の段差がなくなるように回路の金属部分を優先的に除去することが行われている。また、シリコンウェーハ上にアルミ配線を形成し、この上に絶縁膜としてシリカ等の酸化膜を設けると配線による凹凸が生じるので、この酸化膜を研磨して平坦化することが行われている。このような基板の研磨においては、研磨後の表面は段差や凹凸がなく平坦で、さらにミクロな傷等もなく平滑であることが求められており、また研磨速度が速いことも必要である。   In the manufacture of a substrate with a semiconductor integrated circuit, irregularities or steps are formed when forming a circuit with a metal such as copper on a silicon wafer. Removal is performed preferentially. Further, when an aluminum wiring is formed on a silicon wafer and an oxide film such as silica is provided thereon as an insulating film, irregularities due to the wiring are generated. Therefore, the oxide film is polished and flattened. In the polishing of such a substrate, the surface after polishing is required to be flat with no steps or irregularities, smooth without microscopic scratches, etc., and the polishing rate must be high.

さらに、半導体材料は電気・電子製品の小型化や高性能化に伴い高集積化が進展しているが、例えばトランジスタ分離層にNaやK等の不純物等が残存した場合、性能が発揮されなかったり、不具合の原因となることがある。特に研磨した半導体基板や酸化膜表面にNaが付着すると、Naは拡散性が高く、酸化膜中の欠陥などに捕獲され、半導体基板に回路を形成しても絶縁不良を起こしたり、回路が短絡することがあり、また誘電率が低下することがあった。このため使用条件によって、或いは使用が長期にわたった場合に前記不具合を生じることがあるので、NaやKなどの不純物を殆ど含まない研磨用粒子が求められている。
研磨用粒子としては、従来、シリカゾルやヒュームドシリカ、ヒュームドアルミナなどが用いられている。
In addition, semiconductor materials are becoming more highly integrated as electrical and electronic products become smaller and higher in performance. For example, when impurities such as Na and K remain in the transistor isolation layer, the performance is not exhibited. Or cause malfunctions. In particular, if Na adheres to the polished semiconductor substrate or oxide film surface, Na is highly diffusive and is trapped by defects in the oxide film, causing insulation failure even when a circuit is formed on the semiconductor substrate, or shorting the circuit. In some cases, the dielectric constant may decrease. For this reason, since the said malfunction may arise depending on use conditions or when used over a long term, the abrasive | polishing particle | grains which hardly contain impurities, such as Na and K, are calculated | required.
Conventionally, silica sol, fumed silica, fumed alumina, or the like is used as the abrasive particles.

CMPで使用される研磨材は、通常、シリカ、アルミナ等の金属酸化物からなる平均粒子径が200nm程度の球状の研磨用粒子と、配線・回路用金属の研磨速度を早めるための酸化剤、有機酸等の添加剤及び純水などの溶媒から構成されているが、被研磨材の表面には下地の絶縁膜に形成した配線用の溝パターンに起因した段差(凹凸)が存在するので、主に凸部を研磨除去しながら共面まで研磨し、平坦な研磨面とすることが求められている。しかしながら、従来の球状の研磨用粒子では共面より上の部分を研磨した際に、凹部の下部にあった配線溝内の回路用金属が共面以下まで研磨される問題(ディッシングと呼ばれている。)があった。このようなディッシング(過研磨)が起きると配線の厚みが減少して配線抵抗が増加したり、また、この上に形成される絶縁膜の平坦性が低下するなどの問題が生じるので、ディッシングを抑制することが求められている。   The abrasive used in CMP is usually spherical abrasive particles having an average particle diameter of about 200 nm made of a metal oxide such as silica and alumina, and an oxidizer for increasing the polishing rate of the wiring / circuit metal. It is composed of additives such as organic acids and solvents such as pure water, but there are steps (unevenness) due to the groove pattern for wiring formed on the underlying insulating film on the surface of the material to be polished. It is required to polish the coplanar surface mainly while polishing and removing the convex portions to obtain a flat polished surface. However, with conventional spherical abrasive particles, when the portion above the coplanar surface is polished, the circuit metal in the wiring trench at the bottom of the recess is polished to below the coplanar surface (called dishing) There was.) If such dishing (overpolishing) occurs, the thickness of the wiring decreases and the wiring resistance increases, and the flatness of the insulating film formed thereon deteriorates. There is a need to suppress it.

異形粒子群を含む研磨剤は、この様な凹凸を有する基材の研磨において、凸部の上端面が凹部の底面と同レベルになるまで凹部の研磨が抑制され、凸部の上端面が凹部の底面と同レベルまで研磨された後は凸部、凹部ともに同じ研磨速度で研磨できるので、ディッシング(過研磨)が起きることがなく、研磨後の表面は凹凸が無く平坦性に優れることが知られている。例えば、半導体集積回路の形成などにおける研磨においてディッシングが起きることがないので、得られる集積回路の回路抵抗を増加させることもなく、研磨後の表面は平坦性に優れているので効率的に積層集積回路を形成することができる。   Abrasives containing irregularly shaped particles are used in polishing a substrate having such irregularities, and polishing of the concave portion is suppressed until the upper end surface of the convex portion is at the same level as the bottom surface of the concave portion, and the upper end surface of the convex portion is concave. After polishing to the same level as the bottom surface, both the convex and concave portions can be polished at the same polishing rate, so dishing (overpolishing) does not occur, and the polished surface has no unevenness and is excellent in flatness. It has been. For example, since dishing does not occur during polishing in the formation of semiconductor integrated circuits, etc., without increasing the circuit resistance of the obtained integrated circuit, the surface after polishing is excellent in flatness, so that stacking can be performed efficiently. A circuit can be formed.

また、この様な異形粒子群を含む研磨剤の用途としては、アルミニウムディスク(アルミニウムまたはその基材上のメッキ層)や半導体多層配線基板のアルミニウム配線、光ディスクや磁気ディスク用ガラス基板、液晶ディスプレイ用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、ガラス質材料の鏡面加工などへの適用が期待されている。   In addition, the abrasives containing such irregularly shaped particles include aluminum disks (aluminum or a plating layer on a base material thereof), aluminum wiring of a semiconductor multilayer wiring board, glass substrates for optical disks and magnetic disks, and liquid crystal displays. Application to glass substrates, glass substrates for photomasks, mirror finishing of glassy materials, and the like is expected.

異形粒子を含むシリカゾルの製造方法としては、特開平1−317115号公報(特許文献1)に、動的光散乱法による測定粒子径(D1)と窒素ガス吸着法による測定粒子径(D2 )の比D1/D2が5以上であり、D1は40〜500ミリミクロン、そして電子顕微鏡観察による5〜40ミリミクロンの範囲内の一様な太さで一平面内のみの伸長を有する細長い形状の非晶質コロイダルシリカ粒子が液状媒体中に分散されてなるシリカゾルの製造方法として、(a)所定の活性珪酸のコロイド水溶液に、水溶性のカルシウム塩またはマグネシウム塩などを含有する水溶液を、所定量添加し、混合する工程、(b) 更に、アルカリ金属酸化物、水溶性有機塩基又はそれらの水溶性珪酸塩をSiO2/M2O(但し、Mは上記アルカリ金属原子又は有機塩基の分子を表わす。)モル比として20〜200となるように加えて混合する工程、(c)前工程によって得られた混合物を60〜150℃で0.5〜40時間加熱する工程からなる製造方法が開示されている。 As a method for producing the silica sol comprising irregular particles, in Japanese Unexamined 1-317115 (Patent Document 1), particle diameter measured by the measuring particle size (D 1) and the nitrogen gas adsorption method by dynamic light scattering method (D 2 ) Ratio D 1 / D 2 is 5 or more, D 1 is 40-500 millimicrons, and stretched only in one plane with uniform thickness in the range of 5-40 millimicrons by electron microscope observation As a method for producing a silica sol in which long and narrow amorphous colloidal silica particles are dispersed in a liquid medium, (a) an aqueous solution containing a water-soluble calcium salt or magnesium salt in a predetermined colloidal aqueous solution of active silica (B) Further, an alkali metal oxide, a water-soluble organic base or a water-soluble silicate thereof is added to SiO 2 / M 2 O (where M is the alkali metal atom or organic group). Represents a base molecule .) A production method comprising a step of adding and mixing so as to have a molar ratio of 20 to 200, and (c) a step of heating the mixture obtained in the previous step at 60 to 150 ° C. for 0.5 to 40 hours is disclosed. .

特開平4−65314号公報(特許文献2)には、動的光散乱法による測定粒子径(D1ミリミクロン)と窒素ガス吸着法による測定粒子径(D2ミリミクロン)の比D1/D2が3以上5未満であって、このD1は40〜500ミリミクロンであり、そして電子顕微鏡観察による5ミリミクロンより大きいが100ミリミクロン以下の範囲内の一様な太さで一平面内のみの伸長を有する細長い形状の非晶質コロイダルシリカ粒子が液状媒体中に分散されてなるSiO2濃度50重量%以下の安定なシリカゾルの製造方法として、細長い形状のシリカゾルに活性珪酸の水溶液の添加を始めると、原料ゾルのコロイダルシリカ粒子の崩壊が起らずに、元の細長い形状の粒子表面上に、加えられた活性珪酸がシロキサン結合を介して沈積することによって太さの増大した細長い形状のコロイダルシリカが得られることについて開示されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 4-65314 (Patent Document 2) describes a ratio D 1 / D of a measured particle diameter (D 1 millimicron) by a dynamic light scattering method and a measured particle diameter (D 2 millimicron) by a nitrogen gas adsorption method. D 2 is 3 or more and less than 5, and this D 1 is 40 to 500 millimicrons, and is flat with a uniform thickness in the range of 5 millimicrons but less than 100 millimicrons by electron microscopy. As a method for producing a stable silica sol having a SiO 2 concentration of 50% by weight or less, in which elongated amorphous colloidal silica particles having only an internal extension are dispersed in a liquid medium, an aqueous solution of active silicic acid is added to the elongated silica sol. When the addition is started, the colloidal silica particles of the raw material sol do not collapse, and the added active silicic acid is deposited on the surface of the original elongated particles through deposition of siloxane bonds to increase the thickness. Jo colloidal silica is disclosed about what obtained.

特開平4−187512号公報(特許文献3)には、SiO2として0.05〜5.0wt%のアルカリ金属珪酸塩水溶液に、珪酸液を添加して混合液のSiO2/M2O(モル比、Mはアルカリ金属又は第4級アンモニウム)を30〜60とした後に、Ca,Mg,Al,In,Ti,Zr,Sn,Si,Sb,Fe,Cuおよび希土類金属からなる群から選ばれた1種または2種以上の金属の化合物を添加し(添加時期は、前記珪酸液添加の前または添加中でも良い)、 この混合液を60℃以上の任意の温度で一定時間維持し、更に珪酸液を添加して反応液中のSiO2/M2O(モル比)を60〜100としてなる実質的に鎖状形状のシリカ微粒子が分散したゾルの製造方法が開示されている。 The JP-A 4-187512 (Patent Document 3), the alkali metal silicate aqueous solution 0.05~5.0Wt% as SiO 2, SiO 2 / M 2 O of the mixture by adding silicic acid solution (molar ratio, 1 is selected from the group consisting of Ca, Mg, Al, In, Ti, Zr, Sn, Si, Sb, Fe, Cu and rare earth metals after M is alkali metal or quaternary ammonium) Add a seed or a compound of two or more metals (the timing of addition may be before or during the addition of the silicic acid solution), maintain this mixed solution at an arbitrary temperature of 60 ° C. or higher for a certain period of time, and further add the silicic acid solution. There is disclosed a method for producing a sol in which silica fine particles having a substantially chain shape are dispersed by adding SiO 2 / M 2 O (molar ratio) in a reaction solution to 60 to 100.

特許第3441142号公報(特許文献4)には、電子顕微鏡写真の画像解析により求められる7〜1000 nm の長径と 0.3〜0.8 の短径/長径比を有するコロイダルシリカ粒子の数が全粒子中50%以上を占めるシリカの安定なゾルからなる半導体ウェーハーの研磨剤が提案されている。   In Japanese Patent No. 3441142 (Patent Document 4), the number of colloidal silica particles having a major axis of 7 to 1000 nm and a minor axis / major axis ratio of 0.3 to 0.8 determined by image analysis of electron micrographs is 50 in all particles. A semiconductor wafer polishing agent comprising a stable sol of silica occupying more than 100% has been proposed.

特開平7−118008号公報(特許文献5)には、活性珪酸のコロイド水溶液に、水溶性のカルシウム塩、マグネシウム塩又はこれらの混合物の水溶液を添加し、得られた水溶液にアルカリ性物質を加え、得られた混合物の一部を60℃以上に加熱してヒール液とし、残部をフィード液として、当該ヒール液に当該フィード液を添加し、当該添加の間に、水を蒸発させる事によりSiO2濃度6〜30重量%まで濃縮することよりなる細長い形状のシリカゾルの製造法が開示されている。 In JP-A-7-118008 (Patent Document 5), an aqueous solution of a water-soluble calcium salt, magnesium salt or a mixture thereof is added to an aqueous colloidal solution of active silicic acid, and an alkaline substance is added to the obtained aqueous solution. A part of the obtained mixture is heated to 60 ° C. or more to obtain a heel liquid, the remainder is used as a feed liquid, the feed liquid is added to the heel liquid, and water is evaporated during the addition to evaporate SiO 2. A process for producing an elongated silica sol comprising concentrating to a concentration of 6-30% by weight is disclosed.

特開平8−279480号公報(特許文献6)には、(1)珪酸アルカリ水溶液を鉱酸で中和しアルカリ性物質を添加して加熱熟成する方法、(2)珪酸アルカリ水溶液を陽イオン交換処理して得られる活性珪酸にアルカリ性物質を添加して加熱熟成する方法、(3)エチルシリケート等のアルコキシシランを加水分解して得られる活性珪酸を加熱熟成する方法、または、(4)シリカ微粉末を水性媒体中で直接に分散する方法等によって製造されるコロイダルシリカ水溶液は、通常、4〜1,000nm(ナノメートル)、好ましくは7〜500nmの粒子径を有するコロイド状シリカ粒子が水性媒体に分散したものであり、SiO2 として0.5〜50重量%、好ましくは0.5〜30重量%の濃度を有する。上記シリカ粒子の粒子形状は、球状、いびつ状、偏平状、板状、細長い形状、繊維状等が挙げられることが記載されている。 In JP-A-8-279480 (Patent Document 6), (1) a method in which an alkali silicate aqueous solution is neutralized with mineral acid, an alkaline substance is added and heat-aged, and (2) the alkali silicate aqueous solution is subjected to cation exchange treatment. A method of heating and aging by adding an alkaline substance to the obtained active silicic acid, (3) a method of heating and aging the active silicic acid obtained by hydrolyzing alkoxysilane such as ethyl silicate, or (4) fine silica powder Colloidal silica aqueous solution produced by, for example, a method of directly dispersing in an aqueous medium usually contains colloidal silica particles having a particle diameter of 4 to 1,000 nm (nanometer), preferably 7 to 500 nm. is obtained by dispersing 0.5 to 50% by weight SiO 2, preferably has a concentration of 0.5 to 30 wt%. It is described that the particle shape of the silica particles includes a spherical shape, a distorted shape, a flat shape, a plate shape, an elongated shape, and a fibrous shape.

特開平11−214338号公報(特許文献7)には、コロイダルシリカ粒子を主材とした研磨材を用いるシリコンウェハーの研磨方法であって、蒸留により精製した珪酸メチルを、メタノール溶媒中でアンモニア又はアンモニアとアンモニウム塩を触媒として水と反応させることにより得られるコロイダルシリカ粒子を用い、且つ該コロイダルシリカ粒子の長径/短径比が、1.4以上であることを特徴とするシリコンウェハーの研磨方法が提案されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 11-214338 (Patent Document 7) discloses a silicon wafer polishing method using an abrasive mainly composed of colloidal silica particles, in which methyl silicate purified by distillation is converted into ammonia or methanol in a methanol solvent. A method for polishing a silicon wafer, characterized by using colloidal silica particles obtained by reacting with ammonia and ammonium salt as a catalyst, and having a major axis / minor axis ratio of 1.4 or more. Has been proposed.

国際公開番号WO00/15552(特許文献8)には、平均粒子径10〜80nmの球状コロイダルシリカ粒子とこの球状コロイダルシリカ粒子を接合する金属酸化物含有シリカからなり、動的光散乱法による測定粒子径(D1)と球状コロイダルシリカ粒子の平均粒子径(窒素吸着法による測定粒子径/D2)の比D1/D2が3以上であって、このD1は50〜500nmであり、球状コロイダルシリカ粒子が一平面内のみにつながった数珠状コロイダルシリカ粒子が分散されてなるシリカゾルが記載されている。
また、その製造方法として、(a)所定の活性珪酸のコロイド水溶液又は酸性シリカゾルに、水溶性金属塩の水溶液を、前記コロイド水溶液又は酸性シリカゾルのSiO2に対して、金属酸化物として1〜10重量%となる量を加えて混合液1を調製する工程、(b)前記混合液1に、平均粒子径10〜80nm、pH2〜6の酸性球状シリカゾルを、この酸性球状シリカゾルに由来するシリカ含量(A)とこの混合液1に由来するシリカ含量(B)の比A/B(重量比)が5〜100、かつ、この酸性球状シリカゾルとこの混合液1との混合により得られる混合液2の全シリカ含量(A+B)が混合液2においてSiO2濃度5〜40重量%となる量加えて混合する工程、および、(c)得られた混合液2にアルカリ金属水酸化物、水溶性有機塩基又は水溶性珪酸塩をpHが7〜11となるように加えて混合し、加熱する工程からなる前記シリカゾルの製造方法が記載されている。
International Publication No. WO00 / 15552 (Patent Document 8) includes spherical colloidal silica particles having an average particle diameter of 10 to 80 nm and metal oxide-containing silica that joins the spherical colloidal silica particles, and measurement particles by a dynamic light scattering method. The ratio D 1 / D 2 of the diameter (D 1 ) and the average particle diameter of the spherical colloidal silica particles (measured particle diameter by nitrogen adsorption method / D 2 ) is 3 or more, and this D 1 is 50 to 500 nm, A silica sol is described in which beaded colloidal silica particles in which spherical colloidal silica particles are connected only in one plane are dispersed.
Further, as a production method thereof, (a) an aqueous solution of a water-soluble metal salt is added to a predetermined colloidal aqueous solution or acidic silica sol of active silicic acid as a metal oxide with respect to SiO 2 of the colloidal aqueous solution or acidic silica sol as 1 to 10 A step of preparing a mixed solution 1 by adding an amount of% by weight; (b) an acidic spherical silica sol having an average particle size of 10 to 80 nm and a pH of 2 to 6 is added to the mixed solution 1, and the silica content derived from the acidic spherical silica sol The ratio A / B (weight ratio) of (A) and the silica content (B) derived from the mixed liquid 1 is 5 to 100, and the mixed liquid 2 obtained by mixing the acidic spherical silica sol and the mixed liquid 1 All silica content (a + B) a step of adding and mixing amount corresponding to SiO 2 concentration of 5 to 40 wt% in the mixture 2, and an alkali metal hydroxide to the mixture 2 obtained (c), a water-soluble organic of It describes a method for producing the silica sol comprising a step of adding an organic base or a water-soluble silicate so that the pH is 7 to 11, mixing, and heating.

特開2001−11433号公報(特許文献9)には、SiO2として0.5〜10重量%を含有し、かつ、pHが2〜6である、活性珪酸のコロイド水溶液に、水溶性のII価又はIII価の金属の塩を単独又は混合して含有する水溶液を、同活性珪酸のコロイド水溶液のSiO2に対して、金属酸化物(II価の金属の塩の場合はMOとし、III価の金属の塩の場合はM23とする。但し、MはII価又はIII価の金属原子を表し、Oは酸素原子を表す。)として1〜10重量%となる量を加えて混合し、得られた混合液(1)に、平均粒子径10〜120nm、pH2〜6の酸性球状シリカゾルを、この酸性球状シリカゾルに由来するシリカ含量(A)とこの混合液(1)に由来するシリカ含量(B)の比A/B(重量比)が5〜100、かつ、この酸性球状シリカゾルとこの混合液(1)との混合により得られる混合液(2)の全シリカ含量(A+B)が混合液(2)においてSiO2濃度5〜40重量%となるように加えて混合し混合液(2)にアルカリ金属水酸化物等をpHが7〜11となるように加えて混合し、得られた混合液(3)を100〜200℃で0.5〜50時間加熱する数珠状のシリカゾルの製造方法が記載されている。 JP-A-2001-11433 (Patent Document 9) describes a water-soluble II in an aqueous colloidal solution of active silicic acid containing 0.5 to 10% by weight as SiO 2 and having a pH of 2 to 6. an aqueous solution containing valence or III valent metal salt singly or as a mixture thereof, with respect to SiO 2 colloid solution having the same active silicic acid in the case of the metal oxide (II valent metal salt and MO, the III In the case of a metal salt of M 2 O 3 , M represents a II or III valent metal atom, and O represents an oxygen atom). Then, an acidic spherical silica sol having an average particle size of 10 to 120 nm and a pH of 2 to 6 is added to the obtained mixed liquid (1), and the silica content (A) derived from the acidic spherical silica sol and the mixed liquid (1). The ratio A / B (weight ratio) of silica content (B) is 5 to 100, and this acid Spherical silica sol and the mixture (1) and the resulting mixture by mixing (2) the total silica content (A + B) is added and mixed so that SiO 2 concentration of 5 to 40 wt% in the mixture (2) A bead of alkali metal hydroxide added to the mixture (2) and mixed so that the pH is 7 to 11, and the resulting mixture (3) is heated at 100 to 200 ° C. for 0.5 to 50 hours. A process for producing a silica sol is described.

特開2001−48520号公報(特許文献10)には、シリカ濃度1〜8モル/リットル、酸濃度0.0018〜0.18モル/リットルで水濃度2〜30モル/リットルの範囲の組成で、溶剤を使用しないでアルキルシリケートを酸触媒で加水分解した後、シリカ濃度が0.2〜1.5モル/リットルの範囲となるように水で希釈し、次いでpHが7以上となるようにアルカリ触媒を加え加熱して珪酸の重合を進行させて、電子顕微鏡観察による太さ方向の平均直径が5〜100nmであり、長さがその1.5〜50倍の長さの細長い形状の非晶質シリカ粒子が液状分散体中に分散されているシリカゾルの製造方法が記載されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2001-48520 (Patent Document 10) describes a composition having a silica concentration of 1 to 8 mol / liter, an acid concentration of 0.0018 to 0.18 mol / liter, and a water concentration of 2 to 30 mol / liter. The alkyl silicate is hydrolyzed with an acid catalyst without using a solvent, diluted with water so that the silica concentration is in the range of 0.2 to 1.5 mol / liter, and then the pH is 7 or more. An alkali catalyst is added and heated to advance the polymerization of silicic acid, and the average diameter in the thickness direction by electron microscope observation is 5 to 100 nm, and the length is 1.5 to 50 times that of a long and thin shape. A method for producing a silica sol in which crystalline silica particles are dispersed in a liquid dispersion is described.

特開2001−150334号公報(特許文献11)には、水ガラスなどのアルカリ金属珪酸塩の水溶液を脱陽イオン処理することにより得られるSiO2濃度2〜6重量%程度の活性珪酸の酸性水溶液に、アルカリ土類金属、例えば、Ca、Mg、Baなどの塩をその酸化物換算で上記活性珪酸のSiO2に対し 100〜1500 ppmの重量比で添加し、更にこの液中SiO2/M2O (M は、アルカリ金属原子、NH4 又は第4級アンモニウム基を表す。) モル比が20〜150 となる量の同アルカリ物質を添加することにより得られる液を当初ヒール液とし、同様にして得られる2〜6重量%のSiO2濃度と20〜150 のSiO2/M2O (M は、上記に同じ。) モル比を有する活性珪酸水溶液をチャージ液として、60〜150 ℃で前記当初ヒール液に前記チャージ液を、1時間当たり、チャージ液SiO2/当初ヒール液SiO2の重量比として0.05〜1.0 の速度で、液から水を蒸発除去しながら(又はせずに)、添加してなる歪な形状を有するシリカゾルの製造方法が記載されている。 JP 2001-150334 A (Patent Document 11) discloses an acidic aqueous solution of activated silicic acid having a SiO 2 concentration of about 2 to 6% by weight obtained by decation treatment of an aqueous solution of an alkali metal silicate such as water glass. In addition, an alkaline earth metal, for example, a salt of Ca, Mg, Ba or the like is added at a weight ratio of 100 to 1500 ppm with respect to SiO 2 of the above active silicic acid in terms of its oxide, and SiO 2 / M 2 O (M represents an alkali metal atom, NH 4 or a quaternary ammonium group.) The liquid obtained by adding the same alkali substance in an amount that the molar ratio is 20 to 150 is the initial heel liquid. An active silicic acid aqueous solution having a SiO 2 concentration of 2 to 6% by weight and SiO 2 / M 2 O of 20 to 150 (M is the same as above) obtained as a charge liquid at 60 to 150 ° C. The charge liquid is added to the initial heel liquid per hour. At a rate of the charge liquid SiO 2 / initial 0.05-1.0 as a weight ratio of the heel solution SiO 2, (without or) a while evaporating off water from the liquid, method for producing a silica sol having a distorted shape obtained by adding the Are listed.

特開2003−133267号公報(特許文献12)には、ディッシング(過研磨)を抑制し、基板表面を平坦に研磨することができる研磨用粒子として、平均粒子径が5〜300nmの範囲にある1次粒子が2個以上結合した異形粒子群を含むことを特徴とする研磨用粒子、特には研磨用粒子中の全1次粒子の粒子数に占める、前記異形粒子群を構成する1次粒子の粒子数が5〜100%の範囲にある研磨用粒子が有効でることについて記載がある。   In JP-A-2003-133267 (Patent Document 12), the average particle diameter is in the range of 5 to 300 nm as polishing particles capable of suppressing dishing (overpolishing) and polishing the substrate surface flatly. Abrasive particles comprising a group of irregularly shaped particles in which two or more primary particles are bonded, and in particular, the primary particles constituting the irregularly shaped particle group in the total number of primary particles in the abrasive particles There is a description that polishing particles having a particle number of 5 to 100% are effective.

特開2004−288732号公報(特許文献13)には、非真球状コロイダルシリカ、酸化剤および有機酸を含有し、残部が水であることを特徴とする半導体研磨用スラリーについて開示されており、その中で、非真球状コロイダルシリカの(長径/短径)が1.2〜5.0のものが提案されており、特開2004−311652号公報(特許文献14)にも同様な非真球状コロイダルシリカが開示されている。   JP 2004-288732 A (Patent Document 13) discloses a slurry for semiconductor polishing characterized by containing non-spherical colloidal silica, an oxidizing agent and an organic acid, and the balance being water. Among them, non-spherical colloidal silica (major axis / minor axis) having a major axis / minor axis of 1.2 to 5.0 has been proposed, and a similar non-true one is also disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-311652 (Patent Document 14). Spherical colloidal silica is disclosed.

特開平1−317115号公報JP-A-1-317115 特開平4−65314号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-65314 特開平4−187512号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-187512 特許第3441142号公報Japanese Patent No. 3441142 特開平7−118008号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-118008 特開平8−279480号公報JP-A-8-279480 特開平11−214338号公報JP-A-11-214338 国際公開WO00/15552公報International Publication WO00 / 15552 特開2001−11433号公報JP 2001-11433 A 特開2001−48520号公報JP 2001-48520 A 特開2001−150334号公報JP 2001-150334 A 特開2003−133267号公報JP 2003-133267 A 特開2004−288732号公報JP 2004-288732 A 特開2004−311652号公報JP 2004-311652 A

本発明は、特に研磨材として好適な異方形状シリカゾルおよびその製造方法を提供するものであり、所定のシリカゾルを原料として、異方形状のシリカゾルを調製することを可能とする製造方法を提供することを目的とする。   The present invention provides an anisotropic silica sol particularly suitable as an abrasive and a method for producing the same, and provides a production method capable of preparing an anisotropic silica sol using a predetermined silica sol as a raw material. For the purpose.

本発明の異方形状シリカゾルの製造方法は、平均粒子径が3〜25nmの範囲にあるシリカ微粒子が分散した、pHが2〜8の範囲にあるシリカゾルに、該シリカゾルのシリカ固形分100重量部に対して、ポリ金属塩化合物を0.01〜70重量部添加し、50〜160℃で加熱することを特徴とするものである。   In the method for producing the anisotropic shaped silica sol of the present invention, silica fine particles having an average particle size in the range of 3 to 25 nm are dispersed, and the silica sol in the range of pH 2 to 8 is mixed with 100 parts by weight of silica solid content of the silica sol. In contrast, 0.01 to 70 parts by weight of a polymetal salt compound is added and heated at 50 to 160 ° C.

イオン交換、イオン交換樹脂による脱イオン、またはpH調整剤を添加することにより、前記pH2〜8の範囲のシリカゾルを調製することが好ましい。
前記ポリ金属塩化合物が、ポリ硫酸第二鉄、ポリ硫酸アルミニウム、ポリ硫酸カリウム、ポリ塩化第二鉄、ポリ塩化アルミニウム、ポリ塩化カルシウムまたはこれらの複合体から選ばれる1種または2種以上であることが好ましい。
本発明の異方形状シリカゾルは、前記製造方法によって得られる平均粒子径4.0〜30nm、短径/長径比が、0.05〜0.80の範囲にある異方形状シリカゾルである。
It is preferable to prepare the silica sol in the range of pH 2 to 8 by adding ion exchange, deionization with an ion exchange resin, or adding a pH adjuster.
The polymetal salt compound is one or two or more selected from polyferric sulfate, aluminum polysulfate, potassium polysulfate, polyferric chloride, polyaluminum chloride, polycalcium chloride or a complex thereof. It is preferable.
The anisotropic shaped silica sol of the present invention is an anisotropic shaped silica sol having an average particle diameter of 4.0 to 30 nm and a minor axis / major axis ratio in the range of 0.05 to 0.80 obtained by the above production method.

本発明に係る異方形状シリカゾルは、研磨剤として優れた研磨特性を有する。特に実用上問題となるレベルのスクラッチを抑制できるものである。即ち、当該異方形状シリカゾルは研磨時において研磨面で粒子配列が起こり、スクラッチの少ない各種の基板研磨面を提供することができる。
本発明に係る異方形状シリカゾルの製造方法は、シリカゾルにポリ金属塩化合物を添加後加熱することにより、異方形状シリカゾルを極めて容易に製造することができるものである。
The anisotropic shaped silica sol according to the present invention has excellent polishing characteristics as an abrasive. In particular, it is possible to suppress a level of scratch that is a practical problem. That is, the anisotropic shaped silica sol causes particle alignment on the polishing surface during polishing, and can provide various substrate polishing surfaces with less scratches.
The method for producing an anisotropic silica sol according to the present invention can produce an anisotropic silica sol very easily by heating after adding a polymetal salt compound to the silica sol.

[異方形状シリカゾルの製造方法]
原料シリカゾル
本発明に係る異方形状シリカゾルの製造方法においては、原料となるシリカゾルとして、BET法により求められた平均粒子径が3〜25nmのシリカ微粒子が分散したシリカゾルが使用される。また、好適には平均粒子径4〜23nmのものが使用される。原料となるシリカゾルの平均粒子径は、本発明の異方形状シリカゾルの製造方法により、原料シリカゾルを異方形状にする上で、重要な条件となる。平均粒子径が3nm未満の場合、本発明の異方形状シリカゾルの製造方法を適用しても、粒子同士の架橋で球状化が早く、異方形状化し難く、他方、25nmを越える場合は、粒子の安定性が高く、異方形状化し難い。このため平均粒子径が3〜25nmの範囲にあるシリカゾルが原料として好適に使用される。
なお、後述するように、本発明において「異方形状」シリカゾルとは、球状シリカゾル以外を意味しており、特に、短径/長径比が0.80以下のものを云う。
[Method for producing anisotropic silica sol]
Raw material silica sol In the method for producing an anisotropic silica sol according to the present invention, a silica sol in which silica fine particles having an average particle diameter of 3 to 25 nm determined by the BET method are dispersed is used as a raw material silica sol. Further, those having an average particle diameter of 4 to 23 nm are preferably used. The average particle diameter of the silica sol used as a raw material is an important condition for making the raw silica sol into an anisotropic shape by the method for producing an anisotropic silica sol of the present invention. When the average particle diameter is less than 3 nm, even when the method for producing the anisotropic silica sol of the present invention is applied, the particles are rapidly spheroidized by cross-linking and difficult to be anisotropically formed. Is highly stable and difficult to be anisotropically shaped. Therefore, silica sol having an average particle diameter in the range of 3 to 25 nm is preferably used as a raw material.
As will be described later, in the present invention, the “anisotropic shape” silica sol means other than the spherical silica sol, and in particular, the one having a minor axis / major axis ratio of 0.80 or less.

原料となるシリカゾルのpHは、2〜8の範囲にあるものが使用される。原料となるシリカゾルのpHについても、原料シリカゾルを異方形状化させるうえで重要な条件となる。
pHが2未満の場合は、酸性が強すぎるため、シリカゾルの安定性が損なわれるため、異方形状シリカゾルを調製することは容易ではない。他方、pHが8を越える場合は、シリカ微粒子は、粒子の負電位が大きくなり、粒子間の反発が増加することと溶解度が高いために、粒子間のネック成長が早くなり、異方形状化し難く、好ましくない。pHが2〜8の範囲にあるシリカゾルは、粒子成長させた場合、粒子同士の架橋が起こり易く、架橋した粒子の結合部に過飽和状態にある溶液から、シリカが粒子間結合部に析出しやすく、本発明の異方形状シリカゾルの製造方法においては、更にポリ金属塩化合物がシリカ微粒子間の架橋剤として作用するため、シリカ微粒子の異方形状化が促進されるものと推察される。pHの範囲については、好適にはpH2.5〜7.5が推奨される。
The silica sol used as a raw material has a pH in the range of 2-8. The pH of the raw silica sol is also an important condition for making the raw silica sol anisotropic.
When the pH is less than 2, the acidity is too strong, and the stability of the silica sol is impaired. Therefore, it is not easy to prepare an anisotropic silica sol. On the other hand, when the pH exceeds 8, the silica fine particles have a large negative potential, increase repulsion between particles, and have high solubility, so that the neck growth between particles is accelerated and anisotropic shape is formed. It is difficult and undesirable. Silica sols having a pH in the range of 2 to 8 tend to cause cross-linking of particles when particles are grown, and silica is likely to precipitate from the solution in a supersaturated state at the bonded portion of the crosslinked particles. In the method for producing the anisotropic shaped silica sol of the present invention, it is presumed that the anisotropic formation of the silica fine particles is promoted because the polymetal salt compound further acts as a crosslinking agent between the silica fine particles. Regarding the pH range, pH 2.5 to 7.5 is recommended.

なお、原料となるシリカゾルについては、必要に応じてイオン交換樹脂で脱イオン若しくはpH調整剤を添加することにより、pH2〜8の範囲に調整しても良い。イオン交換樹脂は、塩基性型交換樹脂及び酸性型交換樹脂が使用可能であり、pH調整剤としては、シリカゾルに添加されてpHを調整し、異方形状シリカゾルの生成を阻害する効果を有しない水溶性の物質であれば使用可能である。また、pH調整剤としては、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、硫酸水溶液、塩酸水溶液、硝酸水溶液などを挙げることができる。   In addition, about the silica sol used as a raw material, you may adjust to the range of pH 2-8 by adding deionization or a pH adjuster with an ion exchange resin as needed. As the ion exchange resin, a basic type exchange resin and an acid type exchange resin can be used. As a pH adjuster, the pH adjuster is added to the silica sol to adjust the pH, and has no effect of inhibiting the formation of the anisotropic shaped silica sol. Any water-soluble substance can be used. Examples of the pH adjuster include a sodium hydroxide aqueous solution, a sulfuric acid aqueous solution, a hydrochloric acid aqueous solution, and a nitric acid aqueous solution.

原料シリカゾル中のシリカ微粒子の形状については、球状シリカまたは非球状シリカのいずれも適用可能である。しかしながら、本発明の製造方法は、球状シリカゾルからなる原料をもとに非球状シリカゾルを調製することを可能とするものであり、原料となるシリカゾルとして、球状シリカゾルを用いた場合に、その優れた効果が顕著に現れるものとなる。この様な球状シリカゾルについては、その短径/長径比率は、通常は0.8以上のものである。   As for the shape of the silica fine particles in the raw material silica sol, either spherical silica or non-spherical silica is applicable. However, the production method of the present invention makes it possible to prepare a non-spherical silica sol based on a raw material consisting of a spherical silica sol, and when the spherical silica sol is used as the raw material silica sol, its excellent The effect becomes prominent. For such a spherical silica sol, the minor axis / major axis ratio is usually 0.8 or more.

原料となるシリカゾルのSiO2固形分濃度については、通常は1〜50重量%の範囲のものが使用される。また、好適には3〜30重量%のものが使用される。1重量%未満では、効率的にシリカゾルの生産を行うには不向きである。他方、50重量%を越えるとシリカゾルの安定性が低下し、凝集し易くなるので望ましくない。
原料となるシリカゾルの製造方法は、限定されるものではなく、公知のシリカゾル製造方法で調製されたシリカゾルを適用することができる。
Regarding the SiO 2 solid content concentration of the silica sol used as a raw material, a concentration in the range of 1 to 50% by weight is usually used. Moreover, the thing of 3 to 30 weight% is used suitably. If it is less than 1% by weight, it is not suitable for producing silica sol efficiently. On the other hand, if it exceeds 50% by weight, the stability of the silica sol is lowered and it tends to aggregate, which is not desirable.
The manufacturing method of the silica sol used as a raw material is not limited, The silica sol prepared with the well-known silica sol manufacturing method can be applied.

原料シリカゾルとしては、水系溶媒のシリカゾルが好ましい。水系溶媒のシリカゾルの場合、上記pH範囲に調整することにより、シリカゾルの異方形状化を行うことができる。原料としてオルガノゾルを使用する場合には、ポリ金属塩化物の析出による凝集体の生成の影響で、ポリ金属塩化合物が架橋剤として機能しなくなることもあり、望ましくない。   As the raw material silica sol, an aqueous solvent silica sol is preferable. In the case of silica sol as an aqueous solvent, the silica sol can be anisotropically shaped by adjusting to the above pH range. When an organosol is used as a raw material, the polymetal salt compound may not function as a cross-linking agent due to the formation of aggregates due to the precipitation of polymetal chloride, which is not desirable.

ポリ金属塩化合物
本発明において使用されるポリ金属塩化合物とは、鉄、アルミニウム、カリウム、またはカルシウムから選ばれる金属塩の2量体以上の重合体構造をとるものであり、2種以上のポリ金属塩化合物の複合体であっても良い。これらは、水系溶媒中において、優れた凝集能力を発揮するものとして知られている。具体的には、ポリ硫酸第二鉄、ポリ硫酸アルミニウム、ポリ塩化第二鉄、ポリ塩化アルミニウム、ポリ塩化カルシウム、ポリ硫酸カリウム、またはこれらの複合体から選ばれる1種または2種以上である。
Polymetal salt compound The polymetal salt compound used in the present invention has a polymer structure of a dimer or more of a metal salt selected from iron, aluminum, potassium, or calcium. It may be a complex of metal salt compounds. These are known to exhibit an excellent aggregation ability in an aqueous solvent. Specifically, it is one or more selected from polyferric sulfate, polyaluminum sulfate, polyferric chloride, polyaluminum chloride, polycalcium chloride, potassium polysulfate, or a complex thereof.

ポリ硫酸第二鉄は、水溶性の無機高分子化合物で、[Fe2(OH)n(SO43-n/2m (但し、n<2、m>10である。)の一般式で表されるものであり、通常、硫酸第1鉄、硫酸、水及び酸素とを原料として調製した硫酸第1鉄含有硫酸酸性溶液中の第1鉄イオンの全てを第2鉄イオンに酸化することによって製造される液状の物質であり、水系の凝集剤として知られている。
ポリ硫酸アルミニウムは、一般式[Al2(OH)n(SO4)3-2/n](但し、1<n<5、m<10である。)で表されるものであり、例えば、水酸化アルミニウムと硫酸を反応させて調製することができる。凝集剤であるポリ塩化アルミニウムに添加して、その凝集性能を向上させる凝集性能向上剤として知られている。
Polyferric sulfate is a water-soluble inorganic polymer compound, and is generally [Fe 2 (OH) n (SO 4 ) 3−n / 2 ] m (where n <2, m> 10). It is expressed by the formula, and normally all ferrous ions in ferric sulfate-containing sulfuric acid acidic solution prepared using ferrous sulfate, sulfuric acid, water and oxygen as raw materials are oxidized to ferric ions. It is a liquid substance produced by doing so and is known as an aqueous flocculant.
The polyaluminum sulfate is represented by the general formula [Al 2 (OH) n (SO 4 ) 3−2 / n ] (where 1 <n <5, m <10). It can be prepared by reacting aluminum hydroxide and sulfuric acid. It is known as an aggregating performance improver that is added to polyaluminum chloride as an aggregating agent to improve its aggregating performance.

ポリ塩化第二鉄は、一般式〔Fe2(OH)nCl6-nm (ただし、n<2、m>1)で示される水溶性の無機高分子化合物であり、水系の凝集剤として知られている。
ポリ塩化アルミニウムは、一般式〔Al2(OH)nCl6-nm (ただし、1<n<5、m<10)で表される。例えば、塩酸と水酸化アルミニウムを反応させて得られる塩基性塩化アルミニウムに、アルミナ濃度、塩基度を調節する目的で、各種添加剤を混合反応させる方法により製造される。工業用水、飲料水などの用水等の処理に使用される浄化剤としての用途に使用されている。この他、ポリ塩化カルシウムやポリ硫酸カリウムも使用可能である。
Polyferric chloride is a water-soluble inorganic polymer compound represented by the general formula [Fe 2 (OH) n Cl 6-n ] m (where n <2, m> 1), and is an aqueous flocculant. Known as.
Polyaluminum chloride is represented by the general formula [Al 2 (OH) n Cl 6-n ] m (where 1 <n <5, m <10). For example, it is manufactured by a method in which various additives are mixed and reacted with basic aluminum chloride obtained by reacting hydrochloric acid and aluminum hydroxide for the purpose of adjusting alumina concentration and basicity. It is used for applications as a purification agent used in the treatment of industrial water, drinking water and the like. In addition, poly calcium chloride and potassium polysulfate can be used.

本発明に係る異方形状シリカゾルの製造方法においては、ポリ金属塩化合物が、原料シリカゾルのシリカ微粒子に対する架橋剤として作用することにより、異方形状のシリカ微粒子が形成されものと考えられる。また、シリカ微粒子が均等に結合することなく、異方形状化する理由については、特に、原料シリカゾルのpH範囲(2〜8)とポリ金属塩化合物の有するOH基の特性が、シリカ微粒子同士を異方形状に結合することに有利に作用するためと思われる。即ち、ポリ金属塩化合物の有する複数のOH基がシリカ微粒子表面のシラノール基と反応して、異方形状化が促進されるものと推察される。
さらに、原料シリカゾルのシリカ固形分に対する、ポリ金属塩化合物の添加量、加熱温度および加熱時間の条件を調整することによって、良好な性状の異方形状シリカゾルが得られる。
In the method for producing the anisotropic shaped silica sol according to the present invention, it is considered that the anisotropically shaped silica fine particles are formed by the polymetal salt compound acting as a crosslinking agent for the silica fine particles of the raw material silica sol. Further, the reason why the silica fine particles are anisotropically formed without evenly bonding is that the pH range (2 to 8) of the raw material silica sol and the characteristics of the OH group of the polymetal salt compound are different from each other. It seems to be advantageous for bonding to an anisotropic shape. That is, it is presumed that the plurality of OH groups possessed by the polymetal salt compound react with silanol groups on the surface of the silica fine particles to promote anisotropic shape formation.
Furthermore, an anisotropic shaped silica sol having good properties can be obtained by adjusting the addition amount of the polymetal salt compound, the heating temperature and the heating time with respect to the silica solid content of the raw silica sol.

なお、ポリ金属塩化合物に代えて、単量体の金属塩を適用した場合は、単量体のOH基は、二量体以上の場合より、反応性が高いため、シリカゾルと反応してゲル化を招き易いため、本発明の異方形状シリカゾルの製造方法には使用できない。   In addition, when a metal salt of a monomer is applied instead of the polymetal salt compound, the OH group of the monomer is more reactive than the case of a dimer or more, and thus reacts with the silica sol and gels. Therefore, it cannot be used in the method for producing the anisotropic silica sol of the present invention.

ポリ金属塩化合物の添加量については、原料シリカゾルのシリカ固形分100重量部に対して、ポリ塩化金属化合物を0.01〜70重量部が使用される。ポリ塩化金属化合物の添加量が0.01重量部未満では、異方形状のシリカゾルの生成量が少なく、工業的には有用ではない。他方、ポリ金属塩化合物の添加量が70重量部を越える場合は、ポリ金属塩化合物同士が相互作用して、凝集しやすくなり、好ましくない。ポリ塩化金属化合物の添加量としては、好適には1〜68重量部が推奨される。   About the addition amount of a polymetal salt compound, 0.01-70 weight part of polychlorinated metal compounds are used with respect to 100 weight part of silica solid content of raw material silica sol. When the addition amount of the polychlorinated metal compound is less than 0.01 parts by weight, the amount of anisotropically formed silica sol is small, which is not industrially useful. On the other hand, when the addition amount of the polymetal salt compound exceeds 70 parts by weight, the polymetal salt compounds interact with each other and tend to aggregate, which is not preferable. The added amount of the polychlorinated metal compound is preferably 1 to 68 parts by weight.

加熱処理
本発明製造方法においては、pH2〜8の範囲にある原料シリカゾルにポリ塩化金属化合物を添加してから、50〜160℃にて加熱を行い、異方形状シリカゾルを調製する。50〜160℃の範囲での加熱を行うことにより、ポリ金属塩化合物のOH基とシリカ微粒子のシラノール基との反応が進行し、シリカ微粒子が異方形状化する。
加熱温度が50℃未満では、上記反応が充分に進行しないため、異方形状シリカゾルが生成し難くなる。他方、160℃以上では、シリカ粒子の溶解性が大きくなり、球状化しやすく、充分な異方性が起こりにくい。従って、加熱温度については、好適には70〜155℃の範囲が推奨される。
加熱時間は、生成するシリカゾル中における異方形状シリカゾルの割合に影響するものであるが、通常は1〜72時間、好ましくは2〜60時間の加熱が行われる。
Heat treatment In the production method of the present invention, the polysilicic acid metal compound is added to the raw material silica sol in the range of pH 2 to 8, and then heated at 50 to 160 ° C to prepare an anisotropic silica sol. By heating in the range of 50 to 160 ° C., the reaction between the OH group of the polymetal salt compound and the silanol group of the silica fine particles proceeds, and the silica fine particles become anisotropic.
When the heating temperature is less than 50 ° C., the above reaction does not proceed sufficiently, so that it becomes difficult to produce an anisotropic shaped silica sol. On the other hand, at 160 ° C. or higher, the solubility of the silica particles is increased, the particles are easily spheroidized, and sufficient anisotropy is unlikely to occur. Accordingly, the heating temperature is preferably in the range of 70 to 155 ° C.
The heating time affects the proportion of the anisotropic shaped silica sol in the silica sol to be generated, but is usually 1 to 72 hours, preferably 2 to 60 hours.

[異方形状シリカゾル]
前記した本発明の製造方法によって、異方形状シリカゾル得られる。このシリカゾルの平均粒子径は4.0〜30nm、短径/長径比は0.05〜0.80である。なお、この平均粒子径についてもBET法により求められるものである。
この異方形状シリカゾルは、研磨剤用途からは、平均粒子径が5〜25nm、短径/長径比が0.10〜0.60の範囲のものが好適である。
[Anisotropic silica sol]
An anisotropic shaped silica sol can be obtained by the production method of the present invention described above. The silica sol has an average particle size of 4.0 to 30 nm and a minor axis / major axis ratio of 0.05 to 0.80. This average particle size is also determined by the BET method.
This anisotropic shaped silica sol preferably has an average particle diameter of 5 to 25 nm and a minor axis / major axis ratio of 0.10 to 0.60 in terms of abrasive application.

本発明の異方形状シリカゾルは、必要に応じて濃縮したり、希釈したりして用いることができる。濃縮方法としては、加熱して水分を蒸発させる方法、限外濾過膜を用いる方法などがある。シリカゾルの濃度はSiO2として通常、1〜50重量%の範囲に調整される。 The anisotropic silica sol of the present invention can be used after being concentrated or diluted as necessary. Examples of the concentration method include a method of evaporating moisture by heating, a method of using an ultrafiltration membrane, and the like. The concentration of the silica sol is usually as SiO 2, is adjusted to a range of 1 to 50 wt%.

さらに、本発明の異方形状シリカゾルは、必要に応じて有機溶媒で溶媒置換してオルガノゾルとすることもできる。この溶媒置換に用いられる有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジアセトンアルコール、フルフリルアルコール、テトラヒドロフルフリルアルコール、エチレングリコール、ヘキシレングリコールなどのアルコール類;酢酸メチルエステル、酢酸エチルエステルなどのエステル類;ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルなどのエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、アセチルアセトン、アセト酢酸エステルなどのケトン類、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド等のアミド類などが挙げられる。これらは単独で使用しても良く、また2種以上混合して使用しても良い。   Furthermore, the anisotropic shaped silica sol of the present invention may be substituted with an organic solvent as needed to obtain an organosol. Organic solvents used for this solvent replacement include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, diacetone alcohol, furfuryl alcohol, tetrahydrofurfuryl alcohol, ethylene glycol, hexylene glycol; acetic acid methyl ester, acetic acid ethyl ester Esters such as: diethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, etc .; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, acetylacetone, acetoacetate Amides such as N-methylpyrrolidone and dimethylformamideThese may be used singly or in combination of two or more.

また、本発明の異方形状シリカゾルは、シランカップリング剤で表面処理して疎水性を付与して用いることもでき、必要に応じてシリカゾル中のアルカリをイオン交換樹脂等によって除去して用いることもできる。   Further, the anisotropic shaped silica sol of the present invention can be used by applying a surface treatment with a silane coupling agent to impart hydrophobicity, and if necessary, remove the alkali in the silica sol with an ion exchange resin or the like. You can also.

本発明に係る異方形状シリカゾルの製造方法は、基本的に既存の球状シリカゾルをpH2〜8の範囲にて、ポリ金属塩化合物を添加して、加熱することにより、異方形状シリカゾルの製造を行なうことができるものであり、異方形状シリカゾルの製造方法としては、極めて実用性が高いものである。この製造方法は、例えば、研磨剤として利用されるシリカゾルの製造に適用される。   The method for producing an anisotropic shaped silica sol according to the present invention basically produces an anisotropic shaped silica sol by adding a polymetal salt compound and heating an existing spherical silica sol in the range of pH 2-8. As a method for producing an anisotropic shaped silica sol, it is extremely practical. This production method is applied, for example, to the production of silica sol used as an abrasive.

また、本発明に係る製造方法により得られる異方形状シリカゾルは、微細で異方形状なシリカゾルであり、研磨剤用途を始め、インク用吸収性微粒子、塗料等の展着性補助剤、材料表面の親水性コーティング材、バインダー等に適用可能である。
Further, the anisotropic shaped silica sol obtained by the production method according to the present invention is a fine and anisotropic shaped silica sol, which is used for abrasives, absorbent fine particles for ink, spreading aids such as paints, and material surfaces. It is applicable to hydrophilic coating materials, binders and the like.

BET法により測定される平均粒子径が5.0nm、比表面積が545m2/g、SiO2濃度が20重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−550)を純水で希釈して、SiO2濃度を3重量%に調整した後、5%硫酸水溶液を用いてpH3に調整した。
このシリカゾル500gにポリ塩化アルミニウムの10%水溶液をポリ塩化アルミニウム換算で10.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して120℃で3時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度12重量%まで濃縮した。
Silica sol (catalyst SI-550, produced by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle size of 5.0 nm, a specific surface area of 545 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 20% by weight measured by the BET method is diluted with pure water. The SiO 2 concentration was adjusted to 3% by weight, and then adjusted to pH 3 using a 5% aqueous sulfuric acid solution.
To 500 g of this silica sol, 10.0 g of a 10% aqueous solution of polyaluminum chloride was added in terms of polyaluminum chloride, sufficiently stirred and mixed at room temperature, heated and stirred at 120 ° C. for 3 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 12% by weight with an ultrafiltration membrane.

本発明のシリカゾルの平均粒子径はBET法により測定される比表面積から算定される。具体的には、シリカゾルを凍結乾燥機で乾燥させた後、110℃で20時間乾燥した試料について比表面積を測定した後、比表面積測定装置(湯浅アイオニクス製、マルチソーブ12)を用いて窒素吸着法(BET法)により測定する。そして、BET法による窒素吸着量から比表面積(SA)を求め、粒子径(Dp)=6000/SA×(試料の密度)の式から平均粒子径を求めた。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は6.0nm、比表面積は455m2/gとなった。
The average particle size of the silica sol of the present invention is calculated from the specific surface area measured by the BET method. Specifically, after the silica sol was dried with a freeze dryer, the specific surface area of a sample dried at 110 ° C. for 20 hours was measured, and then nitrogen adsorption was performed using a specific surface area measuring device (manufactured by Yuasa Ionics, Multisorb 12). Measured by the method (BET method). And the specific surface area (SA) was calculated | required from the nitrogen adsorption amount by BET method, and the average particle diameter was calculated | required from the type | formula of particle diameter (Dp) = 6000 / SAx (sample density).
The silica sol thus obtained had an average particle size of 6.0 nm and a specific surface area of 455 m 2 / g.

シリカゾルの短径/長径比については、透過型電子顕微鏡(型番H−800、日立製作所製)を使用して、倍率250,000倍の写真を撮影し、任意の10個のシリカ微粒子について、長径(最大の長さ)と短径(最大の太さ)を測定し、それぞれ短径/長径比の値を算出し、平均値は0.15となった
以上の調製条件、シリカゾルの平均粒子径および短径/長径比について、表1に示した。これ以降の実施例、比較例についても同様に表1に記載した。
Regarding the minor axis / major axis ratio of the silica sol, a transmission electron microscope (model number H-800, manufactured by Hitachi, Ltd.) was used to take a photograph at a magnification of 250,000 times. (Maximum length) and short diameter (maximum thickness) were measured, and the value of the short diameter / long diameter ratio was calculated. The average value was 0.15. The above preparation conditions, the average particle diameter of silica sol The minor axis / major axis ratio is shown in Table 1. The following examples and comparative examples are also shown in Table 1.

BET法により測定される平均粒子径が4.3nm、比表面積が634m2/g、SiO2濃度が12重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−550)を純水で希釈して、SiO2濃度を10重量%に調整した後、5%塩酸水溶液にてpH5に調整した。
このシリカゾル500gにポリ硫酸第2鉄の10%水溶液をポリ硫酸第2鉄換算で3.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して80℃で15時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度11重量%まで濃縮した。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は5.0nm、比表面積は540m2/gとなった。また、短径/長径比の平均値は0.32となった
A silica sol (catalyst SI-550, manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter measured by the BET method of 4.3 nm, a specific surface area of 634 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 12% by weight is diluted with pure water. The SiO 2 concentration was adjusted to 10% by weight and then adjusted to pH 5 with a 5% aqueous hydrochloric acid solution.
To 500 g of this silica sol, 3.0 g of a 10% aqueous solution of polyferric sulfate was added in terms of polyferric sulfate, sufficiently stirred and mixed at room temperature, then heated and stirred at 80 ° C. for 15 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 11% by weight with an ultrafiltration membrane.
The silica sol thus obtained had an average particle size of 5.0 nm and a specific surface area of 540 m 2 / g. The average value of the minor axis / major axis ratio was 0.32.

BET法により測定される平均粒子径が7.0nm、比表面積が390m2/g、SiO2濃度が30重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−350)を純水で希釈して、SiO2濃度を10重量%に調整した後、5%硫酸水溶液にてpH6に調整した。
このシリカゾル500gにポリ塩化アルミニウムの10%水溶液をポリ塩化アルミニウム換算で5.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して120℃で5時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度12重量%まで濃縮した。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は8.0nm、比表面積は335m2/gとなった。また、短径/長径比の平均値は0.31となった
A silica sol (catalyst SI-350, manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter of 7.0 nm, a specific surface area of 390 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 30% by weight measured by the BET method is diluted with pure water. The SiO 2 concentration was adjusted to 10% by weight, and then adjusted to pH 6 with a 5% aqueous sulfuric acid solution.
To 500 g of this silica sol, 5.0 g of a 10% aqueous solution of polyaluminum chloride was added in terms of polyaluminum chloride. After sufficiently stirring and mixing at room temperature, the mixture was heated and stirred at 120 ° C. for 5 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 12% by weight with an ultrafiltration membrane.
The silica sol thus obtained had an average particle size of 8.0 nm and a specific surface area of 335 m 2 / g. The average value of the minor axis / major axis ratio was 0.31.

BET法により測定される平均粒子径が7.0nm、比表面積が390m2/g、SiO2濃度が30重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−350)を純水で希釈して、SiO2濃度を15重量%に調整した後、5%硫酸水溶液にてpH5に調整した。
このシリカゾル500gにポリ塩化アルミニウムの10%水溶液をポリ塩化アルミニウム換算で8.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して150℃で3時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度12重量%まで濃縮した。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は9.0nm、比表面積は301m2/gとなった。また、短径/長径比の平均値は0.40となった
A silica sol (catalyst SI-350, manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter of 7.0 nm, a specific surface area of 390 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 30% by weight measured by the BET method is diluted with pure water. Then, after adjusting the SiO 2 concentration to 15% by weight, the pH was adjusted to 5 with a 5% aqueous sulfuric acid solution.
To 500 g of this silica sol, 8.0 g of a 10% aqueous solution of polyaluminum chloride was added in terms of polyaluminum chloride, and the mixture was sufficiently stirred and mixed at room temperature, followed by heating and stirring at 150 ° C. for 3 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 12% by weight with an ultrafiltration membrane.
The silica sol thus obtained had an average particle size of 9.0 nm and a specific surface area of 301 m 2 / g. The average value of the minor axis / major axis ratio was 0.40.

BET法により測定される平均粒子径が18nm、比表面積が152m2/g、SiO2濃度が40重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−40)を純水で希釈して、SiO2濃度を20重量%に調整した後、5%硫酸水溶液にてpH7に調整した。
このシリカゾル500gにポリ塩化アルミニウムの10%水溶液をポリ塩化アルミニウム換算で5.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して150℃で3時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度20重量%まで濃縮した。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は20nm、比表面積は135m2/gとなった。また、短径/長径比の平均値は0.50となった
Silica sol (catalyst SI-40, manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter of 18 nm, a specific surface area of 152 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 40% by weight measured by the BET method is diluted with pure water, After adjusting the SiO 2 concentration to 20% by weight, the pH was adjusted to 7 with a 5% aqueous sulfuric acid solution.
To 500 g of this silica sol, 5.0 g of a 10% aqueous solution of polyaluminum chloride was added in terms of polyaluminum chloride, and the mixture was sufficiently stirred and mixed at room temperature, and then heated and stirred at 150 ° C. for 3 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 20% by weight using an ultrafiltration membrane.
The silica sol thus obtained had an average particle size of 20 nm and a specific surface area of 135 m 2 / g. The average value of the minor axis / major axis ratio was 0.50.

BET法により測定される平均粒子径が20nm、比表面積が136m2/g、SiO2濃度が40重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−40)を純水で希釈して、SiO2濃度を20重量%に調整した後、5%水酸化ナトリウムにてpH6に調整した。
このシリカゾル500gにポリ硫酸第2鉄の10%水溶液をポリ硫酸第2鉄換算で2.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して150℃で3時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度15重量%まで濃縮した。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は22nm、比表面積は124m2/gとなった。また、短径/長径比の平均値は0.30となった
A silica sol (catalyst chemical industry make, Catalloy SI-40) having an average particle diameter of 20 nm, a specific surface area of 136 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 40% by weight measured by the BET method is diluted with pure water, After adjusting the SiO 2 concentration to 20% by weight, the pH was adjusted to 6 with 5% sodium hydroxide.
To 500 g of this silica sol, 2.0 g of a 10% aqueous solution of polyferric sulfate was added in terms of polyferric sulfate. The mixture was thoroughly stirred and mixed at room temperature, then heated and stirred at 150 ° C. for 3 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 15% by weight with an ultrafiltration membrane.
The silica sol thus obtained had an average particle size of 22 nm and a specific surface area of 124 m 2 / g. Moreover, the average value of the minor axis / major axis ratio was 0.30.

比較例1Comparative Example 1

BET法により測定される平均粒子径が7.0nm、比表面積が390m2/g、SiO2濃度が30重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−350)を純水で希釈して、SiO2濃度を15重量%に調整した後、5%水酸化ナトリウムにてpH11に調整した。
このシリカゾル500gにポリ塩化アルミニウムの10%水溶液をポリ塩化アルミニウム換算で5.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して80℃で15時間撹拌した。次いで、室温まで冷却したところ、シリカゾルはゲル化した。また、シリカゾルの長径(最大の長さ)と短径(最大の太さ)は測定することが出来なかった。
A silica sol (catalyst SI-350, manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter of 7.0 nm, a specific surface area of 390 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 30% by weight measured by the BET method is diluted with pure water. Then, after adjusting the SiO 2 concentration to 15% by weight, the pH was adjusted to 11 with 5% sodium hydroxide.
To 500 g of this silica sol, 5.0 g of a 10% aqueous solution of polyaluminum chloride was added in terms of polyaluminum chloride. After sufficiently stirring and mixing at room temperature, the mixture was heated and stirred at 80 ° C. for 15 hours. Subsequently, when cooled to room temperature, the silica sol gelled. Further, the major axis (maximum length) and minor axis (maximum thickness) of silica sol could not be measured.

比較例2Comparative Example 2

BET法により測定される平均粒子径が7.0nm、比表面積が390m2/g、SiO2濃度が30重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−350)を純水で希釈して、SiO2濃度を15重量%に調整した後、5%硫酸水溶液にてpH6に調整した。
このシリカゾル500gにポリ塩化アルミニウムの10%水溶液をポリ塩化アルミニウム換算で5.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して40℃で50時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度12重量%まで濃縮した。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は7.0nm、比表面積は389m2/gとなった。また、短径/長径比の平均値は0.95となった
A silica sol (catalyst SI-350, manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter of 7.0 nm, a specific surface area of 390 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 30% by weight measured by the BET method is diluted with pure water. The SiO 2 concentration was adjusted to 15% by weight, and then adjusted to pH 6 with a 5% aqueous sulfuric acid solution.
To 500 g of this silica sol, 5.0 g of a 10% aqueous solution of polyaluminum chloride was added in terms of polyaluminum chloride, and after sufficiently stirring and mixing at room temperature, the mixture was heated and stirred at 40 ° C. for 50 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 12% by weight with an ultrafiltration membrane.
The silica sol thus obtained had an average particle size of 7.0 nm and a specific surface area of 389 m 2 / g. Moreover, the average value of the minor axis / major axis ratio was 0.95.

比較例3Comparative Example 3

BET法により測定される平均粒子径が80nm、比表面積が34m2/g、SiO2濃度が40重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−80)を純水で希釈して、SiO2濃度を20重量%に調整した後、5%硫酸水溶液にてpH3に調整した。
このシリカゾル500gにポリ塩化アルミニウムの10%水溶液をポリ塩化アルミニウム換算で3.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して150℃で3時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度15重量%まで濃縮した。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は80nm、比表面積は34m2/gとなった。また、短径/長径比の平均値は0.97となった
Silica sol (catalyst SI-80, produced by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter of 80 nm, a specific surface area of 34 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 40% by weight measured by the BET method is diluted with pure water, After adjusting the SiO 2 concentration to 20% by weight, the pH was adjusted to 3 with a 5% aqueous sulfuric acid solution.
To 500 g of this silica sol, 3.0 g of a 10% aqueous solution of polyaluminum chloride was added in terms of polyaluminum chloride, and after sufficiently stirring and mixing at room temperature, the mixture was heated and stirred at 150 ° C. for 3 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 15% by weight with an ultrafiltration membrane.
The silica sol thus obtained had an average particle size of 80 nm and a specific surface area of 34 m 2 / g. Moreover, the average value of the minor axis / major axis ratio was 0.97.

比較例4Comparative Example 4

BET法により測定される平均粒子径が7.0nm、比表面積が390m2/g、SiO2濃度が30重量%のシリカゾル(触媒化成工業株式会社製、カタロイドSI−350)を純水で希釈して、SiO2濃度を10重量%に調整した後、5%水酸化ナトリウムにてpH6に調整した。
このシリカゾル500gに塩化アルミニウムの10%水溶液を塩化アルミニウム換算で5.0g添加し、常温で充分に攪拌、混合した後、加熱して120℃で5時間撹拌した。次いで、室温まで冷却し、得られたシリカゾルを限外濾過膜でSiO2濃度12重量%まで濃縮した。
ここで得られたシリカゾルの平均粒子径は8.0nm、比表面積は340m2/gとなった。また、短径/長径比の平均値は0.87となった
A silica sol (catalyst SI-350, manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter of 7.0 nm, a specific surface area of 390 m 2 / g, and a SiO 2 concentration of 30% by weight measured by the BET method is diluted with pure water. The SiO 2 concentration was adjusted to 10% by weight, and then adjusted to pH 6 with 5% sodium hydroxide.
To 500 g of this silica sol, 5.0 g of a 10% aqueous solution of aluminum chloride was added in terms of aluminum chloride, and the mixture was sufficiently stirred and mixed at room temperature, then heated and stirred at 120 ° C. for 5 hours. Next, the mixture was cooled to room temperature, and the obtained silica sol was concentrated to an SiO 2 concentration of 12% by weight with an ultrafiltration membrane.
The silica sol thus obtained had an average particle size of 8.0 nm and a specific surface area of 340 m 2 / g. Moreover, the average value of the minor axis / major axis ratio was 0.87.

Figure 0004979930
Figure 0004979930

Claims (2)

平均粒子径が3〜25nmの範囲にあるシリカ微粒子が分散した、pHが2〜8の範囲にあるシリカゾルに、該シリカゾルのシリカ固形分100重量部に対して、ポリ硫酸第二鉄、ポリ塩化アルミニウムまたはこれらの複合体から選ばれる1種または2種以上のポリ金属塩化合物を0.01〜70重量部添加し、50〜160℃で加熱することを特徴とする異方形状シリカゾルの製造方法。 Average particle diameter of the silica fine particles are dispersed in the range of 3~25Nm, the silica sol in the pH range of 2-8, the silica solid content of 100 parts by weight of the silica sol, ferric polysulfate, Po Li one or more poly metal salt compound aluminum Nightmare other chloride selected from the complexes were added 0.01-70 parts by weight, anisotropically shaped, characterized by heating at 50 to 160 ° C. A method for producing silica sol. pH調整剤を前記シリカゾルに添加して、pH2〜8の範囲に調整することを特徴とする請求項1記載の異方形状シリカゾルの製造方法。   The method for producing an anisotropic shaped silica sol according to claim 1, wherein a pH adjusting agent is added to the silica sol to adjust the pH to a range of 2-8.
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