JPH03183625A - 合成石英ガラスインゴットの製造方法および合成石英ルツボ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は合成石英ガラスインゴットの製造方法、特には
メチルシリケートの加水分解で得たシリカを精製し、加
熱して高純度で高粘性であることから、半導体用耐熱部
材として有用とされる合成石英ガラスインゴットを製造
する方法およびこれを用いてなる合成石英ルツボに関す
るものである。

（従来の技術） 合成石英ガラスの製造については■四塩化けい素などの
けい素化合物を酸水素火炎中で加水分解してシリカ粒子
を作り、これを溶融して石英ガラスとする方法、■この
酸水素火炎をプラズマ炎とする方法、■アルコキシシラ
ンをアルコール溶媒中において酸触媒で加水分解してシ
リカを作り、これを焼結して石英ガラスとする、いわゆ
るゾル−ゲル７去などが知られている。

しかし、この酸水素火炎を用いる方法には石英ガラス中
に１．０００ｐｐｍものＯＨ基が残留するし、高温粘性
も低く、真空中高温では発泡するという問題点があるし
、プラズマ法はコストが高く、量産化か難しいという不
利があり、ゾル−ゲル法には比較的安価に石英ガラスが
得られるものの、これにはＯＨ基か残り易く、製造に長
時間を要し、高温粘性の高いものが得られ難いという不
利がある。

（発明が解決しようとする課題） そのため、本発明者らはゾル−ゲル法によって高温粘性
の高い合成石英の製造方法についての研究を進め、これ
についてはメチルシリケートをメタノール溶媒中でアン
モニアの存在下に加水分解させて粒径が２００〜３，０
ＯＯｒ＋ｎ＋のシリカを作り、焼結、粉砕後１，７００
℃で溶融する方法（特開昭６３２２９３３３号明細書参
照）、メチルシリケートをアンモニアの存在下に加水分
解して粒径が１次粒子で１００〜５００ｎｍのシリカを
作り、これを１０〜ｌｏ０μｍの凝集粒子としてから固
液分離し、焼結、粉砕、篩別し、１，７００℃以上で溶
融成形する方法（特願昭６３−３３５０７０＋明細書参
照）、またメチルシリケートをアンモニアの存在下に加
水分解してシリカを生成させ、これを減圧下に１，５０
０〜１．７００℃で焼結し、ついで常圧または加圧下に
１．８００〜２．０００で焼結する方法（特願平１−１
３９６１９号明細書参照）を提案している。

しかし、これらの方法は高温粘性の高い合成石英を与え
るものの、いずれも工程が長いために大量生産性に欠け
るものであるし、焼結などのエネルギーコストが高くつ
くという不利があり、必ずしも満足すべきものではない
。

（課題を解決するための手段） 本発明はこのような不利を解決することのできる合成石
英ガラスインゴットの製造方法に関するものであり、こ
れはメチルシリケートとアンモニア水とを反応器に同時
に滴下して加水分解し、重縮合させたのちろ過してシリ
カと水とに分離し、得られたシリカを洗浄し、ついで空
気中あるいは酸化雰囲気中て加熱してアンモニア、水分
、残留炭素を除去してから加熱により透明ガラス化して
合成石英ガラスインゴットとすることを特徴とするもの
である。

すなわち、本発明者らは超高純度で高温粘性の高い合成
石英ガラスを与える合成石英ガラスインゴットをゾル−
ゲル法で容易に得ることのできる方法について種々検討
した結果、メチルシリケートをアンモニア水で加水分解
し、重縮合させたのちろ過してシリカと水に分離させ、
さらにこのシリカを超純水で洗浄すると純度が非常に向
上すること、これを空気中あるいは酸化雰囲気中で加熱
するとシリカに含有されているアンモニア、水分、残留
炭素が容易に除去されるのでシリカが高純度なものとな
ること、またこれを透明ガラス化して得られる石英ガラ
スは高温粘性の高いものになるということを見出し、こ
れらの諸条件についてさらに検討を進めて本発明を完成
させた。

以下にこれをさらに詳述する。

（作用） 本発明の方法はゾル−ゲル法によるものであるが、本発
明の方法では始発材としてメチルシリケートが使用され
る。すなわち、従来公知のゾル−ゲル法では通常エチル
シリケートを始発材とし、これをエタノール溶媒中でア
ンモニアまたは塩酸を触媒として加水分解させており、
この場合も５００ｎｍ程度の粒径をもつシリカが得られ
、これを乾燥後１，０５０℃で焼結し、さらに１，５０
０℃で溶融ガラス化すれば透明な石英ガラスを得ること
ができるけれども、この石英ガラスは０１１基含有量が
多く、高温粘性も低いという不利があることが判った。

しかし、このエチルシリケートをメチルシリろトとする
とコスト的に有利であることのほか、これをアンモニア
水を触媒として加水分解させ２とこの加水分解反応はメ
チルシリケート注加直省に始まって瞬時にかつ連続的に
シリカの生成が１：おれるという有利性が与えられる。

なお、ここに使用するメチルシリケートは不純物として
エチルシリケートを含有しているとエチルシリケートカ
メチルシリケートに比べて反応性が乏しく、得仁れるシ
リカが球の小さいものとなるし、ゲル化を促進させ、後
工程に種々な障害をもたらすので、このメチルシリケー
トは９９．５％以上の純度ももち、１金属不純物量も第
１表に示したようなものとすることがよく、ここに使用
するアンモニア水もその金属不純量が第１表に示したよ
うなもので慶る半導体グレードのものとすることがよい
。

那 表 また、このメチルシリケートの加水分解は反応器中にメ
チルシリケートとアンモニアとを同時に滴下させればよ
いが、反応物がゲル化した場合にはメチルシリケートの
添加を停止してアンモニアだけを滴下し、ゲル化が解消
するまで攪拌すればよい。この加水分解で得られたシリ
カの粒径はここに使用するアンモニア水、メチルシリケ
ートの重量比、反応温度、攪拌速度によって制御可能と
されるが、ＯＨ基含有量の少ないシリカ粉を製造するた
めには平均粒径が２００ｎｎ＋以上のものとする必要が
あるし、乾燥して塊状とするためにはある程度の微粉で
あることが必要とされるので本発明の方法ではここに得
られるシリカは平均粒径が２００〜１，００（Ｉｒｏｎ
のものとすることがよい。

このようにして得られたシリカは遠心分離器またはフィ
ルタープレスで固液分離したのち、超純水で洗浄される
のであるが、これによれば通常の濃縮操作では不純物の
濃縮が起こるために純度がかなりわるくなるのに対し、
この脱水、洗浄て不純物が除去されるし、純度向上と加
水分解の完結がはかられ、このシリカに含有されている
金属不純物量は第２表に示したように減少する。

第２表　（ｐｐｍ） このように濾過、洗浄して得られたシリカはついで空気
中または酸化雰囲気中で加熱処理されるのであるが、こ
れによればシリカ中に残存しているアンモニアおよび水
分が気散除去されるほか、メチルシリケート中の−ＯＲ
基の分解で発生した残留炭素が酸化除去されるし、シリ
カの閉孔化も進行する。この加熱は例えばまず３００ｔ
：程度に加熱してアンモニア、水分を十分に除去したの
ち、３００℃からｉ、ｏｏｏ℃までゆっくり昇温させて
残留カーボンを除去するようにすればよい。

また、このように処理された仮焼結シリカ粉末は加熱し
透明ガラスすることによって石英ガラスインゴットとさ
れる。この仮焼結シリカ粉は嵩の高い多孔質のものであ
るが、このものは高温に加熱されると緻密なガラス体と
なる。この加熱はヘリウムガス中、あるいは真空中にお
いて１，５００℃程度で行えばよく、これによればシリ
カが閉孔化され透明ガラス化されて高温粘性の高い石英
ガラスインゴットを得ることができるが、完全な透明体
とするためには１．８００″Ｃ程度で処理することがよ
く、特には粒子中にカーボンが残存しているときにはこ
れがルツボ成形時に細かい泡となるので、１，８００℃
以上で加熱して ２Ｃ＋ＳｊＯ，→　　Ｓｉ　　　＋　　　２ＣＤの反応
によって完全にカーボンを除去することが必要とされる
。なお、この加熱は仮焼詰粉をカーボンケースに入れて
行えばよいが、これを真空中で行なうと＝　５ｉ−５ｉ
ミ結合ができるためにより粘度の高い石英ガラスインゴ
ットを得ることができるし、脱ガスにより透明な石英ガ
ラスインゴットを得ることができるという有利性が与え
られる。

なお、このようにして得られた石英ガラスインゴットは
ついでボールミル、ロールミル、ロッドよルなとで粉砕
して平均粒径が５０から２００メツシユのものに粒度を
調整したのち、酸洗浄を行ない真空中あるいは不活性ガ
ス存在下で１，７００℃以上に加熱し、溶融すれば合成
石英ガラスとすることができるが、ここに得られた合成
石英ガラスは叶基含有量が例えば１ｐｐＩ１１以下とい
うように低いし、これはまた上記方法で作られたシリカ
が極めて規則正しい構造をもつものであり、上記した加
熱溶融時にもこの構造が不規則になることもないので高
温粘性が例えば１，４００℃において１〜４×１０１０
ボイズと高い値を示すという特性をもっているので、こ
れを用いてなるシソ３フ１１用ルツボはＡ℃、Ｆｅ．　
Ｎａ，　　Ｋ．Ｃａなどが少なく、しかも歪み点や徐冷
点が天然石英以上の値を示すものとして得られる。

（実施例） つぎに本発明方法による実施例をあげる。

実施例 ５にの反応容器を使用し、これを温度５０〜６０℃に保
ち、ここにメチルシリケート２６．５ｊ２　７時とＥＬ
グレードのアンモニア水１７．２Ｉ１．７時の速度で滴
下して加水分解反応させ、メチルシリケートを５３Ｉ１
滴下したらこれを１バツチとし、反応器を新しくして加
水分解を再開する。一方、反応終了後生成したシリカは
遠心分離器で濾過してシリカと水を分離し、このシリカ
を超純水で４回洗浄し、アンモニアが認められなくなる
まで行ない、ついでこれを１００℃に加熱して乾燥した
ところ、平均粒径が７０Ｏｒ＋ｍであるシリカ粉が得ら
れた。

れるので純度の高いものなり、このシリカを高温に加熱
して透明ガラス化したものは高温粘性が高く、さらには
ＯＨ基の少ないものとなるので、これには半導体用耐熱
材料として有用とされるという有利性が与えられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、メチルシリケートとアンモニア水とを反応器に同時
   に滴下して加水分解し、重縮合させたのちろ過してシリ
   カと水とに分離し、得られたシリカを洗浄し、ついで空
   気中あるいは酸化雰囲気で加熱してアンモニア、水分、
   残留炭素を除去してから加熱し、透明ガラス化して合成
   石英ガラスインゴットとすることを特徴とする合成石英
   ガラスインゴットの製造方法。 ２、メチルシリケートをアンモニア水で加水分解し、重
   縮合させたのちろ過してシリカと水とに分離し、得られ
   たシリカを超純水で洗浄し、ついで空気中あるいは酸化
   雰囲気で加熱してアンモニア、水分、残留炭素を除去し
   てから加熱し、透明ガラス化して合成石英ガラスインゴ
   ットとすることを特徴とする合成石英ガラスインゴット
   の製造方法。 ３、メチルシリケートとアンモニア水とを反応器に同時
   に滴下して加水分解し、重縮合させたのちろ過してシリ
   カと水とに分離し、得られたシリカを超純水で洗浄し、
   ついで空気中あるいは酸化雰囲気で加熱してアンモニア
   、水分、残留炭素を除去してから加熱し、透明ガラス化
   して合成石英ガラスインゴットとすることを特徴とする
   請求項１に記載の合成石英ガラスインゴットの製造方法
   。 ４、請求項１、２または３で得られた合成石英ガラスイ
   ンゴットを用いて製造してなることを特徴とする合成石
   英ルツボ。