專利名稱：高純度合成石英玻璃粒子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高純度合成石英玻璃粒子，特別涉及能夠很好地作為半導(dǎo)體熱處理部件、單晶硅拉拔用坩堝和燈材等的原料使用的具有高粘性的高純度合成石英玻璃粒子。
背景技術(shù)：
廣泛用作產(chǎn)業(yè)部件的石英玻璃大致分為兩類。一類是以天然水晶、硅石為原料的天然石英玻璃，另一類是以四氯化硅等為原料的合成石英玻璃。
作為天然石英玻璃原料的天然水晶或天然硅石，在印度或美國南卡羅來納、巴西、馬達加斯加等采掘，將其粉碎以后，進行礦石浮選或氟酸處理。例如，由偉晶巖系原料精制半導(dǎo)體用石英玻璃原料的情況下，與石英共存的長石和云母的量竟達到80％以上。因此，實際狀況是由這樣的原料能夠有效利用的石英不足20％，作為制品得到的只有10％左右。結(jié)果，石英玻璃原料的相當量被廢棄，有資源枯竭、開發(fā)造成的環(huán)境破壞的問題。
作為天然石英玻璃原料的高度純化，有高溫氯氣處理等技術(shù)，可是去掉石英粒子內(nèi)部存在的雜質(zhì)是極為困難的。
因此，天然石英原料盡管對其自身具有高粘性的半導(dǎo)體熱處理構(gòu)件等的用途具有合適的粘性，但用于上述要求高純度的用途是困難的。
另一方面，合成石英玻璃一般地與天然石英比較是可以期待高純度化的，但作為合成石英原料的四氯化硅，由于還原硅石制成金屬硅后進行氯化而制造，因此有對于工業(yè)使用是高成本的問題。但是，有在制造多晶硅的過程中作為副產(chǎn)物而產(chǎn)生的，如果利用它，則四氯化硅本身能夠作為便宜、低成本的原料使用，但在制造工序中，必須經(jīng)過下述工序?qū)⑵浼訙?，使之蒸發(fā)，在氫氧焰中進行水解，制成二氧化硅微粒子，使此二氧化硅微粒子堆積、并使之燒結(jié)，結(jié)果從生產(chǎn)率方面看變?yōu)楦叱杀?，這是現(xiàn)狀。
為了很好地用于半導(dǎo)體熱處理構(gòu)件等用途，希望粘性高，但以四氯化硅為原料的這樣的合成石英是粘性低的。
最近，采用用由甲氧基硅烷的溶膠-凝膠法制造的二氧化硅粒子形成單晶硅拉拔用坩堝的內(nèi)面透明層的方法，可是由甲氧基硅烷制造的二氧化硅粒子是高成本的，而且有粘性低的問題。
因此，本發(fā)明的目的是，解決了上述問題，提供如天然石英那樣具有高粘性、且象現(xiàn)有的合成石英那樣地高純度，而且低成本的高純度的合成石英粒子。
發(fā)明的公開本發(fā)明人為解決上述課題進行銳意研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過形成以下的構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的，從而完成了本發(fā)明。
這就是說，本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子，其特征在于，它來自堿金屬硅酸鹽，總金屬雜質(zhì)量為1μg/g或以下。
本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子，特別具有氧缺乏缺陷，優(yōu)選OH基含量在200ppm或以下。
對于本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子，具有為很好地用于半導(dǎo)體熱處理構(gòu)件等用途而要求的高粘性，具體地說，例如在1300℃具有2×1010Pa·s或以上、優(yōu)選3.6×1010Pa·s或以上的粘性。這樣的高粘性，迄今的合成石英得不到，是本發(fā)明中初次實現(xiàn)的。
本發(fā)明的最佳實施形態(tài)下面具體說明本發(fā)明的實施方案。
本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子，是以堿金屬硅酸鹽為來源的。不以堿金屬硅酸鹽為來源的合成石英玻璃，不能得到如上述那樣的高粘性。
總金屬雜質(zhì)含量在1μg/g或以下，優(yōu)選在0.5μg/g或以下。如果總金屬雜質(zhì)含量超過1μg/g，就仍不能得到如上述那樣的高粘性。
本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子具有高粘性的理由可如下那樣地考慮。
首先可認為如果堿金屬雜質(zhì)大量地存在，則這樣的雜質(zhì)切斷二氧化硅鍵，與非交聯(lián)氧結(jié)合，因此產(chǎn)生了極端降低粘性的作用，另外，堿金屬以外的金屬雜質(zhì)也起降低粘性的作用。因此認為，通過使總金屬雜質(zhì)含量在1μg/g或以下、優(yōu)選為0.5μg/g或以下，這些作用被抑制，能夠?qū)崿F(xiàn)上述的高粘性。
另外認為，上述那樣的、以堿金屬硅酸鹽為來源，總金屬雜質(zhì)含量在1μg/g或以下、優(yōu)選在0.5μg/g或以下的合成石英玻璃粒子，如ザツカライアセン說的那樣具有二氧化硅點陣結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明人通過比較這樣的二氧化硅點陣結(jié)構(gòu)中的4～6元環(huán)的比例和那以上的多元環(huán)，發(fā)現(xiàn)了如果4～6元環(huán)的比例增加、即如果氧缺乏缺陷增加則粘度變高的傾向。
此結(jié)果，本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子是特別具有氧缺乏缺陷的。
氧缺乏缺陷，由堿金屬硅酸鹽得到的凝膠具有大量的硅烷醇基團，在其脫水縮聚時得到，這樣形成的氧缺乏缺陷緊密地構(gòu)成二氧化硅點陣結(jié)構(gòu)，被認為與高粘性相關(guān)。
作為定性或定量地測定高純度合成石英玻璃粒子中的氧缺乏缺陷的方法，例如可以舉出紫外線光譜測定法。即氧缺乏缺陷是在245nm附近具有吸收峰的結(jié)構(gòu)，因此測定紫外線光譜，如果在245nm附近存在有意義的吸收峰，則具有氧缺乏缺陷。因此，本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子優(yōu)選在245nm附近存在有意義的紫外吸收峰。
另外，本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子，更優(yōu)選在245nm附近存在有意義的紫外吸收峰，其峰的紫外線透射率相對于在300nm的紫外線透射率的比例為95％或以下。
對于高純度合成石英玻璃粒子，由于在300nm以上的波長區(qū)沒有實質(zhì)的光吸收，因此與在300nm的紫外線透射率比較，在245nm的紫外線透射率為上述情況意味著，為了高純度合成石英玻璃的高粘性，存在足夠的氧缺乏缺陷。
上述的紫外線光譜的測定方法沒有特別的限制，作為測定試樣暫且熔融高純度合成石英玻璃粒子的情況下，使用氫氧焰在1830℃熔融(氫氧焰熔融)制成測量試樣為好。這是因為，例如，當進行在2000℃或以上的高溫熔融，或使用石墨材料那樣的真空熔融時，高純度合成石英玻璃中的結(jié)構(gòu)變化，作為本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子的測定不合適。
由這樣的觀點出發(fā)，如果作為測定方法合適，則使用任何其它方法都是無妨的。
本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子，以硅烷醇形式存在的OH基量越少，就越顯示高粘性。這可認為，當有OH基時H+切斷二氧化硅點陣結(jié)構(gòu)，因此粘性降低。因此，本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子，優(yōu)選OH基含量在200ppm或以下，更優(yōu)選在100ppm或以下。
由于OH基含量越少越好，因此沒有下限值，根據(jù)用途適當選擇即可。為了降低OH基，例如，如上述那樣燒成硅石制成石英的情況下，越延長燒成時間越能夠減少OH基，因此根據(jù)工業(yè)的適應(yīng)性和用途適當選擇燒成時間即可。
本發(fā)明的得到以堿金屬硅酸鹽為來源、總金屬雜質(zhì)含量少的高純度石英玻璃粒子的方法沒有特別的限定，例如，由堿金屬硅酸鹽水溶液用溶膠-凝膠法得到二氧化硅凝膠，通過將其燒成而可得到。另外，為了高純度化，在任意的工序中單獨或組合地實施脫堿處理、陽離子交換處理、洗凈處理即可。
特別是，當在任意的工序中添加過氧化氫時，由于多價金屬雜質(zhì)的去除性提高，所以是優(yōu)選的。
下面舉出實施例更具體地說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
實施例1將硅酸鈉水溶液脫堿得到的二氧化硅水溶液和硝酸、過氧化氫混合，再進行陽離子交換處理，除去金屬雜質(zhì)。將此二氧化硅水溶液在中性區(qū)域凝膠化后，凍結(jié)，溶解，分離水分，得到SiO2含量45wt％、粒徑2mm的含水二氧化硅凝膠。將其用鹽酸進行酸性化處理，使之干燥后，用含有鹽酸和過氧化氫的洗凈液洗滌，得到高純度的二氧化硅粒子。
在干燥氮氣氣氛中在1250℃燒成此二氧化硅粒子，得到本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子。
此高純度合成石英玻璃粒子中的總金屬雜質(zhì)的含量是0.91μg/g，OH基含量是160ppm。
將此高純度合成石英玻璃粒子用氫氧焰在爐內(nèi)溫度1830℃熔融(氫氧熔融)，制造成4mm厚的片，進行鏡面研磨，測定紫外線吸收譜。其結(jié)果在245nm觀察到透射率83％的有意義的峰。在此紫外吸收譜中，在245nm的紫外線透射率相對于在300nm的紫外線透射率的比例是92％。
此高純度合成石英玻璃粒子在1300℃的粘度是2.51×1010Pa·s，顯示出高粘性。
實施例2將硅酸鈉水溶液脫堿得到的二氧化硅水溶液和硝酸、過氧化氫混合，再進行陽離子交換處理除去金屬雜質(zhì)。將得到的二氧化硅水溶液在酸性區(qū)域凝膠化后，凍結(jié)，溶解，分離水分，得到SiO2含量25wt％、粒徑3mm的含水二氧化硅凝膠。使它干燥后，用含有鹽酸和過氧化氫的洗凈液洗滌，得到高純度的二氧化硅粒子。
在干燥氮氣氣氛中在1250℃燒成此二氧化硅粒子，得到本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子。
此高純度合成石英玻璃粒子中的總金屬雜質(zhì)含量是0.32μg/g，OH基含量是95ppm。
將此高純度合成石英玻璃粒子用氫氧焰在爐內(nèi)溫度1830℃熔融(氫氧熔融)，制造成4mm厚的片，鏡面研磨，測定紫外線吸收譜。其結(jié)果在245nm觀察到透射率85％的有意義的峰。在此紫外吸收光譜中，在245nm的紫外線透射率相對于在300nm的紫外線透射率的比例是94％。
此高純度合成石英玻璃粒子在1300℃的粘度是3.75×1010Pa·s，顯示出高粘性。
實施例3將硅酸鈉水溶液脫堿得到的二氧化硅水溶液和硝酸、過氧化氫混合，再進行陽離子交換處理除去金屬雜質(zhì)。將得到的二氧化硅水溶液在酸性區(qū)域凝膠化后，凍結(jié)，溶解，分離水分，粉碎，得到SiO2含量25wt％、平均粒徑0.3mm的含水二氧化硅凝膠。使其干燥后，用含有鹽酸和過氧化氫的洗凈液洗滌，得到高純度的二氧化硅粒子。
在干燥氮氣氣氛中在1250℃燒成此二氧化硅粒子，得到本發(fā)明的高純度合成石英玻璃粒子。
此高純度合成石英玻璃粒子中的總金屬雜質(zhì)含量是0.10μg/g，OH基含量是50ppm。
將此高純度合成石英玻璃粒子用氫氧焰在爐內(nèi)溫度1830℃熔融(氫氧熔融)，制造成4mm厚的片，鏡面研磨，測定紫外線吸收譜。其結(jié)果在245nm觀察到透射率82％的有意義的峰。在此紫外吸收譜中，在245nm的紫外線透射率相對于在300nm的紫外線透射率的比例是92％。
此高純度合成石英玻璃粒子在1300℃的粘度是5.62×1010Pa·s，顯示出高粘性。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如以上說明的那樣，按照本發(fā)明能夠提供如天然石英那樣具有高粘性，且如現(xiàn)有的合成石英那樣為高純度，而且成本低的高純度合成石英玻璃粒子。因此，能夠很好地使用它作為半導(dǎo)體熱處理構(gòu)件、單晶硅拉拔用坩堝、燈材料等的原料。
權(quán)利要求
1.一種高純度合成石英玻璃粒子，其特征在于，以堿金屬硅酸鹽為來源，總金屬雜質(zhì)量為1μg/g或以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純度合成石英玻璃粒子，具有氧缺乏缺陷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高純度合成石英玻璃粒子，OH基含量為200ppm或以下。
全文摘要
本發(fā)明是以堿金屬硅酸鹽為來源、總金屬雜質(zhì)量為1μg/g或以下的高純度合成石英玻璃粒子，是特別具有氧缺乏缺陷的高純度合成石英玻璃粒子。它象天然石英那樣具有高粘性，且象現(xiàn)有的合成石英那樣為高純度，而且成本低。
文檔編號C03B8/02GK1541194SQ02813049
公開日2004年10月27日 申請日期2002年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月27日
發(fā)明者楠原昌樹, 渡部弘行, 上原啟史, 三瓶桂子, 栗田有康, 多田修一, 尾見仁一, 高橋真木雄, 森田博, 一, 史, 子, 康, 木雄, 行 申請人:株式會社渡邊商行, 旭電化工業(yè)株式會社