(57)【要約】【課題】高純度の合成シリカ粉を生産性よく低コストで製造する方法を提供する。【解決手段】四塩化珪素の湿式加水分解によってシリカ粉を製造する方法において、強攪拌下で、水に四塩化珪素を加えることによって高濃度シリカスラリーを生成させ、該シリカスラリーを乾燥し、焼成してシリカ粉を製造することことを特徴とする合成シリカ粉の製造方法であり、好ましくは、水１Ｌに対して四塩化珪素８〜１０モルを、攪拌レイノルズ数２５０００以上の強攪拌下で加え、容器を冷却して液温を５０℃以下に抑えながら、四塩化珪素を少量づつ加えて、シリカ濃度５００ｇ/Ｌ以上のシリカスラリーを生成させる合成シリカ粉の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
四塩化珪素の湿式加水分解によってシリカ粉を製造する方法において、強攪拌下で、水に四塩化珪素を加えることによって高濃度シリカスラリーを生成させ、該シリカスラリーを乾燥し、焼成してシリカ粉を製造することことを特徴とする合成シリカ粉の製造方法。
【請求項２】
水１Ｌに対して四塩化珪素８〜１０モルを、攪拌レイノルズ数２５０００以上の強攪拌下で加えることによって、シリカ濃度５００ｇ/Ｌ以上のシリカスラリーを生成させ、該シリカスラリーからシリカ粉を製造する請求項１に記載する合成シリカ粉の製造方法。
【請求項３】
容器に水を張り、強攪拌下で、容器を冷却して液温を５０℃以下に抑えながら、水に四塩化珪素を少量づつ加えて高濃度シリカスラリーを生成させる請求項１または請求項２に記載する合成シリカ粉の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高純度シリカ粉の製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、シリコン単結晶引き上げ用ルツボや、各種半導体製造分野で使用される高純度の合成シリカ粉を生産性よく低コストで製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶引上げ用の石英ルツボは、シリコン単結晶の大口径化に伴ってその需要が増大しており、その原料となる高純度の合成石英粉の需要も増大している。合成石英粉は一般には珪素のアルコキシドを加水分解する所謂ゾルゲル法によって製造されている。一方、単結晶シリコンの原料になる多結晶シリコンの需要も増えており、この多結晶シリコンの製造工程からは四塩化珪素が大量に副生する。この四塩化珪素はコンバージョンによって多結晶シリコンの製造に再利用する技術が知られており工業的にも行われているが、これ以外の四塩化珪素の活用用途の開発はあまり進んでいない。このように余剰感のある四塩化珪素を活用して、乾式合成でのヒュームドシリカの製造が既に行われている。
【０００３】
工業的に行われている湿式加水分解法（ゾルゲル法）による合成シリカ粉の製造方法としては、珪素のアルコキシドを原料としたシリカ粉の製造方法がよく知られている。この方法は、テトラメトキシシランを水に加えて加水分解させ、生成したゲルを乾燥し焼成して、シリカ粉を製造する方法である。
【０００４】
また、特許文献１に記載される方法のように、四塩化珪素を原料とし、四塩化珪素を攪拌下で水に加え、加水分解させてゲル化し、このゲルを乾燥し焼成してシリカ粉を製造する方法も知られている。
【０００５】
さらに、特許文献２には、四塩化珪素を加水分解する際に、ゲルの生成を回避して、シリカ濃度１０〜５０重量％のシリカスラリーにし、このシリカスラリーを濾過・水洗・乾燥してシリカ粉を得る方法が開示されている。
【特許文献１】特公平４−７５８４８
【特許文献２】特開昭６２−３０６１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記合成シリカ粉製造法のうち、四塩化珪素を原料とした加水分解によってゲルを生成する従来の湿式製法は、以下の問題を有していたためこれまで実用化に至っていない。
(イ)湿式加水分解によって生成するゲルはシリカ含量が低く（５〜６質量％）、従って、水分除去に多大のエネルギーコストがかかる。
(ロ)生成したゲルが多量の塩酸を含むため、ゲルのハンドリングが難しく、装置材料の選定が極めて難しい。
(ハ)その結果、生産性が低く、コスト高である。
【０００７】
特許文献２に記載されている方法では、得られるシリカ粉の粒径が微細過ぎるので、石英ガラスルツボなどの製造用原料には適さない。
【０００８】
本発明の製造方法は、従来方法の上記問題を解決したものであり、高純度の合成シリカ粉を生産性よく低コストで製造できる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下に示す構成を有することによって上記課題を解決した合成シリカ粉の製造方法である。
〔１〕四塩化珪素の湿式加水分解によってシリカ粉を製造する方法において、強攪拌下で、水に四塩化珪素を加えることによって高濃度シリカスラリーを生成させ、該シリカスラリーを乾燥し、焼成してシリカ粉を製造することことを特徴とする合成シリカ粉の製造方法。
〔２〕水１Ｌに対して四塩化珪素８〜１０モルを、攪拌レイノルズ数２５０００以上の強攪拌下で加えることによって、シリカ濃度５００ｇ/Ｌ以上のシリカスラリーを生成させ、該シリカスラリーからシリカ粉を製造する上記[１]に記載する合成シリカ粉の製造方法。
〔３〕容器に水を張り、強攪拌下で、容器を冷却して液温を５０℃以下に抑えながら、水に四塩化珪素を少量づつ加えて高濃度シリカスラリーを生成させる上記[１]または上記[２]に記載する合成シリカ粉の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、シリカゲルを生成させず、シリカ濃度の高いスラリーを生成させ、このシリカスラリーからシリカ粉を製造するので、これまで問題であったゲルの水分除去に多大のエネルギーを必要とすることも無く、製造工程が簡単であるので容易に実施することができ、また高い生産性で低コストのシリカ粉を製造することができる。
【００１１】
また、本発明の製造方法は、水と四塩化珪素を原料としてシリカ粉を製造する方法であり、四塩化珪素として半導体材料の多結晶シリコンの製造工程において副生する高純度の四塩化珪素を利用することができる。従って、高純度のシリカ粉を得ることができ、かつ、多結晶シリコン製造において副生する四塩化珪素の有効活用を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の製造方法を実施形態に基づいて具体的に説明する。なお、濃度の％は質量％である。
本発明の製造方法は、四塩化珪素（SiCl4）の湿式加水分解によってシリカ粉を製造する方法において、強攪拌下で、水に四塩化珪素を加えることによって高濃度シリカスラリーを生成させ、該シリカスラリーを洗浄濾過し、乾燥後、焼成してシリカ粉を製造することことを特徴とする合成シリカ粉の製造方法である。
水に四塩化珪素を加えて加水分解させる場合、水１Ｌに対して四塩化珪素８〜１０モルを少量づつ、強攪拌下で加える。攪拌速度は攪拌レイノルズ数が２５０００以上となる条件が適当である。攪拌レイノルズ数が２００００以下では溶液が途中でゲル化し、高濃度のシリカスラリーを得ることができない。
【００１３】
攪拌速度は液の混合状態を左右する重要な因子である。一般に溶液の攪拌条件を定量的に表すのに攪拌レイノルズ数なる数値が用いられる。通常はレイノルズ数が３０００以下は層流、５０００以上が乱流とされているが、本発明では、乱流域でも更にレイノルズ数の大きい２５０００以上の強攪拌条件でゲル化を抑制しながら、四塩化珪素の加水分解反応を進めることが可能である。
【００１４】
攪拌レイノルズ数は次式[１]で定義される数値である。
Ｒｅ = ρud2／μ    ……〔１〕
ここで、Ｒｅは攪拌レイノルズ数、ρは液の密度[kg/m3]、ｕは攪拌回転数［1/s］、ｄは攪拌羽根の直径[ｍ]、μは液の粘度[kg/m・s]である。
【００１５】
本発明の加水分解反応では、この攪拌レイノルズ数が２５０００以上の強攪拌条件の時にゲル化させることなく反応が継続でき、結果として高シリカ濃度のスラリー溶液が得られる。攪拌レイノルズ数が２００００以下ではゲル化現象が起こる。
【００１６】
攪拌レイノルズ数２５０００以上の強攪拌下で水に四塩化珪素を少量づつ添加すると、溶液がゲル化せず、シリカ濃度５００ｇ/Ｌ以上のシリカスラリーを得ることができる。シリカ濃度が５００ｇ/Ｌより低いと、シリカ粉の生産性が低下するので好ましくない。
【００１７】
また、水中で四塩化珪素の加水分解が進むと、反応熱で液温が上昇するので、容器を冷却して好ましくは液温を５０℃以下に抑えながら四塩化珪素を少量づつ加える。液温が５０℃より高くなると、四塩化珪素の揮発ロスが大きくなり、生産性が低下する。
【００１８】
生成したシリカスラリーを純水で洗浄濾過して、スラリーに含まれる大部分のＨＣlを除去し、得られたウエットケーキを乾燥し、１０００℃以上、好ましくはは１２００℃〜１２５０℃で焼成してシリカ粉を得ることができる。残留するＨＣｌは乾燥及び焼成工程で揮発し除去される。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明の実施例を比較例と共に示す。
〔実施例１〕
５Ｌのセパラブルフラスコに水を３Ｌ張込み、５００rpm（攪拌レイノルズ数３５０００）で激しく攪拌しながら四塩化珪素を定量ポンプで供給した。反応が進み反応熱で液温が上昇するため、容器外部を水冷しながら液温を５０℃以下に抑えた。四塩化珪素を４３００ｇ入れたところで反応を終了した。この反応で得られたスラリー状のシリカを純水で洗浄・濾過し、大部分の残留ＨＣｌを除去した。得られたウエットケーキは４１２０ｇであった。これを通常の方法で乾燥し、１２５０℃で焼成した。得られたシリカ粉は１４４０ｇであった。
【００２０】
〔比較例１〕
実施例１と同じ反応装置を用いて、３Ｌの純水を張り込み、これに定量ポンプを用いて四塩化珪素を供給した。攪拌速度は１８０rpm（攪拌レイノルズ数１２０００）とした。反応熱で液温が上昇するため、容器外部を水冷しながら液温を５０℃以下に抑えた。四塩化珪素が５２０ｇ入ったところでゲル化した。さらに四塩化珪素を供給し続けたが、ゲル化が進み攪拌できなくなったため、反応を終了した。このゲルを乾燥・焼成して得られたシリカ粉は１７６ｇであった。
【００２１】
〔実施例２〕
実施例１と同様の条件で四塩化珪素の加水分解反応を行い、四塩化珪素を５７００ｇ添加して反応を終了とした。スラリー濃度が高くなった分、液の粘性は上がったが、反応は最後まで問題なく行うことが出来た。この反応で得られたシリカスラリーを濾過した後に純水で洗浄して残留ＨＣｌの大部分を除去した。得られたウエットケーキは５４５０ｇであった。これを通常の方法で乾燥した後１２５０℃で焼成し、１８９０ｇのシリカ粉を得た。