二氧化硅颗粒的纯化方法和纯化设备以及纯化二氧化硅颗粒

摘要

本发明提供二氧化硅颗粒的纯化方法，该纯化方法是使二氧化硅颗粒形成流动状态、在高温下使纯化用气体与流动状态的二氧化硅颗粒接触，除去二氧化硅颗粒的杂质成分的纯化方法，其中，使流动状态的二氧化硅颗粒位于磁场区域内，优选使流动状态的二氧化硅颗粒位于10高斯以上的磁场区域内，在1000℃以上的温度下与纯化用气体接触，由此可以在比以往的气体纯化方法的平均处理温度低的1000℃～1300℃的温度下获得高的纯化效果。

说明书

技术领域

本发明涉及作为石英玻璃的原料粉末的二氧化硅颗粒的纯化方法和纯化设备、以及纯化二氧化硅颗粒。

背景技术

二氧化硅颗粒用作IC、LSI等的塑料包装用填料的原料，或者用作提炼半导体材料单晶硅的石英玻璃坩埚的原料粉末等。这些二氧化硅颗粒中含有杂质，则对半导体产品产生不良影响，因此需要杂质少的纯化二氧化硅颗粒。

二氧化硅颗粒的纯化方法例如已知在1000～1500℃的温度下，向二氧化硅颗粒中导入含有氯或氯化合物的气体，使二氧化硅颗粒流动，在该状态下进行脱水的方法(日本特开平06-40713号公报)。还已知向回转炉中连续供给石英粉，同时向炉内部导入氯化氢和氯的混合气体等，与石英粉接触，将石英粉中所含的碱金属等制成氯化物，挥发除去的方法(日本特开平08-290911号公报)。还已知有通过含氯的处理气体使二氧化硅颗粒流动，由此除去金属杂质的方法(日本特公表2002-544102号公报)。

另一方面，已知有通过向固体的石英玻璃中施加直流高电压，使玻璃内部的碱金属等转移到阴极一侧，用以纯化石英玻璃的电解纯化方法(日本特公平07-14822号公报)。还已知有将电解纯化应用于石英玻璃坩埚的例子(日本特开2004-307222号公报)，还已知有向石英粉中施加高电压，使所吸附的杂质颗粒带电，对其进行静电筛选的石英粉的纯化方法(日本特开2003-119018号公报)。

通过纯化用气体使二氧化硅颗粒形成流动状态、除去杂质的以往的上述方法中，大多使用氯系气体作为纯化用气体，也已知有使用添加了氢的气体的例子。但是，使用氢气有在短时间内即可纯化的优点，但是有爆炸性反应的危险，因此必须严格控制气体浓度，其应用困难。另外，为提高反应速度而必须使处理温度达到1300℃左右以上的高温。

另一方面，关于使用氯气或氯化氢气作为纯化用气体的方法，其杂质的除去效果高，但是其纯化需要较长时间，要想在具实用性的时间内纯化，如果纯化温度未达到1250℃以上的高温就无法获得高的纯化效率，生产性上有问题。另外，以往的电解纯化方法也需要较长处理时间。

发明内容

本发明是要解决二氧化硅颗粒以往的纯化方法中的上述问题，其目的在于提供可短时间内除去二氧化硅颗粒中的离子性高的杂质、纯化效果优异的处理方法和纯化设备以及纯化二氧化硅颗粒。

本发明涉及含有以下构成的二氧化硅颗粒的纯化方法和纯化设备以及纯化二氧化硅颗粒。

(1)二氧化硅颗粒的纯化方法，该纯化方法的特征在于：使二氧化硅颗粒形成流动状态，在高温下使纯化用气体与流动状态的二氧化硅颗粒接触，除去二氧化硅颗粒的杂质成分，其中，使流动状态的二氧化硅颗粒位于磁场区域内，通过由于二氧化硅颗粒的移动而产生的电场，形成对二氧化硅颗粒施加电压的状态，与纯化用气体接触。

(2)上述(1)的纯化方法，其中，使流动状态的二氧化硅颗粒位于10高斯以上的磁场区域内，在1000℃以上的温度下与纯化用气体接触。

(3)上述(1)或(2)的二氧化硅颗粒的纯化方法，其中纯化用气体包含卤素气体和卤化氢气体中的任一类或两类。

(4)上述(1)～(3)中任一项的二氧化硅颗粒的纯化方法，其中纯化温度为1000℃以上～1300℃以下。

(5)二氧化硅颗粒的纯化设备，其特征在于：该纯化设备具有以下构成：使二氧化硅颗粒流动的流动槽或接受流动的二氧化硅颗粒的反应容器；向流动槽或反应容器中导入纯化用气体的装置；将流动槽内或反应容器内加热至1000℃～1300℃的装置；在流动槽内或反应容器内形成10高斯以上的磁场的装置。

(6)上述(5)的二氧化硅颗粒的纯化设备，其中，流动槽兼用作反应容器，纵型筒状的流动槽下部被具有多个透气孔的底板分隔，在该底板上侧填充二氧化硅颗粒，在底板下侧设置纯化用气体的导入口，在该流动槽的上部设置气体的排气口；在流动槽的外周设置加热器，再在该加热器外侧设置磁场形成装置；由流动槽下部导入的纯化用气体使槽内的二氧化硅颗粒形成流动状态；进一步通过上述加热器使流动槽内加热至1000℃以上～1300℃以下；通过上述磁场形成装置形成10高斯以上的磁场。

(7)纯化二氧化硅颗粒，其特征在于：通过上述(1)～(4)中任一项的纯化方法除去杂质成分。

本发明的纯化方法是在1000℃以上的温度下使流动状态的二氧化硅颗粒位于10高斯以上的磁场区域内，通过由二氧化硅颗粒的移动而产生的电场，形成对二氧化硅颗粒施加电压的状态，与纯化用气体接触，因此，二氧化硅颗粒中所含的离子性杂质成分受电场的诱导，扩散于颗粒表面，容易与纯化用气体反应，因此，可以在短时间内获得高的纯化效果。该杂质成分通过与纯化用气体反应，以气体状的化合物气体的形式排出到系统外。

本发明的处理方法可以在比以往的气体纯化方法的平均处理温度低的1000℃～1300℃的温度下获得高的纯化效果，因此，有能量成本低的优点。如果使用卤素气体作为纯化用气体，则没有爆炸的危险性，可安全作业。

附图简述

图1是表示本发明的纯化设备的概念图。

实施发明的最佳方式

以下与实施例一起具体说明本发明。

本发明的二氧化硅颗粒的纯化方法，该纯化方法的特征在于：使二氧化硅颗粒形成流动状态，在高温下使纯化用气体与流动状态的二氧化硅颗粒接触，除去二氧化硅颗粒的杂质成分；使流动状态的二氧化硅颗粒位于磁场区域内，通过由于二氧化硅颗粒的移动而产生的电场，形成对二氧化硅颗粒施加电压的状态，与纯化用气体接触。

本发明的二氧化硅颗粒的纯化方法，优选使二氧化硅颗粒形成流动状态，在高温下使纯化用气体与流动状态的二氧化硅颗粒接触，除去二氧化硅颗粒的杂质成分，其中，使流动状态的二氧化硅颗粒位于10高斯以上的磁场区域内，在1000℃以上的温度下与纯化用气体接触。

本发明的纯化方法中，使流动状态的二氧化硅颗粒位于磁场区域内。位于磁场区域内的流动状态的二氧化硅颗粒由于颗粒的移动而根据弗莱明定律产生电场，形成向二氧化硅颗粒施加电压的状态，二氧化硅颗粒内部的离子性杂质成分被电场诱导，扩散在颗粒表面。因此容易与纯化用气体反应，可在短时间内获得高的纯化效果。

为了使二氧化硅颗粒在磁场区域内可自由移动，要使磁场区域内的二氧化硅颗粒保持流动状态。流动状态并不限于产生对流，只要是二氧化硅颗粒可自由移动即可，因此，本发明中是指包含浮游状态等的流动状态。

上述磁场的强度为10高斯以上较为适当。磁场的强度比此低，则促进杂质成分扩散的效果低，纯化效果无法充分提高。优选磁场的强度在10高斯以上～150高斯以下较为适当。在该范围内可获得良好的纯化效果。

流动的二氧化硅颗粒与纯化用气体接触的反应温度优选1000℃以上～1300℃。反应温度比1000℃低，则二氧化硅颗粒中所含的杂质成分无法显示离子性动态，难以提高向颗粒表面的扩散速度。反应温度比1300℃高，则由于高温而使成本增高。本发明的纯化方法可以在1200℃左右的温度下获得优异的纯化效果。

为了使二氧化硅颗粒中所含的杂质成分扩散移动至颗粒表面，必须使二氧化硅颗粒形成流动状态，使其位于磁场内。使二氧化硅颗粒流动并位于磁场内，例如可以向具备磁场形成装置的流动槽中填充二氧化硅颗粒，向槽内吹入空气或惰性气体等，使二氧化硅颗粒流动，在流动槽内形成磁场。或者是使用具备磁场形成装置的旋流状容器，将二氧化硅颗粒与空气或惰性气体等一起吹入到容器内，形成流动状态，形成磁场。为了使二氧化硅颗粒流动，还可以使用纯化用气体。

纯化用气体用于与颗粒表面的杂质成分反应，使其气化。具体来说，例如可使用氯气等卤素气体、或者氯化氢气等卤化氢气体。向磁场内的流动的二氧化硅颗粒中导入纯化用气体，或者在磁场内，通过纯化用气体使二氧化硅颗粒流动，由此可以促进二氧化硅颗粒中所含的杂质成分的扩散，移动至颗粒表面，使杂质成分在颗粒表面与纯化用气体接触并反应，形成氯化物气体等并除去。

根据本发明的纯化方法，以短时间的纯化即可以获得杂质成分大幅减少的纯化二氧化硅颗粒。杂质成分中，碱性杂质成分在高温下显示离子性动态的程度强，其纯化效果最高。特别是离子性高的Li等的除去显示优异的效果。

为了实施本发明的纯化方法，例如可以使用纯化设备，该纯化设备具有以下构成：使二氧化硅颗粒流动的流动槽，或者接受流动的二氧化硅颗粒的反应容器；向流动槽或反应容器内导入纯化用气体的装置；将流动槽内或反应容器内加热至1000℃～1300℃的装置；在流动槽内或反应容器内形成10高斯以上的磁场的装置。

本发明的实施设备可以是流动槽兼用作反应容器。例如，使用纵型筒状流动槽，将其下部用具有多个透气孔的底板分隔，在该底板上侧填充二氧化硅颗粒，在底板下侧设置纯化用气体的导入口，在该流动槽的上部设置气体的排气口。另一方面，在流动槽的外周设置加热器，再在该加热器的外侧设置磁场形成装置。由流动槽下部导入的纯化用气体使槽内的二氧化硅颗粒形成流动状态，并且通过上述加热器将流动槽内加热至1000℃以上～1300℃以下，通过上述磁场形成装置在包括槽内的区域形成10高斯以上的磁场，使纯化用气体与二氧化硅颗粒的杂质成分反应，使杂质成分气化。反应生成的气体可以与未反应的纯化用气体一起由流动槽排出。

应说明的是，导入纯化用气体之前，可以经由纯化用气体导入口，与空气一起预先向流动槽内导入二氧化硅颗粒，使二氧化硅颗粒流动，然后向槽内导入纯化用气体代替空气，或者与空气一起向槽内导入纯化用气体。

处理条件可以是例如在1000℃～1300℃的温度下、以纯化用气体浓度1％～15％、使纯化用气体与二氧化硅颗粒接触60分钟～90分钟。

使用旋流状容器代替上述流动槽，使容器内的温度为1000℃～1300℃，同时在包括容器内的区域形成10高斯以上的磁场，与空气一起向该容器内导入二氧化硅粉末，使二氧化硅颗粒为流动状态，向其中吹入纯化用气体，与二氧化硅颗粒的杂质成分反应。反应生成的气体与未反应的纯化用气体一起由反应容器排出。

实施本发明的纯化方法的设备例子如图1所示。如图所示，纯化设备10具有纵型筒状的流动槽11、包围该流动槽11的加热器12、该加热器12的外侧设置有包围流动槽和加热器的一对磁石13。该流动槽11由石英管形成，底部设有纯化用气体的导入口，上部设有排气口。并且，流动槽11的内部设有底板14，该底板14上设有很多透气孔。

由流动槽11的底部导入的纯化用气体经由底板14的透气孔向流动槽11的上部流动，使堆积在底板14上侧的二氧化硅颗粒15形成流动状态，气体由流动槽上部的排气口排出到外部。另一方面，通过加热器12，流动槽内被加热至1200℃左右，再通过磁石13在槽内形成10高斯以上的磁场。

由于二氧化硅颗粒在10高斯以上的磁场中移动，因此由于纯化用气体而保持流动状态的二氧化硅颗粒产生电场，形成向二氧化硅颗粒施加电压的状态，二氧化硅颗粒内部的离子性杂质成分例如锂离子等由于该电场而被诱导到颗粒表面，在1200℃左右的高温下与纯化用气体接触并反应，形成氯化物，气化，从二氧化硅颗粒中除去。

[实施例]

将20kg平均粒径为220μm的二氧化硅颗粒加入到内径φ250mm的石英反应容器中，使用空气作为载气，形成流动层，同时在流动区域形成磁场，在高温下导入纯化用气体，对二氧化硅颗粒进行纯化处理(实施例1～8)。应说明的是，不在流动区域形成磁场，导入纯化用气体进行处理(比较例1～3)。这些处理效果在表1中对比表示。本发明的实施例1～8中，在1小时的处理时间内，碱金属含量均为0.15ppm以下，部分为0.05ppm以下。特别是Li被大幅除去。而比较例1～3的碱金属含量大部分为0.3ppm以上，特别是Li几乎未被除去。

[表1]

产业实用性

本发明的处理方法可以在比以往的气体纯化方法的平均处理温度低的1000℃～1300℃的温度下获得高的纯化效果，因此，具有能量成体低的优点。另外，使用卤素气体作为纯化用气体，没有爆炸的危险性，可安全作业。