JP4044762B2 - 高純度・超微粉SiOx粉及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の層間絶縁膜、ガスバリア膜、光学部品の保護膜等に用いる高純度・超微粉SiOx粉及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
SiOx粉はその高い蒸気圧を利用し、食品包装用フィルムや光学部品にSiOx膜の蒸着膜を形成させるための蒸着原料として用いられている。たとえば、水蒸気、酸素ガスの透過を防止して食品の劣化を防ぐため、食品包装用フィルムにSiOx膜からなるガスバリア膜を形成する原料に用いられている。
【0003】
従来、SiOx粉の製造方法としては、シリカと金属シリコン及び/又は炭素とを含む混合原料を、少なくとも8×104 Pa以上の非窒化性雰囲気下で高温処理してSiO含有ガスを生成させ、それを1000℃/秒以下の冷却速度で冷却する方法(特開2001−158613号公報)、SiO2 粉末を不完全燃焼炎中で加熱してSi蒸気を発生させ、それを亜酸化する方法(特開平5−213606号公報)等、が知られている。
【0004】
このような従来法でSiOx粉の高純度化を行うには、原料の調製から製品の捕集までの間に不純物が混入しないようなにしなければならない。しかしながら、原料の高純度化には精製等の特殊処理が必要となる問題がある。また、原料を加熱してSiO蒸気又はSi蒸気を発生させるには、1500〜2000℃程度での高温操作が必要となり、高純度原料を用いても、炉材等からNa,Al,Mg,Ca,Fe等の不純物が混入し、高純度SiOx粉を製造することが困難である。本発明でいう「高純度」とは、Na,Fe,Al,Clの合計量が10ppm以下のことである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑み、高純度・超微粉SiOx粉を提供することを目的とする。本発明の目的は、モノシランガスを特定条件下で酸化反応させることによって達成することができる。
【0006】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、比表面積が10m2 /g以上、Na,Fe,Al,Clの合計量が10ppm以下であることを特徴とする高純度・超微粉SiOx(x=0.6〜1.8)粉である。また、本発明は、モノシランガスとモノシランガスの酸化性ガスとを、圧力10〜1000kPaの非酸化ガス雰囲気下、温度500〜1000℃で反応させることを特徴とする上記の高純度・超微粉SiOx粉の製造方法である。この場合において、非酸化性ガス量は、モノシランガスとモノシランの酸化性ガスの酸化反応に与る酸素量との合計量よりも多くすることが好ましい。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明すると、本発明は、原料にモノシランガスを用いることによって、低温反応が可能となるので、従来法におけるような炉材等からの不純物混入を極限まで低下させることができ、その結果、生成するSiOx粉の高純度化と超微粉化が可能となるものである。
【0008】
本発明において、モノシラン(SiH4 )ガスは市販品を用いことができる。モノシランガスは、塩素を構成成分としていない点でトリクロルシラン等のシラン系ガスよりも優れている。また、モノシランの酸化性ガス(以下、単に「酸化性ガス」という。)としては、酸素ガス、空気の他に、モノシランに対して酸化性を有する例えばNO2、CO2、H2O等のガスを用いることができる。これらの酸化性ガスには、不純物が極限まで除去されていることが好ましい。
【0009】
モノシランガスと酸化性ガスの反応は、圧力10〜1000kPaの非酸化性ガス雰囲気下、温度500〜1000℃で行わせる。圧力が10kPa未満であると、生成したSiOx膜が反応容器壁面に付着成長し、排出部を閉塞するので長期操業が容易でなくなる。また、1000kPaをこえると、反応装置の耐圧を高めるのに大がかりな設備が必要となるうえ、不純物が増加する傾向となる。好ましい圧力は、50〜300kPaである。
【0010】
一方、反応場の温度が500℃未満であるとSiO2 が主として生成し、また1000℃をこえるとSiが生成すると共に、炉材等からの不純物がより多く混入する恐れが高くなり、いずれの場合も高純度・超微粉SiOx粉の製造が困難となる。好ましい反応温度は550〜950℃、特に650〜850℃である。反応時間(両ガスの反応容器内での滞留時間)は、0.2〜1秒であることが好ましい。
【0011】
本発明において、モノシランガスと酸化性ガスの反応は、非酸化性ガスの存在下で行われる。これによって、生成したSiOx粉の容器壁への付着がより少なくなる。非酸化ガスとしては、アルゴン、ヘリウムのような不活性ガスが最適であるが、反応を妨げない範囲で、H2、N2、NH3、CO等を用いることもできる。酸化性ガスとして空気を用いた場合、非酸化性ガスと酸化性ガスの両方を用いたことになる。非酸化性ガスの量は、モノシランガス量と酸化性ガスの酸化反応に与る酸素量との合計量よりも多くすることが好ましく、モル比で2倍以上、特に10倍以上であることが好ましい。ここで、酸化性ガスの酸化反応に与る酸素量とは、たとえば空気の場合には、それに含まれる酸素量であり、NO2とCO2の場合は、そこから遊離される酸素原子一個分の酸素量であり、またH2Oの場合は、それを構成する酸素原子分の酸素量である。
【0012】
反応容器としては、石英ガラス等の高純度材料で製作されたものが使用される。その形状は、底付きのコップ形状とすることもできるが、管状が好ましくその向きは縦型設置、横型設置のいずれであっても良い。反応容器の加熱方式については、抵抗加熱発熱体、高周波加熱、赤外輻射加熱等の手段を用いることができる。
【0013】
反応容器内で生成したSiOx粉は、非酸化性ガス及び副成ガスと共に系外に排出され、バッグフィルター等の粉末回収装置から回収される。
【0014】
本発明の製造方法においては、モノシランガスと酸化性ガスの比率をかえることによって、x値の異なるSiOx粉が製造される。本発明のSiOx粉のx値が0.6〜1.8以外であると、蒸着速度が低下するので蒸着温度をあげる必要があり、望ましくはない。好ましいx値は0.9〜1.6である。x値は、SiOx粉中のSiモル量をJIS−R6124(炭化けい素質研削材の化学分析)に準じて測定し、また酸素モル量をO/N同時分析装置(例えばLECO社「TC−136」)を用いて測定し、それらのモル比から算出することができる。
【0015】
本発明の製造方法によって、比表面積が10m2 /g以上、Na,Fe,Al,Clの合計量が10ppm以下である高純度・超微粉SiOx(x=0.6〜1.8)粉が製造される。
【0016】
本発明の高純度・超微粉SiOx粉において、Na,Fe,Al,Clの合計量が10ppmをこえると、層間絶縁膜や、リチウムイオン電池の負極活物質等に用いると絶縁不良、腐食の原因となる。好ましくは5ppm以下である。これらの不純物は、ICP等の発光分析法によって測定することができる。また、比表面積が10m2 /g未満であると蒸着開始温度が低くなる。好ましい比表面積は50m2 /g以上である。
【0017】
本発明の高純度・超微粉SiOx粉の用途は、半導体装置の層間絶縁膜、太陽電池のガスバリア膜、食品包装用フィルムのガスバリア膜を形成させるための蒸着原料等である。
【0018】
【実施例】
以下、実施例、比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【0019】
実施例1〜13 比較例1〜4
モノシランガス、アルゴンガス、酸素ガス(いずれも、純度≧99.999質量%)を用意し、それぞれのガスを質量流量計を通じて石英ガラス製反応容器(内径40mm×長さ800mm)に導入した。モノシランガスは、アルゴンガスと混合し、石英ガラス製のモノシランガス導入管4(内径5mm)を通して反応容器1の低温部に吹き出すようにし供給し、また酸素ガスは石英ガラス製の酸化性ガス導入管3(内径5mm)を通して反応容器中央部付近の高温部に供給し、反応容器中央部で反応させるようにした(図1参照)。
【0020】
反応容器1は、その外周を巻回させたニクロム線ヒーター2に通電を行い、所定の反応温度(表1参照)に保たれるように加熱されている。温度調整は、反応容器中央部中心に設置された熱電対で測温し、ニクロム線ヒーターの電力を制御して行った。
【0021】
反応容器内の圧力は、多くの実験では大気圧下とほぼ同等の100±10kPaで実施した。反応容器内の大気圧未満の減圧は、排出側に設けた真空ポンプで減圧しつつバルブの開度を調節することによって行い、大気圧をこえる加圧は、反応容器の外側にステンレス製容器をかぶせ2重構造にして行った。この際、ニクロム線ヒーターとステンレスの間には繊維質断熱材を埋め込むと共に、反応容器とステンレス容器の間には、反応容器内の圧力と同等になるようにアルゴンガスを導入し、反応容器の内外でのガス圧を均衡させた。
【0022】
生成したSiOx粉は、副生ガス、アルゴンガスと共に、排出管5から排出され、途中に設けられたバグフィルターで回収された。回収粉末について、SiOx粉のx値、比表面積、不純物を測定した。それらの結果を表1に示す。
【0023】
反応容器内の圧力を5kPaとした比較例3では、少量の生成物しか回収できず、大部分が反応容器の排出部に付着していた。また、回収物の色調も実施例で得られた薄茶色ないしは茶褐色に対し白いものであった。一方、反応容器内の圧力を1200kPaに高めた比較例4では、比表面積、純度ともに目的とするものが得られなかった。
【0024】
【表1】
【0025】
表1から、本発明の製造方法によって初めて本発明の高純度・超微粉SiOx(x=0.6〜1.8)が製造されることが分かる。
【0026】
【発明の効果】
本発明によれば、比表面積が10m2 /g以上、Na,Fe,Al,Clの合計量が10ppm以下の高純度・超微粉SiOx(x=0.6〜1.8)粉が提供される。本発明の高純度・超微粉SiOx粉は、半導体の層間絶縁膜、プラスチック液晶パネル、アモルファス太陽電池のガスバリア膜、食品包装用フィルムのガスバリア膜等を製造する際の蒸着材料や、リチウムイオン電池の負極活物質として用いることができる。本発明の製造方法によれば、本発明の高純度・超微粉SiOx粉を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に用いた反応装置の概略図
【符号の説明】
1 反応容器
2 ニクロム線ヒーター
3 酸化性ガス導入管
4 モノシランガス導入管
5 排出管
Claims (2)
- 比表面積が10m2 /g以上、Na,Fe,Al,Clの合計量が10ppm以下であることを特徴とする高純度・超微粉SiOx(x=0.6〜1.8)粉。
- モノシランガスとモノシランガスの酸化性ガスとを、圧力10〜1000kPaの非酸化ガス雰囲気下、温度500〜1000℃で反応させることを特徴とする請求項1記載の高純度・超微粉SiOx粉の製造方法。
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