JP2001180955A - 不透明石英ガラスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】微細な気泡が均一に分散し熱線遮断性に優れ、
機械的強度が高く、かつ高純度の不透明石英ガラスの製
造方法を提供すること。 【解決手段】窒素元素又は炭素元素を含有する気泡材と
石英粉とを混合し、加熱溶融することを特徴とする不透
明石英ガラスの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、不透明石英ガラスの製
造方法、さらに詳しくは微細な気泡が均一に分散し、熱
線遮断性に優れた高純度の不透明石英ガラスの製造方法
に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、不透明石英ガラスは、その不透明性
を利用した熱線遮断材料として、例えば半導体熱処理用
炉芯管などのフランジ材、または半導体熱処理治具の把
持部形成材料として用いられてきた。前記不透明石英ガ
ラスの製造方法としては、耐熱性型内に充填したガラス
原料を非酸化性雰囲気下で特定の温度条件で溶融する方
法（特開平７−６９６７４号公報）、石英粉もしくはガ
ラス粉にカーボン粉や窒化珪素などを添加混合し、加熱
溶融する方法（特開平４−６５３２８号公報）、または
アンモニア化石英ガラス原料を加熱溶融する方法（特開
平５−３４５６３６号公報）などが挙げられる。しか
し、前記非酸化雰囲気中で加熱溶融する方法で得た不透
明石英ガラスは赤外域の遮光能力が不十分でフィン保温
筒など赤外線の遮断を高く要求する部材の材料としては
満足できるものでなく、また、カーボン粉や窒化珪素な
どは、石英粉並みの高純度のものが少なく、かつ高価で
あり、また添加混合する場合も、粒径が小さい（０〜２
０μｍ）ものしかないため均一混合が難しく、加熱溶融
する方法で得た不透明石英ガラスは、固体粒子の混合や
固相反応・分解反応などが均一に行われず、気泡の分散
が片寄る欠点があった。さらに、アンモニア化石英ガラ
ス原料を加熱溶融する方法で得た不透明石英ガラスは、
大きな気泡を有し機械的強度が不足し半導体治具の材料
として使用できないなどの問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】こうした現状に鑑み、
本発明者等は、鋭意研究を続けた結果、揮発性珪素化合
物を火炎加水分解して得た石英ガラス微粒子を堆積して
得た多孔質石英ガラス体に化学蒸着法（Ｖａｐｏｒ‐Ｐ
ｈａｓｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）で炭
素元素や窒素元素をドープして気泡材を形成し、それを
石英粉に混合したのち、加熱溶融することで熱線遮断性
に優れ、機械的強度が高く、かつ高純度の不透明石英ガ
ラスが製造できることを見出して、本発明を完成したも
のである。すなわち、

【０００４】本発明は、微細な気泡が均一に分散し熱線
遮断性に優れ、機械的強度が高く、かつ高純度の不透明
石英ガラスの製造方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、窒素元素又は炭素元素を含有する気泡材と石英粉
とを混合し、加熱溶融することを特徴とする不透明石英
ガラスの製造方法に係る。

【０００６】上記窒素元素又は炭素元素を含有する気泡
材とは、精製した高純度のＳｉ（ＣＨ₃）Ｃｌ₃、ＳｉＣ
ｌ₄、Ｓｉ（ＣＨ₃）Ｈ、Ｓｉ（ＣＨ₃）₄などの揮発性珪
素化合物を酸水素火炎中で加水分解し、石英ガラス微粒
子を形成し、堆積したのち窒素元素又は炭素元素を化学
蒸着法（Ｖａｐｏｒ‐Ｐｈａｓｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ Ｍｅｔｈｏｄ）でドープし、粉砕して得た粉体をい
う。前記窒素元素のドープには、多孔質石英ガラス堆積
物をアンモニア雰囲気中で加熱処理するのがよく、ま
た、炭素元素をドープするには、Ｓｉ（ＣＨ₃）Ｃｌ₃、
Ｓｉ（ＣＨ₃）Ｈ、Ｓｉ（ＣＨ₃）₄などの揮発性有機珪
素化合物の雰囲気中で加熱処理するのがよい。このアン
モニア雰囲気及び揮発性有機珪素化合物雰囲気は、窒素
などの不活性ガスを０．５〜２．０容量％の範囲で混合
するのがよい。ドープされた窒素元素又は炭素元素は、
単体或はＳｉＣ又はＳｉ₃Ｎ₄として存在し、加熱溶融で
ＳｉＯ₂と反応し、ＣＯ₂、ＣＯ、Ｎ₂、ＮＯ、ＮＯ₂と、
ガス化して気泡を形成し、不透明ガラスの不透明度を増
大する。

【０００７】また、石英粉としては、結晶質石英粉およ
び非晶質粉が使用されるが、特に超高純度の水晶粉また
は高純度の水晶粉を米国特許第４，９８３，３７０号明
細書に記載の純化処理した水晶粉が耐熱性の点からよ
い。非晶質粉としては、アルコキシシランをアルコール
溶媒中で酸及び／又は塩基性触媒の存在下で加水分解
し、それを加温条件下でゲル化したのち、乾燥し、焼成
ガラス化して得た石英ガラス粉末、多孔質石英ガラス体
を粉砕して得た石英ガラス粉末などが挙げられる。前記
結晶質石英粉および非晶質粉の粒度は３５０μｍ〜５０
μｍの範囲に調整されるのがよい。

【０００８】本発明の製造方法にあっては、上記気泡材
を石英粉に対して０．５〜２０重量％の割合で混合する
が、これにより原料中の窒素元素又は炭素元素の含有量
は５〜３０，０００ｐｐｍとなる。該原料を加熱溶融す
ることで、得られた不透明石英ガラス中の窒素元素又は
炭素元素の含有量は５〜１０，０００ｐｐｍとなる。そ
して、気泡直径は１０〜１８０μｍ、密度は２．０ｇ／
ｃｍ³以上と、機械的強度が高い上に、気泡が微細で、
かつ均一であることから装置との接着の時の密着性や熱
線遮断性が良好となる。気泡材の混合量が０．５重量％
未満では気泡の形成が十分でなく熱線の遮断性に欠け、
また２０重量％を超えると、高い反射率が得られるが機
械的強度が落ち、高温粘性も低下し、半導体治具に使用
できない。

【０００９】

【発明の実施の態様】次に具体例に基づいて本発明を詳
細に説明するが、本発明はそれにより限定されるもので
はない。

【００１０】

【実施例】実施例１ 四塩化珪素を酸水素火炎中で加水分解反応させ、石英ガ
ラス微粒子を形成し、堆積して多孔質石英ガラス体を製
造した。該多孔質石英ガラス体を窒素とアンモニアの比
率が１：１の混合ガスがフローする雰囲気処理炉に入
れ、９００℃に昇温し５時間に保持して窒素含有多孔質
石英ガラス体を得た。この多孔質石英ガラス体中の窒素
はＮ₂、ＮＨ₄、Ｓｉ₃Ｎ₄として２０，０００ｐｐｍ含有
されていた。この窒素含有多孔質石英ガラス体を粒度２
５０μｍ以下に粉砕して気泡材を製造した。この気泡材
の１．０ｋｇを予め用意した粒度５００μｍ以下の水晶
粉２０ｋｇとボールミルを用いて混合し、内径２３０ｍ
ｍ×高さ４００ｍｍのカーボン製鋳型中に充填した。カ
ーボン製鋳型内を１×１０^-2Ｔｏｒｒまで減圧し混合粉
体に含まれる気体を除去し、Ｎ₂に置換したのち、１気
圧に保って加熱溶融した。加熱温度は室温から１８００
℃までは１０時間かけて昇温し、同温度に５時間保持
し、その後１０時間かけて室温まで冷却した。得られた
不透明石英ガラス体は、外径２３０ｍｍ、高さ１２０ｍ
ｍであった。この不透明石英ガラス体を下面から６０ｍ
ｍの高さで水平にカットし、厚さ４ｍｍの板状サンプル
を切り出し、表面をファイアポリシュしたのち、中心か
ら、外周に向って２ｍｍ毎に、赤外線２μｍの透過率を
測定した。赤外線透過率は１〜４％の範囲にあった。ま
た、前記サンプルの比重を測定したところ２．０５であ
り、気泡径は１０〜１８０μｍの範囲にあった。さら
に、気泡密度は２００，０００個／ｃｍ³、含有窒素元
素濃度は２０００ｐｐｍであった。前記比重は、アルキ
メデス法により測定した値、気泡径及び気泡密度はＤＩ
Ｎ５８９２７に準じて測定した値、窒素元素濃度は、不
活性ガス融解伝導度法により測定した値である。

【００１１】実施例２ 実施例１において、ドープする雰囲気ガスをＮ₂：Ｓｉ
Ｃｌ₃ＣＨ₃＝１：１とした以外、実施例１と同様にして
炭素元素含有の気泡材を得た。得られた気泡材中の炭素
元素濃度は２０，０００ｐｐｍであった。この気泡材を
石英粉と混合し、実施例１と同様にして不透明石英ガラ
ス体を製造したのち、サンプルを切り出して測定したと
ころ、赤外線透過率は１〜４％、比重は２．１０、気泡
は直径１０〜１８０μｍであり、また、気泡密度は２０
０，０００個／ｃｍ³、含有炭素元素濃度は２０００ｐ
ｐｍであった。

【００１２】比較例１ 水晶粉を、実施例１と同様に内径２３０ｍｍ×高さ４０
０ｍｍのカーボン製鋳型中に充填し、１×１０^-2Ｔｏｒ
ｒまで減圧して含有する気体を除去したのち、Ｎ₂に置
換し、１８００℃までは１０時間かけて昇温し、同温度
に５時間保持したのち、１０時間かけて室温まで冷却し
て不透明石英ガラス体を製造した。得られた不透明石英
ガラス体からサンプルを切り出し、実施例１と同様にし
て赤外線透過率、比重、気泡直径、気泡密度を測定した
ところ、赤外線透過率は、４〜８％、比重は２．１０、
気泡直径は１０〜１３０μｍ、気泡密度は４０，０００
個／ｃｍ³であった。

【００１３】

【発明の効果】本発明の製造方法では、微細な気泡が均
一に分散し熱線遮断性に優れ、かつ機械的強度にも優れ
た高純度の不透明石英ガラスが製造できる。このように
熱線遮断性に優れている上に、機械的強度も高いところ
から、半導体熱処理用炉芯管のフランジ材や半導体熱処
理治具の把持材として有用に利用できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊地 繁夫 福島県郡山市田村町金屋字川久保88番地 信越石英株式会社石英技術研究所内 (72)発明者 佐藤 龍弘 福島県郡山市田村町金屋字川久保88番地 信越石英株式会社石英技術研究所内 Ｆターム(参考） 4G014 AH02 AH08 4G062 AA12 BB02 CC04 MM23 NN30 NN33

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒素元素又は炭素元素を含有する気泡材と
   石英粉とを混合し、加熱溶融することを特徴とする不透
   明石英ガラスの製造方法。
2. 【請求項２】石英粉が天然結晶質石英粉であることを特
   徴とする請求項１記載の不透明石英ガラスの製造方法。
3. 【請求項３】窒素元素又は炭素元素を含有する気泡材が
   石英粉に対して０．５〜２０重量％の範囲で混合される
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の不透明石英ガラ
   スの製造方法。