JP2009084088A - 石英ガラス管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱環境下で長時間の使用が可能で、製造が容易で安価な石英ガラス管を製造することができる石英ガラスの製造方法を提供する。
【解決手段】本石英ガラスの製造方法は、石英ガラス管の本体をなし、閉塞端を備える合成原料石英ガラス管を用意する工程と、両端が開口された外層用天然原料電気溶融ガラス管を用意する工程と、合成原料石英ガラス管の閉塞端側に外層用天然原料電気溶融ガラス管の一端側を外嵌する工程と、外層用天然原料電気溶融ガラス管の先端部を合成原料石英ガラス管に気密的に加熱、溶着し、外層用天然原料電気溶融ガラス管の他端側開口を真空ポンプに連通する閉塞蓋で閉塞して、外層用天然原料電気溶融ガラス管に気密空間を形成する工程と、空間を減圧しながら、外層用天然原料電気溶融ガラス管の外嵌部の一部あるいは全部を全周に渡り加熱して合成原料石英ガラス管に溶着する工程とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は石英ガラス管及びその製造方法に係り、特に挫屈により変形する合成原料石英ガラスの下端部近傍に天然石英ガラス管を外嵌させて２重層にする石英ガラス管及びその製造方法に関する。

合成原料石英ガラスは、耐熱性、耐熱衝撃性、耐薬品性に優れ、且つ機械的強度も高いことから、半導体製造工程において多く用いられている。

例えば、合成原料石英ガラス製炉芯管は下記に述べる方法で使用される。

図７に示すように、半導体ウェーハＷを多数ウェーハボート２２に搭載し、このウェーハボート２２を、断熱台２３を介して炉支持台２４に載置し、さらに、炉支持台２４に載置されたウェーハボート２２に合成原料石英均熱管２５を外挿し、合成原料石英炉芯管２１を被せ、ウェーハボート２２を合成原料石英炉芯管２１に収納する。この状態で炉支持台２４を上昇させ、合成原料石英炉芯管２１及びウェーハボート２２を熱処理炉２６に収納する。しかる後、ヒーター２７により炉内を加熱し、合成原料石英炉芯管２１及び合成原料石英炉芯管２１内の半導体ウェーハＷを加熱する。この状態で合成原料石英炉芯管２１の外部から処理ガスＧを供給し、半導体ウェーハＷの熱処理を行う。

しかしながら、この半導体ウェーハＷの熱処理工程において、合成原料石英炉芯管２１はヒーター２７からの加熱と合成原料石英炉芯管２１の自重のため、長時間の使用により、図８に示すように、中間部と下端部間、例えば高さ１１００ｍｍの合成原料石英炉芯管にあっては、下端から２５０ｍｍ〜６００ｍｍの間に挫屈による変形が発生する。この挫屈により、炉芯管の全長が短くなるため、ウェーハボート２２が合成原料石英炉芯管２１の天井部に接触し、発塵するため、合成原料石英炉芯管２１の長期使用が困難である。

なお、Ａｌの含有量が増加すると石英ガラスの粘性が増加し、高温強度が向上するため、合成原料石英炉芯管の強度を増すために、内層側のＡｌ含有量を所定量に設定し、外層をＡｌ添加合成原料石英ガラスで形成する２重層の石英ガラス炉芯管が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、特許文献１の石英ガラス炉芯管は内層側のＡｌ含有量の制御、内層と外層の厚みの制御など製造が複雑になり高価である。また、同一肉厚での内層と外層の２重層であるので十分な変形防止が期待できない。

また、ＯＨ基の含有量が増加すると石英ガラスの粘性が低下し、高温強度が低下するため、合成原料石英炉芯管の強度を増すために、内層側のＯＨ基含有量を所定量に設定し、外層を天然原料電気溶融石英ガラスで形成する２重層の石英ガラス炉芯管が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、特許文献２の石英ガラス炉芯管は内層側のＯＨ基含有量の抑制、内層と外層の厚みの制御など製造が複雑になり高価である。また、同一肉厚での内層と外層の２重層であるので、十分な変形防止が期待できない。
特開平７−２６７６６１号公報 特開平６−１９１８７３号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、加熱環境下で長時間の使用が可能で、製造が容易で安価な石英ガラス管を提供することを目的とする。

また、加熱環境下で長時間の使用が可能で、製造が容易で安価な石英ガラス管を製造することができる石英ガラスの製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る石英ガラス管は、立てた状態で加熱して使用され、加熱されると挫屈により変形する合成原料石英ガラス管の中間部から下端部にかけて天然原料電気溶融石英ガラス管が外嵌されていることを特徴とする。

また、本発明に係る石英ガラス管の製造方法は、石英ガラス管の本体をなし、閉塞端を備える合成原料石英ガラス管を用意する工程と、両端が開口された外層用天然原料電気溶融ガラス管を用意する工程と、前記合成原料石英ガラス管の閉塞端側に前記外層用天然原料電気溶融ガラス管の一端側を外嵌する工程と、前記外層用天然原料電気溶融ガラス管の先端部を前記合成原料石英ガラス管に気密的に加熱、溶着し、前記外層用天然原料電気溶融ガラス管の他端側開口を真空ポンプに連通する閉塞蓋で閉塞して、前記外層用天然原料電気溶融ガラス管に気密空間を形成する工程と、前記空間を減圧しながら、前記外層用天然原料電気溶融ガラス管の外嵌部の一部あるいは全部を全周に渡り加熱して前記合成原料石英ガラス管に溶着する工程とを備えることを特徴とする。

本発明に係る石英ガラス管によれば、加熱環境下で長時間の使用が可能で、製造が容易で安価な石英ガラス管を提供することができる。

本発明に係る石英ガラス管の製造方法によれば、加熱環境下で長時間の使用が可能で、製造が容易で安価な石英ガラス管を製造することができる石英ガラス管の製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る石英ガラス管について図面を参照して説明する。

なお、石英ガラス管として、縦型炉芯管を例に採り説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る石英ガラス管の縦断面図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る石英ガラス管は、立てた状態で使用される縦型炉芯管であり、この縦型炉芯管１は、合成原料石英ガラス管２を備え、上端部に天井部１ａが設けられ、下端部に開口部１ｂが設けられ、さらに、この開口部１ｂの外周にはフランジ部１ｃが設けられる。

また、内層をなす合成原料石英ガラス管２の中間部から下端部にかけて、外層としての天然原料電気溶融石英ガラス管３が外嵌されて２重層をなす。この天然原料電気溶融石英ガラス管３が外嵌する外嵌部３ａは、合成原料石英ガラス管２に気密的に密接している。天然原料電気溶融石英ガラス管３は断面形状が下方に向かった順次肉厚になる細長い略直角三角形状をなし、リング状をなす。２重層の幅すなわち天然原料電気溶融石英ガラス管３は例えば高さ１１００ｍｍの縦型炉芯管にあっては、３００ｍｍ〜５００ｍｍ程度が好ましい。

なお、合成原料石英ガラスとは、シリコンアルコキシドの加水分解等により、合成された合成原料を溶融し、製造された石英ガラスである。

天然原料電気溶融石英ガラスは水晶等の天然原料を電気溶融法により溶融し、製造された石英ガラスであり、ＯＨ基含有量が１０ｐｐｍ以下であり、ＯＨ基を含有する合成原料石英ガラスに比べて高温での寸法安定性に優れ、熱変形が少ない。特に、Ａｌ含有量を５〜１０ｐｐｍとするとより効果的である。

従って、縦型炉芯管は天然原料電気溶融石英ガラス管が外嵌された構造になっているので、半導体ウェーハの熱処理工程において、長時間の加熱と縦型炉芯管の自重により、下端部近傍応力が加わっても、挫屈による変形が発生せず、長時間の使用が可能となる。

次に本発明の第１実施形態に係る石英ガラス管の製造方法を用いた第１実施形態の縦型炉芯管の製造方法について、図２の製造フロー図に沿って説明する。

旋盤１１に設けた石英ガラス管把持用スクロールチャック１２により、閉塞端を備える合成原料石英ガラス管２を、閉塞端２ａが外層管把持用スクロールチャック１３側に向くようにして把持し、一端３ｂが開口し、外嵌部３ａが薄肉に形成された外層用ガラス管３を、外層管把持用スクロールチャック１３に貫通し、把持する（図２（ａ））。

外層用ガラス管３を把持した外層管把持用スクロールチャック１３を、石英ガラス管把持用スクロールチャック１２側に移動して、外層用ガラス管３の外嵌部３ａを、閉塞端２ａ側から合成原料石英ガラス管２に密接して外嵌する。さらに、外層用ガラス管３の開口する他端３ｃを真空計１４を介して真空ポンプ１５に連通する閉塞蓋１６で塞ぐ（図２（ｂ））。

しかる後、石英ガラス管把持用スクロールチャック１２及び外層管把持用スクロールチャック１３を同一方向に回転させて、合成原料石英ガラス管２と外層用天然原料電気溶融石英ガラス管３を一体的に回転させ、酸水素火炎バーナー１７により、外嵌部３ａの先端部を合成原料石英ガラス管２に加熱、溶着する。

さらに、閉塞端２ａ及び閉塞蓋１６で閉塞されて外層用ガラス管３に形成される空間３ｄを真空ポンプ１５により減圧しながら、一端３ｂから順次外嵌部３ａを加熱し、合成原料石英ガラス管２に溶着する（図２（ｃ））。

このとき、図示しないカーボン筒などを合成原料石英ガラス管２の内部に入れることで、熱及び遠心力に伴う変形なく溶着することができる。

減圧しながら外嵌部３ａを合成原料石英ガラス管２に溶着するので、外嵌部３ａに残留空気による気泡は発生しない。

閉塞端２ａ及び外層用天然原料電気溶融ガラス管３を切断し、閉塞端２ａを除去した開口端にフランジ部１ｃを溶着し、さらに、天井部１ａを溶着する（図２（ｄ））。

天井部には除去した閉塞端を用いることができる。

本第１実施形態の石英ガラス管の製造方法によれば、第１実施形態の縦型炉芯管を容易かつ安価に製造することができる。

また、本発明の第２実施形態の石英ガラス管について説明する。

本第２実施形態は、第１実施形態の外嵌部が密接状態に形成されるのに対して、外嵌部に真空層が形成される。

例えば、図３に示すように、第２実施形態の縦型炉芯管１Ａは、内層をなす合成原料石英ガラス管２に、外層としての天然原料電気溶融石英ガラス管３Ａが外嵌され、外嵌部３Ａａには真空層４が形成された２重層（厳密には真空層を含めると３重層）をなす。

天然原料電気溶融石英ガラス管３Ａは、断面形状が略扁平コ字状をなし、リング状をなす。

これにより、本第２実施形態の縦型炉芯管は、真空層を介在して天然原料電気溶融石英ガラス管を外嵌する２重層であり、熱変形が少なく、さらに、真空層を設けることで、天然原料電気溶融石英ガラスに起因する不純物汚染を防ぐことができる。

従って、半導体ウェーハの熱処理工程において、縦型炉芯管は長時間加熱と縦型芯管の自重により、下端部近傍応力が加わっても、挫屈による変形が発生せず、長時間の使用が可能となる。

なお、他の構成は図１に示す縦型炉芯管と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。

また、第２実施形態の縦型炉芯管の製造方法について、図４の製造フロー図に沿って説明する。

本第２実施形態の製造方法は、第１実施形態の製造方法が、外嵌部が薄肉に形成された外層用天然原料電気溶融石英ガラス管を用いるのに対して、外嵌部が断面形状は略扁平コ字状をなす外層用天然原料電気溶融石英ガラス管を用いる。

例えば、旋盤１１に設けたガラス管把持用スクロールチャック１２により、閉塞端を備える合成原料石英ガラス管２を、閉塞端２ａが外層管把持用スクロールチャック１３側に向くようにして把持し、一端３Ａｂが開口し、この外嵌部３Ａａが断面形状が略扁平コ字状をなす外層用天然原料電気溶融石英ガラス管３Ａを、外層管把持用スクロールチャック１３に貫通し、把持する（図４（ａ））。

外層用天然原料電気溶融石英ガラス管３Ａを把持した外層管把持用スクロールチャック１３を石英ガラス管把持用スクロールチャック１２側に移動して、外層用天然原料電気溶融石英ガラス管３Ａの外嵌部３Ａａを、閉塞端２Ａａ側から合成原料石英ガラス管２に外嵌する。さらに、外層用天然原料電気溶融石英ガラス管３Ａの開口する他端３Ａｃを真空ポンプ１５に連通する閉塞蓋１６で塞ぐ（図４（ｂ））。

しかる後、ガラス管把持用スクロールチャック１２及び外層管把持用スクロールチャック１３を同一方向に回転させて、ガラス管２と外層用天然原料電気溶融石英ガラス管３Ａを一体的に回転させ、酸水素火炎バーナー１７により、外嵌部３Ａａの扁平コ字形状の先端部を合成原料石英ガラス管２に加熱、溶着する。さらに、閉塞端２Ａａと閉塞蓋１６で閉塞されて外層用天然原料電気溶融石英ガラス管３Ａに形成される空間３Ａｄを真空ポンプ１５により減圧しながら、移動された酸水素火炎バーナー１７により、略扁平コ字状の後端部を全周に渡り加熱、溶融して合成原料石英ガラス管２に溶着する（図４（ｃ））。このとき、図示しないカーボンなどを合成原料石英ガラス管２の内部に入れることで、熱及び遠心力に伴う変形なく溶着することができる。

以下、図４（ｄ）に示すような工程により、図２（ｄ）の工程と同様にして、第２実施形態の縦型炉芯管１Ａを製造する。

本第２実施形態の石英ガラス管の製造方法によれば、第２実施形態の縦型炉芯管を容易かつ安価に製造することができる。

なお、上記第１及び第２実施形態の石英ガラス管では、縦型炉芯管を例にとり説明したが、本発明の石英ガラス管は図５に示すように、天然原料電気溶融石英ガラスの外嵌部１Ｂａを設けた均熱管１Ｂ、図６に示すように、天然原料電気溶融石英ガラスの外嵌部１Ｃａを設けたプロセスチューブ１Ｃなどであってもよい。

本発明の第１実施形態の縦型炉芯管の縦断面図。 本発明の第１実施形態の縦型炉芯管の製造フロー図。 本発明の第２実施形態の縦型炉芯管の縦断面図。 本発明の第２実施形態の縦型炉芯管の製造フロー図。 本発明の他の実施形態の合成原料石英均熱管の縦断面図。 本発明の他の実施形態の合成原料石英均熱管の縦断面図。 一般の縦型炉芯管の使用状態を示す概念図。 従来の縦型炉芯管の縦断面図。

符号の説明

１ 縦型炉芯管
１ａ 天井部
１ｂ 開口部
１ｃ フランジ部
２ 合成原料石英ガラス管
３ 天然原料電気溶融石英ガラス管
３ａ 外嵌部

Claims (6)

1. 立てた状態で加熱して使用され、加熱されると挫屈により変形する合成原料石英ガラス管の中間部から下端部にかけて天然原料電気溶融石英ガラス管が外嵌されていることを特徴とする石英ガラス管。
2. 前記天然原料電気溶融石英ガラス管が前記中間部から下端部にかけて密接して外嵌されていることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラス管。
3. 前記天然原料電気溶融石英ガラス管が前記中間部から下端部にかけて真空層を設けて外嵌されていることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラス管。
4. 石英ガラス管の本体をなし、閉塞端を備える合成原料石英ガラス管を用意する工程と、
   両端が開口された外層用天然原料電気溶融ガラス管を用意する工程と、
   前記合成原料石英ガラス管の閉塞端側に前記外層用天然原料電気溶融ガラス管の一端側を外嵌する工程と、
   前記外層用天然原料電気溶融ガラス管の先端部を前記合成原料石英ガラス管に気密的に加熱、溶着し、前記外層用天然原料電気溶融ガラス管の他端側開口を真空ポンプに連通する閉塞蓋で閉塞して、前記外層用天然原料電気溶融ガラス管に気密空間を形成する工程と、
   前記空間を減圧しながら、前記外層用天然原料電気溶融ガラス管の外嵌部の一部あるいは全部を全周に渡り加熱して前記合成原料石英ガラス管に溶着する工程と
   を備えることを特徴とする石英ガラス管の製造方法。
5. 前記外層用天然原料電気溶融ガラス管は外嵌部が薄肉に形成され、前記閉塞端側に密接して外嵌され、前記外嵌部の全体を全周に渡り加熱して溶着することを特徴とする請求項４に記載の石英ガラス管の製造方法。
6. 前記外層用天然原料電気溶融ガラス管は外嵌部に拡径部が形成され、前記拡径部の両端部を全周に渡り加熱して溶着することを特徴とする請求項４に記載の石英ガラス管の製造方法。

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