JP2009215086A - 合成シリカガラスの製造装置及びこの製造装置を用いた合成シリカガラスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造できる合成シリカガラスの製造装置及びこの製造装置を用いた合成シリカガラスの製造方法を提供する。
【解決手段】バーナ７は、可燃性ガスを噴出する、同心円状に配置された外管７ａ及び内管７ｂと、外管７ａと内管７ｂとの間に配置され、支燃性ガスを噴出する複数の第１の支燃性ガスノズル７ｃと、内管７ｂの中心部に配置された、原料ガスを噴出するソースノズル７ｅと、内管７ｂとソースノズル７ｅとの間に配置され、支燃性ガスを噴出する複数の第２の支燃性ガスノズル７ｆとを有し、内管７ｂから噴出する可燃性ガスと第２の支燃性ガスノズル７ｆから噴出する支燃性ガスとにより、ターゲット４に向く火炎流が形成されると共に、外管７ａから噴出する可燃性ガスと第１の支燃性ガスノズル７ｃから噴出する支燃性ガスとにより、炉体２の内壁に向く放射状の火炎流が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は合成シリカガラスの製造装置及びこの製造装置を用いた合成シリカガラスの製造方法に関する。

現在、紫外線透過材料として２５０ｎｍ以下の波長の光透過性がよく、不純物含有量の極めて少ない合成シリカガラスが用いられている。
この合成シリカガラスは、一般的には紫外線（４００ｎｍ以下）領域の波長を吸収してしまう原因となりうる金属不純物の混入を避ける目的で、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）などの気体を、酸水素炎中に導入し、火炎加水分解させて、シリカ微粒子を直接回転する耐熱性ターゲット上に堆積・溶融ガラス化させ、透明なガラスとして製造されている。

一方、ターゲット上に堆積せず、浮遊するシリカ微粒子や反応生成ガス等を排気するために、排気口を有した合成炉（炉体）が用いられるが、合成炉の形状によっては合成炉内のガス流れが引き起こす気流によって、浮遊シリカ微粒子がインゴット合成面（溶融シリカ付着面）に飛来し、欠陥（気泡、インクルージョン）を招く原因となっていた。

この問題を解決する方策として、壁面に沿って常温の不活性ガスを流す合成シリカガラス製造装置が特開平７−１０９１３４号公報（特許文献１）、特開２００６−１６２９２号公報（特許文献２）で提案されている。

また、特開２０００−２６１２６号公報（特許文献３）に記載されているように、合成炉の内壁面に沿った火炎流を形成する方法が提案されている。
特開平７−１０９１３４号公報 特開２００６−１６２９２号公報 特開２０００−２６１２６号公報

ところで、特許文献１，２記載された合成シリカガラス製造装置にあっては、常温の不活性ガスを流した場合には、炉内温度を低下させるため、合成シリカガラスの合成条件が変化し、脈理等の欠陥が生じやすいという欠点があった。また、常温の不活性ガスを炉内へ流すためのノズルの温度が低く、このノズルの周辺にシリカ微粒子が付着しやすく、ノズルを詰まらせる虞れがあり、付着したシリカ微粒子がインゴット合成面に飛来し、欠陥（気泡、インクルージョン）を招く原因となっていた。

また、特許文献３に記載された合成シリカガラス製造装置にあっては、合成バーナからの火炎と前記火炎とが緩衝する虞れがあり、このため合成シリカガラスに脈理等の欠陥が生じやすいという欠点があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、炉内温度を低下させることなく、炉内壁、ノズル等へのシリカ微粒子の付着を抑制すると共に、シリカ微粒子のインゴット合成面への飛来を抑制することによって、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造できる合成シリカガラスの製造装置及びこの製造装置を用いた合成シリカ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、本発明に係る合成シリカガラス製造装置は、炉体と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲットと、前記ターゲットに対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナとを少なくとも備えた合成シリカガラス製造装置であって、前記バーナは、可燃性ガスを噴出する、同心円状に配置された外管及び内管と、前記外管と前記内管との間に配置され、支燃性ガスを噴出する複数の第１の支燃性ガスノズルと、前記内管の中心部に配置された、原料ガスを噴出するソースノズルと、前記内管と前記ソースノズルとの間に配置され、支燃性ガスを噴出する複数の第２の支燃性ガスノズルとを有し、前記内管から噴出する可燃性ガスと前記第２の支燃性ガスノズルから噴出する支燃性ガスとにより、前記ターゲットに向く火炎流が形成されると共に、前記外管から噴出する可燃性ガスと前記第１の支燃性ガスノズルから噴出する支燃性ガスとにより、前記炉体の内壁に向く放射状の火炎流が形成されることを特徴としている。

このように構成されているため、ターゲットに向けて噴出される火炎流とは別に、バーナから炉体内壁に向けて二次的な火炎流が放射状に形成され、この放射状の火炎流によりインゴット溶融面を覆うことができる。
これにより、ターゲットに堆積せずに浮遊するシリカ微粒子は、その放射状の火炎流に巻き込まれ、炉体の内壁面に沿って下方へと流される。
したがって、炉体内で浮遊するシリカ微粒子をインゴット溶融面に到達させることなく炉体外に排出し、インゴット内への気泡、異物の混入を抑制することができ、内部に欠陥のない合成シリカガラスを得ることができる。
また、炉内温度の低下や火炎流同士の緩衝がないため、脈理がなく屈折率が均質な合成シリカガラスを得ることができる。

ここで、前記外管と前記第１の支燃性ガスノズルの噴出口は、前記ソースノズルの噴出方向に対して、前記炉体の内壁側に向けて１０°以上４５°以下の範囲内で傾斜した状態に設けられていることが望ましい。

上述した目的を達成するため、本発明に係る合成シリカガラス製造方法は、前記した合成シリカガラス製造装置を用いて製造する合成シリカガラスの製造方法であって、前記内管から噴出する可燃性ガスと前記第２の支燃性ガスノズルから噴出する支燃性ガスとにより、前記ターゲットに向く火炎流が形成されると共に、前記ソースノズルからの原料ガスが、前記ターゲットに向く火炎流により加水分解され、シリカガラス微粒子がターゲット上に堆積・溶融ガラス化され、かつ、前記外管から噴出する可燃性ガスと前記第１の支燃性ガスノズルから噴出する支燃性ガスとにより、前記炉体の内壁に向く放射状の火炎流が形成され、ターゲット上に堆積しないシリカガラス微粒子が前記炉体の内壁に向く放射状の火炎流に巻き込まれ、炉体の内壁面に沿って下方へと流されることを特徴としている。

本発明によれば、脈理がなく、内部に欠陥がない合成シリカガラスを製造することができる合成シリカガラス製造装置および合成シリカガラス製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の合成シリカガラス製造装置について、図１乃至図４に基づいて説明する。

本発明の合成シリカガラス製造装置１は、下部が大気に常時開放されている炉体２を備えている。この炉体２は耐火物からなり、その頂部にシリカガラス合成用のバーナ７が設置されている。尚、前記炉体２の水平断面は円形に形成されている。

また、前記炉体２の内部には、回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲット４と、前記ターゲット４を回転及び昇降するインゴット昇降軸５が設けられている。
更に、炉体２の下部には、ターゲット４に堆積されなかったシリカ微粒子を排気する排気口３が設けられている。そしてまた、前記排気口３に接続された排気管１１、排気ファン１０からなる排気手段９が設けられている。

本発明は、バーナ７のノズル構造に特徴を有する。図２、図３に基づき、バーナ７のノズル構造について説明する。尚、図２は、バーナ７の噴出口の平面図、図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。
図２、図３に示すように、このバーナ７は、外管７ａと、この外管７ａ内側に同心円状に設けられた内管７ｂとを有する。外管７ａ、内管７ｂの各々は、可燃性ガス（Ｈ₂）を噴出する管として設けられている。

前記外管７ａ内周面と前記内管７ｂ外周面との間の隙間には、各々のノズル口から支燃性ガス（Ｏ₂）を噴出する複数の支燃性ガスノズル７ｃ（第１の支燃性ガスノズル）が、その隙間により形成された円周に沿って均等に配置されている。この外管７ａと支燃性ガスノズル７ｃとにより第２の火炎流噴射手段が形成されている。

また、内管７ｂの中心部に原料ガスとして高純度のケイ素化合物の気体を噴出するソースノズル７ｅが設けられ、これの外周側に同心円状に配置され、前記ソースノズル７ｅとの間から支燃性ガス（Ｏ₂）を噴出する支燃性ガスノズル７ｄが設けられている。

また、内管７ｂと支燃性ガスノズル７ｄとの間の空間には、各々のノズル口から支燃性ガス（Ｏ₂）を噴出する複数の支燃性ガスノズル７ｆ（第２の支燃性ガスノズル）が、その空間によって形成される円周に沿って２重の円を形成するように均等に配置されている。この内管７ｂと支燃性ガスノズル７ｆとにより第１の火炎流噴射手段が形成されている。

また、図３の断面図に示すように、外管７ａと支燃性ガス管７ｃの噴射口は、それぞれ、ソースノズル７ｆの噴出方向に対して炉体２の内壁側に向けて所定角度（例えば１０°以上４５°以下の範囲内）傾斜した状態に形成されている。
そしてまた、前記内管７ｂの内側に配置されるノズルの噴出口は、全て前記ソースノズル７ｅの中心軸前方に向くよう内側に傾斜して配置されている。

このようなノズル配置により、内管７ｂ内からはターゲット４に向けて酸水素炎が噴出され、ソースノズル７ｅから噴出される高純度のケイ素化合物の気体を火炎加水分解し、シリカ微粒子となすようにされている。
一方、外管７ａと内管７ｂとの間の隙間からは、炉体２（炉体２）の内壁面に向け、酸水素炎が放射状に噴出され、炉内に二次的な火炎流が形成される。この二次的な放射状の火炎流によりインゴット溶融面が覆われ、インゴットに堆積しなかった浮遊するシリカ微粒子が、インゴット溶融面に到達しないようになされている。

尚、外管７ａにより炉内壁方向に流れを形成するガスは、炉内温度の低下、インゴット特性への悪影響を回避するため、ガス量の比率を、水素：酸素＝２：０．８以上０．９以下とすることが望ましい。

このように構成された合成シリカガラス製造装置１においては、次のように合成シリカガラスの製造が行われる。
先ず、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）などの気体を、開口するバーナ７を用いて酸水素炎中に導入する。

そして、高純度のケイ素化合物を火炎加水分解させた、シリカガラス微粒子を直接回転するターゲット４上に堆積・溶融ガラス化させ、堆積速度に合わせてバーナ７からインゴット６の溶融シリカ付着面６ａまでの距離を一定に保つように引き下げながら合成シリカガラスの製造を行う。

炉内空気はインゴット６の周囲に沿って上方から下方に流れ、排気口３から炉体２外に排気される。
ここで、図４に示すように、バーナ７からは、ターゲット４に向けて酸水素炎Ｆ１が噴出され、前記のように火炎加水分解されたシリカガラス微粒子がターゲット４上に堆積・溶融ガラス化される。
また、同時に炉体２の内壁側に向けて放射状の火炎流Ｆ２が形成される。この火炎流Ｆ２はインゴット溶融面を覆い、インゴットに堆積しなかったシリカ微粒子は、火炎流Ｆ２の流れに巻き込まれ、炉体２の内壁面に沿って下方へと流される。

したがって、ターゲット上に堆積せず、浮遊するシリカ微粒子はインゴット溶融面に到達することなく空気と共に速やかかつ確実に炉体２外に排気され、インゴット６の内部に欠陥として残存することがない。
また、炉内温度の低下や火炎流同士の緩衝がないため、脈理がなく屈折率が均質な合成シリカガラスが得られる。

（実施例１）
図１に示す合成シリカガラス製造装置を用いて、インゴットを合成した。この装置は、図１に示すように、バーナ７が炉体２上部からターゲット４にその先端を向けて設置されており、バーナ７のノズル構造を図２、図３に示した構造とした。
尚、外管７ａ及び支燃性ガス管７ｃの噴出口を夫々、ソースノズル７ｆの噴出方向に対し炉体２の内壁側に向けて１０・傾斜した状態に形成した。
この構成により合成シリカガラスを製造した結果、インゴットには不純物及び気泡の混入は認められなかった。

（実施例２）
外管７ａ及び支燃性ガス管７ｃの噴出口を夫々、ソースノズル７ｆの噴出方向に対し炉体２の内壁側に向けて３０・傾斜した状態に形成した。
その他の装置構成、条件は実施例１と同一とした。
この構成により合成シリカガラスを製造した結果、インゴットには不純物及び気泡の混入は認められなかった。

（実施例３）
外管７ａ及び支燃性ガス管７ｃの噴出口を夫々、ソースノズル７ｆの噴出方向に対し炉体２の内壁側に向けて４５・傾斜した状態に形成した。
その他の装置構成、条件は実施例１と同一とした。
この構成により合成シリカガラスを製造した結果、インゴットには不純物及び気泡の混入は認められなかった。

（比較例１）
外管７ａ及び支燃性ガス管７ｃの噴出口を夫々、ソースノズル７ｆの噴出方向と同一方向（傾斜０°）に向けて形成した。その他の装置構成、条件は実施例１と同一とした。
この構成により合成シリカガラスを製造した結果、ノズル７からの水素酸素火炎流は、図５に示すようにターゲット４方向に向けて噴出される火炎流Ｆ３のみとなり、製造されたインゴットには２個の不純物と３個の気泡が混入した。

（比較例２）
外管７ａ及び支燃性ガス管７ｃの噴出口を夫々、ソースノズル７ｆの噴出方向に対し炉体２の内壁側に向けて６０・傾斜した状態に形成した。
その他の装置構成、条件は実施例１と同一とした。
この構成により合成シリカガラスを製造した結果、製造されたインゴットには４個の不純物と１個の気泡が混入した。

（比較例３）
外管７ａ及び支燃性ガス管７ｃを有さない従来のバーナを用い、その他の条件を実施例１と同一として合成シリカガラスの製造を行った。
この構成により合成シリカガラスを製造した結果、ノズル７からの水素酸素火炎流は、ターゲット４方向に向けて噴出される火炎流Ｆ１のみとなり、製造されたインゴットには７個の不純物と５個の気泡が混入した。

以上の実施例の結果、外管７ａ及び支燃性ガス管７ｃの噴出口を夫々、ソースノズル７ｆの噴出方向に対し、炉体２の内壁側に向けて１０°以上４５°以下の範囲内で傾斜した状態に形成することで、内部に欠陥の無いインゴットを製造できることを確認した。

図１は、本発明の一実施形態に係る合成シリカガラス製造装置の概略構成図である。 図２は、図１の合成シリカガラス製造装置が備えるバーナの噴出口の平面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。 図４は、バーナからの酸水素炎の噴出方向を示す図である。 図５は、比較試験における比較例に用いられる炉体において、バーナからの酸水素炎の噴出方向を示す図である。

符号の説明

１ 合成シリカガラス製造装置
２ 炉体
３ 排気口
４ ターゲット
６ インゴット
６ａ 溶融シリカ付着面
７ バーナ
９ 排気手段
１０ 排気ファン
１１ 排気管

Claims (3)

1. 炉体と、前記炉体内部に回転可能に設置されたインゴット形成用のターゲットと、前記ターゲットに対向して設けられたシリカガラス合成用のバーナとを少なくとも備えた合成シリカガラス製造装置であって、
   前記バーナは、可燃性ガスを噴出する、同心円状に配置された外管及び内管と、前記外管と前記内管との間に配置され、支燃性ガスを噴出する複数の第１の支燃性ガスノズルと、前記内管の中心部に配置された、原料ガスを噴出するソースノズルと、前記内管と前記ソースノズルとの間に配置され、支燃性ガスを噴出する複数の第２の支燃性ガスノズルとを有し、
   前記内管から噴出する可燃性ガスと前記第２の支燃性ガスノズルから噴出する支燃性ガスとにより、前記ターゲットに向く火炎流が形成されると共に、
   前記外管から噴出する可燃性ガスと前記第１の支燃性ガスノズルから噴出する支燃性ガスとにより、前記炉体の内壁に向く放射状の火炎流が形成されることを特徴とする合成シリカガラスの製造装置。
2. 前記外管と前記第１の支燃性ガスノズルの噴出口は、前記ソースノズルの噴出方向に対して、前記炉体の内壁側に向けて１０°以上４５°以下の範囲内で傾斜した状態に設けられていることを特徴とする請求項１記載の合成シリカガラスの製造装置。
3. 前記請求項１及び請求項２に記載された合成シリカガラス製造装置を用いて製造する合成シリカガラスの製造方法であって、
   前記内管から噴出する可燃性ガスと前記第２の支燃性ガスノズルから噴出する支燃性ガスとにより、前記ターゲットに向く火炎流が形成されると共に、前記ソースノズルからの原料ガスが、前記ターゲットに向く火炎流により加水分解され、シリカガラス微粒子がターゲット上に堆積・溶融ガラス化され、
   かつ、前記外管から噴出する可燃性ガスと前記第１の支燃性ガスノズルから噴出する支燃性ガスとにより、前記炉体の内壁に向く放射状の火炎流が形成され、ターゲット上に堆積しないシリカガラス微粒子が前記炉体の内壁に向く放射状の火炎流に巻き込まれ、炉体の内壁面に沿って下方へと流されることを特徴とする合成シリカガラスの製造方法。

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