JP2011098865A - 石英ガラス母材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＶＡＤ法により、質量５０ｋｇ以上の石英ガラス母材、または、径２５０ｍｍφ以上の石英ガラス母材を７５％以上の収率で安定的に製造する方法を提供する。
【解決手段】ガラス形成原料をバーナー１０から発せられる酸水素火炎２０中で加水分解して得られるガラス微粒子を、回転するターゲット３０上に堆積、成長させて多孔質石英ガラス体４０を合成する手順を含む石英ガラス母材の製造方法であって、前記ターゲット３０上に形成される多孔質石英ガラス体４０表面の前記ターゲットの回転軸と略一致する位置に、深さ５〜３０ｍｍの凹部４２が形成されるように、多孔質石英ガラス体４０の合成条件を制御することを特徴とする石英ガラス母材の製造方法。
【選択図】図１
【解決手段】ガラス形成原料をバーナー１０から発せられる酸水素火炎２０中で加水分解して得られるガラス微粒子を、回転するターゲット３０上に堆積、成長させて多孔質石英ガラス体４０を合成する手順を含む石英ガラス母材の製造方法であって、前記ターゲット３０上に形成される多孔質石英ガラス体４０表面の前記ターゲットの回転軸と略一致する位置に、深さ５〜３０ｍｍの凹部４２が形成されるように、多孔質石英ガラス体４０の合成条件を制御することを特徴とする石英ガラス母材の製造方法。
【選択図】図１
Description
本発明は、気相軸付け法（ＶＡＤ法）による大型の石英ガラス母材の製造方法に関する。より具体的には、気相軸付け法（ＶＡＤ法）により、質量５０ｋｇ以上の石英ガラス母材、または、径２５０ｍｍφ以上の石英ガラス母材を製造する方法に関する。
なお、本明細書における石英ガラス母材とは、石英、すなわち、ＳｉＯ2のみで構成されるガラス母材以外に、ＴｉＯ2のようなドーパントを含む石英ガラス母材も包含する。
なお、本明細書における石英ガラス母材とは、石英、すなわち、ＳｉＯ2のみで構成されるガラス母材以外に、ＴｉＯ2のようなドーパントを含む石英ガラス母材も包含する。
気相軸付け法（ＶＡＤ法）による石英ガラス母材の製造方法では、ハロゲン化ケイ素のようなガラス形成原料をバーナーから発せられる火炎（酸水素火炎）中で火炎加水分解させ、生成するガラス微粒子を回転するターゲット（シリカ微粒子が堆積する出発材料）上に堆積、成長させて多孔質石英ガラス体を得た後、得られた多孔質石英ガラス体を真空中または不活性ガス雰囲気中で加熱して透明ガラス化して石英ガラス母材を得る。
ＶＡＤ法による石英ガラス母材の製造方法は、当初、光ファイバ用プリフォームを製造する方法として開発された。この方法は金属成分を含まない石英ガラス母材を製造できることから、波長１７０〜４００ｎｍの光を光源とする光学装置、より詳細には、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、重水素ランプ（波長１７０〜４００ｎｍ）、Ｘｅ2エキシマランプ（波長１７２ｎｍ）、水銀ランプ等を光源とした光学装置の、レンズ、プリズム、エタロン、回折格子、フォトマスク、ペリクル（ペリクル材およびペリクルフレーム）、ミラー、窓材などの光学部品材料として用いられる光学部材用合成石英ガラスの製造にも応用されている。
また、ＶＡＤ法は、波長０．２〜１００ｎｍ程度の軟Ｘ線領域または真空紫外域の波長帯の光（ＥＵＶ光）を光源とする光学装置の、フォトマスク、ミラーなどの光学部品材料として用いられる光学部材用ドーパント石英ガラスの製造にも応用されている。
また、ＶＡＤ法は、波長０．２〜１００ｎｍ程度の軟Ｘ線領域または真空紫外域の波長帯の光（ＥＵＶ光）を光源とする光学装置の、フォトマスク、ミラーなどの光学部品材料として用いられる光学部材用ドーパント石英ガラスの製造にも応用されている。
このような用途でＶＡＤ法により石英ガラス母材を製造する場合、製造コストを低減するために、大型の石英ガラス母材を高収率（具体的には７５％以上の収率）で製造することが求められている。なお、ここでいう大型の石英ガラス母材とは、例えば、質量５０ｋｇ以上の石英ガラス母材、または、径２５０ｍｍφ以上の石英ガラス母材である。このような石英ガラス母材を製造するためには、大型の多孔質石英ガラス体、具体的には、質量５１ｋｇ以上の多孔質石英ガラス体、または、径４００ｍｍφ以上の多孔質石英ガラス体を合成することが必要となる。
上述したように、ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の製造では、火炎加水分解によって生成するガラス微粒子を回転するターゲット上に堆積、成長させて多孔質石英ガラス体を合成するため、火炎加水分解によって生成したガラス微粒子を堆積させる堆積面は、合成初期の段階ではターゲット表面であるが、ガラス微粒子の堆積がある程度進むと、ターゲット上に堆積した多孔質石英ガラス体の表面となる。
このため、ガラス微粒子を堆積させる堆積面の形状は、バーナーに供給される合成ガス条件、ターゲットの回転軸に対するバーナーの角度や位置、あるいは、反応器内の温度によって変化し、形成される多孔質石英ガラス体の形状や収率に影響を与える。
また、堆積面の形状が変化すると、バーナーから発せられる火炎が堆積面に十分に当たらなくなり、該堆積面にかさ密度が低い箇所が局所的に生じてしまうため、合成中に多孔質ガラス体が崩壊することがある。大型の多孔質石英ガラス体の場合、長時間の合成が必要となるため、合成過程、特に合成後期に多孔質石英ガラス体が崩壊すると、原料歩留りが著しく悪化し、多孔質石英ガラス体、ひいては石英ガラス母材の収率が低下する。
このように、多孔質石英ガラス体を製造するうえで、堆積面を所定の形状とすることがきわめて重要である。
このため、ガラス微粒子を堆積させる堆積面の形状は、バーナーに供給される合成ガス条件、ターゲットの回転軸に対するバーナーの角度や位置、あるいは、反応器内の温度によって変化し、形成される多孔質石英ガラス体の形状や収率に影響を与える。
また、堆積面の形状が変化すると、バーナーから発せられる火炎が堆積面に十分に当たらなくなり、該堆積面にかさ密度が低い箇所が局所的に生じてしまうため、合成中に多孔質ガラス体が崩壊することがある。大型の多孔質石英ガラス体の場合、長時間の合成が必要となるため、合成過程、特に合成後期に多孔質石英ガラス体が崩壊すると、原料歩留りが著しく悪化し、多孔質石英ガラス体、ひいては石英ガラス母材の収率が低下する。
このように、多孔質石英ガラス体を製造するうえで、堆積面を所定の形状とすることがきわめて重要である。
特許文献１に記載の光ファイバ用多孔質ガラス母材の製造方法では、ＶＡＤ法によって多孔質ガラス母材を製造する際、堆積面に凹形状を形成することで、微粒子流と堆積面の接触時間が増加し、堆積面へのガラス微粒子の付着効率を高めることができると記載されている。堆積面でのガラス微粒子の付着効率が高まることにより、多孔質ガラス母材の収率が向上する。また、反応容器内を浮遊するガラス微粒子が減少することにより、多孔質ガラス母材での気泡の発生を防止できると記載されている。
大型の多孔質石英ガラス体を製造する際にも、ＶＡＤ法を用いる場合においては、特許文献１に記載の方法と同様に、堆積面に凹形状を形成することによって、収率が向上することが期待される。
しかしながら、大型の多孔質石英ガラス体の場合、光ファイバ用多孔質ガラス体に比べて、製造物の寸法が明らかに異なること、および、合成に要する時間がはるかに長いことから、特許文献１に記載の方法を単純には適用できないことを本願発明者らは見出した。
すなわち、大型の多孔質石英ガラス体の場合、堆積面に形成される凹形状の寸法（具体的には、凹形状の深さや幅）や、凹形状を形成する位置によっては、意図した効果を発揮することができず、かえって収率の低下につながったり、合成過程での多孔質石英ガラス体の崩壊につながる場合があることを見出した。
しかしながら、大型の多孔質石英ガラス体の場合、光ファイバ用多孔質ガラス体に比べて、製造物の寸法が明らかに異なること、および、合成に要する時間がはるかに長いことから、特許文献１に記載の方法を単純には適用できないことを本願発明者らは見出した。
すなわち、大型の多孔質石英ガラス体の場合、堆積面に形成される凹形状の寸法（具体的には、凹形状の深さや幅）や、凹形状を形成する位置によっては、意図した効果を発揮することができず、かえって収率の低下につながったり、合成過程での多孔質石英ガラス体の崩壊につながる場合があることを見出した。
上記した従来技術の問題点を解決するため、本発明は、ＶＡＤ法により、大型の石英ガラス母材、具体的には、質量５０ｋｇ以上の石英ガラス母材、または、径２５０ｍｍφ以上の石英ガラス母材を、高収率、具体的には７５％以上の収率、で安定的に製造する方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明は、ガラス形成原料をバーナーから発せられる酸水素火炎中で加水分解して得られるガラス微粒子を、回転するターゲット上に堆積、成長させて多孔質石英ガラス体を合成する手順を含む石英ガラス母材の製造方法であって、
前記ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体表面の前記ターゲットの回転軸と略一致する位置に、深さ５〜３０ｍｍの凹部が形成されるように、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御することを特徴とする石英ガラス母材の製造方法を提供する。
前記ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体表面の前記ターゲットの回転軸と略一致する位置に、深さ５〜３０ｍｍの凹部が形成されるように、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御することを特徴とする石英ガラス母材の製造方法を提供する。
本発明の石英ガラス母材の製造方法において、三角測量方式のレーザ変位計を用いて測定される、前記多孔質石英ガラス体表面に形成される凹部の深さに基づいて、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御することが好ましい。
本発明の石英ガラス母材の製造方法において、ＪＩＳ Ｃ６８０２に基づくクラス３Ｒ以上のレーザを光源とするレーザ変位計を用いて測定される、前記多孔質石英ガラス体表面に形成される凹部の深さに基づいて、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御することが好ましい。
本発明の石英ガラス母材の製造方法において、前記バーナーへのガス供給条件を制御することにより、前記多孔質石英ガラス体の合成条件を制御することが好ましい。
本発明の石英ガラス母材の製造方法において、前記バーナーから発せられる酸水素火炎と、前記ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体表面と、の位置関係を制御することにより、前記多孔質石英ガラス体の合成条件を制御することが好ましい。
本発明の石英ガラス母材の製造方法において、前記ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体表面よりも下方に位置する反応器の内壁の温度を制御することにより、前記多孔質石英ガラス体の合成条件を制御することが好ましい。
本発明の石英ガラス母材の製造方法によれば、大型の石英ガラス母材、具体的には、質量５０ｋｇ以上の石英ガラス母材、または、径２５０ｍｍφ以上の石英ガラス母材を、７５％以上の収率で、かつ、安定的に製造することができる。
以下、図面を参照して本発明の石英ガラス母材の製造方法を説明する。
本発明の石英ガラス母材の製造方法は、以下に述べる手順にしたがって、ＶＡＤ法により多孔質石英ガラス体を合成した後、合成された多孔質石英ガラス体を透明ガラス化することで石英ガラス母材を得る。
本発明の石英ガラス母材の製造方法は、以下に述べる手順にしたがって、ＶＡＤ法により多孔質石英ガラス体を合成した後、合成された多孔質石英ガラス体を透明ガラス化することで石英ガラス母材を得る。
図１は、ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の合成時におけるバーナーと、ターゲットと、の位置関係を示した模式図である。図１において、バーナー１０から発せられる火炎（酸水素火炎）２０中で、ガラス形成原料が加水分解することによって生成したガラス微粒子が、回転するターゲット３０上に堆積して、成長することによって多孔質石英ガラス体４０が形成されている。
図１において、ガラス微粒子の堆積面４１、すなわち、ターゲット３０上に形成された多孔質石英ガラス体４０の表面の中心には凹部４２が形成されている。ＶＡＤ法により多孔質石英ガラス体を合成する場合、ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体の表面の中心と、ターゲットの回転軸と、が一致しない場合もあるが、本発明のように、大型の多孔質石英ガラス体、具体的には、質量５１ｋｇ以上の多孔質石英ガラス体、または、径４００ｍｍφ以上の多孔質石英ガラス体を合成する場合、ターゲット３０上に形成される多孔質石英ガラス体４０の表面（堆積面４１）の中心と、図中破線で示すターゲット３０の回転軸と、が一致することが必要となる。
図１において、ガラス微粒子の堆積面４１、すなわち、ターゲット３０上に形成された多孔質石英ガラス体４０の表面の中心には凹部４２が形成されている。ＶＡＤ法により多孔質石英ガラス体を合成する場合、ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体の表面の中心と、ターゲットの回転軸と、が一致しない場合もあるが、本発明のように、大型の多孔質石英ガラス体、具体的には、質量５１ｋｇ以上の多孔質石英ガラス体、または、径４００ｍｍφ以上の多孔質石英ガラス体を合成する場合、ターゲット３０上に形成される多孔質石英ガラス体４０の表面（堆積面４１）の中心と、図中破線で示すターゲット３０の回転軸と、が一致することが必要となる。
本発明の石英ガラス母材の製造方法においては、堆積面４１の中心に形成される凹部４２が、後述する所定の深さとなるように、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御する。
ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の合成時、堆積面４１に凹部４２が形成されるのは、堆積面４１のうち凹部４２が形成されている部位では、堆積面４１の他の部位よりもガラス微粒子の焼結が進行し、その結果、多孔質石英ガラス体のかさ密度が高くなるためである。
特許文献１に記載の方法では、堆積面の中心からずれた位置に凹部を形成しているが、質量５１ｋｇ以上、または、径４００ｍｍφ以上の大型の多孔質石英ガラス体を合成するためには、堆積面４１の中心に凹部４２を形成することが合成過程での多孔質石英ガラス体の崩壊を防止するうえで重要である。
特許文献１に記載の方法のように、堆積面の中心からずれた位置に凹部を形成すると、ターゲット上に形成される多孔質石英ガラスの形状が複雑になる、形成される多孔質石英ガラス体にかさ密度の不均等なばらつきが生じる等の理由から、大型の多孔質石英ガラス体の合成時には多孔質石英ガラス体の崩壊が起こりやすい。また、特許文献１に記載の方法のように、堆積面の中心からずれた位置に凹部を形成すると、バーナーから発せられる火炎に乱れが生じやすくなるので、これによっても多孔質石英ガラス体の崩壊が起こりやすくなる。
ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の合成時、堆積面４１に凹部４２が形成されるのは、堆積面４１のうち凹部４２が形成されている部位では、堆積面４１の他の部位よりもガラス微粒子の焼結が進行し、その結果、多孔質石英ガラス体のかさ密度が高くなるためである。
特許文献１に記載の方法では、堆積面の中心からずれた位置に凹部を形成しているが、質量５１ｋｇ以上、または、径４００ｍｍφ以上の大型の多孔質石英ガラス体を合成するためには、堆積面４１の中心に凹部４２を形成することが合成過程での多孔質石英ガラス体の崩壊を防止するうえで重要である。
特許文献１に記載の方法のように、堆積面の中心からずれた位置に凹部を形成すると、ターゲット上に形成される多孔質石英ガラスの形状が複雑になる、形成される多孔質石英ガラス体にかさ密度の不均等なばらつきが生じる等の理由から、大型の多孔質石英ガラス体の合成時には多孔質石英ガラス体の崩壊が起こりやすい。また、特許文献１に記載の方法のように、堆積面の中心からずれた位置に凹部を形成すると、バーナーから発せられる火炎に乱れが生じやすくなるので、これによっても多孔質石英ガラス体の崩壊が起こりやすくなる。
上述したように、本発明の石英ガラス母材の製造方法では、堆積面４１の中心に凹部４２が形成され、該堆積面４１の中心はターゲット３０の回転軸と一致する。
したがって、堆積面４１に形成される凹部４２、より具体的には、該凹部４２の中心、と、ターゲット３０の回転軸と、が完全に一致することが必要であるとも解することができる。
しかしながら、本発明においては、そのようなことは決して要求されず、堆積面４１に形成される凹部４２、より具体的には、該凹部４２の中心、と、ターゲット３０の回転軸と、が略一致していればよい。本発明において、堆積面４１に形成される凹部４２の中心と、ターゲット３０の回転軸と、が略一致すると言った場合、ターゲット３０上に形成される多孔質石英ガラス体４０の最大径をｄ（ｍｍ）とするとき、凹部４２の中心と、ターゲット３０の回転軸と、の距離は０．３×ｄ以内が好ましく、０．２×ｄ以内がより好ましく、０．１×ｄ以内が特に好ましい。
したがって、堆積面４１に形成される凹部４２、より具体的には、該凹部４２の中心、と、ターゲット３０の回転軸と、が完全に一致することが必要であるとも解することができる。
しかしながら、本発明においては、そのようなことは決して要求されず、堆積面４１に形成される凹部４２、より具体的には、該凹部４２の中心、と、ターゲット３０の回転軸と、が略一致していればよい。本発明において、堆積面４１に形成される凹部４２の中心と、ターゲット３０の回転軸と、が略一致すると言った場合、ターゲット３０上に形成される多孔質石英ガラス体４０の最大径をｄ（ｍｍ）とするとき、凹部４２の中心と、ターゲット３０の回転軸と、の距離は０．３×ｄ以内が好ましく、０．２×ｄ以内がより好ましく、０．１×ｄ以内が特に好ましい。
ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の合成時、堆積面４１の中心に凹部４２が形成するには、図１に示すように、ターゲット３０の回転軸とバーナー１０の軸とが一致しないように、ターゲット３０の回転軸に対して偏心させてバーナー１０を設置すればよい。
ターゲット３０の回転軸に対して偏心させてバーナー１０を設置した場合、図１に示すように、堆積面４１のうち中心以外の部分はバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されない状況が存在する。たとえば、図１に示す堆積面４１のうち、ターゲット３０の回転軸よりも左側の部分は、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒されているのに対して、ターゲット３０の回転軸よりも右側の部分は、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒されていない。ターゲット３０の回転軸よりも右側の部分はバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されていないので、ターゲット３０の回転軸よりも左側の部分よりも温度が低くなる。多孔質石英ガラス体４０の合成時、ターゲット３０は回転しているので、堆積面４１のうち中心以外の部分は、このような温度差が交互に繰り返される。
一方、堆積面４１の中心部分はバーナー１０から発せられる火炎２０に常に晒されているので、堆積面４１のうち中心以外の部分よりも温度が高くなる。この結果、堆積面４１の中心部分ではガラス微粒子の焼結がより進行し、多孔質石英ガラス体のかさ密度がより高くなり、凹部４２が形成されることとなる。
ターゲット３０の回転軸に対して偏心させてバーナー１０を設置した場合、図１に示すように、堆積面４１のうち中心以外の部分はバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されない状況が存在する。たとえば、図１に示す堆積面４１のうち、ターゲット３０の回転軸よりも左側の部分は、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒されているのに対して、ターゲット３０の回転軸よりも右側の部分は、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒されていない。ターゲット３０の回転軸よりも右側の部分はバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されていないので、ターゲット３０の回転軸よりも左側の部分よりも温度が低くなる。多孔質石英ガラス体４０の合成時、ターゲット３０は回転しているので、堆積面４１のうち中心以外の部分は、このような温度差が交互に繰り返される。
一方、堆積面４１の中心部分はバーナー１０から発せられる火炎２０に常に晒されているので、堆積面４１のうち中心以外の部分よりも温度が高くなる。この結果、堆積面４１の中心部分ではガラス微粒子の焼結がより進行し、多孔質石英ガラス体のかさ密度がより高くなり、凹部４２が形成されることとなる。
上記の考えに基づけば、ターゲット３０の回転軸に対して偏心させることなしに、ターゲット３０の回転軸の鉛直下方にバーナー１０を配置しても、堆積面４１の中心に凹部４２を形成できることとなる。しかしながら、ターゲット３０の回転軸の鉛直下方にバーナー１０を配置した場合、堆積面４１の外周付近のかさ密度が低くなりすぎ、多孔質石英ガラス体の合成過程で該ガラス体の外周部が崩壊しやすくなる傾向がある。また、堆積面４１の中心付近が温度の上昇により収縮することによって、該堆積面４１の外周部に引っ張り応力が加わる結果、該ガラス体の外周部が崩壊しやすくなる傾向がある。さらにまた、合成される多孔質石英ガラス体の径が細くなる傾向がある。
堆積面４１の中心への凹部４２の形成、多孔質石英ガラス体の合成過程における該ガラス体の外周部の崩壊防止、および、合成される多孔質石英ガラス体の径が細くなりすぎることの防止の観点から、ターゲット３０上に形成される多孔質石英ガラス体４０の最大径をｄ（ｍｍ）とするとき、ターゲット３０の回転軸の延長線と、バーナー１０の中心軸の延長線と、の最短距離ｄ1が下記条件を満たすことが好ましい。
０．０５×ｄ ≦ ｄ1 ≦ ０．２５×ｄ
０．０５×ｄ ≦ ｄ1 ≦ ０．２５×ｄ
本発明の石英ガラス母材の製造方法においては、堆積面４１の中心に形成される凹部４２が、深さ５〜３０ｍｍとなるように、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御する。ここで言う凹部４２の深さとは、堆積面４１の最も高さが低い位置と凹部４２の最深部との高さの差である。
凹部４２の深さが５ｍｍ未満だと、多孔質石英ガラス体４０の中心付近のかさ密度が低くなるため、合成過程において、多孔質石英ガラス体４０が崩壊するおそれがあり、また、多孔質石英ガラス体４０の収率が低下する。
一方、凹部４２の深さが３０ｍｍ超だと、堆積面４１の外周付近のかさ密度が低くなりすぎ、多孔質石英ガラス体の合成過程で該ガラス体の外周部が崩壊するおそれがある。また、温度の上昇による堆積面４１の収縮によって、該堆積面４１の外周部に引っ張り応力が加わる結果、合成過程において、多孔質石英ガラス体４０の外周部が崩壊するおそれがある。また、バーナー１０から発せられる火炎２０が乱れることにより、堆積面４１へのガラス微粒子の付着効率が低下することによって、多孔質石英ガラス体４０の収率が低下する。
凹部４２の深さは１０〜３０ｍｍであることが好ましく、２０〜３０ｍｍであることがより好ましい。
凹部４２の深さが５ｍｍ未満だと、多孔質石英ガラス体４０の中心付近のかさ密度が低くなるため、合成過程において、多孔質石英ガラス体４０が崩壊するおそれがあり、また、多孔質石英ガラス体４０の収率が低下する。
一方、凹部４２の深さが３０ｍｍ超だと、堆積面４１の外周付近のかさ密度が低くなりすぎ、多孔質石英ガラス体の合成過程で該ガラス体の外周部が崩壊するおそれがある。また、温度の上昇による堆積面４１の収縮によって、該堆積面４１の外周部に引っ張り応力が加わる結果、合成過程において、多孔質石英ガラス体４０の外周部が崩壊するおそれがある。また、バーナー１０から発せられる火炎２０が乱れることにより、堆積面４１へのガラス微粒子の付着効率が低下することによって、多孔質石英ガラス体４０の収率が低下する。
凹部４２の深さは１０〜３０ｍｍであることが好ましく、２０〜３０ｍｍであることがより好ましい。
ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の合成では、ガラス形成原料の火炎加水分解によって生成したガラス微粒子が回転するターゲット３０上に堆積して、成長することによって多孔質石英ガラス体４０を形成するという原理上、合成初期の段階の堆積面４１の中心に凹部が存在しない場合もあり、凹部が存在していてもその深さが５ｍｍ未満の場合もある。
本発明の石英ガラス母材の製造方法において、合成初期の段階の堆積面の中心に凹部が存在しない場合や、凹部が存在していてもその深さが５ｍｍ未満の場合が存在しても大型の多孔質石英ガラス体を合成するうえで何ら不都合はない。
一方、ターゲット３０上に形成された多孔質石英ガラス体４０が、少なくとも厚さが１００ｍｍ以上まで成長した段階で、堆積面４１の中心に深さが５〜３０ｍｍの凹部４２が存在していないと、意図した効果を発揮することができず、大型の多孔質石英ガラス体を合成するうえで不都合が生じることとなる。
本発明の石英ガラス母材の製造方法において、合成初期の段階の堆積面の中心に凹部が存在しない場合や、凹部が存在していてもその深さが５ｍｍ未満の場合が存在しても大型の多孔質石英ガラス体を合成するうえで何ら不都合はない。
一方、ターゲット３０上に形成された多孔質石英ガラス体４０が、少なくとも厚さが１００ｍｍ以上まで成長した段階で、堆積面４１の中心に深さが５〜３０ｍｍの凹部４２が存在していないと、意図した効果を発揮することができず、大型の多孔質石英ガラス体を合成するうえで不都合が生じることとなる。
堆積面４１の中心に形成される凹部４２の幅は、ターゲット３０上に形成される多孔質石英ガラス体４０の径によって異なるが、例えば、該多孔質石英ガラス体４１の径が４００ｍｍの場合、該凹部４２の幅は１００〜４００ｍｍの範囲となると考えられる。
本発明の石英ガラス母材の製造方法では、堆積面４１の中心に形成される凹部４２が、上述した所定の深さとなるように、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御する。多孔質石英ガラス体の合成条件を制御の一例を以下に示す。
第１の方法としては、バーナー１０へのガス供給条件を制御する方法が挙げられる。
ＶＡＤ法により多孔質石英ガラス体を合成する際にバーナー１０に供給されるガスとしては、ガラス形成原料、酸水素火炎を形成するための燃焼ガスである酸素および水素、ならびに、シールガスとしての不活性ガスが挙げられる。
これらバーナーに供給されるガスの供給条件を制御することで、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを制御することができる。
ＶＡＤ法により多孔質石英ガラス体を合成する際にバーナー１０に供給されるガスとしては、ガラス形成原料、酸水素火炎を形成するための燃焼ガスである酸素および水素、ならびに、シールガスとしての不活性ガスが挙げられる。
これらバーナーに供給されるガスの供給条件を制御することで、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを制御することができる。
例えば、ガラス形成原料の供給量が増加すると、ガラス形成原料の火炎加水分解によって生成したガラス微粒子からの輻射による放熱が増加するので、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が低下する。この結果、火炎２０に晒される堆積面４１の温度も低下し、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行しなくなるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
一方、ガラス形成原料の供給量が減少すると、ガラス形成原料の火炎加水分解によって生成したガラス微粒子からの輻射による放熱が減少するので、バーナー１０に供給されるガスに占める燃焼ガス（酸素、水素）の割合が増加するので、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が上昇する。この結果、火炎２０に晒される堆積面４１の温度も上昇し、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行するようになるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
一方、ガラス形成原料の供給量が減少すると、ガラス形成原料の火炎加水分解によって生成したガラス微粒子からの輻射による放熱が減少するので、バーナー１０に供給されるガスに占める燃焼ガス（酸素、水素）の割合が増加するので、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が上昇する。この結果、火炎２０に晒される堆積面４１の温度も上昇し、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行するようになるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
また、燃焼ガスである酸素および水素の供給量が増加すると、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が上昇し、火炎２０に晒される堆積面４１の温度も上昇する。この結果、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行するようになるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
一方、酸素および水素の供給量が減少すると、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が低下し、火炎２０に晒される堆積面４１の温度も低下する。この結果、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行しなくなるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
一方、酸素および水素の供給量が減少すると、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が低下し、火炎２０に晒される堆積面４１の温度も低下する。この結果、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行しなくなるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
また、シールガスとしての不活性ガスの供給量が増加すると、バーナー１０に供給されるガスに占める燃焼ガス（酸素、水素）の割合が減少するので、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が低下する。これにより、火炎２０に晒される堆積面４１の温度が低下し、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行しなくなるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
一方、不活性ガスの供給量が減少すると、バーナー１０に供給されるガスに占める燃焼ガス（酸素、水素）の割合が増加するので、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が増加する。これにより、火炎２０に晒される堆積面４１の温度が上昇し、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行するようになるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
一方、不活性ガスの供給量が減少すると、バーナー１０に供給されるガスに占める燃焼ガス（酸素、水素）の割合が増加するので、バーナー１０から発せられる火炎２０の温度が増加する。これにより、火炎２０に晒される堆積面４１の温度が上昇し、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行するようになるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
第２の方法としては、バーナー１０から発せられる火炎２０と、堆積面４１と、の位置関係を制御する方法が挙げられる。
図１に示すように、ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の合成時、堆積面４１の一部が局所的にバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されることとなる。堆積面４１のうち、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒される部位を変えるように、バーナー１０から発せられる火炎２０と、堆積面４１と、の位置関係を制御することにより、堆積面４１の温度を局所的に変えることができる。
例えば、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒される位置を堆積面４１のより外周側にすれば、堆積面４１の中心部分と、該堆積面４１の中心部分以外の部分と、の温度差が小さくなるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
一方、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒される位置を堆積面４１のより中心側にすれば、堆積面４１の中心部分と、該堆積面４１の中心部分以外の部分と、の温度差が大きくなるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
図１に示すように、ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の合成時、堆積面４１の一部が局所的にバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されることとなる。堆積面４１のうち、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒される部位を変えるように、バーナー１０から発せられる火炎２０と、堆積面４１と、の位置関係を制御することにより、堆積面４１の温度を局所的に変えることができる。
例えば、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒される位置を堆積面４１のより外周側にすれば、堆積面４１の中心部分と、該堆積面４１の中心部分以外の部分と、の温度差が小さくなるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
一方、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒される位置を堆積面４１のより中心側にすれば、堆積面４１の中心部分と、該堆積面４１の中心部分以外の部分と、の温度差が大きくなるので、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体の合成は、所定の反応器内で実施されるものであり、図１では省略されているが、バーナー１０およびターゲット３０は所定の反応器内に配置されている。
第３の方法としては、多孔質石英ガラス体の合成を行う反応器の内壁の温度を制御する方法が挙げられる。
例えば、反応器の内壁の温度を高くすると、壁面からの輻射によって、堆積面４１の温度が上昇する。これにより、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行するようになり、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
一方、反応器の内壁の温度を低くすると、壁面からの輻射熱が減少するので、堆積面４１の温度が低下する。これにより、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行しなくなり、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
ここで、上述した効果を得るためには、反応器の内壁のうち、堆積面４１よりも下方に位置する内壁の温度を変えることが好ましい。
第３の方法としては、多孔質石英ガラス体の合成を行う反応器の内壁の温度を制御する方法が挙げられる。
例えば、反応器の内壁の温度を高くすると、壁面からの輻射によって、堆積面４１の温度が上昇する。これにより、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行するようになり、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
一方、反応器の内壁の温度を低くすると、壁面からの輻射熱が減少するので、堆積面４１の温度が低下する。これにより、堆積面４１に付着したガラス微粒子の焼結がより進行しなくなり、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
ここで、上述した効果を得るためには、反応器の内壁のうち、堆積面４１よりも下方に位置する内壁の温度を変えることが好ましい。
第４の方法としては、ターゲット３０の回転速度を制御する方法が挙げられる。
上述したように、堆積面４１の中心に凹部４２が形成されるのは、バーナー１０から発せられる火炎２０に常に晒される堆積面４１の中心部分と、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒されない状況が存在する堆積面４１の中心部分以外の部分と、で堆積面４１の温度差が生じるためである。
ターゲット３０の回転速度が上昇すると、該堆積面４１の中心部分以外の部分がバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されない状態となる時間が短くなるので、堆積面４１の中心部分と、該堆積面４１の中心部分以外の部分と、の温度差が小さくなり、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
一方、ターゲット３０の回転速度が低下すると、該堆積面４１の中心部分以外の部分がバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されない状態となる時間が長くなるので、堆積面４１の中心部分と、該堆積面４１の中心部分以外の部分と、の温度差が大きくなり、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
上述したように、堆積面４１の中心に凹部４２が形成されるのは、バーナー１０から発せられる火炎２０に常に晒される堆積面４１の中心部分と、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒されない状況が存在する堆積面４１の中心部分以外の部分と、で堆積面４１の温度差が生じるためである。
ターゲット３０の回転速度が上昇すると、該堆積面４１の中心部分以外の部分がバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されない状態となる時間が短くなるので、堆積面４１の中心部分と、該堆積面４１の中心部分以外の部分と、の温度差が小さくなり、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが減少する。
一方、ターゲット３０の回転速度が低下すると、該堆積面４１の中心部分以外の部分がバーナー１０から発せられる火炎２０に晒されない状態となる時間が長くなるので、堆積面４１の中心部分と、該堆積面４１の中心部分以外の部分と、の温度差が大きくなり、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さが増加する。
本発明の石英ガラス母材の製造方法では、上述した多孔質石英ガラス体の合成条件の制御のうち、いずれか１つの方法を実施してもよく、また、２以上の方法を併用してもよい。
本発明の石英ガラス母材の製造方法において、上述した多孔質石英ガラス体の合成条件の制御を実施するためには、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを測定する必要がある。
ＶＡＤ法により合成される多孔質石英ガラス体の形状を測定する手段として、特開２００１−２０６７２９号公報には、ＣＣＤカメラのような画像センサの使用や、レーザ変位計の使用が記載されている。また、特許第３１６８２７４号明細書には、ＯＶＤ法により合成される多孔質石英ガラス体の堆積厚を測定する手段として、レーザ変位計の使用や、ビデオカメラによる画像処理が記載されている。これらの方法のうち、ＣＣＤカメラやビデオカメラによる画像処理を用いる方法では、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを測定することができず、レーザ変位計の使用が必要となる。
ＶＡＤ法により合成される多孔質石英ガラス体の形状を測定する手段として、特開２００１−２０６７２９号公報には、ＣＣＤカメラのような画像センサの使用や、レーザ変位計の使用が記載されている。また、特許第３１６８２７４号明細書には、ＯＶＤ法により合成される多孔質石英ガラス体の堆積厚を測定する手段として、レーザ変位計の使用や、ビデオカメラによる画像処理が記載されている。これらの方法のうち、ＣＣＤカメラやビデオカメラによる画像処理を用いる方法では、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを測定することができず、レーザ変位計の使用が必要となる。
レーザ変位計を使用する場合も、本発明の石英ガラス母材の製造方法では、ＶＡＤ法により大型の多孔質石英ガラス体を合成するため、特開２００１−２０６７２９号公報や特許第３１６８２７４号明細書に記載されているような従来の方法では、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを測定することができない。
すなわち、本発明の石英ガラス母材の製造方法は、光ファイバ母材を製造するための特開２００１−２０６７２９号公報や特許第３１６８２７４号明細書に記載の方法にくらべて、合成する多孔質石英ガラス体がはるかに大きいため、反応器内を浮遊するガラス微粒子の量もはるかに多くなる。この結果、堆積面にレーザを照射した際に、反応器内を浮遊するガラス微粒子によってレーザ光が散乱される度合いが高くなり、堆積面からの戻り光の強度が低下し、十分な測定精度を得ることができない。しかも、バーナーや反応器壁面からの輻射の影響が大きいので、測定装置を堆積面の付近に設置して、測定精度の低下を補うことができない。
すなわち、本発明の石英ガラス母材の製造方法は、光ファイバ母材を製造するための特開２００１−２０６７２９号公報や特許第３１６８２７４号明細書に記載の方法にくらべて、合成する多孔質石英ガラス体がはるかに大きいため、反応器内を浮遊するガラス微粒子の量もはるかに多くなる。この結果、堆積面にレーザを照射した際に、反応器内を浮遊するガラス微粒子によってレーザ光が散乱される度合いが高くなり、堆積面からの戻り光の強度が低下し、十分な測定精度を得ることができない。しかも、バーナーや反応器壁面からの輻射の影響が大きいので、測定装置を堆積面の付近に設置して、測定精度の低下を補うことができない。
したがって、本発明の石英ガラス母材の製造方法では、堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを測定するのに、以下に述べる特定のレーザ変位計を用いることが好ましい。
合成中の多孔質石英ガラス体のような、高温の対象物の形状の測定に使用可能なレーザ変位計は、その測定原理により三角測量型と、位相変調型と、に大別される。本発明の石英ガラス母材の製造方法では、これらのうち、測定対象となる部位と、レーザ変位計と、の間にガラス微粒子のような散乱体が存在しても正確な測定が可能であることから、三角測量型のレーザ変位計を用いることが好ましい。
合成中の多孔質石英ガラス体のような、高温の対象物の形状の測定に使用可能なレーザ変位計は、その測定原理により三角測量型と、位相変調型と、に大別される。本発明の石英ガラス母材の製造方法では、これらのうち、測定対象となる部位と、レーザ変位計と、の間にガラス微粒子のような散乱体が存在しても正確な測定が可能であることから、三角測量型のレーザ変位計を用いることが好ましい。
また、レーザ変位計の光源としては、ＪＩＳ Ｃ６８０２に基づくクラス２の光源が通常使用されているが、本発明の石英ガラス母材の製造方法では、クラス３Ｒ以上のレーザをレーザ変位計の光源として用いることが好ましい。
クラス３Ｒ以上のレーザであれば、レーザの出力が十分高いため、本発明の石英ガラス母材の製造方法のように、反応器内に多量のガラス微粒子が浮遊する環境であっても、十分な測定精度で堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを測定することができる。
クラス３Ｒ以上のレーザであればよいので、クラス３Ｂやクラス４のレーザも使用することができる。但し、安全性の観点から、クラス３Ｒのレーザを使用することが好ましい。
クラス３Ｒ以上のレーザであれば、レーザの出力が十分高いため、本発明の石英ガラス母材の製造方法のように、反応器内に多量のガラス微粒子が浮遊する環境であっても、十分な測定精度で堆積面４１の中心に形成される凹部４２の深さを測定することができる。
クラス３Ｒ以上のレーザであればよいので、クラス３Ｂやクラス４のレーザも使用することができる。但し、安全性の観点から、クラス３Ｒのレーザを使用することが好ましい。
以下、ＶＡＤ法による多孔質石英ガラス体を合成条件についてさらに記載する。
［ガラス形成原料］
本発明の方法により製造される石英ガラス母材が、石英、すなわち、ＳｉＯ2のみで構成される場合、ガラス形成原料として、ＳｉＯ2前駆体をバーナーに供給する。
ＳｉＯ2前駆体の具体例としては、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）、ＳｉＨＣｌ3、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＨ3Ｃｌなどの塩化物、四塩化フッ素（ＳｉＦ4）、ＳｉＨＦ3、ＳｉＨ2Ｆ2などのフッ化物、四臭化ケイ素（ＳｉＢｒ4）、ＳｉＨＢｒ3などの臭化物、ＳｉＩ4などのヨウ化物といったハロゲン化ケイ素化合物、またＲnＳｉ（ＯＲ）4-n（ここでＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数。なお、Ｒは同一でも異なっていてもよい。）で示されるアルコキシシラン等が例示される。
本発明の方法により製造される石英ガラス母材が、ＴｉＯ2等の金属ドーパントを含有する場合、上述したＳｉＯ2前駆体に加えて、該金属ドーパントの前駆体をバーナーに供給する。たとえば、金属ドーパントとして、ＴｉＯ2を含有する場合、上述したＳｉＯ2前駆体に加えて、ＴｉＯ2前駆体をバーナーに供給する。
ＴｉＯ2前駆体の具体例としては、ＴｉＣｌ4、ＴｉＢｒ4などのハロゲン化チタン化合物、またＲnＴｉ（ＯＲ）4-n（ここでＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数。なお、Ｒは同一でも異なっていてもよい。）で示されるアルコキシチタン等が例示される。
なお、上記のガラス形成原料は、キャリアガスとともにバーナーに供給してもよい。この場合、キャリアガスとしては、燃焼ガスとしても用いる酸素および水素のうち、一方が通常用いられる。
本発明の方法により製造される石英ガラス母材が、石英、すなわち、ＳｉＯ2のみで構成される場合、ガラス形成原料として、ＳｉＯ2前駆体をバーナーに供給する。
ＳｉＯ2前駆体の具体例としては、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）、ＳｉＨＣｌ3、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＨ3Ｃｌなどの塩化物、四塩化フッ素（ＳｉＦ4）、ＳｉＨＦ3、ＳｉＨ2Ｆ2などのフッ化物、四臭化ケイ素（ＳｉＢｒ4）、ＳｉＨＢｒ3などの臭化物、ＳｉＩ4などのヨウ化物といったハロゲン化ケイ素化合物、またＲnＳｉ（ＯＲ）4-n（ここでＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数。なお、Ｒは同一でも異なっていてもよい。）で示されるアルコキシシラン等が例示される。
本発明の方法により製造される石英ガラス母材が、ＴｉＯ2等の金属ドーパントを含有する場合、上述したＳｉＯ2前駆体に加えて、該金属ドーパントの前駆体をバーナーに供給する。たとえば、金属ドーパントとして、ＴｉＯ2を含有する場合、上述したＳｉＯ2前駆体に加えて、ＴｉＯ2前駆体をバーナーに供給する。
ＴｉＯ2前駆体の具体例としては、ＴｉＣｌ4、ＴｉＢｒ4などのハロゲン化チタン化合物、またＲnＴｉ（ＯＲ）4-n（ここでＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数。なお、Ｒは同一でも異なっていてもよい。）で示されるアルコキシチタン等が例示される。
なお、上記のガラス形成原料は、キャリアガスとともにバーナーに供給してもよい。この場合、キャリアガスとしては、燃焼ガスとしても用いる酸素および水素のうち、一方が通常用いられる。
［燃焼ガス］
上述したように、酸水素火炎を形成するための燃焼ガスとして、酸素および水素をバーナーへ供給する。ここで、安全上の理由から、水素は完全に酸水素火炎中で消費させる必要があるため、両者の供給量は、酸素に対する水素の割合（水素／酸素）は、０．５以上となる量とする。合成の安定性から考えると０．５〜０．７となるように供給することがさらに好ましい。
上述したように、酸水素火炎を形成するための燃焼ガスとして、酸素および水素をバーナーへ供給する。ここで、安全上の理由から、水素は完全に酸水素火炎中で消費させる必要があるため、両者の供給量は、酸素に対する水素の割合（水素／酸素）は、０．５以上となる量とする。合成の安定性から考えると０．５〜０．７となるように供給することがさらに好ましい。
［不活性ガス］
シールガスとして供給する不活性ガスとしては、窒素、または、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスを用いることができる。
これらの中でも、安価である等の理由から、窒素、アルゴンが好ましい。
シールガスとして供給する不活性ガスとしては、窒素、または、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスを用いることができる。
これらの中でも、安価である等の理由から、窒素、アルゴンが好ましい。
本発明の石英ガラス母材の製造方法では、上記の手順で得られた多孔質石英ガラス体を、真空中、または、窒素ガス、若しくは、ヘリウム、ネオン、アルゴンといった希ガス等不活性ガス雰囲気中で加熱し、透明ガラス化することにより石英ガラス母材を得る。ここで、透明ガラス化するための加熱条件は、１２００〜１８００℃で２〜１０時間であることが好ましく、１３５０〜１７００℃で２〜１０時間であることがより好ましい。
以下、実施例により本発明を詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
実施例１では、図１に示す手順でＶＡＤ法により多孔質石英ガラス体を合成し、該多孔質ガラス体を透明ガラス化して石英ガラス母材を得た。
バーナー１０には、ガラス形成原料として四塩化ケイ素を、キャリアガスとしての水素とともに供給した。また、バーナー１０には、燃焼ガスとして酸素および水素、シールガスとして窒素を供給した。
バーナー１０から発せられる火炎（酸水素火炎）２０中でガラス形成原料が加水分解することによって生成したガラス微粒子（シリカ微粒子）を、回転するターゲット（中空のシリカ製の球状体。球の外径は２００ｍｍφ）３０上に堆積させ、成長させることによって多孔質石英ガラス体４０を合成した。多孔質石英ガラス体の合成時、ガラス微粒子（シリカ微粒子）は堆積面４１に逐次付着するので、ターゲット３０を徐々に上方へ移動させて、バーナー１０端面と堆積面４１との距離を一定に保った。
実施例１では、図１に示す手順でＶＡＤ法により多孔質石英ガラス体を合成し、該多孔質ガラス体を透明ガラス化して石英ガラス母材を得た。
バーナー１０には、ガラス形成原料として四塩化ケイ素を、キャリアガスとしての水素とともに供給した。また、バーナー１０には、燃焼ガスとして酸素および水素、シールガスとして窒素を供給した。
バーナー１０から発せられる火炎（酸水素火炎）２０中でガラス形成原料が加水分解することによって生成したガラス微粒子（シリカ微粒子）を、回転するターゲット（中空のシリカ製の球状体。球の外径は２００ｍｍφ）３０上に堆積させ、成長させることによって多孔質石英ガラス体４０を合成した。多孔質石英ガラス体の合成時、ガラス微粒子（シリカ微粒子）は堆積面４１に逐次付着するので、ターゲット３０を徐々に上方へ移動させて、バーナー１０端面と堆積面４１との距離を一定に保った。
反応器下部に取り付けられた石英ガラス窓の下に、光源としてレーザクラス３Ｒのレーザを備えた三角測量型レーザ変位計を設置し、堆積面４１の中心、すなわち、ターゲット３０の回転軸と一致する位置にレーザ光を照射し、レーザ変位計−堆積面４１中心間の距離を測定した。
多孔質石英ガラス体の合成開始後、レーザ変位計−堆積面４１中心間の距離が増加し、堆積面４１の中心に凹部が形成されたことを確認した。多孔質石英ガラス体の合成開始から３０時間経過後、レーザ変位計−堆積面４１中心間の増加分が３０ｍｍまで増加したので、バーナー１０への四塩化ケイ素の供給量を増やし、レーザ変位計−堆積面中心間の増加分が２５ｍｍまで減少させた。多孔質石英ガラス体の合成開始から５０時間経過した時点で合成を終了し、平均径が５００ｍｍφ（質量８０ｋｇ）の多孔質石英ガラス体を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は８０％であった。
合成された多孔質石英ガラス体を真空下で１４５０℃で３時間加熱して透明ガラス化することにより、平均径が２８０ｍｍφ（質量７７ｋｇ）の石英ガラス母材を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は７７％であった。
多孔質石英ガラス体の合成開始後、レーザ変位計−堆積面４１中心間の距離が増加し、堆積面４１の中心に凹部が形成されたことを確認した。多孔質石英ガラス体の合成開始から３０時間経過後、レーザ変位計−堆積面４１中心間の増加分が３０ｍｍまで増加したので、バーナー１０への四塩化ケイ素の供給量を増やし、レーザ変位計−堆積面中心間の増加分が２５ｍｍまで減少させた。多孔質石英ガラス体の合成開始から５０時間経過した時点で合成を終了し、平均径が５００ｍｍφ（質量８０ｋｇ）の多孔質石英ガラス体を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は８０％であった。
合成された多孔質石英ガラス体を真空下で１４５０℃で３時間加熱して透明ガラス化することにより、平均径が２８０ｍｍφ（質量７７ｋｇ）の石英ガラス母材を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は７７％であった。
［実施例２］
多孔質石英ガラス体の合成開始から３０時間までは実施例１と同様の条件で実施した。合成開始から３０時間経過後、レーザ変位計−堆積面４１中心間の増加分が３０ｍｍまで増加したので、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒される位置が堆積面４１のより外周側となるように火炎２０の向きを変えることにより、レーザ変位計−堆積面中心間の増加分が２５ｍｍまで減少させた。多孔質石英ガラス体の合成開始から５０時間経過した時点で合成を終了し、平均径が５００ｍｍφ（質量８０ｋｇ）の多孔質石英ガラス体を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は８０％であった。
合成された多孔質石英ガラス体を真空下で１４５０℃で３時間加熱して透明ガラス化することにより、平均径が２８０ｍｍφ（質量７７ｋｇ）の石英ガラス母材を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は７７％であった。
多孔質石英ガラス体の合成開始から３０時間までは実施例１と同様の条件で実施した。合成開始から３０時間経過後、レーザ変位計−堆積面４１中心間の増加分が３０ｍｍまで増加したので、バーナー１０から発せられる火炎２０に晒される位置が堆積面４１のより外周側となるように火炎２０の向きを変えることにより、レーザ変位計−堆積面中心間の増加分が２５ｍｍまで減少させた。多孔質石英ガラス体の合成開始から５０時間経過した時点で合成を終了し、平均径が５００ｍｍφ（質量８０ｋｇ）の多孔質石英ガラス体を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は８０％であった。
合成された多孔質石英ガラス体を真空下で１４５０℃で３時間加熱して透明ガラス化することにより、平均径が２８０ｍｍφ（質量７７ｋｇ）の石英ガラス母材を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は７７％であった。
［比較例１］
実施例１と同様の手順で多孔質石英ガラス体の合成を実施した。但し、光源としてレーザクラス２のレーザを備えた光干渉型レーザ変位計を用いてレーザ変位計−堆積面４１中心間の距離の測定を実施した。
多孔質石英ガラス体の合成開始から１時間経過した時点で、レーザ変位計−堆積面４１中心間の距離が測定できなくなった。反応器内を浮遊するガラス微粒子によるレーザ光の散乱が原因と考えられる。そのため、多孔質石英ガラス体の合成開始後１時間以降は、堆積面の中心に形成された凹部の深さに応じた多孔質石英ガラス体の合成条件の制御ができなかった。多孔質石英ガラス体の合成開始から５０時間経過した時点で合成を終了し、平均径が４５０ｍｍφ（質量７０ｋｇ）の多孔質石英ガラス体を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する多孔質石英ガラス体の収率は７０％であった。
実施例１の結果から、多孔質石英ガラス体の合成過程で堆積面の中心に形成された凹部の深さが３０ｍｍ超となり、堆積面４１へのガラス微粒子の付着効率が低下した結果、多孔質石英ガラス体の収率が低下したものと考えられる。
合成された多孔質石英ガラス体を真空下で１４５０℃で３時間加熱して透明ガラス化することにより、平均径が２３０ｍｍφ（質量６７ｋｇ）の石英ガラス母材を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は６７％であった。
実施例１と同様の手順で多孔質石英ガラス体の合成を実施した。但し、光源としてレーザクラス２のレーザを備えた光干渉型レーザ変位計を用いてレーザ変位計−堆積面４１中心間の距離の測定を実施した。
多孔質石英ガラス体の合成開始から１時間経過した時点で、レーザ変位計−堆積面４１中心間の距離が測定できなくなった。反応器内を浮遊するガラス微粒子によるレーザ光の散乱が原因と考えられる。そのため、多孔質石英ガラス体の合成開始後１時間以降は、堆積面の中心に形成された凹部の深さに応じた多孔質石英ガラス体の合成条件の制御ができなかった。多孔質石英ガラス体の合成開始から５０時間経過した時点で合成を終了し、平均径が４５０ｍｍφ（質量７０ｋｇ）の多孔質石英ガラス体を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する多孔質石英ガラス体の収率は７０％であった。
実施例１の結果から、多孔質石英ガラス体の合成過程で堆積面の中心に形成された凹部の深さが３０ｍｍ超となり、堆積面４１へのガラス微粒子の付着効率が低下した結果、多孔質石英ガラス体の収率が低下したものと考えられる。
合成された多孔質石英ガラス体を真空下で１４５０℃で３時間加熱して透明ガラス化することにより、平均径が２３０ｍｍφ（質量６７ｋｇ）の石英ガラス母材を得た。バーナー１０へ供給した四塩化ケイ素に対する収率は６７％であった。
［比較例２］
酸素と水素の供給量を０．９倍にする以外は実施例１と同様の手順で多孔質石英ガラス体の合成を実施した。但し、レーザ変位計によるレーザ変位計−堆積面中心間の距離の測定は実施しなかった。
多孔質石英ガラス体の合成開始から３５時間経過した時点で多孔質石英ガラス体が崩壊した。この結果から、堆積面の中心に凹部が形成されなかったか、または、形成された凹部の深さが５ｍｍ未満であったために、多孔質石英ガラス体の中心付近のかさ密度が低くなり、多孔質石英ガラス体の強度が不十分となったことで、該ガラス体が崩壊したものと考えられる。
酸素と水素の供給量を０．９倍にする以外は実施例１と同様の手順で多孔質石英ガラス体の合成を実施した。但し、レーザ変位計によるレーザ変位計−堆積面中心間の距離の測定は実施しなかった。
多孔質石英ガラス体の合成開始から３５時間経過した時点で多孔質石英ガラス体が崩壊した。この結果から、堆積面の中心に凹部が形成されなかったか、または、形成された凹部の深さが５ｍｍ未満であったために、多孔質石英ガラス体の中心付近のかさ密度が低くなり、多孔質石英ガラス体の強度が不十分となったことで、該ガラス体が崩壊したものと考えられる。
［比較例３］
酸素と水素の供給量を１．１倍にする以外は実施例１と同様の手順で多孔質石英ガラス体の合成を実施した。但し、レーザ変位計によるレーザ変位計−堆積面中心間の距離の測定は実施しなかった。
多孔質石英ガラス体の合成開始から３５時間経過した時点で多孔質石英ガラス体の外周部が崩壊した。この結果から、温度の上昇による堆積面の収縮によって、該堆積面の外周部に引っ張り応力が加わった結果、該ガラス体の外周部が崩壊したものと考えられる。この際、堆積面の中心に形成された凹部の深さは３０ｍｍ超となっていたと考えられる。
酸素と水素の供給量を１．１倍にする以外は実施例１と同様の手順で多孔質石英ガラス体の合成を実施した。但し、レーザ変位計によるレーザ変位計−堆積面中心間の距離の測定は実施しなかった。
多孔質石英ガラス体の合成開始から３５時間経過した時点で多孔質石英ガラス体の外周部が崩壊した。この結果から、温度の上昇による堆積面の収縮によって、該堆積面の外周部に引っ張り応力が加わった結果、該ガラス体の外周部が崩壊したものと考えられる。この際、堆積面の中心に形成された凹部の深さは３０ｍｍ超となっていたと考えられる。
本発明の石英ガラス母材の製造方法は、波長１７０〜４００ｎｍの光を光源とする光学装置、より詳細には、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、重水素ランプ（波長１７０〜４００ｎｍ）、Ｘｅ2エキシマランプ（波長１７２ｎｍ）、水銀ランプ等を光源とした光学装置の、レンズ、プリズム、エタロン、回折格子、フォトマスク、ペリクル（ペリクル材およびペリクルフレーム）、ミラー、窓材などの光学部品材料として用いられる光学部材用合成石英ガラスの製造に好適ではる。
また、本発明の石英ガラス母材の製造方法は、波長０．２〜１００ｎｍ程度の軟Ｘ線領域または真空紫外域の波長帯の光（ＥＵＶ光）を光源とする光学装置の、フォトマスク、ミラーなどの光学部品材料として用いられる光学部材用ドーパント石英ガラスの製造にも好適である。
また、本発明の石英ガラス母材の製造方法は、波長０．２〜１００ｎｍ程度の軟Ｘ線領域または真空紫外域の波長帯の光（ＥＵＶ光）を光源とする光学装置の、フォトマスク、ミラーなどの光学部品材料として用いられる光学部材用ドーパント石英ガラスの製造にも好適である。
１０：バーナー
２０：火炎
３０：ターゲット
４０：多孔質石英ガラス体
４１：堆積面
４２：凹部
２０：火炎
３０：ターゲット
４０：多孔質石英ガラス体
４１：堆積面
４２：凹部
Claims (6)
- ガラス形成原料をバーナーから発せられる酸水素火炎中で加水分解して得られるガラス微粒子を、回転するターゲット上に堆積、成長させて多孔質石英ガラス体を合成する手順を含む石英ガラス母材の製造方法であって、
前記ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体表面の前記ターゲットの回転軸と略一致する位置に、深さ５〜３０ｍｍの凹部が形成されるように、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御することを特徴とする石英ガラス母材の製造方法。 - 三角測量方式のレーザ変位計を用いて測定される、前記多孔質石英ガラス体表面に形成される凹部の深さに基づいて、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御する請求項１に記載の石英ガラス母材の製造方法。
- ＪＩＳ Ｃ６８０２に基づくクラス３Ｒ以上のレーザを光源とするレーザ変位計を用いて測定される、前記多孔質石英ガラス体表面に形成される凹部の深さに基づいて、多孔質石英ガラス体の合成条件を制御する請求項１または２に記載の石英ガラス母材の製造方法。
- 前記バーナーへのガス供給条件を制御することにより、前記多孔質石英ガラス体の合成条件を制御する請求項１〜３のいずれかに記載の石英ガラス母材の製造方法。
- 前記バーナーから発せられる酸水素火炎と、前記ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体表面と、の位置関係を制御することにより、前記多孔質石英ガラス体の合成条件を制御する請求項１〜４のいずれかに記載の石英ガラス母材の製造方法。
- 前記ターゲット上に形成される多孔質石英ガラス体表面よりも下方に位置する反応器の内壁の温度を制御することにより、前記多孔質石英ガラス体の合成条件を制御する請求項１〜５のいずれかに記載の石英ガラス母材の製造方法。
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| JPH0383830A (ja) * | 1989-08-25 | 1991-04-09 | Shin Etsu Chem Co Ltd | グレーテッドインデックス型光ファイバ母材の製造方法 |
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