JP2014088286A

JP2014088286A - 不透明石英ガラスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2014088286A
Application number: JP2012239547A
Authority: JP
Inventors: Koji Okazaki; 浩司岡崎; Shusuke Yamada; 修輔山田; Kazuyoshi Arai; 一喜新井
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-05-15

Abstract

【課題】純度が高く、熱線遮断効果の高い不透明石英ガラスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】高純度不透明石英ガラスにおいて、微細な高純度非晶質珪酸原料粉末を成形し、所定の温度で焼結することによって、化学純度が高く、含まれる独立気泡が微細であると共に、気泡の含有密度が高く、よって熱線遮断性に優れた高純度不透明石英ガラスで、平均気泡径が１〜１０μｍ、密度が１．９８〜２．１５ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする
【選択図】なし

Description

本発明は、熱線遮断効果の高い不透明石英ガラスおよびその製造方法に関する。

従来、不透明石英ガラスの製造方法としては、結晶質シリカまたは非晶質シリカに窒化珪素等の発泡剤を添加して溶融する方法（例えば、特許文献１、２参照）が知られているが、このような方法は発泡剤が気化して気泡を形成するため、気泡が大きくなり、密度や機械的強度の低下、透過率が低くなるといった問題があった。

それに対して、発泡剤を添加することなく非晶質シリカ粉末をその溶融温度以下で焼結する不透明石英ガラスの製造方法であれば（例えば、特許文献３〜５参照）、気泡の平均径を小さくすることが可能であるが、クラックを発生させないように成形体を形成するためには、スラリーの形成、スラリーを型内で固化・乾燥させる際に、長時間を必要とするという問題があった。

特開平４−０６５３２８号公報特開平５−２５４８８２号公報特開平７−２６７７２４号公報特開平８−１４３３２９号公報特表平９−５０６３２４号公報

本発明は、熱線遮断効果の高い不透明石英ガラスおよびその製造方法を提供することである。

本発明者らは、微細な非晶質珪酸原料粉末を成形し、所定の温度で焼結することによって、化学純度が高く、含まれる独立気泡が微細であると共に、気泡の含有密度が高い、熱線遮断性に優れる不透明石英ガラスを得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。

本発明は、９９．９ｗｔ％以上の化学純度を有する不透明石英ガラスにおいて、前記不透明石英ガラス中に含まれる独立気泡の平均気泡径が１〜１０μｍ、密度が１．９８〜２．１５ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする不透明石英ガラスである。

本発明の不透明石英ガラスは、半導体熱処理治具にも用いられるため、その化学純度が９９．９ｗｔ％以上であることが求められる。

不透明石英ガラスの熱線遮断性を向上するためには、遮断したい赤外線と同程度のサイズの気泡を有することと、気泡の含有密度が高いことが有効である。遮断したい赤外線の波長は１〜１０μｍであるため、平均気泡径が１〜１０μｍであることが必要であり、平均気泡径が２〜１０μｍであることが好ましい。また、気泡の含有密度は、高すぎると不透明石英ガラスの密度が低くなり、それに伴って不透明石英ガラスの強度が弱く実用に耐えられないため、不透明石英ガラスの強度と熱線遮断性のバランスを考慮して、密度が１．９８〜２．１５ｇ／ｃｍ^３であることが必要であり、密度が１．９８〜２．１０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。

本発明の不透明石英ガラスは、波長が２μｍにおける試料厚さ１ｍｍの直線透過率が１％以下であることが好ましい。上述のとおり、熱線遮断性は赤外線の透過率と深く関係するので、波長が２μｍにおける試料厚さ１ｍｍの直線透過率が１％以下である本発明の不透明石英ガラスは熱線遮断性に非常に優れている。

次に、本発明の不透明石英ガラスの製造方法について説明する。

本発明の不透明石英ガラスの製造方法は、化学純度が９９．９ｗｔ％以上で、平均粒径が１〜２０μｍである非晶質珪酸原料粉末を乾式プレス成形した後に、１２００〜１６５０℃の温度で焼成することを特徴とする。なお、全工程に言えることであるが、工程中に不純物汚染が起こらぬように、使用する装置等についても充分に選定を行う必要がある。

まず、本発明の原料粉末である非晶質珪酸原料粉末を選定する必要がある。原料粉末である非晶質珪酸原料粉末の化学純度は９９．９ｗｔ％以上であれば、その製造方法はとくに限定しないが、例えばシリコンアルコキシドの加水分解によって製造された非晶質珪酸原料粉末や、四塩化珪素を酸水素炎等で加水分解して作製した非晶質珪酸原料粉末等を用いることができる。また、高純度石英ガラスを破砕した粉末も用いることができる。

本発明で使用する非晶質珪酸原料粉末の粒径は、焼結後にできる不透明石英ガラスの気泡サイズに大きく影響を与え、粒径が小さすぎると気泡のサイズも小さくなるため好ましくない。また、粒径が大きすぎても気泡径が大きくなるため好ましくない。波長１〜１０μｍの赤外線を散乱する不透明石英ガラスを得るためには、その原料粉末の平均粒径が１〜２０μｍであることが好ましく、平均粒径が２〜１０μｍであることがより好ましい。各種製造法で作製された非晶質珪酸原料粉末は、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル等で粉砕、分級することで上記粒径に調整することができる。

次に、非晶質珪酸原料粉末を乾式プレス成形する。成形方法は、鋳込み成型法、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法、金型プレス法等を用いることができる。特に本発明の成型には、ＣＩＰ法を用いると、工程が少なく容易に成形体を得ることができる点で好ましい。さらにＣＩＰ法を用いて、円板形状や円筒形状、リング形状の成形体を作製する方法としては、特に限定しないが、発泡スチロールのような塑性変形可能な鋳型を用いる成形法（例えば、特開平４−１０５７９７参照）や、底板が上パンチよりも圧縮変形の少ない材料で構成されている組立式型枠を用いる方法（例えば、特開２００６−２４１５９５参照）で成形することが可能である。

次に、上記の成形方法により成形した成形体を１２００〜１６５０℃の温度で焼成する。焼成温度は１２００〜１６５０℃で行なうこと好ましく、１３００〜１５００℃で行なうことがより好ましく、さらに１３５０〜１４００℃で行うことがより好ましい。焼成温度が１２００℃より低いと、焼結が十分進まず焼結体の強度が弱く実用に耐えられないため好ましくない。また、焼成温度が１６５０℃を超えると、焼結が進み過ぎて焼成体の透過率が高くなり熱線遮断性が低くなってしまうとともに、結晶化が起こりやすくなり相転移に伴う体積収縮によって焼成体にクラックが発生してしまうため好ましくない。

焼成時間は焼結温度や成形体のサイズによるが、０．５〜２０時間で行うことが好ましく、１〜１０時間で行うことがより好ましく、さらに１〜４時間で行うことがより好ましい。焼成時間が短いと焼結が十分進まず焼結体の強度が弱く実用に耐えられないため好ましくない。また、焼成時間が長すぎると焼結が進み過ぎて焼成体の透過率が高くなり熱線遮断性が低くなってしまうとともに、結晶化が起こりやすくなり相転移に伴う体積収縮によって焼成体にクラックが発生してしまうリスクが高くなるため好ましくない。

焼成時の雰囲気は特に限定されず、大気雰囲気、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気、減圧雰囲気中で行なうことができるが、大気雰囲気下であることが好ましい。

本発明の不透明石英ガラスは、純度が高く、微細な気泡を多量に含有するため、熱線遮断性に優れているため、半導体製造装置用部材、ＦＰＤ製造装置用部材、太陽電池製造装置用部材、ＬＥＤ製造装置用部材、ＭＥＭＳ製造装置用部材、光学部材等に用いることができる。なお、必ずしも部材全体が本発明の不透明石英ガラスで形成されている必要はなく、用途によっては一部が本発明の不透明石英ガラスで形成されているだけでもよい。

実施例１で作製した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。実施例２で作製した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。実施例３で作製した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。実施例４で作製した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。実施例５で作製した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。実施例６で作製した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。実施例７で作製した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。実施例８で作製した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。比較例１で測定した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。比較例２で測定した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。比較例３で測定した高純度石英ガラスの断面をＳＥＭにより観察した図である。

以下に実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は係る実施例に限定されるものではない。

粉末の平均粒径はレーザー回折式粒度分布測定装置（（株）島津製作所製、商品名「ＳＡＬＤ−７１００」）を用いて測定されるメディアン径（Ｄ５０）の値を用いた。

なお、得られた不透明石英ガラスの密度はアルキメデス法により測定し、平均気泡径は切断面を光学研磨し、ＳＥＭ観察により算出した。

また、赤外線直線透過率は、得られた不透明石英ガラスを平面研削および研磨により加工し、２２０番ダイヤモンド砥粒で仕上げ、厚さ１ｍｍの測定試料を作製し、赤外分光光度計（（株）島津製作所製、商品名「ＩＲＰｒｅｓｔｉｇｅ−２１」）を用いて、波長１．３〜２０μｍの波長範囲において直径５ｍｍのスリットを試料の前に置き測定を行なった。

実施例１
化学的純度が９９．９ｗｔ％以上である合成非晶質シリカ粉末（日本化成（株）製、商品名「ＭＫＣシリカＰＳ４００」）を出発原料粉末として選定し、平均粒径は２６０μｍであった。振動ミル（中央化工機（株）製、商品名「ＭＢ−１型」）を用いて、内容積３．１Ｌのナイロンポット内に、出発原料粉末５００ｇ、粉砕メディアとしてφ５ｍｍの石英ガラスボールを１ｋｇ仕込み、振幅１１．５ｍｍ、粉砕時間２４時間の条件で粉砕した。平均粒径が７μｍとなった粉砕粉末を原料粉末とした。

発泡スチロール製の型に原料粉末を充填し、発泡スチロール型全体をポリエチレン製袋で減圧封入し、圧力は２００ＭＰａ、保持時間は１分間の条件でＣＩＰ成形した。

ＣＩＰ成形後の成形体を、大気雰囲気下で、室温から１０００℃までは５℃／分、１０００℃以上から最高焼成温度１３５０℃までは１℃／分で昇温し、最高焼成温度１３５０℃で３時間保持して焼成した。その後に５℃／分で１０００℃まで降温し、その後炉冷し不透明石英ガラスを得た。

得られた不透明石英ガラスの密度、平均気泡径、波長２μｍにおける赤外線直線透過率について表１に示す。

実施例２
実施例１と同様の方法で原料粉末を用意し、実施例１と同様の方法でＣＩＰ成形した。

ＣＩＰ成形後の成形体を、大気雰囲気下で、室温から１０００℃までは５℃／分、１０００℃以上から最高焼成温度１３７５℃までは１℃／分で昇温し、最高焼成温度１３７５℃で３時間保持して焼成した。その後に５℃／分で１０００℃まで降温し、その後炉冷し不透明石英ガラスを得た。

実施例３
実施例１と同様の合成非晶質シリカ粉末を出発原料粉末として選定し、振動ミルを用いて、内容積３．１Ｌのナイロンポット内に、出発原料粉末５００ｇ、粉砕メディアとしてφ５ｍｍの石英ガラスボールを１ｋｇ仕込み、振幅１１．５ｍｍ、粉砕時間５時間の条件で粉砕した。平均粒径が１３μｍとなった粉砕粉末を原料粉末とした。成形は実施例１と同様の方法でＣＩＰ成形した。

ＣＩＰ成形後の成形体を、大気雰囲気下で、室温から１０００℃までは５℃／分、１０００℃以上から最高焼成温度１４００℃までは１℃／分で昇温し、最高焼成温度１４００℃で３時間保持して焼成した。その後に５℃／分で１０００℃まで降温し、その後炉冷し不透明石英ガラスを得た。

実施例４
実施例１と同様の合成非晶質シリカ粉末を出発原料粉末として選定し、振動ミルを用いて、内容積３．１Ｌのナイロンポット内に、出発原料粉末５００ｇ、粉砕メディアとしてφ５ｍｍの石英ガラスボールを１ｋｇ仕込み、振幅１１．５ｍｍ、粉砕時間４時間の条件で粉砕した。平均粒径が１４μｍとなった粉砕粉末を原料粉末とした。成形は実施例１と同様の方法でＣＩＰ成形した。

実施例５
化学的純度が９９．９ｗｔ％以上である合成非晶質シリカ粉末（日本化成（株）製、商品名「ＭＫＣシリカＰＳ２００」）を出発原料粉末として選定し、平均粒径は９０μｍであった。ジェットミル（（株）アイシンナノテクノロジーズ製、商品名「ＮＪ−１００」）を用いて、原料粉末フィード量５ｋｇ／時間の条件で粉砕した。平均粒径は６μｍであった。

粉砕された合成非晶質シリカ粉末に、化学的純度が９９．９ｗｔ％以上である合成微細球状非晶質シリカ粉（（株）龍森製、商品名「１−ＦＸ」）が５ｗｔ％となるように、５Ｌのポリエチレン製ポットに仕込み、φ５ｍｍの石英ガラスボールを混合メディアとして１時間混合し、原料粉末とした。平均粒径は６μｍであった。成形は実施例１と同様の方法でＣＩＰ成形した。

実施例６
実施例５と同様の方法でジェットミル粉砕し、粉砕された合成非晶質シリカ粉末に、合成微細球状非晶質シリカ粉が１０ｗｔ％となるように、５Ｌのポリエチレン製ポットに仕込み、φ５ｍｍの石英ガラスボールを混合メディアとして１時間混合し、原料粉末とした。平均粒径は６μｍであった。成形は実施例１と同様の方法でＣＩＰ成形した。

実施例７
実施例６と同様の方法で原料粉末を用意し、実施例１と同様の方法でＣＩＰ成形した。

実施例８
実施例５と同様の方法でジェットミル粉砕し、粉砕された合成非晶質シリカ粉末に、合成微細球状非晶質シリカ粉が３０ｗｔ％となるように、５Ｌのポリエチレン製ポットに仕込み、φ５ｍｍの石英ガラスボールを混合メディアとして１時間混合し、原料粉末とした。平均粒径は５μｍであった。成形は実施例１と同様の方法でＣＩＰ成形した。

比較例１
実施例１と同様の原料粉末と振動ミルを用いて、内容積３．１Ｌのナイロンポット内に、出発原料粉末１０００ｇ、粉砕メディアとしてφ５ｍｍの石英ガラスボールを３ｋｇ仕込み、振幅１１．５ｍｍ、粉砕時間２４時間の条件で粉砕した。平均粒径が２７μｍとなった粉砕粉末を原料粉末とした。成形は実施例１と同様の方法でＣＩＰ成形した。

得られた不透明石英ガラスの密度、平均気泡径、波長２μｍにおける赤外線直線透過率について表１に示す。気泡径が大きいため赤外線直線透過率が高かった。

比較例２
発泡剤を混合して加熱溶融する方法で作製された市販の不透明石英ガラスの密度、平均気泡径、波長２μｍにおける赤外線直線透過率について表１に示す。密度が低いが、気泡径が大きいため赤外線直線透過率が高かった。

比較例３
鋳込み成形法で作製された市販の不透明石英ガラスの密度、平均気泡径、波長２μｍにおける赤外線直線透過率について表１に示す。密度が高く、気泡個数が少ないため赤外線直線透過率が高かった。

半導体製造装置用部材、ＦＰＤ製造装置用部材、太陽電池製造装置用部材、ＬＥＤ製造装置用部材、ＭＥＭＳ製造装置用部材、光学部材等に用いることができる。

Claims

９９．９ｗｔ％以上の化学純度を有する不透明石英ガラスにおいて、前記不透明石英ガラス中に含まれる独立気泡の平均気泡径が１〜１０μｍ、密度が１．９８〜２．１５ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする不透明石英ガラス。
前記不透明石英ガラス中に含まれる独立気泡の平均気泡径が２〜１０μｍ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。
密度が１．９８〜２．１０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１または２に記載の不透明石英ガラス。
波長が２μｍにおける試料厚さ１ｍｍの直線透過率が１％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の不透明石英ガラス。
化学純度が９９．９ｗｔ％以上で、平均粒径が１〜２０μｍである非晶質珪酸原料粉末を乾式プレス成形した後に、１２００〜１６５０℃の温度で焼成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスを製造する方法。
非晶質珪酸原料粉末の平均粒径が２〜１０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の不透明石英ガラスを製造する方法。
焼成の温度が１３００〜１５００℃であることを特徴とする請求項５または６に記載の不透明石英ガラスを製造する方法。
焼成の雰囲気が大気雰囲気下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の不透明石英ガラスを製造する方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスによって一部または全体が形成されていることを特徴とする半導体製造装置用部材。
請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスによって一部または全体が形成されていることを特徴とするＦＰＤ製造装置用部材。
請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスによって一部または全体が形成されていることを特徴とする太陽電池製造装置用部材。
請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスによって一部または全体が形成されていることを特徴とするＬＥＤ製造装置用部材。
請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスによって一部または全体が形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ製造装置用部材。
請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスによって一部または全体が形成されていることを特徴とする光学部材。