JP3128451B2 - 合成石英ガラスの製造方法 - Google Patents
合成石英ガラスの製造方法Info
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Description
方法に関し、さらに詳しくは、天然ガラスの電気溶融品
以上の高温粘性を有する合成石英ガラスの製造方法に関
する。
は、四塩化ケイ素等のケイ素化合物を水素火炎中で加水
分解させて得たシリカ微粒子を担体上に堆積させ、これ
を直接溶融して合成石英ガラスとする直接法によるもの
(特公平3−31010号公報)、上記ケイ素化合物を
メチルトリメトキシシラン等のエステルシランとし、多
孔質ガラス母材を作り、これを溶融して合成石英ガラス
とする、いわゆるスート法によるもの(特公平4−20
853号公報)、また、高周波プラズマ炎中で、ケイ素
化合物、酸素および塩化水素の混合ガスを反応させて二
酸化ケイ素を生成させ、これを担体上に堆積させる、い
わゆるプラズマ法によるもの(特公昭63−38343
号公報)、あるいはアルコキシシランを酸またはアンモ
ニア触媒の存在下で加水分解させ、シリカ微粒子を得、
得られたシリカ微粒子を焼結して合成石英ガラスとす
る、いわゆるゾルゲル法によるもの等がある。
において、アルカリ金属(Na等)により分裂した網目
構造を修復するための中間酸化物、すなわち、それ自身
では連続的な網目構造を作れないが、SiO4 の四面体
の間の空孔を埋め、ある条件のもとで連続的網目構造を
形成する酸化物として存在していると考えられ、このア
ルミニウムの存在により網目構造が強され、高温粘性が
向上すると考えられる。このアルミニウムの作用を利用
したアルミニウムドープ合成石英ガラスが、高温粘性を
得る目的等で従来から製造されている。
製造方法としては、例えば、アルキルシリケートを塩基
性試薬で加水分解して生成されたゾル溶液中に、アルミ
ニウム化合物を添加し、乾燥後、焼結して合成石英ガラ
スを得る方法(特開昭63−123825号公報)、あ
るいはシリカ微粒子を主成分とするゾル溶液を回転ゲル
化することによって得られる管状シリカ多孔質体に、ア
ルミニウムアルコキシドを拡散させた後、乾燥、焼結
し、光ファイバ用母材とする方法(特開昭62−100
442)等のゾルゲル合成法が知られている。
うな従来の合成石英ガラスの製造方法、および従来のア
ルミニウムドープ合成石英ガラスの製造方法にはそれぞ
れ問題点がある。
において、直接法により得られた合成石英ガラスは、O
H基の含有率が200〜1,000ppm、Cl基の含
有率が最大150ppm程度あり、高温粘性が低い。ま
た、スート法により得られた合成石英ガラスも、OH基
の含有率が最大300ppm程度、Cl基の含有率が最
大100ppm程度あり、塩素脱水しても塩素が残留す
るため、充分な高温粘性が得られない。
では、OH基の含有率はほぼ0であるが、Cl基の含有
率は最大1,000ppm程度もあり、さらに生産コス
トが高く、量産が難しい。また、ゾルゲル法により得ら
れた合成石英ガラスでは、Cl基の含有率はほぼ0であ
るが、OH基の含有率は最大800ppm程度もあり、
酸触媒を用いた場合はOH基が残留し、また酸触媒を塩
酸とした場合には、Cl基が残留するため、充分な高温
粘性が得られない。
の製造方法においては、ゾルゲル法により得られた合成
石英ガラスでは、OH基を有しているため高温粘性が低
く、耐熱性合成石英ガラス部材への使用には適さない。
ニアの存在下で加水分解し、アルミニウム含有球状シリ
カ粒子を得、これを脱水、脱炭、焼結させ、この時にア
ルミナをドープし、得られたガラス体を粉砕、篩別後精
製し、次いで酸水素炎で焼結し、透明化させて高粘度石
英ガラスを得る方法を提案したが(特公平5−4156
5号公報)、この方法ではアルミニウム含有率及び粘度
の均一性の点で十分ではない。
ケートとアルミニウムアルコキシドを混合・攪拌した溶
液を、アンモニアの存在下で加水分解し、アルミニウム
含有の球状シリカ粒子を得、これを脱水、脱炭、焼結さ
せ、得られたガラス体を粉砕、篩別後精製し、次いで溶
融して合成石英ガラス部材とする方法も提案し、アルミ
ニウム含有率を0.1〜1,000ppm、得られた合
成石英ガラスの高温粘性の下限が天然ガラスと同等以上
という結果を得た(特願平6−182353号)。本発
明はこれをさらに発展させたものである。
もので、その目的は、均一にアルミニウムを含有し、か
つOH基およびCl基を殆ど含有しない高純度で高温粘
性を有する合成石英ガラスの製造方法を提供することに
ある。
め、本発明の請求項1記載の合成石英ガラスの製造方法
は、メチルシリケートとアルミニウムアルコキシドとを
混合・攪拌して得られた溶液を、アンモニアの存在下で
加水分解してアルミニウムを含有するシリカ粒子を得、
これを固液分離して脱水したシリカ粒子をさらに加熱し
て脱炭した後、焼結して合成石英ガラスインゴットを得
た後、このアルミニウムを含有する合成石英ガラスイン
ゴットを粉砕、篩別、磁選、精製して合成石英ガラス粉
とし、これを常圧、加圧又は真空下で溶融して合成石英
ガラスを製造する方法において、前記焼結工程におい
て、一旦α−クリストバライトに結晶転移させた後、真
空下又は減圧下で1,800〜1,950℃にて溶融ガ
ラス化することを特徴とする。
スの製造方法は、請求項1記載の方法において、結晶型
に近い非結晶質であり、アルミニウム以外の金属元素含
有率が何れも10ppb以下で且つOH基およびCl基
の含有率が1ppm以下で、さらに徐冷点が1,250
℃以上、歪み点が1,140℃以上である合成石英ガラ
スを得ることを特徴とする。
ドは、常温常圧において液体として存在し、加水分解温
度が比較的低く、またメチルシリケートの加水分解速度
に近いものが好ましく、具体的には、アルミニウムse
c−ブチレート(Al(sec−C4H9O3))が最も
適している。そして、このアルミニウムアルコキシド
は、メチルシリケート中へ滴下され、攪拌機にて均一に
混合・攪拌される。
ド中のアルミニウムの固定率はガラス化後において、ほ
ぼ100%であり、また、メチルシリケートへのアルミ
ニウムアルコキシドの添加量と合成石英ガラス中のアル
ミニウムの含有量には比例関係があり、したがって、計
算上、求めるSiO2 のAl含有量に応じて、アルミニ
ウムアルコキシドを添加すれば良い。(得られるアルミ
ニウム含有量は、計算値に対し、その誤差は5%未満で
ある)なお、アルミニウムアルコキシドの計量は、密封
容器内にて乾燥雰囲気中で行うことが必要となる。
アルミニウムアルコキシドの重量比と、得られた合成石
英ガラス中のアルミニウム含有率を、アルミニウムアル
コキシドとしてアルミニウムsec−ブチレートを用い
た場合を例示して表1に示す。
する。
リケートおよびアルミニウムアルコキシドの加水分解反
応は、例えば、5リットルの反応器を用いて連続的に行
う。始発原料210cc/minに対し、20wt%アンモニ
ア水を連続的(150cc/min)に反応器内に導入し、
攪拌機にて攪拌しながら加水分解させ、アルミニウム含
有率500〜5、000ppmのシリカ粒子を得る。以
下に、メチルシリケートおよびアルミニウムアルコキシ
ドの加水分解反応式を示す。 Si(OCH3)4+2H2O→SiO2+4CH3OH 2Al(C4H9O)3+3H2O→Al2O3+6C4H9O
H
のシリカ粒子を、遠心分離器あるいはプレス機等により
固液分離を行う。得られた脱水粉の含水率は、低ければ
低いほど次工程の脱炭時の加熱に対する負荷が少なくな
るため、できるだけ低い方が好ましい。なお、現状の含
水率は30〜40%程度である。
て800〜1,200℃に加熱して行う。さらに好まし
くは1,000〜1,100℃が良い。800℃以下で
は酸化が起こり難く、一方1,200℃以上ではシリカ
粒子粒子間の融着が始まるので好ましくない。また、雰
囲気については、シリカ粒子を酸化させるため、酸素を
含んだ雰囲気である必要がある。乾燥、酸化をより促進
させるためには、好ましくは、酸素を含んだガスを通気
させるのが良い。なお、使用する炉は特に限定されない
が、乾燥、酸化を促進させる点から言えば、ロータリー
キルンが好適である。
α−クリストバライトに結晶転移させ、一旦結晶化させ
る。その後、真空下あるいは減圧下で溶融ガラス化温度
1,800℃以上にて溶融ガラス化させて焼結する。こ
のように一旦結晶化させた後に焼結することにより、結
晶型に近い非結晶質が得られる。
ては、アルミニウムが結晶の核となり、温度が徐々に上
がるにつれて、核の形成ならびに結晶成長が順次進行す
る。この時、急激な昇温は結晶化に好ましくなく、核の
形成する温度域(1,300〜1,600℃)や、結晶
成長する温度域(1,600〜1,800℃)で、それ
ぞれ一旦温度を保持した方が望ましい。
件は、要求される合成石英ガラス部材のレベルによって
異なるが、温度条件については、1,800℃以上であ
る必要がある。溶融ガラス化温度は、アルミニウム含有
率が増加するにしたがって上昇する傾向にあり、本発明
におけるアルミニウム含有率の範囲の場合、1,800
℃未満では完全にはガラス化しない。特に含有泡のない
ものを得るには、10−2torr以上の高真空下で、
1,800〜1,950℃に加熱する必要がある。1,
950℃を越えると、昇華が激しくなる。
から合成石英ガラスへの加工方法について述べる。
ョークラッシャー、ハンマーミル、ディスクミル、ボー
ルミル等を用いて粉砕される。
粒度に篩別する。例えば、ルツボであれば200〜35
0μm程度が好ましい。
目的として行われ、水洗、HF処理、塩酸処理、磁力選
鉱、浮遊選鉱等の中から選択される。なお、汚染の度合
いが少ない場合は精製を省略することもできる。
活性ガス(Ar、N2等)雰囲気下で、常圧、減圧、加
圧、あるいは気流中にて、1,500〜1,950℃の
温度で溶融する。溶融雰囲気は真空下でも可能である
が、作業上の制約を受ける場合もあるので、要求される
用途により使い分ける。溶融温度は、1,500℃未満
では石英が溶融しない。また、1,950℃以上では石
英が昇華し、歩留まりが悪くなる。粒度によっては1,
750℃で溶融しないものもあるので、さらに好ましく
は、1,750〜1,900℃が良い。
は、結晶型に近い非結晶質である。また、アルミニウム
を均一に含有しており、そのアルミニウムの含有率は5
00〜5,000ppmの範囲である。さらに、OH基
およびCl基の含有率は1ppm未満であり、高温粘性
の指標となる徐冷点は1,250℃を越え、歪み点も
1,140℃を越える値であり、天然石英ガラスの電気
溶融品と同等以上の特性を有する。
溶融ガラス化工程において、一旦Tα−クリストバライ
トに結晶転移させた後、溶融ガラス化して非結晶質とす
るため、得られた合成石英ガラスは結晶型に近い非結晶
質を有する。さらに、アルミニウムの含有率を容易に制
御でき、含有率500〜5、000ppmのアルミニウ
ムが均一に分布され、かつ実質上、OH基およびCl基
を含有しない。その結果、従来の天然石英ガラスの電気
溶融品以上の高温粘性を有する高純度の高温粘性合成石
英ガラスが得られる。
に挙げ、本発明の合成石英ガラス製造方法を好適な実施
例および比較例に基づき、さらに詳述するが、本発明は
これら実施例に何ら限定されるものではない。
に対し、アルミニウムsec−ブチレート180gを滴
下し、5分間攪拌・混合した。これを反応の始発原料と
した。そして、5リットルの反応器に20wt%アンモ
ニアを3リットルを入れた中へ、この始発原料を200
cc/minの滴下速度で連続的に滴下し、40〜50℃で加
水分解させ、連続的に反応液を得た。
ろ、粒径が200〜700nmの球状シリカ粒子40k
g(含水率35%)を得た。
容器に入れ、清浄な空気の存在下で1、000℃まで1
0時間かけて昇温した後、1時間保持し、脱水および脱
炭をしたところ、重量は34kgとなった。
cm×40cm)のカーボンケースに詰めて10-2torr
の真空下で加熱し、1,200℃で1時間、1,500
℃で1時間、1,800℃で1時間保持し、焼結を行っ
た。この結果、外観上透明で、約50cm角で高さ6c
mの合成石英ガラスインゴット32kgが得られた。
ニカルボールミル(鉄製)で粉砕し、さらに45〜60
#に篩別し、次いで磁力選鉱処理を行った。さらに、2
0wt%塩酸に5時間浸漬した後、10wt%HFに1
0分間浸漬させ、水洗して精製処理し、合成石英ガラス
粉を得た。
ク回転法により、合成石英ガラス粉を加熱して溶融し、
18″合成石英ガラス製ルツボを得た。得られたルツボ
片について、純度、粘度、OH基およびCl基の含有
率、および高温粘性(歪み点、徐冷点)を測定したとこ
ろ、表2に示した結果が得られた。
c−ブチレートを359.7gとした以外は、実施例1
と同様の処理を行い、18″合成石英ガラス製ルツボを
得た。得られたルツボ片について、純度、粘度、OH基
およびCl基の含有率、および高温粘性(歪み点、徐冷
点)を測定したところ、表2に示した結果が得られた。
c−ブチレートを1798.5gとした以外は、実施例
1と同様の処理を行い、18″合成石英ガラス製ルツボ
を得た。得られたルツボ片について、純度、粘度、OH
基およびCl基の含有率、および高温粘性(歪み点、徐
冷点)を測定したところ、表2に示した結果が得られ
た。
c−ブチレートを18.0gとした以外は、実施例1と
同様の処理を行い、18″合成石英ガラス製ルツボを得
た。得られたルツボ片について、純度、粘度、OH基お
よびCl基の含有率、および高温粘性(歪み点、徐冷
点)を測定したところ、表2に示した結果が得られた。
にアルミニウムsec−ブチレートを添加しない以外は実
施例1と同じ混合物を始発原料とし、それ以外は実施例
1と同様の処理を行い、18″合成石英ガラス製ルツボ
を得た。得られたルツボ片について、純度、粘度、OH
基およびCl基の含有率、および高温粘性(歪み点、徐
冷点)を測定したところ、表2に示した結果が得られ
た。
ス粉を用い、アーク溶融法により、合成石英ガラス粉を
加熱して溶融し、18″合成石英ガラス製ルツボを得
た。得られたルツボ片について、純度、粘度、OH基お
よびCl基の含有率、および高温粘性(歪み点、徐冷
点)を測定したところ、表2に示した結果が得られた。
の純度、OH基とCl基の含有率、および高温粘性(歪
み点、徐冷点)の測定は、以下の方法によるものであ
る。
製作所社製 P-7000型)を用い、微量元素の定量を行っ
た。
(IR-Spectrophotometer、日本分光社製 Type A-3)を用
いて、OH基吸収波長である2.7μmのピーク高によ
り概算した。
型(立教大学設置)にて、中性子を試料に衝突させて核
反応を起こさせ、高純度Ge検出器、マルチチャンネル
波高分析器にてγ線を検出し、Cl基の含有量を求め
た。
徐冷点は、熱特性の代表的なものであり、高温粘性の指
標となる物性である(朝倉書店「ガラスハンドブック」
637頁参照)。歪み点は、粘度が4×1014ポイズ
(log η=14.5)のときの温度で示し、徐冷点は、
粘度が4×1013ポイズ(log η=13.0)のときの
温度で示す。狭い温度範囲では、log ηの絶対温度の逆
数に対するプロットは直線関係にあるので、1,100
℃、1,150℃、1,200℃、1,250℃、1,
300℃において、伸び量ΔLを測定し(以下に示すFi
ber−elongation法による)、各ηを求め、図中に縦
軸:log η、横軸:絶対温度の逆数をプロットし、直線
を得た。得られた直線により、log η=14.5に相当
する温度を歪み点、log η=13.0に相当する温度を
徐冷点として求めた。
×40mmの試料を加熱し、Δt=120〜3,000
秒における試料のΔL(cm)を求め、以下の式を用い
て粘性を求めた。 ここで、W=500、A=0.4、B=0.2、L=
4.0 ΔL=伸び量、Δt=測定時間
れば、溶融ガラス化工程において、一旦、α−クリスト
バライトに結晶転移させた後、溶融ガラス化し非結晶質
とするため、得られた合成石英ガラスは、結晶型に近い
非結晶質を有する。さらに、アルミニウムの含有率を容
易に制御でき、含有率500〜5、000ppmのアル
ミニウムが均一に分布され、かつ、実質上、OH基およ
びCl基を含有しない。その結果、従来の天然石英ガラ
スの電気溶融品以上の高温粘性を有する高純度の合成石
英ガラスが得られる。また、本発明によれば、このよう
な高温粘性を有する高純度の合成石英ガラスが既存の設
備により容易に得られ、耐熱性治具の素材、高純度半導
体治具の素材、あるいは半導体用ルツボとして好適に利
用できるものである。
Claims (2)
- 【請求項1】 メチルシリケートとアルミニウムアルコ
キシドとを混合・攪拌して得られた溶液を、アンモニア
の存在下で加水分解してアルミニウムを含有するシリカ
粒子を得、これを固液分離して脱水したシリカ粒子をさ
らに加熱して脱炭した後、焼結して合成石英ガラスイン
ゴットを得た後、このアルミニウムを含有する合成石英
ガラスインゴットを粉砕、篩別、磁選、精製して合成石
英ガラス粉とし、これを常圧、加圧又は真空下で溶融し
て合成石英ガラスを製造する方法において、前記焼結工
程において、一旦α−クリストバライトに結晶転移させ
た後、真空下又は減圧下で1,800〜1,950℃に
て溶融ガラス化することを特徴とする合成石英ガラスの
製造方法。 - 【請求項2】 結晶型に近い非結晶質であり、アルミニ
ウム以外の金属元素含有率が何れも10ppb以下で且
つOH基およびCl基の含有率が1ppm以下で、さら
に徐冷点が1,250℃以上、歪み点が1,140℃以
上である合成石英ガラスを得ることを特徴とする請求項
1記載の合成石英ガラスの製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP06331233A JP3128451B2 (ja) | 1994-12-08 | 1994-12-08 | 合成石英ガラスの製造方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP06331233A JP3128451B2 (ja) | 1994-12-08 | 1994-12-08 | 合成石英ガラスの製造方法 |
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JPH08165131A JPH08165131A (ja) | 1996-06-25 |
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ID=18241395
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JP06331233A Expired - Lifetime JP3128451B2 (ja) | 1994-12-08 | 1994-12-08 | 合成石英ガラスの製造方法 |
Country Status (1)
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