JP4297578B2 - 不透明石英ガラスの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、不透明石英ガラスの製造方法、さらに詳しくは微細な気泡が均一に分散し、熱線遮断性に優れた高純度の不透明石英ガラスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、不透明石英ガラスは、その不透明性を利用した熱線遮断材料として、例えば半導体熱処理用炉芯管などのフランジ材、または半導体熱処理治具の把持部形成材料として用いられてきた。前記不透明石英ガラスの製造方法としては、耐熱性型内に充填したガラス原料を非酸化性雰囲気下で特定の温度条件で溶融する方法（特開平７−６９６７４号公報）、石英粉もしくはガラス粉にカーボン粉や窒化珪素などを添加混合し、加熱溶融する方法（特開平４−６５３２８号公報）、またはアンモニア化石英ガラス原料を加熱溶融する方法（特開平５−３４５６３６号公報）などが挙げられる。しかし、前記非酸化雰囲気中で加熱溶融する方法で得た不透明石英ガラスは赤外域の遮光能力が不十分でフィン保温筒など赤外線の遮断を高く要求する部材の材料としては満足できるものでなく、また、カーボン粉や窒化珪素などは、石英粉並みの高純度のものが少なく、かつ高価であり、また添加混合する場合も、粒径が小さい（０〜２０μｍ）ものしかないため均一混合が難しく、加熱溶融する方法で得た不透明石英ガラスは、固体粒子の混合や固相反応・分解反応などが均一に行われず、気泡の分散が片寄る欠点があった。さらに、アンモニア化石英ガラス原料を加熱溶融する方法で得た不透明石英ガラスは、大きな気泡を有し機械的強度が不足し半導体治具の材料として使用できないなどの問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした現状に鑑み、本発明者等は、鋭意研究を続けた結果、揮発性珪素化合物を火炎加水分解して得た石英ガラス微粒子を堆積して得た多孔質石英ガラス体に化学蒸着法（Ｖａｐｏｒ‐Ｐｈａｓｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）で炭素元素をドープして気泡材を形成し、それを石英粉に混合したのち、加熱溶融することで熱線遮断性に優れ、機械的強度が高く、かつ高純度の不透明石英ガラスが製造できることを見出して、本発明を完成したものである。すなわち、
【０００４】
本発明は、微細な気泡が均一に分散し熱線遮断性に優れ、機械的強度が高く、かつ高純度の不透明石英ガラスの製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、揮発性珪素化合物を加水分解して得た石英ガラス微粒子をＳｉ（ＣＨ _３ ）Ｃｌ _３ 、Ｓｉ（ＣＨ _３ ）Ｈ又はＳｉ（ＣＨ _３ ） _４ から選ばれる揮発性有機珪素化合物の雰囲気中で加熱処理し炭素元素をドープして気泡材を形成した後、それを石英粉と０．５〜２０重量％の範囲で混合し、加熱溶融することを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法に係る。
【０００６】
上記炭素元素を含有する気泡材とは、精製した高純度のＳｉ（ＣＨ_３）Ｃｌ_３、Ｓｉ（ＣＨ_３）Ｈ又はＳｉ（ＣＨ_３）_４の揮発性珪素化合物を酸水素火炎中で加水分解し、石英ガラス微粒子を形成し、堆積したのち炭素元素を化学蒸着法（Ｖａｐｏｒ‐Ｐｈａｓｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）でドープし、粉砕して得た粉体をいう。前記炭素元素をドープするには、Ｓｉ（ＣＨ_３）Ｃｌ_３、Ｓｉ（ＣＨ_３）Ｈ又はＳｉ（ＣＨ_３）_４の揮発性有機珪素化合物の雰囲気中で加熱処理するのがよい。この揮発性有機珪素化合物雰囲気は、窒素などの不活性ガスを０．５〜２．０容量％の範囲で混合できる。炭素元素は、単体或はＳｉＣとして存在し、加熱溶融でＳｉＯ_２と反応し、ＣＯ_２、ＣＯのガスとなり気泡を形成し、不透明ガラスの不透明度を増大する。
【０００７】
また、石英粉としては、結晶質石英粉および非晶質粉が使用されるが、特に超高純度の水晶粉または高純度の水晶粉を米国特許第４，９８３，３７０号明細書に記載の純化処理した水晶粉が耐熱性の点からよい。非晶質粉としては、アルコキシシランをアルコール溶媒中で酸及び／又は塩基性触媒の存在下で加水分解し、それを加温条件下でゲル化したのち、乾燥し、焼成ガラス化して得た石英ガラス粉末、多孔質石英ガラス体を粉砕して得た石英ガラス粉末などが挙げられる。前記結晶質石英粉および非晶質粉の粒度は３５０μｍ〜５０μｍの範囲に調整されるのがよい。
【０００８】
本発明の製造方法にあっては、上記気泡材を石英粉に対して０．５〜２０重量％の割合で混合するが、これにより原料中の炭素元素の含有量は５〜３０，０００ｐｐｍとなる。該原料を加熱溶融することで、得られた不透明石英ガラス中の炭素元素の含有量は５〜１０，０００ｐｐｍの範囲となる。そして、気泡直径は１０〜１８０μｍ、密度は２．０ｇ／ｃｍ^３以上と、機械的強度が高い上に、気泡が微細で、かつ均一であることから装置との接着の時の密着性や熱線遮断性が良好となる。気泡材の混合量が０．５重量％未満では気泡の形成が十分でなく熱線の遮断性に欠け、また２０重量％を超えると、高い反射率が得られるが機械的強度が落ち、高温粘性も低下し、半導体治具に使用できない。
【０００９】
【発明の実施の態様】
次に具体例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はそれにより限定されるものではない。
【００１０】
【実施例】
実施例１
四塩化珪素を酸水素火炎中で加水分解反応させ、石英ガラス微粒子を形成し、堆積して多孔質石英ガラス体を製造した。該多孔質石英ガラス体をＮ _２ ：Ｓｉ（ＣＨ _３ ）Ｃｌ _３ ＝１：１の混合ガスがフローする雰囲気処理炉に入れ、９００℃に昇温し５時間に保持して炭素含有多孔質石英ガラス体を得た。得られた炭素含有多孔質石英ガラス体中の炭素元素濃度は２０，０００ｐｐｍであった。前記炭素含有多孔質石英ガラス体を粒度２５０μｍ以下に粉砕して気泡材を製造した。この気泡材の１．０ｋｇを予め用意した粒度５００μｍ以下の水晶粉２０ｋｇとボールミルを用いて混合し、内径２３０ｍｍ×高さ４００ｍｍのカーボン製鋳型中に充填した。カーボン製鋳型内を１×１０^−２Ｔｏｒｒまで減圧し混合粉体に含まれる気体を除去し、Ｎ_２に置換したのち、１気圧に保って加熱溶融した。加熱温度は室温から１８００℃までは１０時間かけて昇温し、同温度に５時間保持し、その後１０時間かけて室温まで冷却した。得られた不透明石英ガラス体は、外径２３０ｍｍ、高さ１２０ｍｍであった。この不透明石英ガラス体を下面から６０ｍｍの高さで水平にカットし、厚さ４ｍｍの板状サンプルを切り出し、表面をファイアポリシュしたのち、中心から、外周に向って２ｍｍ毎に、赤外線２μｍの透過率を測定した。赤外線透過率は１〜４％の範囲にあった。また、前記サンプルの比重を測定したところ２．１０であり、前記比重は、アルキメデス法に気泡径は１０〜１８０μｍの範囲にあった。さらに、気泡密度は２００，０００個／ｃｍ ^３ 、含有炭素元素濃度は２０００ｐｐｍであった。前記比重は、アルキメデス法により測定した値、気泡径及び気泡密度はＤＩＮ５８９２７に準じて測定した値、窒素元素濃度は、不活性ガス融解伝導度法により測定した値である。
【００１２】
比較例１
水晶粉を、実施例１と同様に内径２３０ｍｍ×高さ４００ｍｍのカーボン製鋳型中に充填し、１×１０^-2Ｔｏｒｒまで減圧して含有する気体を除去したのち、Ｎ₂に置換し、１８００℃までは１０時間かけて昇温し、同温度に５時間保持したのち、１０時間かけて室温まで冷却して不透明石英ガラス体を製造した。得られた不透明石英ガラス体からサンプルを切り出し、実施例１と同様にして赤外線透過率、比重、気泡直径、気泡密度を測定したところ、赤外線透過率は、４〜８％、比重は２．１０、気泡直径は１０〜１３０μｍ、気泡密度は４０，０００個／ｃｍ³であった。
【００１３】
本発明の製造方法では、気泡直径が１０〜１８０μｍ、密度が２．０ｇ／ｃｍ ^３ 以上と機械的強度が優れ、かつ、微細な気泡が均一に分散していて熱線遮断性がよく半導体熱処理用炉芯管のフランジ材や半導体熱処理治具の把持材として有用であるという効果を奏します。

Claims (3)

1. 揮発性珪素化合物を加水分解して得た石英ガラス微粒子をＳｉ（ＣＨ _３ ）Ｃｌ _３ 、Ｓｉ（ＣＨ _３ ）Ｈ又はＳｉ（ＣＨ _３ ） _４ から選ばれる揮発性有機珪素化合物の雰囲気中で加熱処理し炭素元素をドープして気泡材を形成した後、それを石英粉と０．５〜２０重量％の範囲で混合し、加熱溶融することを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法。
2. 石英粉が天然結晶質石英粉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の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の不透明石英ガラス中の炭素元素の含有量を５〜１０，０００ｐｐｍ、気泡直径を１０〜１８０μｍ、密度を２．０ｇ／ｃｍ ^３ 以上とすることを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法。