JP4388206B2

JP4388206B2 - 溶融石英ガラス製造用バーナー

Info

Publication number: JP4388206B2
Application number: JP2000195042A
Authority: JP
Inventors: 新一佐藤; 吉彦後藤
Original assignee: Tosoh Quartz Corp
Current assignee: Tosoh Quartz Corp
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: JP2002020132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリカ質粉末を燃焼ガスの火炎で溶融して大型の溶融石英ガラスを製造する際に使用する溶融石英ガラス製造用バーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英ガラス製造法の一つである火炎溶融法は、水晶や珪石などシリカ質の粉末原料を酸水素ガスやプロパンガスの燃焼熱で溶融して石英ガラスを製造するもので、バーナーが必要である。
金属製バーナーを使用すると、噴出する高温の燃焼ガスの炎と共に、金属製バーナーから遊離した金属蒸気や金属酸化物が生成する石英ガラスに付着、または、混入し、石英ガラスの純度を低下させるため好ましくない。
このため、本出願人による図７に示す、特公昭４６−４２１１３号公報に示されるような構造の石英ガラス製のバーナーが用いられている。
火炎溶融法の燃焼ガスとしてプロパンガス等も使用できるが、純度、雰囲気制御、及び高品質石英ガラスの製造という観点において水素を燃焼ガスとした酸水素火炎溶融が好ましく、以下、酸水素火炎溶融の場合について説明する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体ウェーハが５インチ、６インチ径から８インチ、１２インチ径へと大型化され、それに伴い、半導体ウェーハ製造に使用される石英ガラス部材や半導体ウェーハを収容して熱処理するウェーハ保持・収納治具や炉芯管、各種基板などが必然的に大きなものへと移行してきた。これらの石英ガラス部材の原材料である石英ガラスインゴットもより大型のものが要求されるようになってきている。
【０００４】
前記の特公昭４６−４２１１３号公報のバーナーは、シリカ質粉末をバーナー中心部の１ケ所から供給するものではなく、分配管によってバーナー内の数カ所から水素などのキャリアガスと共に供給する構造であり、シリカ質粉末を大量に供給できるという利点があり、石英ガラスインゴットのある程度までの大型化に対応することが可能であった。
【０００５】
石英ガラスインゴットの大型化に対し、バーナーを大型化して対処しようと、外筒を大きくして酸素ガスノズルの本数を増やしたり、酸素ガス及び水素ガスのノズル径を大口径化してバーナー内のシリカ質粉末、及び燃焼ガス流量を増大させることを試みた。
【０００６】
しかし、従来の構造のバーナーでは、外筒からの水素ガス流は、供給された位置である外筒の外周から直接バーナー外へ放出され、外筒内部の複数の酸素ガスノズルから放出された酸素ガスと、バーナー外のかなり長い距離を焦点（収れん点）として混合されていた。このため、混合するまでの間にガスが分散されて燃焼に寄与する混合ガス量が低下するためか、供給した酸水素ガスが全て熱に変換されずエネルギー損失が大きかった。また、バーナーの酸水素ガスの焦点が、生成インゴット表面に合わせて点スポットとなっており、大型のインゴットでは一様な溶融状態が得られなかった。
【０００７】
また、インゴット径が４００ｍｍを超える場合、シリカ質粉末供給量を増大すると、従来のバーナーではシリカ質粉末供給ノズルが水素ガス流路を妨げる構造となっているため、水素ガス流に大きな乱れを生じさせ、シリカ質粉末が酸水素ガス流中に均一に分散されなくなり、溶けが不均一となり生成した石英ガラスに泡が発生し、品質劣下を招くことがあり、単純なバーナーの大型化では限界があった。したがって、バーナーの構造自体を変更し、シリカ質粉末の溶けの効率化を図ることが必要となってきた。
【０００８】
本発明は、以上の従来のバーナーの欠点を改善し、大型石英ガラスインゴットの生成に際し、シリカ質粉末の溶融が良好で、泡の発生がなく、かつ、生産効率の高い溶融石英ガラス製造用バーナーを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
熱効率を上げるためにバーナーの外筒開口端に近い距離で、溶融点が面スポットとなる領域を選び、例えば加熱径が６０ｍｍφの位置で酸水素ガスを燃焼させて石英ガラスを生成させたところ、石英ガラスの表面温度が上がらず、溶融点の加熱径が二重になり、内部が黒っぽく色ずみ、溶けの悪さが目立った。
【００１０】
加熱径が二重になる原因を調査した結果、溶融点の外側に比べ内側が酸素ガス過剰な状態、言い換えると水素ガスの供給不足によるものであると判明した。従来のバーナー構造では、水素ガスがバーナー内側へ拡散供給されにくく、大型化に伴う酸素ガスノズルの本数の増加によってこの傾向が更に強まったためと思われる。そこでバーナーの構造を以下の構成とする本発明を完成した。
【００１１】
バーナーの外筒内にテーパー状に拡径された酸素ガスチャンバーを設け、酸素ガスチャンバー端部に複数の酸素ガスノズルを設け、外筒と酸素ガスチャンバーの間にシリカ質粉末供給ノズルをその端部が外筒内に位置するように配置し、酸素ガスチャンバー外壁に沿って水素ガスを供給するようにし、ガスの流れを良くし、均等な方向性をもって拡散された安定したガスの送給を行えるようにして、大型の高品質石英ガラスインゴットを製造できるようにした。
【００１２】
シリカ質粉末供給ノズルを、外筒周辺部に同心円上に均等間隔配列とし、従来バーナーのように水素ガス流路を妨げることを防止して、原料のシリカ質粉末が均一に供給されるようにした。
酸素ガスノズルを同心円上に多重に複数個配置し、水素ガスの一部を複数の酸素ガスノズルの間隙に導入し、酸素ガスノズルの出口近傍で酸素ガスと水素ガスの混合をおこなわせ、中央部における酸素ガス過剰状態を解消し、均一な溶融がおこなわれるようにした。
【００１３】
そして、酸素ガスノズルと外筒内壁の間に水素ガス案内板を設け、水素ガスの一部をバーナー中央部に偏向させ、水素ガスの一部を酸素ガスノズルの間隙に導入した。
また、酸素ガス供給管を二重管構造とし、二重管となる同心円上の内外酸素ガス管路の間に水素ガス供給用の管路を設けて水素を供給するようにし、酸素ガスノズルの間隙に水素ガスを導入して酸素と水素の混合が均一におこなわれるようにした。
【００１４】
水素ガス供給管にリング状水素ガスチャンバーを設け、リング状水素ガスチャンバーから水素ガスを酸素ガス供給管の周囲方向から酸素ガスチャンバー外壁に沿わせて外筒内へ導入させ、水素ガスの供給量を安定させて水素と酸素の均一混合を図った。
【００１５】
【実施例】
実施例１
図１に示すように、石英ガラス製のバーナーは、外筒１に酸素ガス供給管２、水素ガス供給管３及びシリカ質粉末供給管４が連結される。各供給管は補強棒６で相互に連結され、補強されている。酸素ガス供給管２は、外筒１内部でテーパー状に拡径している酸素ガスチャンバー２０に連結され、酸素ガスチャンバー２０の端部は、外筒１の中間部まで延び、図３に示すようにその端部には同心円上に複数の酸素ガスノズル２１が等間隔に配列してあり、酸素ガスノズル２１の端部は外筒の開口端部まで延びている。
【００１６】
水素ガス供給管３は、外筒１の上部に設けたリング状チャンバー３０に接続され、リング状チャンバー３０からは複数の分配管が分岐し、酸素ガスチャンバー２０のテーパー壁面に沿って水素ガスが流れるように配置してある。
【００１７】
シリカ質粉末供給管４は、水素ガスと同様にリング状チャンバー４０に接続されており、図２に示すように分配管が４つに分岐して外筒１の外周円上に等間隔で配置されているシリカ質粉末ノズル４１に連結されている。シリカ質粉末ノズル４１の端部は、外筒１の中間部に位置するように配置されている。
【００１８】
最外周の酸素ガスノズル２１とシリカ質粉末ノズル４１の間に、円環状の水素ガス案内板５が設けてあり、水素ガス案内板５は、外筒１中心に向かって傾斜している。
【００１９】
酸素ガスは、酸素ガス供給管２よりテーパー状に拡径された酸素ガスチャンバー２０に入り、流速がスムースに低下するので内部のガス圧の変動が少なくなり、続く同心円上に多重に配置された複数の酸素ガスノズル２１から一定量を均等に放出することができる。
水素ガスは、水素ガス供給管３からチャンバー３０に入り、均等分岐されて酸素ガスチャンバー２０のテーパー壁面２２に衝突し、壁面２２に沿ってスムースに減速しながら外筒１外周方向に向かい、拡散されて外筒１開口部より放出される。
【００２０】
テーパー壁面２２を流下する水素ガスの一部は、水素ガス案内板５に衝突して案内板に沿うように導かれ中心方向に偏向され、酸素ガスノズル２１の間隙に導かれ、間隙を図１に示すように外筒１の開口部に向かって流れる。
【００２１】
原料のシリカ質粉末は、シリカ質粉末供給管４を通ってリング状チャンバー４０で外筒１の外周方向に均等に分配され、シリカ質粉末供給ノズル４１から外筒１の高さの中央部付近に噴出され、外筒１の外周を下方に向かって流れる水素ガス流に乗り、酸素ガスノズルに向かう。シリカ質粉末供給ノズル４１の先端は、外側に向かって斜めに切断してあり、シリカ質粉末が外筒１に沿って均一な状態で流れるようにしてある。
【００２２】
酸素ガスノズル２１の間隙に水素ガスの一部を導入することにより、水素ガスが酸素ガスノズル２１から放出された位置で混合され、バーナー外の至近距離で酸水素火炎が形成される。
また、外筒１外周部から噴出される水素ガスは、酸素ガスと混合されて火炎が形成されるので、外部混合方式と内部混合類似方式の組合せとなって酸水素火炎幅が広がり、熱エネルギーの損失を少なくし、加熱径が大きくなってバーナーの熱効率が飛躍的に向上した。
【００２３】
実施例２
図４に示すように、基本的構造は実施例１と同じである。水素ガス案内板５が外筒１の外周まで延びてシリカ質粉末ノズル４１と外筒１の間の外周空間へ水素ガスを導いている。水素ガス案内板５には、孔５０が設けてあり、この孔５０を通ってシリカ質粉末ノズル４１の先端が水素ガス案内板５の下側に突出している。また、孔５０はシリカ質粉末ノズル４１より大きいので間隙があり、この間隙を通って外筒に流入した水素ガスが外筒１外周に沿って開口部方向に流れていき、酸素ガスノズルの包囲する流れを形成し、火炎を生成する。
また、水素ガス案内板５よって中央方向へ導かれた水素流は、酸素ガスノズル２１の間隙を通って外筒１開口に流れていき、酸素ガスノズル２１から放出された酸素ガスとノズルの直近で混合され、火炎を生成する。
【００２４】
実施例３
図５及び図６は、酸素ガス供給管と水素ガス供給管を二重構造としたものである。内側酸素ガス供給管２３及び外側酸素ガス供給管２４の下端にはテーパー状に拡径した酸素ガスチャンバー２５、２６が各々設けてあり、実施例１及び２と同様に流入してきた酸素ガスはスムースに減速され、それらの下側に設けられた酸素ガスノズル２１より放出される。
シリカ質粉末は、シリカ質粉末供給管４よりリング状チャンバーを経て４箇所に分岐され、シリカ質粉末ノズル４１より外筒１内に均等に拡散放出される。
【００２５】
水素ガスは、外側水素ガス供給管３２より外側酸素ガスチャンバー２６のテーパー状の外壁に沿って外筒１内に送られ、外筒１の外周においてシリカ質粉末ノズル４１から放出されたシリカ質粉末を水素ガス流中に引き込み、粉末の分散・拡散性を助長させながら外筒１開口部から放出される。また、水素ガスは、内外酸素ガス供給管２３、２４の間に設けた内側水素ガス供給管３１から内側酸素ガスチャンバー２５のテーパー状の外壁に沿うように送られ、酸素ガスノズル２１の空隙部へ導入させられ、外筒１の開口部から放出される。
【００２６】
【製造例】
溶融石英ガラスインゴットの原料のシリカ質粉末は、珪石、珪砂、水晶粉等を用いる。高純度品を製造する場合は、α−クォーツ、または、クリストバライト等の高純度の酸化ケイ素源の一種、または、これらの混合物を使用する。例えば精製した高純度の水晶粉やシリコンアルコキシドを塩酸、あるいは、アンモニア触媒下で加水分解して得たシリカを焼成したもの、アルカリ金属ケイ酸水溶液と酸を反応させて得たシリカを精製して焼成したものなどである。
【００２７】
酸水素火炎溶融法の場合、供給される酸水素ガスの比を、化学量論的必要量より水素過剰とすることが、生成した石英ガラスの保温効果をよくして溶けの状態を向上させる上で好ましい。また、溶融雰囲気が還元雰囲気となり、炉材等の酸化消耗による劣化等を防ぐ効果がある。水素ガス／酸素ガスのモル比は２．１〜２．５、より好ましくは２．２〜２．４とする。
【００２８】
製造例１
実施例１の石英ガラス製バーナーの酸素ガスノズル２１の径を６ｍｍφとし、３５本設けたものを用い、水晶粉を原料として水素ガスと酸素ガスのモル比（Ｈ₂／Ｏ₂）を２．３とし、バーナーで霧状に溶融された水晶粉を回転するターゲット上に吹き付け、溶融堆積し、堆積部を回転させた状態で定速で降下させ、４８０ｍｍφ×９００ｍｍのコラム状の石英ガラスインゴットを得た。
【００２９】
製造例２
実施例２の石英ガラス製バーナーをメインバーナーとして用い、水素ガスと酸素ガスのモル比を２．２の酸水素火炎で溶融された水晶粉を回転する容器の中へ堆積させ、更に、水素ガスと酸素ガスのモル比を２．３とした酸水素ガスのサブバーナーで加熱し、生成した石英ガラスを容器外周方向へ流動、伸展させて９５０ｍｍ×９５０ｍｍ×４００ｍｍの角板状の石英ガラスインゴット（スラブ）を得た。
【００３０】
製造例１、及び製造例２とも集合泡や、インゴット上部カップエリアが不透明になるクラウン泡の発生はなく、検査の結果、脈理などの品質も通常品と同等以上であり良好であった。
また、燃焼効率が向上したので時間当たりの平均原料供給量を増大することができ、従来、スラブの製造では原料供給速度は、製造する石英ガラスの用途や形状等に応じて１．０〜１０Ｋｇ／Ｈｒであったが、この時間当たりの供給速度を品質の低下を招くことなしに例えば通常２．０Ｋｇ／Ｈｒのところを４．０Ｋｇ／Ｈｒと２倍にすることが可能となり、生産効率良く大型の溶融石英ガラスインゴットを製造することができた。
【００３１】
【発明の効果】
シリカ質粉末供給ノズルを外筒と酸素ガスチャンバーの間に配置し、ノズル端部を外筒内に位置させたことにより、原料のシリカ質粉末を外筒外周方向から均等に拡散供給でき、また、水素ガスの一部を水素ガス案内板で中央部に偏向させて酸素ガスノズルの間に導き、酸素ガスに対して水素ガスをバランスよく均一に供給できるようにしたので、加熱径の大きな安定した火炎が得られ、シリカ質粉末と火炎を効率良く加熱反応させることができ、泡の発生がなく、また、熱エネルギーの損失を抑え大型の石英ガラスインゴットを生産効率良く製造することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の正面断面図。
【図２】実施例１の平面図。
【図３】実施例１の下面図。
【図４】実施例２の斜視図。
【図５】実施例３の正面断面図。
【図６】実施例３の平面図。
【図７】従来の石英ガラスバーナーの正面断面図。
【符号の説明】
１外筒
２酸素ガス供給管
３水素ガス供給管
４シリカ質粉末供給管
５水素ガス案内板
３０、４０リング状チャンバー
２０酸素ガスチャンバー
２１酸素ガスノズル
２２テーパー壁面
４１シリカ質粉末ノズル

Claims

外筒、外筒中心部に設けられ酸素供給管に連結されたテーパー状に拡径された酸素ガスチャンバー、酸素ガスチャンバー端部に設けられた複数の酸素ガスノズル、外筒と酸素ガスチャンバーの間に配置され、端部が外筒内に位置するシリカ質粉末供給ノズル、及び酸素ガスチャンバー外壁に沿って水素ガスを供給するように連結された水素ガス供給管からなる石英ガラス製の溶融石英ガラス製造用バーナー。
請求項１において、シリカ質粉末供給ノズルが、円周上に均等間隔で設けられている溶融石英ガラス製造用バーナー。
請求項１または２のいずれかにおいて、酸素ガスノズルが、同心円上に多重に配置されており、かつ、水素ガスの一部が酸素ガスノズルの間隙に導入される溶融石英ガラス製造用バーナー。
請求項３において、水素ガス案内板によって水素ガスの一部をバーナー中央部に偏向させるようにした溶融石英ガラス製造用バーナー。
請求項３において、酸素ガス供給管が二重管構造であり、二重管構造の酸素ガス管路の間に水素ガス供給管を設けた溶融石英ガラス製造用バーナー。
請求項１〜５のいずれかにおいて、水素ガス供給管は、リング状チャンバーに連結され、リング状チャンバーから複数の分配管が水素ガスを酸素ガスチャンバー外壁に沿うように外筒内へ導入させる溶融石英ガラス製造用バーナー。