JP4964401B2

JP4964401B2 - シリカガラス板の製造方法

Info

Publication number: JP4964401B2
Application number: JP2003195293A
Authority: JP
Inventors: 平辛; 正実天野; 崇鈴木; 文夫徳岳
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: JP2005029413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリカガラス板及びシリカガラス板の製造方法に係わり、特に液晶表示板マスク製造に必要な大型マスクのシリカガラス板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に合成シリカガラスは気相反応法によって合成される。気相反応法によって合成された合成シリカガラスの粗製インゴットはほぼ円柱状であり、成長面に沿って層状の脈理が残存している。この粗製インゴットを成形型内に設置し、高温に加熱しつつ押棒等で加圧することにより角柱状のような所定の形状に成形している。こうして得られた成形体（ブロック）を薄肉にスライスしてフォトマスク材、光学用シリカガラスなどの最終製品を得ている。
【０００３】
従来の成形型は、特許文献１に記載のように、グラファイトで構成されているシリカガラスインゴットを設置したグラファイト質または黒鉛質の成形型を加熱して、シリカガラスインゴットの自重により、成形型に流れ込んでシリカガラスブロックが成形される。
【０００４】
合成シリカは、一般的に堆積を重ねてインゴットを製造するため、粗製インゴットの軸線に垂直に存在する脈理は残存し、高温成形プロセスにおいて変形とともに流れて、一般的に成形後のブロックの上下表面に平行にはならない。図４は成形プロセスにおける脈理流動の計算機シミュレーション結果を示し、インゴット１ａには脈理２が発生する。液晶表示板（ＬＣＤ，liquid crystal display）マスクの基材は、図５に示すように、ブロック１ｅからスライスしたシリカガラス板状体１ｄである。上記脈理２はシリカガラス板状体１ｄの表面に一定角度以上の傾斜になると、面内の屈折率の不均一分布を引起し、マスクとして利用できなくなる。マスク要求の仕様に満足するためには、上記ブロック１ｅから切出されるシリカガラス板１ｄのサイズを小さくすれば、ある程度可能であるが、シリカガラス材料の歩留低下を招くことになる。さらに、ＬＣＤプロセスの微細化に伴い、脈理に対する要求がますます厳しくなり、シリカガラス材料の歩留低下は一層深刻になることもある。さらに、ＬＣＤマスクの大型に伴って、上記問題が一層顕著となる。
【０００５】
また、上記シリカガラス成形プロセスを容易に実施するために、高温によるシリカガラスの粘性を低下させる必要がある。通常、１８００℃以上の温度が必要となる。しかし、１７００℃以上の温度では、シリカガラスと成形型のグラファイトとが反応して、ＳｉＯやＣＯ等のガスが多量に発生する。短時間で成形させるためには、粘性が比較的小さくなる１６００〜１７００℃の高温で、押棒等による加圧装置を用いて成形が行われてきた。他方、１６００℃以下の温度では、粘性が比較的大きいため加圧を行っても成形に時間を要しそのため失透が生じやすいなどの欠点があった。高温炉において、押棒等による加圧装置の機構が実現されにくい。
【０００６】
一方、さらに粘性が小さくなる１７００℃以上の高温で短時間成形を行う成形型が特許文献２号公報に提案されている。この特許文献２号に記載の成形型は、発生したＳｉＯガスとＣＯガスを、成形型に使用された多孔体により外部に排出させるものであり、シリカガラスインゴットと成形型との反応による材料損失が大きいだけでなく、成形型の焼損による形状の変化はブロック形状に影響を与え、その後スライス工程で材料損失が嵩んでしまう。さらに、発生したＳｉＯガスとＣＯガスをシリカガラスの表面から排出するために、真空炉が必要となり、装置のコストが増大する。
【０００７】
【特許文献１】
実開昭６１−７３６２９号公報全文明細書（第６頁ジ第８行〜第７頁第１３行、第１図）
【０００８】
【特許文献２】
特開平５−１７１７４号公報（第４頁段落番号［００１３］、［００１５］、図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、材料歩留がよく、製造コストが安く、かつ、高品質で脈理特性に優れる液晶表示板マスク用シリカガラス板材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、円柱状をなし、合成面に沿って軸対称性を持つ脈理が発生した合成シリカインゴットを堆積法で作製し、このインゴットを加熱軟化させ、インゴットに隣接する円筒状の間隙から自重によりまたは強制的に引出し、このインゴットを軸方向に円筒状に伸延して管状体を準備し、この管状体にその軸方向にスリットを全長に渡って形成し、このスリットを真上になるように水平に支持し、加熱して、管状体を開き、板状体とするシリカガラス板の製造方法であって、前記伸延は、前記脈理がほぼ軸方向に一致するように円筒状の管の横断面の面積対インゴットの横断面の面積である断面圧下比を小さくして行うことを特徴とするシリカガラス板の製造方法が提供される。これにより、材料歩留がよく、製造コストが安く、かつ、高品質で脈理特性に優れる液晶表示板マスク用シリカガラス板材の製造方法が実現される。
【００１２】
好適な一例では、シリカガラス板を３００℃以上の温度、水素雰囲気で熱処理する。これにより、肉厚方向に渡ってほぼ均一の水素分子濃度分布にすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるシリカガラス板の製造方法の第１実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明に係わるシリカガラス板の製造方法の第１実施例としてのＬＣＤマスク材の製造工程フロー図である。
【００１７】
本発明の第１実施例のＬＣＤマスク材の製造方法は、図１に示すような製造工程によりＬＣＤマスク材を製造する。
【００１８】
シリカガラスインゴット１ａを合成する（シリカガラス合成工程）。
【００１９】
図１（ａ）に示すような円柱状、例えば頭部が丸みをなす砲弾形状の合成シリカガラスインゴット１ａを作製する。その合成方法として、例えば四塩化ケイ素を酸水素炎により、火炎加水分解し、堆積させる。一般的にインゴット１ａは砲弾型となり、その上部の合成面に沿って図４に示すような軸対称性を持つ脈理２が発生する。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、砲弾型のインゴット１ａを１８００℃以上の温度に加熱軟化させ、隣接する円筒状の間隙３から自重によりまたは強制的に引出し、軸方向に円筒状に伸延したシリカガラス管１ｂを準備する（製管工程）。
【００２１】
管状体としてのシリカガラス管１ｂの作製は、円筒状のケーシング４の出口近傍に間隙３が設けられるようにマンドレル５を配置し、ケーシング４に砲弾型のインゴット１ａを入れ、その軸方向を垂直にして、１８００℃以上に加熱し、自重でケーシング４とマンドレル５との間隙３から薄肉になり降下するシリカガラス管１ｂを下方に引っ張ることにより、インゴット１ａを所望の均一直径及び肉厚のシリカガラス管１ｂに成形する。例えば、肉厚はＬＣＤマスク材の肉厚に必要な加工代を加えた寸法とし、直径はＬＣＤマスク角材の一辺の長さに必要な加工代を加えた寸法とする。
【００２２】
また、製管工程では、シリカガラスインゴット１ａにほぼ水平方向に存在する脈理２を、管に対して同心円状になるようにする。シリカガラス管１ｃの軸断面においては、図１（ｂ）に示すような脈理２が存在し、製管工程の軸対称性により脈理２はシリカガラス管１ｂの周方向に沿って同様、軸対称性（すなわち、同心円状）となり、ほぼ軸方向に一致するか、小さい角度となっている。この脈理２の角度は、製管工程の断面圧下比（シリカガラス管の横断面の面積対インゴットの横断面の面積）によりほぼ決められる。断面圧下比が小さいほど、脈理２の角度は小さい。シリカガラス管１ｂを板状に展開するために、シリカの高温粘性変形を利用する。
【００２３】
図１（ｃ）に示すように、シリカガラス管１ｂにその軸方向にスリット６を全長に渡って形成し、スリット入りシリカガラス管１ｃにする（スリット形成工程）。
【００２４】
引出したままの管状体あるいは必要に応じて所望の長さに切断したシリカガラス管１ｂに、スリット６を形成しスリット入りシリカガラス管１ｃするが、スリット６の開口の幅は特に限定しない。
【００２５】
図１（ｄ）に示すように、スリット６を真上になるように水平に支持し、加熱して、スリット入りシリカガラス管１ｃを開き、板状体１ｄとする（板展開成形工程）。
【００２６】
スリット６の反対側が平坦なモールド（成形型）７に水平に接触した状態でスリット入りシリカガラス管１ｃを１３００〜１６００℃に加熱して、この温度に保持し、スリット入りシリカガラス管１ｃを開き、平坦なモールド７に沿ったシリカガラス板状体１ｄに成形する。図２に示すような保持具８を用い、スリット６を真上に向けることにより、成形変形は自重により行われ、成形中モールド７を水平に保持すれば、スリット入りシリカガラス管１ｃは安定的にモールド７に保持されるため、特別な安定保持具を必要としない。成形温度はシリカガラスの軟化点以上になれば良い。上記加熱温度を１３００〜１６００℃以下にすることにより、シリカとモールドの反応を防止することができ、シリカ板の品質を改善することができる。また、成形温度の低下により、成形装置に使用する周辺材料の選択範囲が広くなり、場合によっては、成形炉の真空条件を不要とし大気条件でも成形が可能となる。なお、合成シリカとモールドが反応し失透することを防止するため、また、マスク材として利用するために水素分子を多く残留させるためには１３６０℃以上１４８０℃以下で実施することが好ましい。この温度範囲であっても少なくとも肉厚２〜３０ｍｍまでの管状シリカにおいて管開きが可能である。種々の粘性を有するシリカに適用可能である。また、管状体の上端温度と下端温度の差は１００℃以下、好ましくは５〜４０℃であればよい。
【００２７】
本板展開成形工程において、最高温度を１６００℃以下で制御する。これにより、シリカガラスとモールドの反応を防止することができて、シリカガラスの表面品質を改善することができ、また、成形温度の低下により、成形装置に使用する周辺材料の選択範囲が広くなり、場合によっては、成形炉の真空条件を不要とし大気条件でも成形が可能となる。また、本板展開成形工程においては、シリカガラスに含まれた水素分子濃度が表面で外方拡散によって減少する傾向があり、例えば、１６００℃以下の低温で板展開成形を行った場合、表層から約２ｍｍまで水素分子濃度が１×１０^１８mo1ecu1es／cm^３以下までとなるが、その内側はマスク材としての機能を十分満足するシリカガラス板となる。上記表層水素分子濃度の低下層は後続の加工工程で除去することが可能である。好適な例としては、水素ガス炉による水素ドープ工程を用い、水素ガス炉の温度は６００℃で、シリカガラス板は炉内に２４時間保持する。これにより、肉厚方向に渡ってほぼ均一の水素分子濃度分布にすることができる。
【００２８】
図１（ｅ）に示すように、上記のようにして製造されたシリカガラス板状体１ｄをＬＣＤマスク材の仕様を満足するように表面加工する（表面加工工程）。
【００２９】
ＬＣＤマスク材に要求される品質としては、▲１▼表面欠陥（傷、汚れ、異物など）、▲２▼内部欠陥（泡、異物、脈理など）、▲３▼面精度／平坦度（そり、うねりを含む）、▲４▼外径加工精度（大きさ、平均厚さ）▲５▼透過率、▲６▼熱膨張率があるが、
シリカガラスを用いることで、▲５▼透過率、▲６▼熱膨張率の要求は満たされ、上記板展開成形工程を採用することで▲２▼内部欠陥（泡、異物、脈理など）が除去され、さらに、研磨装置９を用いて表面加工することで、▲１▼表面欠陥（傷、汚れ、異物など）を除去し、▲３▼面精度／平坦度（そり、うねりを含む）、▲４▼外径加工精度（大きさ、平均厚さ）を出すことができる。
【００３０】
上記のように、本第１実施例のＬＣＤマスク材の製造方法によれば、管状体から平板になるまでの成形速度は、従来のインゴットから成形する方法に比べて、同様な温度条件で１０〜１００倍ほど速くなるため、成形温度を十分低くすることが可能となり、高品質のシリカ板を製造することができ、また、成形型を用いないのでスライス工程が不必要であり、材料損失がなく材料歩留がよく、さらに、特別な装置を必要とせず、製造コストが安くなり、また、脈理特性が優れるＬＣＤマスク材を製造することができる。
【００３１】
次に本発明に係わるシリカガラス板の製造方法の第２実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００３２】
上記第１実施形態が砲弾型インゴットを管状体に成形しこれを用いて板状体にするのに対し、本第２実施形態はシリカガラスの合成時直接管状体を作製しこれを用いて板状体にするものである。
【００３３】
例えば、図３（ａ）に示すように、四塩化ケイ素を酸水素炎により、火炎加水分解して、管状体としてのシリカガラス管１ｂを作製する（シリカガラス合成・製管工程）。その後、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、上記第１実施形態と同様の工程を経て板状体とする。他の構成は図１に示すシリカガラス板の製造方法と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。
【００３４】
このように、本第２実施形態により、製造工程が一層簡素化され、脈理も第１実施形態と同様な結果が得られる。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
図２に示す本発明の第１実施形態のシリカガラス板の製造工程により、７００（ｗ）×１１００（ｌ）×１９（ｔ）のＬＣＤマスク材を製造した。砲弾型石英インゴットは、東芝セラミック製シリカガラスＴ−４０４０（登録商標）で、直径２５０ｍｍ、重さ４０ｋｇとなった。高温プレス成形により、石英インゴットは外径２８０ｍｍ、内径５０ｍｍの厚肉円筒に成形した。製管工程では、２２００℃に加熱された厚肉円筒を外径２８０ｍｍ、内径２５２ｍｍのシリカガラス管に引抜いた。シリカガラス管を１２００ｍｍの長さに切断し、軸方向に沿って約１ｍｍ幅のスリットを全長に渡って開口した。板展開成形工程では、１５５０℃の温度で３時間保持して、シリカガラス板材を得た。このシリカガラス板材は、ＯＨ基の含有量が１０００ｐｐｍ以上となり、製管工程後のシリカガラスに含まれるそれとほぼ同程度であった。また、水素分子濃度は、製管工程後では、シリカガラス管の肉厚方向に沿ってほぼ均一で、１×１０^１８mo1ecu1es／cm^３以上となったが、板展開成形後ではシリカガラス板材の両面近傍の約２ｍｍ以内では２×１０^１７mo1ecu1es／cm^３で、その内側は１×１０^１８mo1ecu1es／cm^３以上となった。上記シリカガラス板材に展開されたシリカガラス板材の肉厚は１４ｍｍとなったため、後続の研磨工程で表層の低水素分子濃度層が除去された。
【００３６】
シリカガラス板材の側面を研磨した後、脈理について目視観察及びシャドー法観察を行った。目視観察では、脈理が存在しないことがわかった。シャドー法観察では、微弱の脈理が観察され、ほぼ直線となり、シリカガラス板の表面との傾斜角度は約６°となった。上記板展開成形においては、熱処理炉は常圧去採用したが、減圧または真空の条件でも同様な結果が得られた。
【００３７】
（実施例２）
図４に示す本発明の第２実施形態のシリカガラス板の製造工程により、８００（ｗ）×９２０（ｌ）×１０（ｔ）のＬＣＤマスク材を製造した。シリカガラス合成工程では、四塩化ケイ素を酸水素炎により、火炎加水分解して、内径２７６ｍｍ、外径３０２ｍｍの合成シリカガラス管材を堆積した。このシリカガラス管材を外周研磨し、外径３００ｍｍの管材に加工した。このシリカガラス管材を１０００ｍｍの長さに切断し、軸方向に沿って約１ｍｍ幅のスリットを全長に渡って開口した。板展開成形工程では、１６００℃の温度で２時間保持して、シリカガラス板材を得た。このシリカガラス板材を５００℃の水素炉で２０時間熱処理した。肉厚方向にわたってほぼ均一の水素分子濃度分布で、１×１０^１８mo1ecu1es／cm^３以上となった。
【００３８】
シリカガラス板材の側面を研磨した後、脈理について目視観察及びシャドー法観察を行った。目視観察では、脈理が存在しないことがわかった。シャドー法観察では、微弱の脈理が観察され、ほぼ直線となり、シリカガラス板の表面との傾斜角度は約８°となった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係わるシリカガラス板及びその製造方法によれば、材料歩留がよく、製造コストが安く、かつ、高品質で脈理特性に優れる液晶表示板マスク用シリカガラス板材及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のＬＣＤマスク材の製造工程フロー図。
【図２】図１の製造工程フローにおける板展開成形工程の概念図。
【図３】本発明の第２実施例のＬＣＤマスク材の製造工程フロー図。
【図４】一般の合成シリカインゴットの縦断面図。
【図５】従来の合成シリカガラス板の製造方法を示す概念図。
【符号の説明】
１ａシリカガラスインゴット
１ｂ，１ｃシリカガラス管
１ｄ板状体
２脈理
３間隙
４円筒状のケーシング
５マンドレル
６スリット
７モールド（成形型）
８保持具

Claims

円柱状をなし、合成面に沿って軸対称性を持つ脈理が発生した合成シリカインゴットを堆積法で作製し、このインゴットを加熱軟化させ、インゴットに隣接する円筒状の間隙から自重によりまたは強制的に引出し、このインゴットを軸方向に円筒状に伸延して管状体を準備し、この管状体にその軸方向にスリットを全長に渡って形成し、このスリットを真上になるように水平に支持し、加熱して、管状体を開き、板状体とするシリカガラス板の製造方法であって、
前記伸延は、前記脈理がほぼ軸方向に一致するように円筒状の管の横断面の面積対インゴットの横断面の面積である断面圧下比を小さくして行うことを特徴とするシリカガラス板の製造方法。
請求項１に記載のシリカガラス板の製造方法において、上記製造されたシリカガラス板状体を３００℃以上の温度、水素雰囲気で熱処理することを特徴とするシリカガラス板の製造方法。