JP7128172B2 - シリカガラス合成用バーナ及びこのバーナを用いた合成シリカガラス製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリカガラス合成用バーナ及びこのバーナを用いた合成シリカガラス製造装置に関し、特に、シリカガラスインゴット中の水素濃度をより均一化できるシリカガラス合成用バーナ、及びこのバーナを用いた合成シリカガラス製造装置に関する。

現在、紫外線透過材料として２５０ｎｍ以下の波長の光透過性に優れ、不純物含有量の極めて少ない合成シリカガラスが用いられている。この合成シリカガラスは、一般的には紫外線（４００ｎｍ以下）領域の波長を吸収してしまう原因となりうる金属不純物の混入を避ける目的で、高純度のケイ素化合物、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）などを原料として製造されている。

具体的には、図８の模式図に示すように、耐火物で組まれた炉体５０の上部にバーナ５１が設けられ、このバーナ５１から下方に向けて原料ガス（例えばＳｉＣｌ₄＋Ｏ₂）、水素ガス（Ｈ₂）、酸素ガス（Ｏ₂）が供給される。バーナ５１のノズル口付近では、水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）との燃焼反応が発生し（図８のＳ１）、高温の水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が発生する（図８のＳ２）。

そして、その水蒸気（Ｈ₂Ｏ）と原料ガス（ＳｉＣｌ₄＋Ｏ₂）とが加水分解反応（図７のＳ３）することによりシリカ微粒子（ＳｉＯ₂）が生成される（図８のＳ４）。生成されたシリカ微粒子は、バーナ５１から噴出されるガスの流れと共に、鉛直軸周りに回転するターゲット５２上に堆積・溶融ガラス化され、透明なガラスの塊（インゴット５３）として製造される。

ところで、特許文献１において、合成シリカガラスがステッパの稼働期間にわたって高い透過率を保つためには、紫外光の照射によって生じる構造欠陥の緩和が必要であることが説明されている。例えば、合成シリカガラスは紫外光の照射によって生じるＥ’センター（≡Ｓｉ・の構造を持つ、ただし≡は３個の酸素原子との３本の単結合を示し、・はラジカルであることを示す）と呼ばれる構造欠陥に起因する２１５ｎｍの吸収帯が現れるため、紫外領域の光の透過率が著しく低下する。Ｅ’センターの前駆体としては、基本構造の欠陥である≡Ｓｉ－Ｈ結合や≡Ｓｉ－Ｓｉ≡結合、合成シリカガラス中に取り込まれた不純物による≡Ｓｉ－Ｈ結合や≡Ｓｉ－Ｃｌ結合などが考えられている。

そして、合成シリカガラス中の溶存水素分子濃度が低い場合、紫外光の照射によって生じたＥ’センターによる吸収が緩和されず、透過率の極端な低下を招く。一方、溶存水素分子濃度が高い場合、紫外光の照射によって生じたＥ’センターの多くが水素終端され、やはりＥ’センターの前駆体と考えられる≡Ｓｉ－Ｈ結合を生じる。このような状態は合成石英ガラスの透過率変動の原因となる。これらの現象を抑制し、ステッパの光学系用部材としての合成シリカガラスが高く安定した透過率を保つためには、合成シリカガラス中の溶存水素分子を適切な濃度範囲にある必要がある。

合成シリカガラス中の溶存水素分子を適切な濃度範囲になすために、例えば、特許文献２では、多重管構造のバーナの各管の流量をマスフローコントローラで制御し、合成石英ガラス中の水素分子濃度を、各管から噴出させるガス流量により調整することが示されている。また、シリカガラス合成用バーナとしては、特許文献３のように、バーナから噴出する、原料ガス、酸素ガス、水素ガスのガス種ごとに流量を制御する、シリカガラス合成用バーナが知られている。

特開２００６－８３０２３号公報 特開平１０－３１６４３５号公報 特開２００２－３５６３３２号公報

ところで、合成シリカガラスのインゴット中の水素分子の濃度は、一般的に、インゴットの中央部分が高く、中央部分から外周方向に行くに従って低くなる傾向にある。この水素分子の濃度の均一化を図り、適切な濃度範囲にするには、多重管構造のバーナを構成する各管の流量を、各管で個別に設置されたマスフローコントローラで、それぞれ高精度に制御する手法が考えられる。しかしながら、このような手法では、装置が複雑化し、また装置自体が高価のものとなる。また、かくのごとく精密に流量を制御したとしても、必ずしも望ましい効果が得られるとは限らなかった。

そのため、本発明者らは、特許文献３に示すような、原料ガス、酸素ガス、水素ガスのガス種ごとに流量を制御する、シリカガラス合成用バーナを前提として、シリカガラスのインゴット中の水素分子濃度を、適切な濃度範囲にすると共に、均一化を図ることを鋭意研究し、本発明を想到するに至った。

本発明は、原料ガス、酸素ガス、水素ガスのガス種ごとに流量を制御する、シリカガラス合成用バーナであって、シリカガラスインゴット中の水素分子の濃度を適正な範囲内にすることができ、かつ水素分子の濃度を均一化できるシリカガラス合成用バーナ及びこのバーナを用いた合成シリカガラス製造装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するためになされた本発明に係るシリカガラス合成用バーナは、可燃性ガス導管、原料ガス導管及び支燃性ガス導管を有し、各導管のガス導入部で各ガスの流量が制御されて、導入されるシリカガラス合成用バーナであって、前記可燃性ガス導管より導入された可燃性ガスを噴出する外管の開口端部と、前記外管内の中心に配置され前記原料ガス導管より導入された原料ガスを噴出する原料ガス細管と、前記原料ガス細管の周囲に３重になるよう円環状に配置され前記支燃性ガス導管より導入された前記支燃性ガスを噴出する複数の支燃性ガス細管と、を備え、前記支燃性ガス細管は、内側から外側に向って順に第１周、第２周、第３周とし、前記第１周に形成された前記支燃性ガス細管の総開口面積をＭ１、前記第２周に形成された前記支燃性ガス細管の総開口面積をＭ２、前記第３周に形成された前記支燃性ガス細管の総開口面積をＭ３としたときに、Ｍ１＜Ｍ２＜Ｍ３、かつ、Ｍ１／Ｍ３が０．３４以上であることを特徴とする。

このように、円環状に配置された支燃性ガス細管の総開口面積がＭ１＜Ｍ２＜Ｍ３、かつ、Ｍ１/Ｍ３が０．３４以上になるように形成されることで、原料ガス細管に最も近い支燃性ガス細管の支燃性ガス流量が増加する。その結果、原料ガス（ＳｉＣｌ₄）中に取り込まれる支燃性ガス（酸素）量が多くなり、可燃性ガス（水素）と反応した際、酸素と水素との反応が従来と比較してより進むので、シリカガラスインゴット中の水素分子の濃度を適正な濃度範囲としつつ、かつ、その濃度分布をより均一化できる。

また、上述した目的を達成するため、本発明に係る合成シリカガラス製造装置は、上記シリカガラス合成用バーナが用いられていることを特徴とする。その結果、本発明に係る合成シリカガラス製造装置に用いられるシリカガラス合成用バーナは、原料ガス、酸素ガス、水素ガスのガス種ごとに流量を制御する、シリカガラス合成用バーナであるため、多重管構造のバーナを構成する各管の流量をそれぞれ制御するバーナと比べて、装置が複雑化することなく、また装置自体も安価である。

本発明によれば、原料ガス、酸素ガス、水素ガスのガス種ごとに流量を制御する、シリカガラス合成用バーナであって、シリカガラスインゴット中の水素分子の濃度分布を適正な範囲内にすることができ、かつ水素分子の濃度を均一化できるシリカガラス合成用バーナ、及びこのバーナを用いた合成シリカガラス製造装置を得ることができる。

図１は、本発明に係る合成シリカガラス製造用バーナを用いた合成シリカガラス製造装置の概略断面図である。 図２は、合成シリカガラス製造用バーナの第一の実施形態を示す断面図である。 図３は、図２の底面図（外管の開口端部側から見た図）である。 図４は、図３のI-I断面図である。 図５は、合成シリカガラス製造用バーナの第二の実施形態の底面図（外管の開口端部側から見た図）である。 図６は、図５のI-I断面図である。 図７は、本発明の第一の実施形態に基づく実験結果を示す図である。 図８は、合成シリカガラスの生成過程を説明するための図である。

以下、本発明にかかるシリカガラス合成用バーナ及びこのバーナを用いた合成シリカガラス製造装置の実施形態について、図１乃至図８に基づいて説明を行う。ここでは、原料ガスはＳｉＣｌ₄、可燃性ガスは水素ガス、支燃性ガスは酸素ガスである。

まず、本発明において、「可燃性ガス、原料ガス、支燃性ガスのガス種ごとに流量を制御する」とは、特許文献３に示されるバーナの様に、例えば支燃性ガスを例にとると、バーナ本体の導入部で所定量の流量で酸素ガスが導入され、複数ある酸素ガス細管は、それぞれの開口面積に応じて噴出するガスの流量が決定される。従って、一の酸素ガス細管の開口面積を変更すると、他の酸素ガス細管の流量も連動して変化する。

一般的には、このような方式は、複数ある酸素ガス細管を個別に流量制御する方式と比べて、きめ細かいガス流量の制御が困難で、おおざっぱな製造条件しか設定できないとされていた。本発明は、このような事情も考慮の上、簡易なバーナ構造で、品質の向上したシリカガラスインゴットを製造することを可能とする。

図１に示すように、本発明の合成シリカガラス製造装置１は、下部が大気に常時開放されている炉体２を備えている。この炉体２は耐火物からなり、その頂部にシリカガラス合成用バーナ３が設置されている。尚、前記炉体２の水平断面は円形に形成されている。

また、前記炉体２の内部には、前記バーナ３に対向して設けられ、回転可能に設置されたシリカガラスインゴットＸを形成するためのターゲット４と、前記ターゲット４を回転及び昇降するインゴット昇降軸５が設けられている。更に、炉体２の下部には、ターゲット４に堆積されなかったシリカ微粒子を排気する排気口６が設けられている。また、前記排気口６には排気管７が接続され、この排気管７に排気ファン８が設けられている。

次に、図２、図３に基づいてシリカガラス合成用バーナ３について説明する。このシリカガラス合成用バーナ３は石英ガラス製であり、外管３１内に多分岐管型のノズル３２を収容して概略構成されている。具体的には、開口端部３１ａが漸次縮径したほぼ有底円筒状の外管３１には、水素ガスを導入する水素ガス導管３３が接続されている。一方、外管３１内には、ノズル３２の一部を構成する截頭円錐筒状のノズル台３４が、その大径端部を外管３１の開口端部３１ａに向けて同軸的に収容されている。

また、ノズル台３４の小径端部には、酸素ガスを導入する酸素ガス導管３５が接続されており、この酸素ガス導管３５は、外管３１の上部中央を気密に貫通して外管３１の外部へ導出されている。一方、ノズル台３４の大径端部は、円板状の端板３６によって気密に閉塞されており、この端板３６には、ＳｉＣｌ_４ 等の原料ガスを通す貫通孔３７が中心部に設けられている。また、酸素ガスを通す多数の貫通孔３８が、端板３６の中心を中心とする３つの同心円上においてそれぞれ周方向へ等間隔をなすようにして設けられている。

端板３６の内面には、原料ガスを導入する原料ガス導管３９が中心部の貫通孔３７と連通させて気密に接続されている。この原料ガス導管３９は、ノズル台３４及び酸素ガス導管３５の軸心部を通り、外管３１の外部において酸素ガス導管３５を気密に貫通して、酸素ガス導管３５の外部へ導出されている。

一方、端板３６の外面には、原料ガスを噴出する原料ガス細管４０が、中心部の貫通孔３７と連通させると共に、その軸線をノズル台３４の軸線の延長線と一致させて気密に接続されている。この原料ガス細管４０の内径と貫通孔３７の内径は同一径に形成されている。また、端板３６の外面には、酸素ガスを噴出する多数の酸素ガス細管４１が、各貫通孔３８に嵌合し、気密に接続されている。酸素ガス細管４１の軸線の延長線を原料ガス細管４０の軸線の延長線上の任意の点で交差するように配置されている。尚、前記内径は、図４に示すように、内周面に対して垂直な方向の寸法を意味している。

本発明は、第１周に形成された酸素ガス細管４１Ａの総開口面積をＭ１、第２周に形成された酸素ガス細管４１Ｂの総開口面積をＭ２、第３周に形成された酸素ガス細管４１Ｃの総開口面積をＭ３とすると、Ｍ１＜Ｍ２＜Ｍ３である。このような態様を実現するバーナの形状としては、図３と図４に示すようなものが挙げられる。

すなわち、本発明の第一の実施形態は、酸素ガスを噴出する各酸素ガス細管４１の内径が、図３に示すように、内側から第１周Ｒ１、第２周Ｒ２、第３周Ｒ３と形成され、それぞれの周において異なっているものである。ここで、図４に示すように、第１周Ｒ１に配置された酸素ガス細管４１Ａの内径をｄ１、第２周Ｒ２に配置された酸素ガス細管４１Ｂの内径をｄ２、第３周Ｒ３に配置された酸素ガス細管４１Ｃの内径をｄ３とした場合、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３である。もしくは、ｄ１＞ｄ２＝ｄ３という形態でもよい。

さらに、本発明の第二の実施形態は、図６に示すように、酸素ガスを噴出する各酸素ガス細管４１の内径は、内側から第１周Ｒ１、第２周Ｒ２、第３周Ｒ３と形成され、それぞれの周において全て同じ（ｄ１＝ｄ２＝ｄ３）である。この場合においても、図５に示すように、第１周Ｒ１の細管の本数８本、第２周Ｒ２の細管の本数１６本、第３周Ｒ３の細管の本数２４本としても良いが、例えば、第１周Ｒ１の細管の本数８本、第２周Ｒ２の細管の本数１２本、第３周Ｒ３の細管の本数１６本、というように第２周Ｒ２の細管の本数、第３周Ｒ３の細管の本数を減らしても良い。

水素ガス導管３３、酸素ガス導管３５、原料ガス導管３９は、図示しないマスフローコントローラで流量が制御される。そして、第一の実施形態、または第二の実施形態でＭ１＜Ｍ２＜Ｍ３となるように構成すると、原料ガス細管４０、最も近い酸素ガス細管４１Ａからの酸素ガス流量が、第１周Ｒ１、第２周Ｒ２、第３周Ｒ３の中で最も多くなる。その結果、原料ガス（ＳｉＣｌ_４）中に含まれる酸素ガス量が多くなり、水素ガスと反応した際、水素ガスと酸素ガスの反応がより進むので、従来の方法と比べて、可燃性ガスと支燃性ガスとが理想混合火炎の条件に近づく。これにより、シリカガラスインゴットＸの径方向における中心部の水素分子の濃度を相対的に下げることが可能となり、シリカガラスインゴットＸの外周端部の水素濃度分布を小さくすることが出来る。

さらに、Ｍ１／Ｍ３を０．３４以上とする。これは、原料ガスに隣接した第１周Ｒ１から噴出する酸素ガスの流量が、３重菅構造の最外部である第３周Ｒ３の酸素ガス流量に対して、従来は１／３程度であったものを若干ではあるが増加されたものといえる。このように、Ｍ１／Ｍ３の比を用いることで、シリカガラスインゴットＸの径方向における中心の水素分子の濃度を相対的に下げる効果を得るための、最適な合成バーナの設計が容易に行える。なお、Ｍ１／Ｍ３の上限は、シリカガラスインゴットＸの形状を損なわない範囲、あるいは、シリカガラスインゴットＸの収率との兼ね合いで設定され、概ね０．５以下が好ましい。

以上、本発明のシリカガラス合成用バーナによれば、構造が単純であるためバーナ製作が容易で、かつ、バーナの個体差が小さい。また、ガスの供給系が原料ガスを供給するノズルと、支燃性ガス、燃焼ガスの３系統と少ないため、ガスの流量調整が容易で、加えてガス流量調節計の台数も少なくできるため、装置のコストが抑えられる。

以下、実施例にて具体的に本発明の効果を説明する。

図２に示すような、シリカガラス合成用バーナを作製した。ここで、導入部の原料ガスの流量は５０ｇ/ｍｉｎ、水素ガスの流量は２５０ｌ/ｍｉｎ、酸素ガスの流量は１１７ｌ/ｍｉｎ、原料ガス細管４０の内径は３．０ｍｍ、水素ガスの噴出口である外管３１の内径はΦ６０ｍｍ、図５におけるＲ１の径はΦ２０．０ｍｍ、Ｒ２の径はΦ３４ｍｍ、Ｒ３の径はΦ５０ｍｍとした。

実施例１～３は、図３に示したバーナ構造において、ｄ１＞ｄ２＝ｄ３とした。また、比較例１は、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３とした。そして、これら実施例１～３、比較例１の各合成用バーナを図１に示すような汎用の合成シリカガラス製造装置に設置し、平均径Φ２３０ｍｍ、高さ１０００ｍｍ程度のシリカガラスインゴットＸを、それぞれ製造した。表１に、実施例１～３と比較例１の、各周内の細管径の平均値（単位ｍｍ）と、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３について、Ｍ３を１としたときの、Ｍ１あるいはＭ２との比率を示す。
尚、第１周に形成された酸素ガス細管の総開口面積をＭ１、第２周に形成された酸素ガス細管の総開口面積をＭ２、第３周に形成された酸素ガス細管の総開口面積をＭ３とする。

作製した各シリカガラスインゴットの頂部において、径方向の中心部と外周端部の水素分子濃度を各１か所ずつ測定した。水素分子濃度は、汎用のラマン分光装置を用いて測定した。その結果について表２に示す。

表２から明らかなように、比較例１に比べて、本発明の範囲内にある実施例１～３は、ものは、シリカガラスインゴットの頂部における、水素分子濃度差（中心部－外周端部）が減少していることが分かる。特に、中心部の水素分子濃度は、顕著に低下している。

図７に、実施例１～３、比較例１について、Ｍ１/Ｍ３の値と、シリカガラスインゴットの頂部の中心部における水素分子濃度の相関を示す。図７からわかるように、Ｍ１/Ｍ３が０．３３から０．３８の範囲においては、有意に水素分子濃度が減少していることが確認された。

１ 合成シリカガラス製造装置
２ 炉体
３ シリカガラス合成用バーナ
４ ターゲット
３１ 外管
３２ ノズル
３３ 水素ガス導入管
３４ ノズル台
３５ 酸素ガス導入管
３６ 端板
３９ 原料ガス導管
４０ 原料ガス細管
４１ 酸素ガス細管
４１Ａ 第１周に配置された酸素ガス細管
４１Ｂ 第２周に配置された酸素ガス細管
４１Ｃ 第３周に配置された酸素ガス細管

Claims (2)

1. 可燃性ガス導管、原料ガス導管及び支燃性ガス導管を有し、
   各導管のガス導入部で各ガスの流量が制御されて、導入されるシリカガラス合成用バーナであって、
   前記可燃性ガス導管より導入された可燃性ガスを噴出する外管の開口端部と、
   前記外管内の中心に配置され前記原料ガス導管より導入された原料ガスを噴出する原料ガス細管と、
   前記原料ガス細管の周囲に３重になるよう円環状に配置され前記支燃性ガス導管より導入された前記支燃性ガスを噴出する複数の支燃性ガス細管と、
   を備え、
   前記支燃性ガス細管は、内側から外側に向って順に第１周、第２周、第３周とし、前記第１周に形成された前記支燃性ガス細管の総開口面積をＭ１、前記第２周に形成された前記支燃性ガス細管の総開口面積をＭ２、前記第３周に形成された前記支燃性ガス細管の総開口面積をＭ３としたときに、Ｍ１＜Ｍ２＜Ｍ３、かつ、Ｍ１／Ｍ３が０．３４以上であることを特徴とするシリカガラス合成用バーナ。
2. 請求項１記載のシリカガラス合成用バーナが用いられていることを特徴とする合成シリカガラス製造装置。
   

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