JP7195441B2 - 低ヒドロキシ基高純度石英ガラスの調製方法 - Google Patents
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Description
前記シリカ粉体を第1温度で乾燥するステップ、前記シリカ粉体を第2温度まで昇温し、ハロゲンガスを含む第1酸化ガスを通気し、第1脱ヒドロキシ基粉体を得るステップ、および前記第1脱ヒドロキシ基粉体を第3温度まで昇温し、酸素ガス又はオゾンを含む第2酸化ガスを通気し、第2脱ヒドロキシ基粉体を得るステップを含む、前記シリカ粉体を脱ヒドロキシ基化する脱ヒドロキシ基化ステップと、
前記第2脱ヒドロキシ基粉体を第4温度まで上昇させてガラス化体を得るステップと、
前記ガラス化体を冷却して低ヒドロキシ基高純度石英ガラスを得るステップと、を含む。
前記ガラス化体を、1600℃~2300℃である第5温度まで昇温し、1時間以上保持して高温均一化するステップをさらに含む。
前記ガラス化体を、0.05℃/min以下の降温速度で前記第4温度から室温まで降温させるステップを含む。
珪素含有原料を提供するステップと、
前記珪素含有原料を気相堆積法により加水分解して前記シリカ粉体を形成するステップと、を含む。
前記石英ガラスのヒドロキシ基の含有量は、1ppm未満であり、光学的均一性は4.3×10-5以下である。
ステップS1:シリカ粉体を提供する。
本実施例では、ステップS1でシリカ粉体を調製することは、以下のステップを含む。
ステップS10:純度が99.999%(質量分率で計算する)を超える珪素含有原料であるSiCl4を提供する。本出願の他の実施例において、前記珪素含有原料は、SiF4、C6H18O3Si3、C8H24O4Si4、C10H30O5Si5、C12H36O6Si6の少なくとも1種を含む。
ステップS11:気相軸付け法(Vapor AxialDeposition、VAD)を用いて前記珪素含有原料を加水分解して前記シリカ粉体を形成する。前記気相堆積法は、酸水素炎の中で前記珪素含有原料を反応させて前記シリカ粉体を得ることを備え、前記珪素含有原料の総反応式は、以下の通りである。
前記珪素含有原料を酸水素炎中で反応させて前記シリカ粉体を得る前記珪素含有原料の酸水素炎中の総反応式が以下の通りである。
SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl
ステップS20:図3を参照して、高温炉を200℃~400℃である温度T1まで調整し、前記シリカ粉体を高温炉の中で温度T1で乾燥保温し、乾燥保温時間t1(t1≧3h)にて前記シリカ粉体中の遊離の水分子を除去する。
本実施例では、ステップS20において、前記乾燥保温は、窒素ガス、ヘリウムガス、及びアルゴンガスの少なくとも一つを含む純度が99.999999%の不活性ガス雰囲気中で行われる。
本実施例では、ステップS21において、前記第1酸化ガスは、フッ素ガス、塩素ガスおよびガス状臭素の少なくとも1つを含む。前記第1酸化ガスにおける高電気陰性原子(フッ素原子、塩素原子および臭素原子)は、前記シリカ中のヒドロキシ基およびその他の不純物(例えば、金属原子等)を酸化還元反応によって置換する。
本実施例では、ステップS21において、通気される前記第1酸化ガスの総質量は、前記シリカ粉体総質量の1%以内であり、通気される第1酸化ガスの総質量が、前記シリカ粉体総質量の1%を超えると、前記第1酸化ガスが過剰となって前記シリカ粉体中に雑ぜされる可能性があるので、後続の石英ガラスの均一性に影響しつつ、第1酸化ガスの無駄を招くおそれがある。
本実施形態において、前記第1酸化ガスは、キャリアガスとして酸素ガスおよび/またはオゾンを前記高温炉に供給する前記不活性ガスをさらに含む。
本実施形態では、ステップS23において、第2酸化ガスは、キャリアガスとして、酸素ガスおよび/またはオゾンを前記高温炉に搬入するための不活性ガスをさらに含む。
本実施形態において、ステップS3におけるガラス化は具体的には、前記高温炉に前記不活性ガスを通気し、炉に残留される遊離状態の酸素や塩素を持ちだされ、第4温度T4に段階的に昇温して、反応時間t4(t4≧1h)にて粉体をガラス化し、前記第4温度T4の範囲は1300℃~1500℃である。
本実施例では、図4を参照して、ステップS4において、前記アニール冷却は、具体的には、前記ガラス化体を前記第4温度T4から降温速度ν(ν≦0.05℃/min)で降温させることを含む。
ステップS30:1600℃~2300℃である第5温度T5まで高温炉を昇温し、時間t5(t5≧1h)に保持して、前記ガラス化体を高温均化し、フッ素、塩素、または臭素をさらに除去することができ、後続の石英ガラスの光学的均一性の向上に有利である。
前記シリカ粉体は、高温炉で温度T1=300℃に保温され、ヘリウムガスを保護ガスとし、ヘリウムガス純度は99.9999%であり、保温時間t1=5h。
前記シリカ粉体が位置する高温炉には、ヘリウム塩素混合ガスが通気し、ヘリウム塩素混合ガスの流量比は20:1であり、塩素ガス投入量は0.4kgであり、炉温T2=900℃且つ反応時間t2=1hで、前記第1脱ヒドロキシ基粉体を得る。
前記第1脱ヒドロキシ基粉体が位置する高温炉の温度をT3=1150℃まで昇温し、ヘリウム酸素混合ガスの流量比は5:1であり、反応時間t3=5hで、前記第2脱ヒドロキシ基粉体を得る。
前記第2脱ヒドロキシ基粉体が位置する高温炉には、純度99.999999%の高純度ヘリウムガスを通気し、T4=1350℃まで段階的に昇温し、反応時間t4=3hにて前記ガラス化体を得る。
前記ガラス化体を速度ν=0.02℃/minで300℃まで降温した後、常温冷却して前記石英ガラスを得る。
以上の条件でサンプル1#、2#、3#、4#を作製し、金属不純物含有量、ヒドロキシ基含有量、分光透過率、光学的均一性、応力複屈折を表1に示す。
実施例1のステップの大体は、粉体の合成、粉体の脱ヒドロキシ、粉体ガラス化およびアニールの4つの主な過程に分ける。実施例1において、各サンプルのヒドロキシ基の含有率は1ppm未満であり、光学的均一性は43×10-6以下である。
前記シリカ粉体は、高温炉で温度T1でT1=300℃に保温され、ヘリウムガスを保護ガスとし、高純度ヘリウムガス純度は99.9999%であり、保温時間t1=5hである。
前記シリカ粉体が位置する高温炉には、ヘリウム塩素混合ガスが通気し、ヘリウム塩素混合ガスの流量比は20:1であり、塩素ガス投入量は0.4kgであり、炉温T2=900℃且つ反応時間t2=1hで、前記第1脱ヒドロキシ基粉体を得る。
前記第1脱ヒドロキシ基粉体が位置する高温炉の温度をT3=1150℃まで昇温し、ヘリウム酸素混合ガスの流量比は5:1であり、反応時間t3=5hで、第2脱ヒドロキシ基粉体を得る。
前記第2脱ヒドロキシ基粉体が位置する高温炉には、純度99.999999%の高純度ヘリウムガスを通気し、T4=1350℃まで段階的に昇温し、反応時間t4=3hにて前記ガラス化体を得る。
前記ガラス化体を、T5=1800℃まで昇温し続けて均質化して、均質化の持続時間t5=3hにする。
前記ガラス化体を速度ν=0.02℃/minで300℃までに降温した後、常温冷却して前記石英ガラスを得る。
以上の条件でサンプル5#、6#、7#、8#を作製し、金属不純物含有量、ヒドロキシ基含有量、分光透過率、光学的均一性、応力複屈折を表2に示す。
前記シリカ粉体は、高温炉で温度T1でT1=300℃に保温され、高純度ヘリウムガスを保護ガスとし、ヘリウムガス純度は99.9999%であり、保温時間t1=5hである。
前記シリカ粉体が位置する高温炉には、ヘリウム塩素混合ガスが通気し、ヘリウム塩素混合ガスの流量比は20:1であり、塩素ガス投入量は0.4kgであり、炉温T2=900℃且つ反応時間t2=1hで、前記第1脱ヒドロキシ基粉体を得る。
前記シリカ粉体が位置する高温炉には、純度99.999999%の高純度ヘリウムガスを通気し、T4=1350℃まで段階的に昇温し、反応時間t4=3hにて前記ガラス化体を得る。
前記シリカ粉体が位置する高温炉には、純度99.999999%の高純度ヘリウムガスを通気し、T4=1350℃まで段階的に昇温し、反応時間t4=3hにて前記ガラス化体を得た。
前記ガラス化体を、T5=1800℃まで昇温し続けて均質化して、均質化の持続時間t5=3hにする。
前記ガラス化体を速度ν=0.02℃/minで300℃までに降温した後、常温冷却して前記石英ガラスを得る。
以上の条件でサンプル9#、10#、11#、12#を作製し、金属不純物含有量、ヒドロキシ基含有量、分光透過率、光学的均一性、応力複屈折を表3に示す。
前記シリカ粉体が位置する高温炉には、純度99.999999%の高純度ヘリウムガスを通気し、T4=1350℃まで段階的に昇温し、反応時間t4=3hにて前記ガラス化体を得る。
前記ガラス化体を速度ν=0.02℃/minで300℃までに降温した後、常温冷却して前記石英ガラスを得る。
以上の条件でサンプル13#、14#、15#、16#を作製し、金属不純物含有量、ヒドロキシ基含有量、分光透過率、光学的均一性、応力複屈折を表4に示す。
Claims (9)
- ヒドロキシ基を含有するシリカ粉体を提供するステップと、
前記シリカ粉体を第1温度で乾燥するステップ、前記シリカ粉体を第2温度まで昇温し、ハロゲンガスを含む第1酸化ガスを通気し、第1脱ヒドロキシ基粉体を得るステップ、および前記第1脱ヒドロキシ基粉体を第3温度まで昇温し、酸素ガス又はオゾンを含む第2酸化ガスを通気し、第2脱ヒドロキシ基粉体を得るステップを含む、前記シリカ粉体を脱ヒドロキシ基化する脱ヒドロキシ基化ステップと、
前記第2脱ヒドロキシ基粉体を第4温度まで上昇させてガラス化体を得るステップと、
前記ガラス化体を冷却して低ヒドロキシ基高純度石英ガラスを得るステップと、を含み、
前記第1酸化ガスの総質量は、前記シリカ粉体の総質量の1%以内である、ことを特徴とする低ヒドロキシ基高純度石英ガラスの調製方法。 - 前記第2脱ヒドロキシ基粉体を第4温度まで上昇させてガラス化体を得るステップの後に、
前記ガラス化体を、1600℃~2300℃である第5温度まで昇温し、1時間以上保持して高温均一化するステップをさらに含む請求項1に記載の調製方法。 - 前記ガラス化体を冷却するステップは、
前記ガラス化体を、0.05℃/min以下の降温速度で前記第4温度から室温まで降温させるステップを含む請求項1に記載の調製方法。 - 前記シリカ粉体の調製方法は、
珪素含有原料を提供するステップと、
前記珪素含有原料を気相堆積法により加水分解して前記シリカ粉体を形成するステップと、を含む請求項1に記載の調製方法。 - 前記珪素含有原料は、SiCl4、SiF4、C6H18O3Si3、C8H24O4Si4、C10H30O5Si5、C12H36O6Si6の少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項4に記載の調製方法。
- 前記気相堆積法は、化学気相成長法、プラズマ化学気相成長法、気相軸付け法、管外気相堆積法のいずれかを含むことを特徴とする請求項4に記載の調製方法。
- 前記第1酸化ガスは、フッ素ガス、塩素ガス、ガス状臭素の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の調製方法。
- 前記第1酸化ガスおよび前記第2酸化ガスのうちの少なくとも1つは、窒素ガス、ヘリウムガスおよびアルゴンガスのうちの少なくとも1つを含む不活性ガスをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の調製方法。
- 前記第1温度は200℃~400℃であり、前記第2温度は700℃~1000℃であり、前記第3温度は1050℃~1250℃であり、前記第4温度は1300℃~1500℃であることを特徴とする請求項1に記載の調製方法。
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