JPH03109224A - 石英ガラスおよびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術の分野］ 本発明は高温粘性の高い耐熱性に優れた石英ガラスおよ
びその製造法に関する。

［従来の技術］ 石英ガラスは、従来よりその化学的耐蝕性、純度、高温
での耐久性に優れた特徴を有することから、半導体製造
設備のなかで多くの工程に用いられている。特に高温部
材としては、拡散炉用プロセスチューブ素材として従来
より溶融石英ガラスが使用されている。しかしながら最
近の半導体の高集積化に伴い、高温使用時における石英
ガラスからの不純物の拡散放出が、半導体製品の性能や
歩留り等に悪影響を及ぼすことが士旨摘され、溶融石英
ガラスからより純度の高い合成石英ガラスへの材質変更
の要請が高まりつつある。

一方、合成石英ガラスの製造方法としては、従来より気
相反応法により多孔質石英ガラスを形成し、これを加熱
してガラス化する方法が知られている。即ち、四塩化珪
素等の珪素化合物を酸水素炎中で加水分解させ、生成し
たシリカ微粒子を基材上に付着・堆積させて多孔質石英
ガラス体を形成する。ついで、この多孔質体を加熱炉に
いれ、ヒータで加熱して多孔質体を焼結することにより
ガラス化する方法である。この方法で合成された石英ガ
ラスは、一般の溶融石英ガラスに比べ純度が極めて高く
各種の光学部品等に用いられている。しかしながら、こ
の方法で合成された石英ガラスは、徐冷点（粘度が１ｏ
１ａ、ｏとなる温度）が１１００〜１１７０℃と、溶融
品の徐冷点（１１８０〜１２２０℃）に比べ低いという
欠点を有しており、プロセスチューブ等の高温用部材用
途に用いる場合には非常に大きな障害となっていた。こ
のような合成石英ガラスの低粘性の原因としては、水分
含有量が１００〜１５００ｐｐｍと溶融品に比べ多いた
めと考えられるが、光フアイバー製造に際してＶＡＤ法
等で行なわれている塩素ガス等の脱水剤による脱水法を
用いた場合でも、水分量は１　ｐｐｍ以下となるにもか
かわらず粘性の改善は得られなかった。

また、水分低減の方法としては、この他にも酸水素炎の
代替としてプラズマ炎を用いた酸化反応による方法があ
るが、同じく効果は見られなかった。

［発明の解決しようとする課題］ 本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、高温
部材としての用途に使用可能な高い耐熱性をもつ超高純
度な石英ガラスおよびその製造法を提供することにある
。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、ガラス形成原料を加熱加水分解させて形成さ
れる多孔質石英ガラス体を加熱して透明ガラス化して石
英ガラスを製造する方法において、前記多孔質石英ガラ
ス体を透明ガラス化温度以下の温度域で水蒸気分圧の低
い雰囲気中に一定時間加熱保持する工程を含むことを特
徴とする耐熱性に優れた石英ガラスの製造法および、こ
のような方法により得られる耐熱性に優れた石英ガラス
を提供するものである。

本発明においては、予めガラス形成原料を加熱加水分解
して得られるシリカ微粒子を基材に堆積・成長させた多
孔質石英ガラス体を透明ガラス化する温度以下の温度域
で水蒸気分圧の低い雰囲気中に一定時間加熱保持した後
、透明ガラス化温度に昇温加熱して石英ガラスとする。

用いられるガラス形成原料としては、ガス化可能な原料
であれば特に制限されるものではないが、５ＬＣ１４，
５ｆＨＣ１ａ、　５Ｌ）ｌａｃｌｚ、　ＳＬ　（ＣＨ３
）Ｃｌ３等の塩化物、ＳｉＦ４．５ｉＨＦａ、　５ｉｔ
（□Ｆ２等のフッ化物、ＳｉＢｒ４．５ｉＨＢｒａ等の
臭化物、５ＩＩ４等の沃化物などのハロゲン化珪素化合
物が作業性やコストの面から好ましい。多孔質石英ガラ
ス体は、これらのガラス形成原料を通常の酸素水素炎中
での加水分解法や、間接加熱方式による水蒸気との気相
反応法等により加水分解し、基材上に堆積させることに
より形成される。

このようにして得られた多孔質体は、ついで低水蒸気分
圧雰囲気下で一定時間加熱保持されたのち、透明ガラス
化温度まで昇温されてガラス化を完了することにより石
英ガラスとなる。

すなわち、例えば、多孔質体は雰囲気制御可能な電気炉
内に予め装着されたのち、一定の昇温速度で加熱される
。ついで所定の温度に到達の後、乾燥ガスを雰囲気中に
導入し、多孔質体が接する雰囲気を置換することにより
雰囲気中の水蒸気分圧を所定値以下に低減する。その際
の水蒸気分圧としては、０．００５気圧以下であること
が好ましく、これを超える場合には最終的に得られる石
英ガラスの粘度が低く耐熱性の向上を達成することが出
来ず好ましくない。また、加熱保持する温度域としては
、８００〜１２５０℃の範囲内が好ましく、この温度域
未満の温度では、実質的な効果が得られず、またこの温
度域を超えると多孔質体の表面のガラス化が進行するた
め、多孔質体内部を所望の低水蒸気分圧雰囲気に置換す
ることが出来ず好ましくない。また、この温度域であれ
ば、加熱処理の方法としては、一定温度に保持してもよ
く、また、この温度域内を所定の時間の範囲内で昇温さ
せながら処理しても良い。また、この温度域での保持時
間は保持温度に依存するため一概に規定することは出来
ないが１〜１０時間程度が好ましく、これより短時間の
場合には、実質的な効果が薄く、またこれより長時間を
かけた場合にもその効果は変わらないため生産効率等を
勘案した場合には好ましくない。また、乾燥ガスとして
は、窒素、ヘリウム、アルゴン等を通常用いることが出
来るが、乾燥ガスとして使用できれば必ずしもこれらの
ガスに限定されるものではない。ついでこのような加熱
処理の後、多孔質体はガラス化温度まで昇温されてガラ
ス化される。ガラス化温度としては、１３５０−１５０
０℃の範囲から採用することが好ましい。また、加熱処
理とガラス化処理は、それぞれ別の加熱装置で行なわれ
ても構わないがその場合には、移送時に水分が吸着した
りすることを防止する等の処置を講じることが好ましい
。したがって、さらに好ましくは、加熱処理とガラス化
処理を同一ノ設備で行なうことが望ましい。

以上のような工程を経て得られる石英ガラスは、徐冷点
が１１９０℃以上の極めて耐熱性に優れた石英ガラスで
ある。また、溶融石英ガラスと異なり、ガラス形成原料
として高純度な合成原料が使用可能なこと、溶融工程を
経ないためルツボ等からの不純物の混入がないこと等か
ら、鉄、ニッケル等の重金属元素やナトリウム、カリウ
ム等のアルカリ金属元素の不純物総量が１　ｐｐｎ＋以
下と極めて高純度であり、その他の元素例えば溶融品に
多（含まれるアルミニウム等も極めて少な（高品質な石
英ガラスである。

以下、本発明の詳細についてさらに実施例により説明す
るが、本発明の内容は当然のことながらこれら実施例に
限定されるものではない。

［実施例］ 実施例１ 前記した公知の方法により作成した、直径８ｃｍ、長さ
２０ｃｍの多孔質石英ガラス体を、第１図に示すような
管状炉１０（炉芯管カーボン１１、保護管ムライト１２
）の中央部にセットし、炉芯管の両端部にシール蓋を装
着した。続いて、露点温度−７０℃の窒素ガスをガス供
給口１３から炉芯管内に導入した。ガスを流しながら、
通電を開始し５００℃／時の速度で炉を昇温しな。温度
が１０００℃に達したところで、昇温速度を５０℃／時
に落とし、１２５０℃まで昇温した。ついで導入するガ
スを窒素からヘリウムに切り替えて、ガスの導入を続け
なから昇温速度を２５０℃／時に速め１５００℃まで昇
温しこの温度で２時間保持した。

自然冷却の後、試料を取り出して２．４ｍｍＸ５．０ｍ
ｍ　Ｘ　６０ｍｍのサンプルを切りだし、ビームベンデ
ィング法によって粘度の測定を行なった。

測定の結果この試料の徐冷点（粘度が１０１３．０ｐｏ
ｉｓｅとなる温度）は１２００℃であった。

実施例２〜３ それぞれガス中の水蒸気分圧、熱処理温度プロファイル
が異なる以外は実施例１と同一の条件下で多孔質石英ガ
ラス体の焼成を行ない、徐冷点の測定を行なった結果を
実施例１の結果とともに表１に示す。また、比較の為熱
処理な行なわないで焼成・透明ガラス化を行なった場合
の結果を同じ（表１に示す。

表１．実施例１〜４および比較例の焼成条件と試料の徐
冷点測定結果 実施例４ 前記した公知の方法により作成した、石英ガラス製の種
棒１４に形成された直径３５ＣＯ１、長さ１００ｃｍの
多孔質石英ガラス体１５を、第２図（Ａ）に示すような
加熱炉２１に装着した。加熱炉２１は、焼結温度以下の
温度で多孔質体を加熱処理するための加熱炉２２と、加
熱処理された多孔質体を焼結温度まで昇温し、透明ガラ
ス化するための加熱炉２３とからなり、この炉の上部に
は多孔質石英ガラスを炉内に装着し、また移動させるた
めの昇降装置２４が配置されている。

まず多孔質石英ガラス体を下降させて加熱炉２２内に配
置し、下降を停止する（図２（Ｂ））。ガス供給口２７
から露点温度−７０℃の窒素ガスを加熱炉２２内に導入
し炉内雰囲気を一定に保つ。ガスを流しながら通電を開
始し５００’Ｃ／時の速度で昇温し、１０００℃に到達
したところで、昇温速度５０℃／時に落とし１２００℃
まで昇温し、１２００’ｃで５時間保持した。ついで導
入ガスを窒素からヘリウムに切り替えるとともに、加熱
炉２２と加熱炉２３の間の仕切り板２８を開けて、多孔
質体を加熱炉２３の中へ一定の速度で下降させる（図２
（（Ｃ））。加熱炉２３の内部には環状ヒータ２５が配
置されており、予め所定の温度に昇温保持されている。

加熱炉２３のヒータの上下方向の長さは６０ｃｍで、ヒ
ータ上部が１２００℃、中央部が１４５０℃、下部が１
３００℃程度となるように温度勾配が設けられている。

また、加熱炉２３内には、ガス導入０２６から露点温度
−７０℃のヘリウムガスが導入され、炉内は一定雰囲気
に保持されている。多孔質体をその下端部からヒータ２
５内に５０ｍｍ／時の速度で徐々に挿入してい（と、挿
入された多孔質体は、下端部より徐々に加熱溶融し、脱
泡がなされて透明ガラス体となった（図２（Ｃ））。つ
いで、第２図（Ｄ）に示す如く、種棒の下端部がヒータ
２５の上端の手前にきたとき。

下降を停止してガラス化を終了させた（第２図（Ｄ））
。

このようにして作成した試料の徐冷点を測定したところ
、１２００℃であった。

［発明の効果］ 本発明によれば徐冷点が高（、溶融石英ガラスと同程度
の徐冷点をもつ合成石英ガラスが得られる。これにより
純度、化学的耐蝕性に優れながらも溶融石英ガラスに比
較して徐冷点が低いという従来の合成石英ガラスのもつ
欠点を払拭した高温における耐熱性、耐久性に優れた合
成石英ガラスが得られる。本発明の合成石英ガラスは広
い用途を有するが、特に高温において機械的負荷のかが
る装置や部材として優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）ハ、本
発明の実施例を工程に従って示す説明図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラス形成原料を加熱加水分解させて形成される
   多孔質石英ガラス体を加熱して透明ガラス化して石英ガ
   ラスを製造する方法において、前記多孔質石英ガラス体
   を透明ガラス化温度以下の温度域で水蒸気分圧の低い雰
   囲気中に一定時間加熱保持する工程を含むことを特徴と
   する耐熱性に優れた石英ガラスの製造法。
2. （２）請求項１において、透明ガラス化温度域以下の温
   度で保持する雰囲気の露点温度が−７０℃以下であるこ
   とを特徴とする耐熱性に優れた石英ガラスの製造法。
3. （３）請求項１または２において、透明ガラス化温度以
   下の保持温度域が８００〜１２５０℃であることを特徴
   とする耐熱性に優れた石英ガラスの製造法。
4. （４）請求項３において、８００〜１２５０℃での保持
   時間が１〜１０時間であることを特徴とする耐熱性に優
   れた石英ガラスの製造法。
5. （５）請求項１〜４のいずれか１項において、透明ガラ
   ス化温度以下の温度で電気炉内で一定時間保持したのち
   、同一の炉内で透明ガラス化を行なうことを特徴とする
   耐熱性に優れた石英ガラスの製造法。
6. （６）請求項１〜４のいずれか１項の方法により製造さ
   れる、徐冷点が１１９０℃以上であることを特徴とする
   耐熱性に優れた石英ガラス。
7. （７）請求項６において、重金属およびアルカリの含有
   量の総計が１ｐｐｍ以下である事を特徴とする耐熱性に
   優れた石英ガラス。
8. （８）請求項６または７における耐熱性に優れた石英ガ
   ラスからなる電気炉の炉芯管。