JPH07267724A - 高含量の二酸化珪素を有する造形物およびその製造法 - Google Patents
高含量の二酸化珪素を有する造形物およびその製造法Info
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Abstract
び低熱膨張率を有し、ガス不透過性であり且つ輻射線透
過率が小さい非晶質二酸化珪素からなる造形物の提供。 【構成】 不透明で、細孔を有し、1mmの壁厚におい
てλ=190nmからλ=2650nmまでの波長領域
において実質的に一定であり且つ10%未満である直接
分光透過率を有し、少なくとも2.15g/cm3の密度を有
する、少なくとも99.9%の化学純度および多くとも
1%のクリストバライト含量を有する非晶質二酸化珪素
からなるガス透過性の造形物。該造形物は、非晶質二酸
化珪素出発原料を微粉砕して70μm以下の粒度の粉末
とし、スリップを調製して多孔性成形型に導入し、未加
工の造形物を造り、乾燥後炉の中で1200℃以上の温
度に加熱し、ついで冷却することにより製造される。
Description
化学純度及び多くとも1%のクリストバライト含量を有
し且つガス不透過性の非晶質二酸化珪素からなる造形物
に関する。さらに、本発明は少なくとも99.9%の化
学純度及び多くとも1%のクリストバライト含量を有す
る非晶質二酸化珪素からなるガス不透過性造形物の製造
法に関するものであり、該方法は少なくとも99.9%
の純度を有する非晶質石英ガラス出発原料を微粉砕して
70μm以下の粒度を有する粉末とし、該粉末からスリ
ップ(slip;Schlick)を製造し、該スリップを、未加
工の造形物を調製するために、造形物に対応する多孔性
成形型に導入して、そこに所定時間入れて置き、該未加
工の造形物を成形型から取り出し、乾燥し、ついで炉中
で1200℃以上の温度で加熱後冷却する方法である。
有する造形物は多くの工業分野で使用されている。その
用途分野の例としては、スチール又は非鉄金属の連続鋳
造用鋳造管類、圧力鋳造物及びインベストメント鋳造物
を製造するためのコア類、石英引き抜き用るつぼ、例え
ば半導体ドーピングを行うための拡散チューブ用フラン
ジ類など挙げることができる。殆どの用途において、造
形物は1000℃近くの温度における高い安定性を有す
ること、及びしばしば高い耐熱衝撃性を有することも要
求される。1100℃を越える温度での造形物の繰り返
し使用を可能にするためには、そのクリストバライト含
量は、約1100℃を越える温度でクリストバライトが
形成されるために、高々数%であるべきである。スリッ
プ鋳造法で製造され、そして通常は1100℃から最高
1250℃の範囲の温度で焼結された造形物の密度は
(Keramische Zeitschrift 38, No.8 442ー445 (1986);
EP 0 475 549 31参照)、石英ガラスの理論密度の85
〜90%の範囲にある。常温曲げ強さは15 N/mm2であ
る。
有する造形物は電気アークにより回転成形型中で珪砂を
加熱することにより得られる(DE 543957参照)。これら
の造形物は、その製造法のために、回転対称性を有し、
場合によりさらに機械的に処理されなければならない。
該造形物は約65 N/mm2の常温曲げ強さを有する。
化珪素からなる単結晶を引き抜き用薄壁容器、特にるつ
ぼを開示している。この容器のクリストバライト含量は
高々1%であり、その製造法のために、該容器はガス不
透過性および透明である。該容器はスリップ鋳造法で製
造される。用いられる出発原料は少なくとも99.95
%の化学純度のガラス質シリカであり、これを慣用ミル
で微粉砕して200μm以下および1〜70μmの平均
粒度を有する石英粉末にされる。この粉末から蒸留水を
加えることによりスリップが製造される。未加工るつぼ
を製造するために、製造すべきるつぼの型に対応する、
例えば石膏製の多孔性成形型中でスリップを鋳造し、成
形されるべき所望の壁厚とするに充分な時間スリップを
該型内に入れて置く。るつぼが充分に強化されたら、型
から取り出し、部分的に乾燥する。約177℃の加熱室
中で完全な乾燥が行われる。全ての燃焼成分、例えばミ
ルでの微粉砕中に形成され、水を吸収したポリウレタン
ゴムの摩耗物を除去するために、るつぼはゆっくり11
50℃に加熱される。室温に冷却後、るつぼをヘリウム
雰囲気下、加熱室中で黒煙マンドレルにて、透明になる
まで約3〜4分間、約1680℃で加熱する。ついで、
るつぼをヘリウム雰囲気下に約0.5分間で1480℃
に冷却した後、トングにより黒煙マンドレルから取り出
し、室温に冷却する。クリストバライトの形成を出来る
だけ少なく、即ち1%未満にするために、るつぼは、加
熱及び冷却工程中は多くとも10分間は1200℃超過
の高い温度範囲に曝される。このようにして得られたる
つぼの壁厚は2〜4mmである。
密さを有する非晶質二酸化珪素の造形物を提供すること
にあり、該造形物は小さなまたは大きな寸法のもの、お
よび簡単なまたは複雑な型のものであることができ、少
なくとも99.9%の化学純度を有し、特に1mm以上
の壁厚でガス不透過性であり、高い常温曲げ強さ、低い
熱伝導性及び低い熱放射性を有し、熱衝撃抵抗性であ
り、1000〜1300℃の温度に繰り返し又は長期間
曝すことができ、尖った広がりのない結合部を溶接する
ことができ、そして紫外スペクトルから中央赤外スペク
トルの領域までの低い分光透過率を有するものである。
的にシンプルで安価な製造法を提供するものであり、該
造形物は100mmまでの壁厚及び任意寸法を有する非
晶質二酸化珪素からなり、高精密度、高常温曲げ強さ、
低熱伝導度および低熱膨張率を有し、ガス不透過性であ
り、その輻射線透過率は小さく、特に赤外領域の近く及
び中央にある。
とも99.9%の化学純度を有し、不透明の故にガス透
過性であり、細孔を有し、1mmの壁厚においてλ=1
90nmからλ=2650nmまでの波長領域において
実質的に一定であり且つ10%未満の直接分光透過率を
有し、少なくとも2.15g/cm3の密度を有する非晶質
二酸化珪素からなる造形物により、達成される。上記の
ガス不透過率とは、石英ガラスが常温において技術的に
知覚されるガス透過率を有しないので、本明細書におい
ては、常温におけるものを言う。
とも80%は20μm未満の最大細孔寸法を有する。こ
の最大細孔寸法は10μm未満であることが有利であ
る。造形物の多孔度は単位容積当たり0.5〜2.5%
の範囲である。
m×4mmの断面積当たり少なくとも60 N/mm2の常温
曲げ強さを有し、公知の非晶質二酸化珪素の造形物の曲
げ強さよりもかなり大きく、透明な石英ガラス造形物の
それに匹敵するものである。個々の場合においては、9
0N/mm2以上の常温曲げ強さも達成される。
本発明の造形物は、1mmの壁厚において直接分光透過
率、即ちλ=190nmからλ=2650nmの波長領
域において一定であり且つ10%未満である、散乱輻射
を除く、分光透過率を有し、例えば赤外スペクトル近く
又は中央の領域でさえもフィルターするために適した、
即ち該輻射に対して遮蔽感受性物体に適したものであ
る。
により決められ、その強度及び不透過性の理由から、最
小壁厚は最大細孔寸法の約3〜5倍、即ち約0.1mm
である。
壁厚を有することが好ましい。その曲げ強さ、耐熱性及
び高化学純度のために、造形物は設備の支持体として、
または高純度物体、例えば1300℃までの高温度処理
に付される珪素ウエファーとして特に適している。ま
た、本発明の造形物は、半導体部材用の半製品珪素を処
理する超高純度石英ガラス製反応器中又は反応器用の部
材として非常に適している。該造形物は中空体の形状、
好ましくはフランジ又はるつぼの形状に造ることもで
き、該るつぼは、例えば燐のような無機物質をか焼する
ために、あるいは金などの熔融るつぼとして使用するこ
とができる。造形物の高化学純度のために、たとえ高い
温度であってもそこで処理されるべき材料の汚染を心配
する必要はない。フランジの形状である本発明の造形物
は、例えば透明石英ガラスのコンテナーに容易に溶接す
ることができ、都合よく精密な尖った広がりのない結合
部を与える。
参考にして説明する。図1はフランジ形状の本発明造形
物を示すものであり、下記寸法を有するものである。 φef=285mm,φif=220mm,thf=12.
7mm,h=25.4mm,hw=12.7mm,thw
=4mm、 [φef:フランジの外径、φif:フランジの内径、th
f:フランジの厚みh:全体の高さ、hw:ウエブの高
さ、thw:ウエブの厚み] 図2は本発明の造形物のλ=190nmからλ=265
0nmの波長領域における直接透過スペクトルを示すも
のである。図3は本発明の方法の必須工程を示すフロー
ダイアグラムである。図4は実施例に記載したスリップ
を充填した成形型の断面図を示すものである。図5は乾
燥された未加工造形物の加熱時間と温度との関係を示す
グラフである。
mの管状造形物を使用して得たものである。測定は分光
光度計(Perkin-Elmer LAMBDA 9)を使用し、Ulbricht
グローブを用いずに行った。試験試料の表面は艶出仕上
げされたものである。曲線の形から明らかなように、調
べたスペクトル領域における直接分光透過性は実質的に
一定であり、1%未満である。
物と同様に機械加工することができる。しかしながら、
本発明造形物は実質的にストレスがないので、該石英造
形物ではストレスの低減及び除去のために必要である加
工前のアニーリングは、本発明造形物に対しては行うべ
きではない。また、本発明造形物の耐薬品性は前記石英
造形物と同様に良好である。例えばガスバーナーによる
火炎仕上げにより造形物の表面を溶接またはシールした
後でも、目立った収縮は見つけることができない。本発
明の造形物の熱伝導度は透明石英ガラス造形物のそれと
ほぼ同じである。
製造することが好ましい。本発明によれば、1mmの壁
厚における直接分光透過率がλ=190nmからλ=2
650nmの波長領域において一定であり且つ10%未
満である不透明の細孔含有造形物の製造のためのスリッ
プ鋳造方法は、スリップを多孔性成形型に入れる前に該
スリップの量に依存して1〜240時間連続運動より安
定化させ、乾燥した未加工の造形物を炉中で1350〜
1450℃の範囲の焼結温度で、5〜60K/分の範囲
の加熱速度で加熱し、1300℃以上の温度に少なくと
も40分間曝らし、そして5K/分以上の冷却速度で約
1000℃の温度に冷却することを包含する。乾燥され
た未加工の造形物を1300℃以上の温度に少なくとも
40分間曝らすこの最小時間は下記の時間の合計であ
る。 1.未加工の造形物を1300℃から焼結温度へ加熱す
るのに要する時間; 2.未加工の造形物を焼結温度に維持するための時間: 3.未加工の造形物を焼結温度から1300℃へ冷却す
るに要する時間
造方法に対して、本発明の方法は、一方では、従来使用
されていた焼結温度である1100〜1250℃を少な
くとも100℃上回る1350〜1450℃の高い焼結
温度により、他方では、未加工の造形物が1300℃以
上の温度に曝される間が少なくとも40分間であること
により区別される。この時間は、スリップ鋳造法による
二酸化珪素の透明造形物の製造に採用されている、超過
すべきではない最大時間(DE-A 22 18 766)よりも少な
くとも4倍である。驚くべきことに、本発明の方法によ
り製造される造形物は多くとも1%のクリストバライト
含量である。
の高純度非晶質二酸化珪素であり、これはそれ自体公知
の方法で、例えば珪砂又は水晶から製造される。本発明
の方法で使用される出発原料は、好都合にも、もしそれ
が少なくとも99.9%の化学純度を満たすならば、例
えば半導体部材の処理用反応器又は他の石英ガラス装置
の製造の際に得られる破損した石英ガラスのような石英
ガラススクラップであることができる。従って、従来廃
棄されていた該スクラップを高精密な造形物の製造に再
使用することができ、化学純度に関して高価な精製処理
を行うことがないので、大きな原料節約およびコスト節
約に導く。
で、実質量の非除去不純物が製造させるべき粉末に入ら
ないように注意して行われる。成形型に導入されるスリ
ップは3〜5のpHのものが好ましい。さらに、スリッ
プを成形型に導入する前に短時間減圧に付し、スリップ
中に存在する空気バブルを除去することが有利であるこ
とがわかった。
スリップを成形型中に入れて置く間は、スリップの自由
表面と成形型のスリップにより湿らされていない外表面
との圧力差を、該外表面の圧力がスリップの自由表面の
圧力よりも低くなるように保持することが有用であるこ
とがわかった。成形型用材料として石膏を使用した場合
は、成形型の外表面を0.8バール未満の圧力に維持す
ることが好ましいことがわかった。これは大気圧以下の
圧力に維持された容器中に成形型を挿入しすることによ
り達成される。圧力差を増加させる場合は、スリップが
加圧鋳造法により過圧下に成形型に導入される。
いられる場合は、成形型にスリップを導入するために加
圧鋳造法が推奨される。スリップは5〜400分間成形
型中に入れて置き、未加工の造形物を形成することが有
益であることがわかった。ついで、未加工の造形物は室
温から約300℃の温度に、好ましくは段階的に300
℃に上がるように加熱することにより乾燥される。10
0〜300℃の温度範囲における場合よりも100℃未
満の温度範囲における場合の方がより小さい温度段階を
選択すること(即ち、小刻みに温度を上げること)が有
益であることがわかった。
用して、減圧下に乾燥を実施することが特に良好な結果
が得られる。完全に乾燥するために、および出発原料の
微粉砕中に微粉砕装置のライニングから削り取られる物
質が粉末中に、かくしてスリップ中に入り込む有機不純
物を同時に除去するために、未加工の造形物は900〜
1100℃の範囲の温度に加熱され、この温度に30〜
200分間保たれる。ついで、このようにして得られた
未加工の造形物は上記したように炉中で、5〜60K/
分の焼結速度で、1350〜1450℃の温度に加熱さ
れ、加熱速度に依存して設定された時間、焼結温度に保
持され、5k/分以上の冷却速度で約1000℃に冷却
される。未加工の造形物が焼結温度に保持される時間
は、加熱速度の増加により増加するように選ばれる。さ
らに炉中での冷却は、造形物の性質に知覚しうる影響を
与えないので、速く又は遅く任意に行うことができる。
未加工の造形物の高温焼結中は、炉内を酸化雰囲気に維
持することが有利であり、これはプロセスを実質的に簡
単にする。
理、焼結及び冷却中は、未加工の造形物または造形物
は、例えば高化学純度の、再結晶された炭化珪素の基
材、即ち造形物の非晶質二酸化珪素と反応しない材料の
上に配置される。非常に複雑な型、例えばアンダーカッ
ト付きの造形物を製造する場合は、冷却された造形物は
その領域内に薄い粗表面層を有する。この表面層は機械
的に、又はフッ化水素酸による簡単な処理を行うことに
より除去することが好ましい。
参考にして、外径297mm、内径206mm、厚さ1
6mmの環状造形物の製造例を説明する。用いた出発原
料は99.99%以上の化学純度を有し、355〜20
00μmの範囲のもの80%、355μm未満のもの1
9%及び2000μm超過のもの1%の粒度分布を有す
る非晶質二酸化珪素粒子であった。全面をポリウレタン
でライニングしたボールミル中で、該粒子を0.05μ
S以下の伝導度を有する脱イオン水と一緒に粉砕した。
ミルボールは99.99%の化学純度の石英ガラス製の
ものである。ミル供給物は下記に組成であった。 粒子 42重量% 水 11重量% ミルボール 47重量%
間粉砕された。粉砕後、粒度分布(D)は0.45μm
<D<50μmであり、約60%の主要部分は1〜10
μmであった。粒度分布の分析はレーザー光拡散装置で
行った。スリップから粉砕媒体を除去した後、スリップ
をボールミル中で50rpmの回転数で240時間の運動
を行うことにより安定化させた。スリップの固体含量は
78〜79%であり、そのpHは約4.5であった。ス
リップを成形型に入れる前に、0.8バールの減圧下に
20分間置き、スリップ内の空気バブルを除去した。
を、ベント路を備え、予め無埃且つ無油の圧縮空気及び
脱イオン水(伝導度0.05μS以下)で洗浄された市
販の硬質石膏(プレス成形石膏)製の成形型(外径31
5mm、内径218mm、高さ17mm)中に30秒間
以上保持し、その際減少したスリップレベルは3時間一
定間隔で上昇した。さらに3時間成形型中に置いた後、
圧縮空気をベント路に導入しながら形成された造形物を
型から取り出した。スリップの型への導入および型内で
の保持中は、該スリップにより湿らされていない型の外
表面は0.1バールの減圧に維持され、スリップの液表
面は常圧下に維持された。
図を示すものである。符号1はベント路2を備えた数個
取成形型を示し、スリップ3が充填される型のくぼみで
ある。型1はポンプ5により内部が0.1バールの減圧
に維持されたハウジング4中に気密に設置される。未加
工の造形物を取り出すためには、ポンプ5のスイッチを
切り、圧縮空気をその接続部6からハウジング4へ導入
する。
ーブン中で乾燥される。未加工の造形物から残存水を温
和に、損傷なく除去するために、30、45、70、9
5、110、200および300℃へと段階的に加熱が
行われ、該特定温度における未加工の造形物の滞留時間
は15、15、15、15、15、8および8時間であ
る。
着残留水、および粉砕工程で生じた有機研磨不純物を除
去するために、乾燥された未加工の造形物を、予め17
00℃の温度で焼成した再結晶二酸化珪素の基材の上
で、空気雰囲気下に、繊維ライニングされ電気的に加熱
された炉の中で、5K/分の加熱速度で1000℃の温
度に加熱し、この温度に2時間保持した。未加工の造形
物は2.0g/cm3の密度および開放気孔のミクロ構造を
有していた。
の炉の中で行った。1400℃の焼結温度への加熱速度
は10K/分であった。焼結温度での未加工の造形物の
保持時間は60分間であった。ついで、10K/分の冷
却速度で1400℃から1000℃に冷却し、炉の自然
冷却曲線に対応して、炉から造形物を取り出すまでに約
8時間を要した。300℃の温度で造形物を炉から取り
出した。該造形物の密度は2.18g/cm3と測定され
た。
る。
50nmまでの波長領域における直接透過スペクトル図
である。
ラムである。
断面図を示すものである。
関係を示すグラフである。
とも99.9%の化学純度を有し、不透明の故にガス不
透過性であり、細孔を有し、1mmの壁厚においてλ=
190nmからλ=2650nmまでの波長領域におい
て実質的に一定であり且つ10%未満の直接分光透過率
を有し、少なくとも2.15g/cm3の密度を有する
非晶質二酸化珪素からなる造形物により、達成される。
上記のガス不透過率とは、石英ガラスが常温において技
術的に知覚されるガス透過率を有しないので、本明細書
においては、常温におけるものを言う。
Claims (23)
- 【請求項1】 少なくとも99.9%の化学純度および
多くとも1%のクリストバライト含量を有する非晶質二
酸化珪素からなるガス透過性の造形物において、不透明
で、細孔を有し、1mmの壁厚においてλ=190nm
からλ=2650nmまでの波長領域において実質的に
一定であり且つ10%未満である直接分光透過率を有
し、少なくとも2.15g/cm3の密度を有することを特
徴とする造形物。 - 【請求項2】 前記細孔の少なくとも80%が20μm
未満の最大細孔寸法を有する請求項1記載の造形物。 - 【請求項3】 細孔含有量が単位体積当たり0.5〜
2.5%の範囲にある請求項1または2記載の造形物。 - 【請求項4】 前記壁厚が1〜100mmの範囲にある
請求項1〜3のいずれかに記載の造形物。 - 【請求項5】 中空体の形状である請求項1〜4のいず
れかに記載の造形物。 - 【請求項6】 フランジの形状である請求項5記載の造
形物。 - 【請求項7】 るつぼの形状である請求項5記載の造形
物。 - 【請求項8】 少なくとも99.9%の純度を有する非
晶質二酸化珪素出発原料を微粉砕して70μm以下の粒
度を有する粉末とし、スリップを調製し、該スリップを
造形物に対応する多孔性成形型に導入し、所定時間型内
に入れて置おいて未加工の造形物を調製し、該型から未
加工の造形物を取り出した後、乾燥し、それを炉の中で
1200℃以上の温度に加熱し、ついで冷却して、少な
くとも99.9%の化学純度および多くとも1%のクリ
ストバライト含量を有する非晶質二酸化珪素からなる造
形物を製造する方法において、1mmの壁厚における直
接分光透過率がλ=190nmからλ=2650nmの
波長領域において一定であり且つ10%未満である不透
明の細孔含有造形物の製造のために、スリップを多孔性
成形型に入れる前に該スリップの量に依存して1〜24
0時間の連続運動により安定化させ、乾燥した未加工の
造形物を炉中で1350〜1450℃の範囲の焼結温度
で、5〜60K/分の範囲の加熱速度で加熱し、130
0℃以上の温度に少なくとも40分間曝らし、そして5
K/分以上の冷却速度で約1000℃の温度に冷却する
ことを特徴とする方法。 - 【請求項9】 スリップが型に導入される前に、スリッ
プを短時間減圧に付す請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 スリップを成形型に導入する間及び/
又はスリップを成形型中に入れて置く間は、スリップの
自由表面と成形型のスリップにより湿らされていない外
表面との圧力差を、該外表面の圧力をスリップの自由表
面の圧力よりも低くなるように保持する請求項8または
9記載の方法。 - 【請求項11】 前記成形型の外表面を0.8バール未
満の圧力に維持する請求項10記載の方法。 - 【請求項12】 成形型を大気圧より低い圧力に維持さ
れた容器に挿入する請求項10または11記載の方法。 - 【請求項13】 スリップが5〜400分間成形型中に
入れておき、未加工の造形物を形成する請求項8〜12
のいずれかに記載の方法。 - 【請求項14】 未加工の造形物が室温から約300℃
の温度に加熱することにより乾燥される請求項8〜13
のいずれかに記載の方法。 - 【請求項15】 前記温度が段階的に300℃に上げら
れる請求項14記載の方法。 - 【請求項16】 前記温度段階が、100〜300℃の
温度範囲における場合よりも100℃未満の温度範囲に
おける場合の方がより小さくなるように選択される請求
項15記載の方法。 - 【請求項17】 未加工の造形物の乾燥が減圧下に行わ
れる請求項8〜16のいずれかに記載の方法。 - 【請求項18】 乾燥された未加工の造形物が900〜
1100℃の範囲の温度に30〜200分間曝される請
求項8〜17のいずれかに記載の方法。 - 【請求項19】 未加工の造形物が、加熱速度の増加と
共に増加する時間、焼結温度に保持される請求項8〜1
8のいずれかに記載の方法。 - 【請求項20】 未加工の高温焼結の間は、炉内が酸化
雰囲気に維持される請求項8〜19のいずれかに記載の
方法。 - 【請求項21】 薄い粗焼結表面層が、機械的に又はフ
ッ化水素酸の簡単な処理により、冷却された造形物から
除去される請求項8〜20のいずれかに記載の方法。 - 【請求項22】 成形型に導入されるスリップが3〜5
のpHを有するものである請求項8〜21のいずれかに
記載の方法。 - 【請求項23】 用いられる出発物質が石英ガラススク
ラップである請求項8〜21のいずれかに記載の方法。
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