JPH11199252A

JPH11199252A - 不透明石英ガラス

Info

Publication number: JPH11199252A
Application number: JP177698A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyuki Nakamura; 哲之中村; Koji Miyawaki; 浩司宮脇
Original assignee: Sumikin Quartz Co Ltd
Current assignee: Ohara Quarz Co Ltd
Priority date: 1998-01-07
Filing date: 1998-01-07
Publication date: 1999-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】高純度で、優れた耐熱性と遮熱性を同時に発揮
することができるの不透明石英ガラスを提供できる。【解決手段】不透明石英ガラス母材を石英ガラスの軟化
点近傍まで加熱し、流動変形または、流動変形および加
圧変形された不透明石英ガラスであって、その内部に偏
平な形状の気泡を含有することを特徴とする不透明石英
ガラスである。上記の不透明石英ガラスにおいては、気
泡の短径／長径の比が0.9以下にするのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高純度で、耐熱性およ
び遮熱性に優れる不透明石英ガラスに関し、さらに詳し
くは、このような優れた特性から、半導体製造工程の熱
処理炉に用いられる遮熱性材料として好適な不透明石英
ガラスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から不透明石英ガラスは、高純度で
あり、耐熱性および遮熱性に優れた特性を発揮すること
から、半導体製造工程の熱処理炉の炉心管、フランジ、
遮熱板などの遮熱性材料として汎用されている。

【０００３】このような目的に用いられる不透明石英ガ
ラスは、通常、水晶粉、精製硅砂などの高純度シリカ粉
を原料として、これらを加熱、溶融する方法で製造され
る。高純度シリカ粉のなかには、その産地によって原料
粒子中に多数の微細な気泡を含有するものがあり、この
ような原料を溶融して石英ガラスを製造すると内部に気
泡がそのまま残留しやすい。さらに、原料の種類によっ
ては、長石の一種で溶融中にガス化して気泡を発生する
発泡性の脈石を含んでいたり、または、例えば、インド
の特定産地の高純度珪石のように、原料の粒子表面の凹
凸が激しく、その表面形状に起因して溶融中に原料粒子
の空隙がそのまま残留するような原料を含んでいたりす
る。

【０００４】このような原料の特性を利用して、従来か
ら不透明石英ガラスが製造されていたが、製造された石
英ガラスの気泡の発生条件は均一ではない。このため、
石英ガラスの部位によって、発生する気泡の数、サイズ
が不均一であったり、発生した気泡同士が連結して、極
端な場合には石英ガラスの内部に巨大な空隙が生じるこ
ともある。このような不透明石英ガラスでは、前述した
半導体製造用の遮熱性材料として用いることができな
い。

【０００５】そこで、種々の改良を施した不透明石英ガ
ラスおよびその製造方法が提案されている。まず、高純
度の原料に予め発泡剤として窒化珪素、炭化珪素および
炭素などの微粉末を添加し、それを加熱、溶融して製造
される不透明石英ガラスが提案されている（例えば、特
開平４−65328号公報、特開平５−254882号公報参
照）。提案された不透明石英ガラスでは、高純度の発泡
剤を用いることによって石英ガラスの純度を損なうこと
なく、内部の発泡条件は均一となるので、遮熱性、耐熱
性ともに優れ、遮熱性材料として好適なものであるとさ
れる。

【０００６】次に、特開平７−61827号公報に示すよう
に、高純度の原料（高純度水晶粉）を耐熱性の成形型に
入れて真空排気し、原料の粒子表面の空気を除去した
後、窒素気流中で昇温速度を制御しながら加熱、溶融す
るか、または成形型への原料の充填を特定の積層方法で
行って加熱、溶融して製造される不透明石英ガラスが開
示されている。ここで開示される不透明石英ガラスの特
徴は、含有される気泡の径が小さく、気泡密度が高く、
かつ均一に分散しているので、極めて耐熱性および遮熱
性に優れたものであるとされる。

【０００７】上述の通り、従来の不透明石英ガラスの耐
熱性や遮熱性を改善する手段としては、発泡条件の均一
化や、さらに、前記の特開平７−61827号公報に示され
るように、気泡の径を小さくし、含有される気泡の個数
を増加させて、気泡密度を高めるようにしている。換言
すると、改善手段の基本的な考え方として、石英ガラス
内に含有される気泡の総体積を一定に保ち、気泡の総表
面積を増大させることとしている。しかし、包含される
気泡の径を小さくするには限界があることから、提案の
改善手段のように、石英ガラス中の気泡直径と気泡密度
を所定範囲で限定すれば、気泡の比表面積（気泡が占め
る総表面積／気泡が占める総体積）を大幅に増加させる
ことができない。このため、不透明石英ガラスの耐熱性
と遮熱性を同時に改善するには、自ずから限界が生ずる
ことになる。

【０００８】一方、最近では、不透明石英ガラスに対す
る半導体製造分野からの要請は厳しいものになってい
る。すなわち、半導体製造工程における高集積化と多岐
にわたる高性能化の一層の進展にともない、熱処理炉の
形式は縦型が主流となり、熱処理温度は1000℃を超える
高温条件が多く採用されるようになる。このような縦型
熱処理炉に用いられる不透明石英ガラスとしては、炉下
端部に配置される炉心管、フランジ、または熱処理炉の
内部に設けられた遮熱板が想定される。そこで、これら
の遮熱性材料に用いられる不透明石英ガラスに要求され
る品質は、高温下での熱変形を抑制する耐熱性と、炉外
への熱線の不規則散乱を防ぎ、熱線の遮熱特性に関して
一層厳しいものとなる。

【０００９】しかしながら、従来の不透明石英ガラスで
は、前述の通り、耐熱性と遮熱性とを同時に改善するに
は限界があることから、一層高度化する半導体製造分野
からの要求品質に対応できないという問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の不透
明石英ガラスにおける問題点に鑑み、包含される気泡の
形状を制御することにより、半導体製造工程で用いられ
る遮熱性材料として高度化する要求品質に対応できる、
耐熱性と遮熱性とを同時に発揮することが可能な不透明
石英ガラスを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するため、種々の研究を重ねた結果、熱処理炉
における高温条件下で生じる不透明石英ガラスの熱変形
を抑制、防止する耐熱性は、石英ガラス自体の耐熱性の
みならず、石英ガラスに包含される気泡が占める表面積
と体積の比に関係することを明らかにした。それと同時
に、熱線を遮蔽して炉内温度を均一にする効果、すなわ
ち、遮熱性は石英ガラス中の気泡が占める総表面積の影
響を受けることも見出した。

【００１２】不透明石英ガラスの耐熱性は、石英ガラス
自体の耐熱性が一定である場合には、包含される気泡の
径分布が一定の場合、気泡が占める総体積が小さくなる
ほど優れたものとなる。一方、包含される気泡の総体積
が一定の場合には、気泡の総表面積が大きくなるほど耐
熱性は優れたものになる。言い換えると、石英ガラスに
包含される気泡が占める総体積が小さく、気泡が占める
総表面積が大きくなるほど、不透明石英ガラスの耐熱性
は優れたものになる。その理由はまだ明確なものとなっ
ていないが、不透明石英ガラスの熱変形と粘性流動性と
の関係から、次のように推測される。

【００１３】不透明石英ガラスの熱変形は、その気泡を
含むマクロな粘性流動性によるものであるから、その粘
性流動性は気泡を含む石英ガラスの密度が大きいほど、
すなわち、気泡が占める総体積が小さいほど低くなり、
それにともなって熱変形も小さいものとなる。また、石
英ガラス中で気泡が占める総表面積が大きくなり、気泡
の表面エネルギーが増加することによっても、上記のマ
クロな粘性流動性は阻害され、不透明石英ガラスの熱変
形が小さいものとなる。

【００１４】一方、不透明石英ガラスの遮熱性は、包含
される気泡が占める総表面積の影響を受け、気泡が占め
る総表面積が大きいほど遮熱性は優れたものとなる。そ
の理由は、石英ガラス中を透過しようとする熱線が気泡
の表面でその一部が反射され、透過光が減少することに
よる。したがって、不透明石英ガラスによる熱線の遮蔽
は、包含される気泡が占める総表面積が大きいほど増加
する。

【００１５】石英ガラス内の気泡が占める総体積を所定
の範囲に保ちつつ、気泡が占める総表面積を大きくする
には、包含される気泡の形状を偏平にするのが有効であ
る。このように、気泡の形状が偏平になるように制御す
ることによって、気泡が占める総表面積が増加して、優
れた耐熱性と遮熱性を併せ持つ不透明石英ガラスを提供
することができる。

【００１６】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものであり、下記の不透明石英ガラスを要旨としてい
る。

【００１７】すなわち、不透明石英ガラス母材を石英ガ
ラスの軟化点近傍まで加熱し、流動変形または、流動変
形および加圧変形された不透明石英ガラスであって、そ
の内部に偏平な形状の気泡を含有することを特徴とする
不透明石英ガラスである。

【００１８】上記の不透明石英ガラスにおいては、気泡
の短径／長径の比が0.9以下にするのが望ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】前述の通り、不透明石英ガラスの
耐熱性と遮熱性を同時に向上させるには、石英ガラス中
に包含される気泡が占める総表面積を大きくする必要が
あるが、このため、本発明では石英ガラス中に含まれる
気泡を偏平な形状にすることにした。気泡の形状を偏平
にすることによって、気泡の比表面積（気泡が占める表
面積／気泡が占める体積）を大きくして、気泡が占める
表面積は相対的に大きくすることができる。これによっ
て、不透明石英ガラスの高温条件下での粘性流動性を小
さくし、熱変形を抑制することができるので、高温熱処
理での耐熱性が向上する。また、同時に透過する光（熱
線）を気泡表面で散乱して、光の透過量を低減して、遮
熱性も向上させることができる。

【００２０】本発明において、内部に偏平な形状の気泡
を包含する不透明石英ガラスを製造するには、第一段階
として、従来から慣用されている製造方法で真球状の気
泡を包含する不透明石英ガラス母材を製造する必要があ
る。次の第二段階では、石英ガラスの軟化点付近の高温
領域まで加熱して、軟化による粘性流動、または粘性流
動に加えて外部から圧力を加えて、一方向に変形させ
る。このような第一段階および第二段階を組み合わせる
ような簡便な方法によって、偏平な形状の気泡を含有す
る不透明石英ガラスを製造することができる。

【００２１】第一段階で得られる気泡の形状は、単に真
球状の形状のものに限定されず、歪んだ形状、例えば、
細かなシワのような凹凸の気泡断面を有するものや、気
泡の生成過程の途中で固化し不定形のもの、或いはこれ
らのものを一部含む形状のものでもよい。次の段階にお
いて、いずれの場合も、所定の楕円状の偏平な形状の気
泡を形成することができるからである。

【００２２】第二段階で加熱される石英ガラスの軟化点
としては、粘度が10^7.6ポイズとなる温度、具体的には1
650℃近傍の温度範囲まで加熱される。また、不透明石
英ガラス母材に圧力を加える方法としては、一軸加圧ホ
ットプレス方式を採用することでできる。

【００２３】不透明石英ガラス中で気泡が占める体積お
よび表面積の測定法は、包含される気泡の形状が真球状
の場合には、顕微鏡による観察によって気泡の直径を測
定し、計算で体積および表面積を求めることができる。
しかし、本発明のように気泡の形状が偏平な場合には、
気泡の長径、短径を実測して体積、表面積を求めること
は容易ではない。ただし、偏平な形状の気泡を包含する
場合であっても、石英ガラス中で気泡が占める総体積
は、真密度と見掛け密度との関係から気孔率とともに計
算で求めることが可能であるが、気泡の総表面積を直接
的に求めることは困難である。そこで、本発明において
は、便宜的に寸法が縦10mm×横40mm×厚さ１mmの不透明
石英ガラスサンプルを作製して、その一定断面での気泡
の長径と短径を顕微鏡を用いて測定し、その長径と短径
の比を求めて、その平均値を偏平度とした。

【００２４】上記で規定される気泡の偏平度、すなわ
ち、気泡の短径／長径の比は、後述する実施例で示すよ
うに、0.9以下にするのが望ましい。気泡偏平度が0.9を
超える場合には、真球状気泡の場合と特性が類似し、前
記の気泡の比表面積の増加がわずかであり、耐熱性と遮
熱性の改善が少ない。これに対し、気泡偏平度が0.9以
下である場合には、気泡の比表面積が大幅に増大し、耐
熱性と遮熱性の改善が著しいものとなる。上述のよう
に、気泡偏平度が0.9以下と小さくなればなるほど、優
れた耐熱性と遮熱性を発揮することになるが、母材の粘
性流動性、または加圧変形性の制限から、気泡偏平度の
下限は0.2程度である。

【００２５】そして、石英ガラスに包含される気泡の形
状、すなわち、気泡の偏平度および気泡が占める総体積
が、石英ガラスの遮熱性にどのような影響を与えるかを
調査した。ここでは、気泡が占める総体積は、アルキメ
デス法で測定した見掛け密度との相関関係で整理した。

【００２６】図１は、気泡の形状が石英ガラスの遮熱性
に及ぼす影響を調査するため、偏平度をパラメータとし
て見掛け密度と光透過率との関係を示す図である。図１
から明らかなように、不透明石英ガラスの遮熱性は、サ
ンプル厚さが一定で、見掛け密度が一定の場合には、い
ずれも気泡の偏平度が小さいほど、透過率が低くなり良
好である。これは、不透明石英ガラス中の気泡の表面で
熱線などの光線の一部が反射、散乱されるが、その気泡
の偏平度が小さいほど比表面積が大となり、気泡表面で
の反射、散乱が増えて、遮熱性が良好になるからであ
る。

【００２７】一方、不透明石英ガラスの耐熱性の測定
は、一般にbeam-bending法と称される片持ち梁のたわみ
試験を応用した方法で行った。すなわち、石英ガラスの
棒状試験片を片持ち状態で保持し、所定の加熱条件下で
の熱変形によるたわみ量を測定することにより粘性を求
めて、この粘性値を前記のマクロな粘性流動性とした。
具体的には、寸法が厚さ２mm×幅５mm×長さ100mmの試
験片を石英ガラス製台座の上面縁部に試験片の長手方向
の端部を長さ10mm分固定し、厚さ２mm、幅５mm、長さ90
mmの水平な片持ち梁の状態とし、所定時間の加熱後に、
自由端のたわみを測定し、次の(a)式により粘性係数を
求める方法で行った。

【００２８】 η＝ρｇｌ⁴／（２ｈ²・dδ/dｔ）・・・ (a) ただし、η：粘性係数（ポイズ）、 ρ：密度（ｇ/cm³）ｇ：重力加速度（cm/ｓ²）、ｌ：試験片の有効長さ（cm）ｈ：試験片の厚さ（cm）、 dδ/dｔ：たわみ速度（cm/ｓ）

【００２９】

【実施例】本発明の不透明石英ガラスの優れた特性を、
実施例に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は、
次に説明する実施例の内容に限定されるものではない。

【００３０】（本発明例１）高純度の石英粉に高純度の
窒化珪素粉を0.15wt％添加し、ポットミルで充分に混合
したものを原料として酸水素火炎溶融装置で溶融し、直
径150mm、長さ1200mmの円柱状の不透明石英ガラス母材
を製造した。そののち、この母材を雰囲気調整炉の中
で、1700〜1750℃の温度に加熱し、軟化後充分に流動変
形させて、直径400mm、長さ160mmの不透明石英ガラスイ
ンゴットを製造した。

【００３１】図２は、不透明石英ガラス母材に含有され
る気泡を示す顕微鏡写真（倍率100倍）である。この不
透明石英ガラス母材の気泡径は０〜120μｍで、主とし
て０〜40μｍで分布している。含有される気泡の形状
は、図２に示すように、いずれも真球状であり、偏平な
ものは認められなかった。

【００３２】図３は、不透明石英ガラスインゴットに含
有される気泡を示す顕微鏡写真（倍率100倍）である。
母材から軟化後流動変形された不透明石英ガラスインゴ
ットの気泡径（気泡が偏平な場合には長径で示す）は０
〜140μｍで、主として０〜40μｍで分布している。気
泡の形状は、図３に示すように、殆どが偏平状であり、
単純平均で求められる気泡の偏平度は0.72であった。ま
た、表１に、このときの不透明石英ガラスインゴットの
見掛け密度、波長800nmでの光透過率（サンプル厚さｔ
は１mmと３mmにした）、温度1200℃での粘性係数および
不純物含有量を示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】（本発明例２）高純度の石英粉にいずれも
高純度の窒化珪素粉および炭素粉をそれぞれ0.2wt％添
加し、ポットミルで充分に混合したものを原料として酸
水素火炎溶融装置で溶融し、直径145mm、長さ1300mmの
円柱状の不透明石英ガラス母材を製造した。そののち、
この母材を一軸加圧ホットプレス炉の中の高純度カーボ
ン製の丸形型枠の中に装填し、1650〜1700℃の温度に加
熱しつつ、上方から下方に向けて当該母材を加圧して、
型枠内側に母材を充填させた後、加圧を止めて、炉冷
し、直径400mm、長さ170mmの不透明石英ガラスインゴッ
トを製造した。

【００３５】この不透明石英ガラス母材の気泡径は０〜
180μｍで、主として０〜40μｍに分布し、気泡の形状
は実施例１と同様に、真球状であり、偏平なものは認め
られなかった。一方、加圧変形後の不透明石英ガラスイ
ンゴットの気泡径（気泡が偏平な場合には長径で示す）
は０〜180μｍで、主として０〜40μｍで分布し、気泡
の形状は実施例１と同様に、殆どが偏平状であり、その
偏平度は単純平均値で0.81であった。また、この不透明
石英ガラスインゴットの見掛け密度、波長800nmでの光
透過率、温度1200℃での粘性係数および不純物含有量を
第１表に示す。

【００３６】（本発明例３）本発明例１と同様な条件
で、直径155mm、長さ1100mmの円柱状の不透明石英ガラ
ス母材を製造した。次いで、この母材を雰囲気調整炉の
中で、1700〜1750℃の温度に加熱し、軟化後流動変形さ
せて、直径180mm、長さ800mmの不透明石英ガラスインゴ
ットを製造した。このときの気泡の偏平度は0.94に留ま
った。得られた不透明石英ガラスの見掛け密度、波長80
0nmでの光透過率、温度1200℃での粘性係数および不純
物含有量を表１に示す。

【００３７】（本発明例４）本発明例１と同様な条件
で、方法で、直径150mm、長さ1150mmの円柱状の不透明
石英ガラス母材を製造した。その後、この母材を雰囲気
調整炉の中で、1700〜1750℃の温度に加熱し、軟化後流
動変形させて、直径200mm、長さ640mmの不透明石英ガラ
スインゴットを製造した。このときの気泡の偏平度は0.
91であった。この不透明石英ガラスの見掛け密度、波長
800nmでの光透過率、温度1200℃での粘性係数および不
純物含有量を表１に示す。

【００３８】（比較例１）本発明例１で製造した直径15
0mm、長さ1200mmの円柱状の不透明石英ガラス母材を用
いて、見掛け密度、波長800nmでの光透過率、温度1200
℃での粘性係数および不純物含有量を調査した。その結
果を表１に示す。石英ガラスの内部に包含される気泡
は、いずれも真球状であり、偏平な形状のものは認めら
れなかった。

【００３９】（比較例２）本発明例２で製造した直径14
5mm、長さ1300mmの円柱状の不透明石英ガラス母材を用
いて、見掛け密度、波長800nmでの光透過率、温度1200
℃での粘性係数および不純物含有量を調査した。その結
果を表１に示す。石英ガラスの内部に包含される気泡
は、比較例１と同様に、いずれも真球状であり、偏平な
形状のものは認められなかった。

【００４０】（本発明例と比較例の対比）石英ガラス中
の不純物含有量に関し、本発明例および比較例ともにク
リーンな酸水素火炎溶融装置を用いて溶融し、さらに本
発明例では雰囲気調整された加熱炉やホットプレス炉で
加熱されたため、いずれも高純度であり、半導体製造工
程における部材に適する純度を満足していた。

【００４１】次に、光透過率に関しては、比較例に比
べ、本発明例１〜４は優れた光透過率であり、半導体製
造工程の熱処理炉の熱線の透過および熱伝導を抑制する
ために設けられる熱遮蔽用部材などに好適な遮熱性を有
することが明らかである。不透明石英ガラスにおける光
透過率の目安として１％未満の基準を設けるならば、本
発明例１、２のように気泡偏平度を0.9以下にするのが
望ましいことが分かる。最後に、高温域における粘度に
関して、本発明例は比較例に比べ遜色ない高温粘性を示
しており、特に本発明例１、２は1200℃における粘性係
数は4.9×10¹²ポイズ以上であり、半導体製造工程の熱
処理において極めて優れた耐熱性を発揮することが分か
る。

【００４２】

【発明の効果】本発明の不透明石英ガラスによれば、高
純度で、優れた耐熱性と遮熱性を同時に発揮することが
できるので、半導体製造工程の熱処理炉の炉心管、フラ
ンジ、遮熱板などの遮熱性材料として用いることができ
る。また、含有される気泡の形状制御に簡便な方法を採
用できるので、製造コストを大幅に増加させることがな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】気泡の性状が石英ガラスの遮熱性に及ぼす影響
を調査するため、偏平度をパラメータとして見掛け密度
と光透過率との関係を示す図である。

【図２】透明石英ガラス母材に含有される気泡を示す顕
微鏡写真（倍率100倍）である。

【図３】不透明石英ガラスインゴットに含有される気泡
を示す顕微鏡写真（倍率100倍）である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不透明石英ガラス母材を石英ガラスの軟化
点近傍まで加熱し、流動変形または、流動変形および加
圧変形された不透明石英ガラスであって、その内部に偏
平な形状の気泡を含有することを特徴とする不透明石英
ガラス。
【請求項２】上記気泡の短径／長径の比が0.9以下であ
ることを特徴とする請求項１記載の不透明石英ガラス。