JPS59223242A - 合成石英管の製造方法 - 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】 本発明は合成石英管−特には管内径の寸法精度が高く、
かつ気泡、異物などのない合成石英管の製造方法に関す
るものである。

合成石英管は、従来、一般的ＣＧ工中実の合成石英イン
ゴットを超音波ｌ二より掘削セン孔するか。

ダイヤモンドドリルでセン孔する方法、さらｆ二はこれ
を１７００℃以上の温度で加熱溶融し、これに炭素棒を
押し込んで中空体とする方法で作られているが、このよ
うな方法で得られる管状体はその寸法精度がわるいため
にさらＣニダイヤモンドッールによる研削または研磨な
どで内面仕上げをしなげればならないという不利があり
、これにはまた製造時における加工歪に起因する気泡や
異物の混入などがあるため、良質の管状体を得ることが
難しいという不利があった。

また、この合成石英管の製造（二ついては、炭素棒など
の表面（二押発性けい素化合物の加水分解によって発生
するりリカを堆積させたのち、これを加熱溶融して中実
の炭素棒を抜去するという方法も知られているが、この
場合にはその堆積層に含まれているガス体によってその
溶融によって生成した石英ガラスが部分的に膨むという
不利があるほか、これはその内面に無数の小気泡が層状
に存在するようｉ二なるため、良質の管状体を得ること
ができないという欠点がある。

本発明はこのような不利を解決した合成石英管の製造方
法（＝関するものであり、これは中空状の炭素質または
黒鉛質の基体上に、揮発性けい素化合物または揮発性け
い素化合物と他の揮発性化合物との混合物の燃焼または
加水分解により発生するシリカ微粉末またはりリカ微粉
末と他の酸化物との混合物を多孔質シリカ焼結体として
堆積させたのち、これを真空中または不活性ガス雰囲気
中で加熱溶融させ、冷却後この基体を抜未することを特
徴とするものである。

これを説明すると１本発明者らは寸法精度が高く一気泡
、異物などが内存しない合成石英管の製造方法（二つい
て種々検討した結果、げい素化合物の分解または加水分
解によって発生するりリカを多孔質シリカ焼結体として
堆積させる基体として一特Ｃ二炭素質または黒鉛質の中
空管状体を使用すれば、その後における基体抜去のため
の多孔質シリカ焼結体の溶融時に、この多孔質シリカ焼
結体から発生する気体がこの基体表面からその管状部に
入り、これから外部に導出されるので、このシリカの溶
融ガラス化により生成する合成石英管状体がこの気体に
よって膨らんだり、この気体が気泡として管内層面Ｃ二
残留することがたくな≠す。

結果において良質の合成石英管を容易（：得ることがで
きることを見出すと共に、この基体／１．表面な予じめ
平滑に加工しておけばここに得られる合成石英管はその
内表面が平滑なものとなるので寸法精度の高いものにな
るということを確認して本発明を完成させた。

本０発明方法（二おける炭素質または黒鉛質の基体上（
ニジリカ微粉末を堆積させる方法は公知の気相沈積法（
以下ＯＶＤ法と略記する）で行なえばよ＜−シたがって
これには揮発性のけい素化合物。

例えば８１０ｔ４．Ｈ８１Ｏｔ３．０Ｈ３ＳｉＯｔ３゜
ＳＩＨ、ＯＨ８１（ＯＣＲ）　＋　　５ｉ（ＯＣ３Ｈ）
４　　　　　　　３　　　　　　　　　　３８　　　　
　　　　　　　　　３４などを酸素またはＩ窒累、アル
ゴンガスなどの不活性ガスと共に反応室に導入し、これ
を酸水累火炎中で燃焼または加水分解させ、これＣ二よ
って発生するりリカ微粉末を基体上に多孔質シリカ焼結
体として堆積させればよく、この合成石英管の光屈折率
を制御しようとする場合にはこの揮発性けい素化合物に
公知のドーグ剤を添加すればよい。

このドーグ剤としてはゲルマニワムーはう素、りんの化
合物などを使用すればよく、これにはＧｅ０ｔ４’−Ｇ
ｅ（ＯＣＲ３）４−　　ＢＯｔｌ、Ｂ、（ＯＣＲ３）。

ｐｏｃＬ　などが例示される。しかし−このドーグ剤と
してはフッ素化合物を使用してもよく、このフッ素化合
物として一般式　ＣｔＨｍＣｌｎＦｘ　（ここＣ二ｍ＋
ｎ＋ｘ＝２　１＋２−　　ｔ：ｈｌ　−ｍ’ｈ（Ｌ　　
ｎΣ０−ｘΣｌ）で示される化合物１例えば００４　　
Ｆ　　、０ＨＯＡＦ　　、　　　００４Ｆ　　、　　　
ＯＨＦ　　、ＯＦ　　−２ｆｔ　　　　　　　　　　　
２３　　　　　　　　３　　　　　４などを使用すれば
合成石英体の屈折率の制御と共に、この石英中に含有さ
れるＯＨ基の量を著しく低下させることができるという
効果が伺加される。

他方１本発明の方法で使用する炭素質またを；黒鉛質の
中空管状基体は、高純度の合成石英管を取得するという
目的からは一十分純度の高い炭素または黒鉛で作られた
ものとすることがよい。また。

この炭素質または黒鉛質の管状体は前記したようにここ
に堆積されたりリカを溶融したときに、この多孔質シリ
カ中に含有されていた空気、などの気体をこの管状部を
経−て系外に除去する作用をするものであるから、これ
はできるだけ薄いものとすることがよいが−これをあま
り薄くすると機械的、強度が低下するので、これについ
てはその内径を外径の１／２以下とすることがよい。な
お、この基体についてはこの基体上ｌ：堆積された多孔
質シリカ焼結体の溶融時に発生する気体がこの基体表面
からその管状部に導入されるので、この基体表面はその
気体が貫通するものでなければならず。

この点からこれは例えばその平均空孔率が０．１５〜０
．３０であるような多孔質のものとする必要があるが、
これはそ、の表面に小孔があるとこの空孔にシリカを溶
融したときのガラス化物が浸入し。

これが合成石英管の内面を粗くするので、このような小
孔のないものとする必要がある。また、この基体となる
炭素質又は黒鉛質の管状体はこの上に堆積された多孔質
シリカ焼結体を溶融して得られる合成石英管から抜去さ
れるのであるが、との抜去は石英ガラスの膨張係数が５
　Ｘ、１０−７／秒であるのに対し炭素のそれが１０−
’／抄と著しく異なるので、これは冷却後に容易に抜去
することができる。しかし、この基体の表面精度がわる
かったり、それが凹凸をもつものであるとこの熱膨張率
の差にもとづく空隙だけでは抜けなくなるおそれがある
ので、この基体はその表面ｌ二おける公差分布が平均寸
法ｇ二対し０．５チ以下とする必要があり、これはまた
、目的とする合成石英管の内面の精度がこの基体表面の
平滑性（二左右されるものであるということから、この
中心線平均粗さくＲａ）を１０μ以下とすることがよい
。

つぎに本発明方法を添付の図面にもとづいて説明すると
、第１図は本発明方法Ｃ二より基体上にシリカ層を形成
させる方法の縦断面図を示したものであり、この場合、
炭素質または黒鉛質の中空管状体１に揮発性けい素化合
物と酸素、水°累がスと共（：燃焼させる酸水素炎バー
ナ−２から一力火炎を吹きつげ、これ６二よって発生し
た多孔質シリカ焼結体層３がこの基体上に堆積されてい
る。この基体１は駆動装置４１二よって回転と共に左右
に移動されるよ５になっているので、この基体１の上に
は略々均一な厚さで多孔質シリカ焼結体層８が形成され
るのであるが−これをドーグされたものとする場合には
上記した揮発性けい素化合物に前記したようなドーグ剤
を添加すればよい。なお１図には基体１を左右Ｃ二移動
する方法が示亭れているが、これはバーナー２を移動さ
せてもよい。この多孔質シリカ焼結体の密度はそれがあ
まり小さいとそれがその成長中もしく舎工冷却時に中ｔ
Ｃａど平行に割れてしま５ので０．４〜１．０ｇ／ｍと
することがよ・いが、これはその成長に伴なう直径の増
大によって堆積面の温度が次第に低下し、密度が小さく
なってくるので、これ（：はその成長に伴なって基体の
回転数を低下させるか、燃料ガスの童を増加させるよう
にすることが必要とされる。なお。

第２図はこのバーナーのノズル部分の横断面図を示した
ものであり、第２図（ａ）には同心３重管からなり、Ｎ
−１の部分からはガス状のけい素化合物と酸素および／
または窒素、アルゴンガスなどの不活性ガスの混合ガス
が、またＮ−２からは酸素ガス、Ｎ−３からは水素ガス
または水素とメタンなどの炭化氷菓との混合ガスが送入
されるノズルが、また、第２図（ｂＬ、　（ｃｌには同
心２重管またを工同心３重管の外周部に酸素ガス噴出ノ
ズル（Ｎ’−３＋Ｎ’−３）、水素ガス噴出ノズル（Ｎ
’−４−Ｎ’−４）を分散配置したノズルが示されてい
るが、この第２図（ｂ）、（ｃ）のノズルは特に火炎温
度が高く、シたがって密度の高い多孔質Ｖ　ＩＩ力焼結
体を取得するときに有用とされる。また、このバーナー
は石英ガラス、金側、セラミックなどで作られたものと
すればよいが一不純物の混入防止、耐食性、加工性の点
からは石英ガラス製とすることがよい。

第３図はこのようにして作られた多孔質シリカ焼結体を
溶融ガラス化して合成石英とするための加熱炉の頗断面
図を示したものであり、第３図（ａｌＣ二は静置式、第
３図（ｂｌには移動式のものが図示されている。第３図
（ａ）（二おいて、この炉内に入れられた基体１上に堆
積された多孔質シリカ焼結体３げ一加熱源５からの加熱
によって溶融し、気体を放出して縮少するが、この場合
多孔質シリカ焼結体から放出される気体は基体１の表面
からこの基体１の管状部６に進入し、この管状部６から
器外に放出されるので−この多孔質シリカ焼結体の溶融
ガラス化によって得られた合成石英体７は膨らみもなく
、その内面に気泡を含むことがない。また、第３図ｆｂ
ｌは移動式であり、この場合にも多孔質シリカ焼結体は
加熱源５Ｉからの加熱によって部分的に順次溶融されて
溶融ガラス化されて合成石英体７′とされるが、この場
合も多孔質シリカ焼結体中に含まれていた気体が基体１
の管状部６′から系外に排出されるので、この合成石英
体７′は良質なものとして取得される。この方法におけ
る多孔質シリカ溶融体の加熱温度はこの焼結体の密度、
それのドーグ剤含有の有無、その量によって相違するが
、一般にこれｔ！１４００〜１７００℃とすればよく、
またこの炉内の圧力は真空、減圧、大気圧のいずれであ
ってもよいが、減圧、大気圧の場合にはこれをアルゴン
−ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気とすることがよい。

本発明の方法で得られる合成石英管は純度が高く１寸法
精度も高いのでＭＯＶＤ法による光フアイバー製造用母
材として有用とされるほか、これは半導体素子製造時の
拡散管用素材として、さらにはその他の各種理化学機器
用として有用とされる。

つぎに本発明方法の実施例をあげる。

実施例１゜ 外径３０Ｂ、内径２０園、長さ８００ｍで外径の平均値
に対する公差が±０．１　ｍである炭素質管状体を基体
とし、これｉ二四塩化けい素（ｓｉｃｚ４）ガス７５０
７７７時を水素ガス２２　Ｎｒｒ？／時、酸素ガス１Ｏ
Ｎｄ１時と共に第２図（Ｃ１１−示した酸水素炎バーナ
ーから供給して、この基体上に多孔質シリカ焼結体を堆
積させ、１０時間後Ｃ二この基体の中心部５００ＩＩＩ
ＩＩＩの部分に平均かさ密度が０．６５．！９／ｄの多
孔質シリカ焼結体１，１４０ｇを堆積させた管状体を得
た。

つぎｌ二これを第３図（ｂ）に示した電気炉を使用し。

０．５気圧のヘリウムガス雰囲気中で１，６５０℃に加
熱してその多孔質シリカ焼結層を溶融ガラス化し、冷却
後、基体を抜去したところ、長さ４５０咽１重さ１，１
３８ｇ−外径４８．７欄、内径３０．１桐で膨らみや気
泡の全くない合成石英管が得られ、このものの管内面の
寸法精度は基体外径の公差と同じように０．１ｍであっ
た。

比較例１゜ 外径３０ｍ＋、長さ８００１１ＩＩ！で、外径め平均値
に対する公差が±０．１９Ｉ１１である中笑の炭素棒を
基体とし、これＣ二前記実施例１と同様にして１，１７
０ｇの多孔質シリカ焼結体を堆積させたのち、電気炉中
で溶融ガラス化し、ついでこれから炭素棒を抜去して合
成石英管を作ったところ、この場合には重さ１，１６５
ｇの石英管が得られたが、これはその中央部が犬きく膨
らんでおり、その内面に微細な気泡が多数存在するもの
であるため全体が乳白色を呈する不透明のものであった
。

実施例２゜ 外径３０−％内径２０嗜、長さ８００ｍで、内径の平均
値に対する公差が十〇、ｌ馴である黒鉛製管状体を基体
とし、これに実施例１と同じ条件で。

この管状体の中心部５０（ｌＩＩ１１＋の部位ｌ二かさ
密度が０．６６、ｌｉ’／ｍの多孔質シリカ焼結体１．
　Ｌ、、、５５ｇを堆積させ、ついでこれを第３図（ｂ
）に示した電気炉を使用し、０．９気圧のヘリウムガス
雰囲気中で溶融ガラに、冷却後基体を抜去したところ、
長さ４３０ｍ＋、重さ１，１５０ｇ、外径４９．５ｍｍ
、内径３０．０＋ａで膨らみや気泡が全くなく、管内面
の寸法Ｍ度も０．１ｍである合成石英管が得られた。

実施例３゜ 外径６０徊、内径４０ｍｎ、長さ１．ＯＯＯｍｎｊ外径
の平均値に対する公差が０．２−である黒鉛製管＼状体
を本体とし、これ（二、メチルトリメトキシシラン（０
Ｈ３８１（ＯＣＨ３）３］　ガス２，１３（１／時を水
素ガス５．２Ｎｍ’／時、酸素ガス２．６Ｎ−／時と共
ｔ：第２図（Ｑ）ｌ２示した酸水素バーナーから供給し
て、この基体上に多孔質シリカ焼結体を堆積させ、１０
時間後にこの基体の中心部８００＠ＩＩの部位に平均か
さ密度が０．７２ｇ／ｃｌ／ｌの多孔質シリカ焼結体４
，２５（ｌを堆積させた管状体を得た。

つぎｌ２第３図（ｂ）に示した電気炉を使用し、１気圧
のヘリウムガス雰囲気下Ｃ二、これを炉内挿入速度５１
ＩＩＩＩ／分１回転数１０ｒｐｍで炉内を通過させて多
孔質シリカ焼結体を溶融ガラス化し一冷却後基体を抜去
したところ、長さ７４０ｍ−重さ４．１８０．Ｆ、外径
８３．０ｍｍ−内径６９．１ｍで膨らみや気泡が全くな
く、かつ管内面の寸法精度が±０、２　ｍｍである透明
な合成石英管が得られた。

比較例２゜ 外径６０萌、長さ１，０００ｅｎで外径の平均値に対す
る公差が０．２ｍｍである中実黒鉛棒な基体とじ−これ
Ｃ二前記実施例３と同様の方法で平灼かさ密度が０．７
３．Ｆ／ｌｆ！ｉの多孔質シリカ焼結体４，３８０．ｌ
ｉ’を堆積させたのち、電気炉中で溶融ガラス化し、つ
いでこれから黒鉛棒を抜去したところ１合成石英管が得
られたが、これは管内に膨張部があり。

しかも管内に全体にわたって無数の気泡が存在するため
、乳白色不透明のものであった。

実施例４．４゜ １宗料ガスとしてのメチルトリメトキシシランＣ二同−
モル数（１５，６６モル／時−１，８９５ｇ／時）のａ
ｃｔ２Ｆ２　ガスを添加したほかは、実施例３と同一の
条件で実施例３と同じ基体上に多孔質シリカ焼結体を堆
積させたところ、この場合には平均かさ密度が０．６０
．ｌｉＴ／ｃｒＩの多孔質シリカ焼結体１．８９０ｇが
基体の中心部８００ｍの部位に堆擢された。

つぎＣ二、この多孔質シリカ焼結体を実施例３と同じ方
法で溶融ガラス化し、これから基体を抜去したところ、
長さ７３０＠１．重さ１，８７５１外径７１．３−、内
径６０．１−で膨らみゃ気泡が全くなく、その屈折率が
ｎＤ＝１．４５１１８でＯＨ基含有率が０（ＰＰｍ）で
ある合成石英管が得られ、このものの管内面の寸法精＋
ｆｆ１ｔＸ基体外径の公差と同じ０．２−である透明な
ものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による。基体上に多孔質シリカ焼結体を
堆積させる方法を例示した縦断面要図。 第２図（ａｌ、　（ｂ）、（ｃｌはいずれも第１図の方
法ｃ２使用されるバーナーの横断面要因、第３図（ａｌ
、　（ｂｌはいずれも本発明により多孔質シリカ焼結体
を溶融ガラス化するための電気炉の縦断面要図を示した
ものである。 １・・・中空管状体、　２・・・酸水素炎バーナ−、計
・・多孔質シリカ焼結体、　４・・・駆動装置。 ５．５′　・・・加熱源、６．６′　・・・管状部。 ７−７′　　・・・合成石英管。 第１因 第２図 （ａ）　　　　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　（
ｃ）第３図 手、続補正書 １、事件の表示 昭和５８年特許願第９６２３７号 ２、発明の名称 合成石英管の製造方法 ３、補正番する者 事件との関係　特許出願人 名称　（２０６）信越化学工業株式会社４、代　理　人 ６、補正の月象 明細書よ＝おける「特許請求の範囲の欄」およびｌ）明
細書第１頁４行〜第２頁３行の「特許請求の範囲」を別
紙のとおりに補正する。 ２）明細書第３頁１５行〜第４頁１行の「基体上に・・
・・・・どの混合物を」を「基体周囲上に、揮発性けい
素化合物の燃焼または火炎加水分解により発生するシリ
カ微粉末な」と補正する。 ３）明細書第く頁８行の「分解または加水分解」を「燃
焼または火炎加水分解」と補正する。 ４）明細書第５頁１５行の「基体上」を「基体周囲上」
と補正する。 ５）明細書第６頁４行〜６行の［しかし、この・・・・
・・フッ素化合物として」を「また、こ＼に製造される
合成石英管中のＯＨ基含有量を著しく低下させたいとき
には原料である揮発性けい素化合物にフッ素化合物を含
有させることが好ましく、このフッ素化合物としては」
と補正する。 ）明細書第６頁ｌＯ行〜１２行の「などを使用すれば・
・・・・・付加される。」を「などを例示することがで
きる。」と補正する。 ７）明細書第７頁６行の「１／２以下」を「１／２以上
」と補正する。 ８）明細書第８頁２行のｒ５Ｘ１０”−７／秒」を「５
ＸＩＯ／’ＣＪと補正し、同頁３行のｒｌＯ−シ秒」を
ｒ５　Ｘ　１　ｏ−’／℃Ｊと補正する。 以上 特許請求の範囲 １、中空状の炭素質または黒鉛質の基体周囲上に、揮発
性けい紫化合物の燃焼または火炎加水分解により発生す
るシリカ微粉末を多孔質シリカ焼結体として堆積させた
のち、これを真空中または不活性ガス雰囲気中で加熱溶
融させ、冷却後この基体！抜去することを特徴とする合
成石英管の製造方法 ２、内径が外径の少なくとも１／２以上である中空状の
基体を使用する特許請求の範囲第１項記載の合成石英管
の製造方法

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　中空状の炭素質または黒鉛質の基体上に、揮発性
   けい素化合物または揮発性げい素化合物と４１発性化合
   物の燃焼または加水分解により発生するりｑカ倣粉末ま
   たはりフカ微粉末と他の酸化物との混合物を多孔質シリ
   カ焼結体として堆積させたのち、これを真空中または不
   活性ガス雰囲気中で加熱溶融させ、冷却後この基体を抜
   去することを特徴とする合成石英管の製造方法２、内径
   が外径の少なくとも１　／　Ｚ　Ｊａ上である中草状の
   基体を使用する特許請求の範囲第１項記載の合成石英管
   の製造方法 ３、揮発性化合物が一般式　ＯｔＨｍＯｌｎＦ！、　（
   ここにｍ＋ｎ＋Ｘ＝２１＋２．　ｔ’−１，ｍ）’０−
   ｎｋ　Ｏ−ｚ’：ｘｌ　）で示される弗素化合物である
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の合成石英管の
   製造方法