KR101156965B1 - 석영 유리 도가니의 제조 방법, 그에 의해 제조된 석영유리 도가니 및, 그의 제조 장치 - Google Patents

Abstract

(과제) 만곡부 및 저부가 과잉 가열되지 않고, 형상의 성형성이 우수함과 아울러, 내부 기포가 적은 석영 유리 도가니를 제조하는 방법 등을 제공한다.

(해결 수단) 회전 몰드에 충전한 석영분(粉) 성형체를 진공 흡인하면서 아크 용융하여 석영 유리 도가니를 제조하는 방법에 있어서, 아크 용융 개시 내지 아크 용융 중에 전극을 몰드 중심선에 대하여 상대적으로 측방으로 이동하여, 편심 위치에서 아크 용융하는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니의 제조 방법으로, 바람직하게는, 전체 가열의 시간이 아크 용융 전(全) 시간의 60％ 이하인 석영 유리 도가니의 제조 방법 및, 이 제조 방법에 의해 제조한 석영 유리 도가니.

석영 유리 도가니, 아크 용융, 전극, 회전 몰드

Description

석영 유리 도가니의 제조 방법, 그에 의해 제조된 석영 유리 도가니 및, 그의 제조 장치{METHOD FOR PRODUCING VITREOUS SILICA CRUCIBLE, VITREOUS SILICA CRUCIBLE PRODUCED THEREBY AND PRODUCING APPARATUS THEREOF}

본 발명은, 실리콘 단결정의 인상에 이용하는 석영 유리 도가니에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 성형성이 우수함과 아울러, 내부 기포가 적은 석영 유리 도가니와 그 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

단결정 실리콘은 주로 CZ법에 의해 제조되고 있다. 이 방법은, 고온하에서, 석영 도가니 중의 실리콘 융액에 종(種)결정을 담그고, 이것을 서서히 인상하여 단결정 실리콘을 제조하는 방법으로, 실리콘 융액을 담아 두는 고순도의 석영 유리 도가니가 이용되고 있다.

단결정 실리콘의 인상에 이용하는 석영 유리 도가니는 주로 아크 용융법에 의해 제조되고 있다. 이 방법은, 카본(carbon)제의 회전 몰드의 내표면에 석영분(粉)을 일정 두께로 퇴적하여 석영분 성형체를 형성하고, 몰드의 내측 상방에 설치한 전극의 아크 방전에 의해 석영분을 가열 용융해 유리(glass)화하여, 석영 유리 도가니를 제조하는 방법(회전 몰드법)이다.

상기 제조 방법에 있어서, 유리층 내부의 기포를 제거하기 위해, 몰드측으로부터 흡인하여 석영분 성형체를 감압 탈기(脫氣)하면서 석영분을 용융하는 방법이 알려져 있다(특허 문헌 1, 특허 문헌 2). 이 용융 공정에 있어서 석영분 성형체를 감압 탈기(이것을 진공 흡인이라고 함)하려면, 석영분 성형체의 내표면을 균일하게 얇게 용융시켜 표면에 얇은 유리층을 형성함으로써 내면을 시일(seal)하여, 석영분 성형체 내의 진공도를 높일 필요가 있다.

석영분 성형체를 용융하여 유리 도가니를 제조하는 상기 제조 방법에 있어서, 종래는, 회전 몰드의 중심선 상에 아크 전극을 설정하고, 몰드 내 회전의 석영분 성형체를 균일하게 가열하는 방법이 일반적이다. 그런데, 몰드 내면에 형성한 석영분 성형체 상부의 림(rim) 가장자리는, 당해 성형체의 만곡부나 저부보다도 보온성이 낮기 때문에 림 가장자리의 용융 속도가 느리고, 림 가장자리 표면에 얇은 유리층이 충분히 형성되지 않기 때문에, 석영분 성형체의 진공도가 올라가지 않아, 유리층의 내부 기포가 적은 도가니를 얻을 수 없다. 한편, 림 가장자리의 용융 부족을 보충하기 위해, 아크 용융의 발열량을 증가하여 상기 림 가장자리를 용융하면, 만곡부나 저부가 과잉으로 가열되어 용융하여, 석영분 성형체의 형상이 무너지기 쉬워진다는 문제가 있다.

[특허 문헌 1] 일본공개특허공보 평6-191986호

[특허 문헌 2] 일본공개특허공보 평10-025184호

본 발명은, 종래의 제조 방법에 있어서의 상기 문제를 해결한 것으로, 도가니의 림 가장자리가 충분히 내면 시일됨과 아울러, 만곡부 및 저부가 과잉 가열되지 않고, 석영분 성형체의 진공도가 높고, 형상의 성형성이 우수함과 아울러, 내부 기포가 적은 석영 유리 도가니를 제조하는 방법, 당해 방법에 의해 제조한 석영 유리 도가니 및, 그 제조 장치를 제공한다.

본 발명은, 이하의 구성에 의해 상기 문제를 해결한 석영 유리 도가니의 제조 방법 등에 관한 것이다.

(1) 회전 몰드에 충전한 석영분 성형체를 진공 흡인하면서 아크 용융하여 석영 유리 도가니를 제조하는 방법에 있어서, 아크 용융 개시 내지 아크 용융 중에 전극을 몰드 중심선에 대하여 상대적으로 측방으로 이동하여, 편심 위치에서 아크 용융하는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.

(2) 전극을 몰드 중심선 상에서 아크 용융을 행하는 전체 가열과, 전극을 몰드 중신선으로부터 벗어난 편심 위치에서 아크 용융을 행하는 국부 가열을 행하는 상기 (1)에 기재된 석영 유리 도가니의 제조 방법. 여기서, 전극의 높이는 림부 상단으로부터 -100㎝ 이상 100㎝ 이하로 설정된다.

(3) 전체 가열의 시간이 아크 용융 전(全) 시간의 60％ 이하인 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 석영 유리 도가니의 제조 방법.

(4) 국부 가열에 있어서, 전극 선단(先端) 중심과 석영분 성형체의 가열 부위와의 거리(L2)를, 몰드 중신선으로부터 상기 가열 부위까지의 거리(L1)의 5～80％로 유지하여 가열 용융하는 상기 (1) 내지 상기 (3) 중 어느 하나에 기재된 석영 유리 도가니의 제조 방법. 또한, 구경 26인치의 석영 유리 도가니를 제조할 수 있다.

(5) 복수의 전극 선단에 접하는 외접원의 면적을 710㎠ 이하로 하고, 당해 외접원의 원내 전체를 아크 가열하는 상기 (1) 내지 상기 (4) 중 어느 하나에 기재되는 석영 유리 도가니의 제조 방법.

(6) 전극 중심 간의 거리가 2㎝ 이상 15㎝ 이하인 상기(5)에 기재된 석영 유리 도가니의 제조 방법.

(7) 상기 (1) 내지 상기 (6) 중의 어느 한 방법에 의해 제조된 도가니로서, 만곡부 내면의 곡률(W2)이 만곡부 외면의 곡률(W1)의 0.8～1.2배인 석영 유리 도가니.

(8) 상기 (1) 내지 상기 (6) 중의 어느 한 방법에 의해 제조된 도가니로서, 도가니 전체의 내표면으로부터 1.0㎜의 두께 범위에 있어서, 0.5㎜ 이상의 내부 기포가 만곡부 전체에서 5개 이하인 석영 유리 도가니.

(9) 아크 전극과 회전 몰드의 적어도 어느 하나에 측방으로의 이동 수단을 갖고, 회전 몰드에 대한 아크 전극의 상대 위치가 편심 가능한 석영 유리 도가니의 제조 장치.

본 발명의 제조 방법은, 아크 용융 개시 내지 아크 용융 중에 전극을 몰드 중신선에 대하여 측방으로 이동하여, 편심 위치에서 아크 용융하기 때문에, 전극을 도가니 림 가장자리에 접근시켜서 아크 용융함으로써, 측방 하부, 만곡부 및 저부의 과잉 가열을 억제하여 림 가장자리를 충분히 가열 용융하여, 도가니 내표면의 전체에 얇은 유리층에 의한 내면 시일을 균일하게 형성할 수 있다. 따라서, 내부 기포가 적은 석영 유리 도가니를 얻을 수 있다.

본 발명의 제조 방법은, 전극을 몰드 중신선 상에서 아크 용융을 행하는 전체 가열과, 전극을 몰드 중신선으로부터 벗어난 한 편심 위치에서 아크 용융을 행하는 국부 가열을 행하고, 전체 가열의 시간이 아크 용융 전 시간의 60％ 이하가 되도록 아크 용융을 제어함으로써, 림 가장자리를 충분히 가열 용융함과 아울러, 도가니 측벽 하부로부터 만곡부?저부에 이르는 부분의 과잉 가열이 억제되기 때문에, 이 부분의 유리 점성이 큰 폭으로 저하하는 일이 없고, 측벽 하부에서의 유리의 늘어짐이나, 저부에서 유리의 치우침이 없고, 코너부의 과도한 두께 증가가 방지되어, 성형성이 우수한 도가니를 얻을 수 있다.

본 발명의 제조 방법은, 구체적으로는, 예를 들면, 국부 가열에 있어서, 전극 선단 중심과 석영분 성형체의 가열 부위와의 거리(L2)를 몰드 중신선으로부터 상기 가열 부위까지의 거리(L1)의 5～80％로 유지하여 가열 용융하고, 또한, 3상 교류 전극에 의한 아크 용융에 있어서, 각 전극 선단에 접하는 외접원의 면적을 평면에서 보아 710㎠ 이하로 하고, 당해 외접원의 원내 전체를 아크 가열하고, 전극 중심 간의 거리를 15㎝ 이하로 설정하여 아크 용융을 행함으로써, 예를 들면, 만곡 부 내면의 곡률(W2)이 만곡부 외면의 곡률(W1)의 0.8～1.2배이며, 도가니 전체의 내표면으로부터 1.0㎜의 두께 범위에 있어서, 0.5㎜ 이상의 내부 기포가 만곡부 전체에서 5개 이하인 석영 유리 도가니를 얻을 수 있다.

또한, 아크 용융은 3상 교류 3개 전극 구조에 한정되지 않는다. 예를 들면, 2상 교류 4개 전극, 3상 교류 6개 전극, 3상 교류 9개 전극, 또는 4상 교류 8개 전극의 전극 구조 등을 채용할 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

이하에서, 본 발명을 실시 형태에 기초하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 제조 방법은, 회전 몰드에 충전한 석영분 성형체를 진공 흡인하면서 아크 용융하여 석영 유리 도가니를 제조하는 방법에 있어서, 아크 용융 개시 내지 아크 용융 중에 전극을 몰드 중심선에 대하여 상대적으로 측방으로 이동하여, 편심 위치에서 아크 용융 하는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니의 제조 방법이다.

회전 몰드에 충전한 석영분 성형체를 아크 용융하여 석영 유리 도가니를 제조하는 방법의 개략을 도1 에 나타낸다. 도시하는 바와 같이, 회전하는 몰드(10)의 내면에 석영분이 소정의 두께로 충전되어 석영분 성형체(11)가 형성되어 있다. 당해 몰드(10)에는 진공 흡인용의 통기공(12)이 형성되어 있으며, 당해 통기공(12)은 몰드 내면으로 개구하고 있다. 상기 몰드(10)의 중심선(L)의 선 상에는 아크 가열용의 전극(13)이 설치되어 있으며, 석영분 성형체(11)를 진공 흡인하면서 전 극(13)에 의해 아크 용융하고, 석영분을 용융하여 유리 도가니를 제조한다.

본 발명의 제조 방법을 실시하는 장치로서는, 상기 몰드(10) 또는 전극(13) 중 어느 하나에 상하 이동 수단(도시 생략)이 형성되어 있으며, 또한 상기 몰드(10) 또는 전극(13) 중 어느 하나에 측방 이동 수단(도시 생략)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 제조 방법은, 도2 에 나타내는 바와 같이, 회전 몰드(10) 또는 아크 전극(13) 중 어느 하나를 측방으로 이동함으로써, 전극(13)을 몰드 중심선(L)에 대하여 상대적으로 측방 이동하여, 편심 위치에서 아크 용융한다.

아크 용융 시에 몰드(10)는 회전하고 있기 때문에, 전극(13)을 한쪽의 림 가장자리(15)에 접근시켜 아크 용융해도, 림 가장자리(15)의 전체는 단속적으로 연속하여 전극(13)에 접근한 위치에서 아크 용융되어, 림 가장자리 전체가 균일하게 가열 용융된다.

본 발명의 제조 방법은, 전극(13)을 몰드 중심선 상에서 아크 용융을 행하는 전체 가열과, 전극(13)을 몰드 중심선으로부터 벗어난 편심 위치에서 아크 용융을 행하는 국부 가열을 행하고, 전체 가열의 시간을 아크 용융 전 시간의 60％ 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

편심하고 있는 시간의 개시가, 아크 용융 전(全) 시간의 개시로부터 헤아려서, 5％ 이상 30％ 이하 경과 시의 시간이 바람직하고, 편심하고 있는 시간의 종료가, 아크 용융 전 시간의 개시로부터 헤아려서, 40％ 이상 60％ 이하 경과 시의 시간이 바람직하다.

일반적으로, 석영분 성형체(11)의 림 가장자리(15)는, 측면과 상면이 대기에 접해 있기 때문에, 측벽부(16), 만곡부(17), 저부(18)에 비하여 보온성이 낮다. 이 때문에, 아크 용융의 총 시간에 걸쳐 림 가장자리(15)를 기준으로 한 전체 가열을 행하면, 측벽부(16)의 하부에서 만곡부(17) 및 저부(18)에 이르는 부분이 적절온도를 초과하여 가열됨으로써, 이 과잉 가열에 의해 상기 부분의 유리 점도가 크게 저하한다. 그 결과, 중력에 의한 측벽 하부에서의 용융 유리의 늘어짐, 몰드 회전의 원심력에 의한 저부에서의 유리의 치우침이 발생하여, 만곡부의 두께에 불균일이 생길 가능성이 있다.

한편, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 전체 가열의 시간을 아크 용융 전 시간의 60％ 이하로 제어하면, 림 가장자리(15)를 충분히 가열하면서, 측벽 하부에서 만곡부?저부에 이르는 부분의 과잉 가열을 억제할 수 있어, 이 부분의 유리 점성이 대폭으로 저하하는 일이 없기 때문에, 만곡부(17)의 코너 부분의 과도한 두께 증가가 방지되어, 성형성이 우수한 도가니를 얻을 수 있다. 또한, 각 부위에서의 두께의 불균일을 억제하기 위해서는, 전체 가열을 아크 용융 전 시간의 50％ 정도 행하는 것이 좋고, 따라서, 아크 용융 총 시간에 대하여 국부 가열을 40～50％, 전체 가열을 50～60％ 행하는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 예를 들면, 구경 28～32인치, 평균 두께 11～16㎜의 석영 도가니를 제조하는 경우, 도가니 내면의 온도 1600～2500℃, 아크 용융 전(全) 시간 20～40분일 때, 전극(13)을 림 가장자리(15)에 접근시켜, 아크 용융 개시로부터 10～20분간, 국부 가열을 행하고, 그 후, 이어서, 전체 가열을 10～20분간 행하면 좋다.

본 발명의 제조 방법은 국부 가열에 있어서, 도2 에 나타내는 바와 같이, 전극 선단 중심과 석영분 성형체(11)의 가열 부위와의 수평 방향의 거리(L2)를, 몰드 중심선(L)으로부터 상기 가열 부위까지의 수평 방향의 거리(L1)의 5～80％로 유지하여 아크 용융하는 것이 바람직하다. 상기 거리(L2)가 거리(L1)의 80％보다 크면, 전극 선단이 가열 부위로부터 너무 멀어지기 때문에 국부 가열의 효과가 불충분해진다. 한편, 상기 거리(L2)가 거리(L1)의 5％보다 작으면, 전극 선단이 가열 부위에 너무 가깝기 때문에 아크 방전으로 발생하는 기류(氣流)에 의해 석영분이나 용융 유리가 비산된다.

복수개의 전극을 사용하는 경우, 본 발명의 제조 방법은, 도3 에 나타내는 바와 같이, 이들 전극(21, 22, 23)의 각 선단 외주에 접하는 외접원(S)의 면적을 710㎠ 이하로 설정하고, 당해 외접원(S)의 원내 전체를 아크 가열하는 것이 바람직하다. 또한, 각 전극의 중심 간 거리(L3)는 15㎝ 이하가 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들면, 상기 국부 가열에 있어서 예시한 아크 용융 조건(단락 [0033])에 있어서, 외접원(S)의 면적이 상기 범위보다도 크고, 또한 전극 상호의 중심 간 거리(L3)가 15㎝보다 떨어져 있으면, 가열 면적이 너무 넓어져서 국부 가열이 되지 않는다. 또한, 도가니 구경은 외접원의 직경에 대하여, 충분히 크게, 3배 이상으로 한다.

본 발명의 제조 방법에 의하면, 아크 용융 조건에 있어서, 만곡부 내면의 곡률(W2)이 만곡부 외면의 곡률(W1)의 0.8～1.2배(W2/W1=0.8～1.2)이며, 도가니 전체의 내표면으로부터 1.0㎜의 두께 범위에 있어서 0.5㎜ 이상의 내부 기포가 만곡부 전체에서 5개 이하인 석영 유리 도가니를 얻을 수 있다. 또한, 만곡부의 내면 곡률(W2), 외면 곡률(W1)은, 도4 에 나타내는 바와 같이, 만곡부의 일정한 측정 범위(R)에 있어서, 내면 및 외면에 대하여 각각 측정되는 곡률이며, 일정 범위(R)마다 만곡부 전체에 대하여 측정하여, 그 평균치에 따라 판단하면 좋다.

만곡부 내면의 곡률(W2)이 만곡부 외면의 곡률(W1)의 0.8～1.2배를 벗어나면 만곡부의 두께의 불균질성이 커져, 성형성이 저하하기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 도가니 전체의 내표면으로부터 1.0㎜의 두께 범위에 있어서 0.5㎜ 이상의 내부 기포가 만곡부 전체에서 5개를 상회하면, 도가니의 사용 시에 고온하에서 상기 내부 기포가 팽창하여 도가니 내표면을 박리시켜, 실리콘 단결정의 수율을 저하시키는 등의 문제를 초래할 경우가 있기 때문에 바람직하지 않다.

도5 는, 본 발명에서 사용 가능한 석영 유리 도가니의 제조 장치의 일 예를 나타내고, 이 장치는, 바닥이 있는 원통 형상의 몰드(10)와, 몰드(10)를 그 축선 둘레로 회전시키는 구동 기구(4)와, 몰드(10)의 내측을 가열하기 위한 아크 방전 장치(30)로 주로 구성되어 있다. 몰드(10)는, 예를 들면 카본으로 형성되고, 그 내부에는 몰드 내면으로 개구하는 다수의 통기공(12)이 형성되어 있다. 통기공(12)에는 도시하지 않은 감압 기구가 접속되고, 몰드(10)는 회전됨과 동시에 그 내면으로부터 통기공(12)을 통하여 흡기할 수 있도록 되어 있다. 몰드(10)의 내면에는, 석영분말을 퇴적함으로써 석영분 성형체(11)를 형성할 수 있다. 이 석영분 성형체(11)는, 몰드(10)의 회전에 의한 원심력에 의해 내벽면에 유지된다. 유지된 석영분 성형체(11)를 아크 방전 장치(30)로 가열하면서, 통기공(12)을 통하여 감압 함으로써, 석영분 성형체(11)가 녹아서 석영 유리층이 형성된다. 냉각 후에 석영 유리 도가니를 몰드(10)로부터 뽑아내어, 정형(整形)함으로써, 석영 유리 도가니가 제조된다.

아크 방전 장치(30)는, 고순도의 탄소로 형성된 막대 형상을 이루는 복수의 탄소 전극(32)과, 이들 탄소 전극(32)을 유지함과 아울러 이동시키는 전극 이동 기구(31)와, 각 탄소 전극(32)에 전류를 통하게 하기 위한 전원 장치(도시 생략)를 구비한다. 탄소 전극(32)은, 이 예에서는 3개이지만, 탄소 전극(32) 간에 아크 방전을 할 수 있으면 좋아, 2개이어도 4개 이상이어도 좋다. 탄소 전극(32)의 형상도 한정되지 않는다. 탄소 전극(32)은 선단으로 갈수록 서로 근접하도록 배치되어 있다. 전원은 교류이어도 직류이어도 좋지만, 이 실시 형태에서는, 3개의 탄소 전극(32)에 3상 교류 전류의 각 상(相)이 접속되어 있다.

상기 몰드(10) 또는 탄소 전극(32) 중 어느 하나에 상하이동 수단(도시 생략)이 설치되어 있으며, 또한 상기 몰드(10) 또는 탄소 전극(32) 중 어느 하나에 측방 이동 수단(도시 생략)이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 제조 장치에서는, 회전 몰드(10) 또는 탄소 전극(32) 중 어느 하나를 측방으로 이동함으로써, 탄소 전극(32)을 몰드 중신선에 대하여 상대적으로 측방 이동하여, 편심 위치에서 아크 용융할 수 있다.

도6 은 석영 유리 도가니의 일 예를 나타내고 있다. 이 석영 유리 도가니(40)는 벽부(40A), 만곡부(40B), 저부(40C)에 의해 구성되고, 결정화 촉진제를 첨가하는 일 없이 결정화 용이성을 갖는 석영 유리(42)에 의해 형성되어 있다.

본 발명의 석영 유리 도가니는, (A) 도6 에 나타내는 일 실시 형태와 같이, 도가니의 전체(또는 일부)가, 결정화 촉진제를 첨가하지 않고 결정화 용이성을 갖는 상기 석영 유리(42)에 의해 형성되어 있는 형태, (B) 도가니의 적어도 표면층이, 결정화 촉진제를 첨가하지 않고 결정화 용이성을 갖는 상기 석영 유리에 의해 형성되어 있는 형태, (C) 도가니의 벽부(40A), 만곡부(40B), 또는 적어도 벽부(40A)의 외표면층이, 결정화 촉진제를 첨가하지 않고 결정화 용이성을 갖는 상기 석영 유리(42)에 의해 형성되어 있는 형태 등 여러 가지 형태로 형성할 수 있다.

도7 은 석영 유리 도가니의 다른 실시 형태를 나타내고 있다. 이 석영 유리 도가니(40)는 벽부(40A), 만곡부(40B), 저부(40C)에 의해 구성되고, 내표면층이 합성 석영 유리(44)에 의해 형성되고, 외표면층이 천연 석영을 유리화한, 결정화 촉진제를 첨가하지 않고 결정화 용이성을 갖는 석영 유리(42)에 의해 형성되어 있다.

또한, 본 발명의 석영 유리 도가니는, (D) 도7 에 나타내는 바와 같이 석영 유리 도가니의 내표면층이 합성 석영 유리(44)에 의해 형성되고, 도가니의 외표면층이 천연 석영을 유리화한, 결정화 촉진제를 첨가하지 않고 결정화 용이성을 갖는 석영 유리(42)에 의해 형성할 수도 있다. 이러한 석영 유리 도가니를 제조하려면, 회전 몰드의 내표면에 결정질 천연 석영 분말을 퇴적하고, 그 위(내주측)에 결정질 합성 석영 분말을 퇴적하고, 유리화 온도(1710℃ 이상 1780℃ 이하, 바람직하게는 1730℃ 이상 1750℃ 이하)로 가열 용융하여 제조한다. 결정화 용이성을 갖는 석영 유리(42)로 형성하는 것은, 도가니의 외표면층 전역이 아니라, 벽부(40A)의 외표면층만이어도 좋다. 벽부(40A)의 강도가 특히 중요하기 때문이다.

(실시예)

이하에 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 나타낸다.

구경 28인치, 높이 500㎜, 평균 벽두께 11㎜의 석영 유리 도가니에 대하여, 합성 석영분 및/또는 천연 석영분을 원료로 하여, 도가니 내면의 온도가 1600～2500℃가 되도록 아크 가열하고, 표 1에 나타내는 조건에 따라 석영 유리 도가니를 제조했다. 이 도가니에 대하여 만곡부의 내부 기포수, 내면 곡률과 외면 곡률의 비를 제조 조건과 함께 표 1에 나타냈다.

또한, 석영 유리 도가니의 내표면층이 합성 석영 유리에 의해 형성되고, 도가니의 적어도 벽부의 외표면층이 천연 석영을 유리화한 석영 유리에 의해 형성되어 있어도 좋다. 합성 석영의 분말은 평균 입경이 350㎛이고, 입경 범위 60～600㎛이다. 천연 석영의 분말은 평균 입경이 250㎛이고, 입경 범위는 50～500㎛이다.

표 1에 있어서, 전체 가열의 비율은 아크 총 시간에 대한 전체 가열의 비(％), 전극 선단의 거리는 가열 부위와 몰드 중심선과의 거리(L1)에 대한 가열 부위와 전극 선단과의 거리(L2)의 비(L2/L1:％), 도달 진공도는 석영분 성형체의 아크 용융 시의 최고 진공도, 기포수는 도가니 전체에 대하여 내표면으로부터 두께 1.0㎜의 범위에 포함되는 크기 0.5㎜ 이상의 기포수, 곡률비는 만곡부 내면 곡률(W2)과 만곡부 외면 곡률(W1)의 비(W2/W1)를 만곡부 전체에 대하여 일정 범위마다 측정한 평균치에 기초하는 값이다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1～6은 모두 도달 진공도가 높고, 따라서 기포수가 적다. 또한, 곡률비가 0.8～1.2의 범위로서, 성형성이 좋 다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 1～5는 모두 도달 진공도가 낮고, 기포수가 현저히 많다. 또한 곡률비가 1.2보다도 커져, 성형성이 떨어진다.

	전체 가열의 비율(％)	전극 선단의 거리(％)	외접원 면적(㎠)	전극간 거리(㎝)	도달 진공도 (kPa)	기포수	곡률비 (％)
실시예1	12	30	300	6	65	3	0.95
실시예2	35	40	500	8	62	2	1.03
실시예3	53	50	700	9	64	3	1.05
실시예4	60	10	500	8	65	2	1.10
실시예5	35	80	500	8	69	4	1.02
실시예6	35	40	500	15	69	3	1.08
비교예1	87	40	500	8	45	17	1.24
비교예2	35	3	500	8	40	15	1.26
비교예3	35	90	500	8	45	13	1.30
비교예4	35	40	900	10	41	14	1.25
비교예5	35	40	500	20	49	8	1.31

또한, 천연 석영이란, 자연계에 존재하는 석영 원석을 채굴하여, 파쇄(破碎)?정제 등의 공정을 거쳐 얻어지는 원료로서, 천연 석영분은 α-석영의 결정으로 이루어진다. 천연 석영분에서는 Al, Ti가 1ppm 이상 포함되어 있다. 또한 그 외에 금속 불순물에 대해서도 합성 석영분보다도 높은 레벨에 있다. 천연 석영분은 실라놀(silanol)을 거의 포함하지 않는다. 천연 석영분을 용융하여 얻어지는 유리의 실라놀 양은 ＜100ppm이다.

천연 석영분으로부터 얻어진 유리에서는, 광투과율을 측정하면, 주로 불순물로서 약 1ppm 포함되는 Ti 때문에 파장 250nm 이하가 되면 급격히 투과율이 저하하고, 파장 200nm에서는 거의 투과하지 않는다. 또한 245nm 부근에 산소 결함에 기인하는 흡수 피크가 보인다.

또한 천연 석영분의 용융품에서는, 파장 245nm의 자외선으로 여기하여 얻어지는 형광 스펙트럼을 측정하면, 280nm와 390nm에 형광 피크가 관측된다. 이들 형광 피크는, 유리 중의 산소 결합 결함에 기인하는 것이다.

합성 석영은, 화학적으로 합성?제조한 원료로서, 합성 석영 유리분은 비정질(非晶質)이다. 합성 석영의 원료는 기체 또는 액체이기 때문에, 용이하게 정제하는 것이 가능하며, 합성 석영분은 천연 석영분보다도 고순도로 할 수 있다. 합성 석영 유리 원료로서는 사염화탄소(四鹽化炭素) 등의 기체의 원료 유래와 규소 알콕시드와 같은 액체의 원료 유래가 있다.

합성 석영분 유리에서는, 모든 불순물을 0.1ppm 이하로 하는 것이 가능하다.

합성 석영 유리분 중, 졸-겔법에 의한 것에서는 알콕시드의 가수분해에 의해 생성된 실라놀이 통상 50～100ppm 잔류한다. 사염화탄소를 원료로 하는 합성 석영 유리에서는, 실라놀을 0～1000ppm의 넓은 범위로 제어 가능하지만, 통상 염소가 100ppm 정도 이상 포함되어 있다. 알콕시드를 원료로 한 경우에는, 염소를 함유하지 않는 합성 석영 유리를 용이하게 얻을 수 있다.

졸-겔법에 의한 합성 석영 유리분은 전술한 바와 같이 용융 전에는 50～100ppm 정도의 실라놀을 함유하고 있다. 이것을 진공 용융하면, 실라놀의 탈리(脫離)가 일어나, 얻어지는 석영 유리의 실라놀은 5～30ppm 정도로까지 감소한다. 또한, 실라놀 양은 용융 온도, 승온 온도 등의 용융 조건에 따라 다르다.

동일한 조건에서 천연 석영분을 용융하여 얻어지는 유리의 실라놀 양은 ＜5ppm이다.

일반적으로 합성 석영 유리는 천연 석영분을 용융하여 얻어지는 석영 유리보다도 고온에 있어서의 점도가 낮다고 일컬어지고 있다. 이 원인의 하나로서 실라놀이나 할로겐이 SiO₄ 사면체의 그물코 구조를 절단하고 있는 것을 들 수 있다.

합성 석영 유리분을 용융하여 얻어진 유리에서는, 광투과율을 측정하면, 파장 200nm 정도까지의 자외선을 잘 투과하여, 자외선 광학 용도로 이용되고 있는 사염화탄소를 원료로 한 합성 석영 유리에 가까운 특성이라고 생각된다.

합성 석영 유리분을 용융하여 얻어진 유리에서는, 파장 245nm의 자외선으로 여기하여 얻어지는 형광 스펙트럼을 측정하면, 천연 석영분의 용융품과 같은 형광 피크는 보이지 않는다.

함유하는 불순물 농도를 측정하거나, 실라놀 양의 차이, 또는, 광투과율을 측정하거나, 파장 245nm의 자외선으로 여기하여 얻어지는 형광 스펙트럼을 측정함으로써, 유리 재료가 천연 석영이었는지 합성 석영이었는지를 판별할 수 있다.

도1 은 회전 몰드법에 의한 석영 유리 도가니 제조의 개념도이다.

도2 는 도가니의 만곡부의 곡률을 나타내는 개념도이다.

도3 은 전극과 외접원을 나타내는 개념도이다.

도4 는 도가니 만곡부의 곡률을 나타내는 설명도이다.

도5 는 석영 유리 부재의 제조 장치의 일 실시 형태를 나타내는 단면도이다.

도6 은 석영 유리 도가니의 일 실시 형태를 나타내는 단면도이다.

도7 은 본 발명에 따른 석영 유리 도가니의 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10 : 몰드

11 : 석영분 성형체

12 : 통기공

13 : 전극

15 : 림 가장자리

16 : 측벽부

17 : 만곡부

18 : 저부

L : 몰드 중심선

L1 : 가열 부위와 몰드 중심선과의 거리

L2 : 가열 부위와 전극 선단과의 거리

L3 : 전극 중심 간의 거리

W1 : 만곡부 외면 곡률

W2 : 만곡부 내면 곡률

S : 외접원

R : 곡률의 측정 범위

Claims (9)

1. 회전 몰드에 충전한 석영분(粉) 성형체를 진공흡인하면서 아크 용융하여 석영 유리 도가니를 제조하는 방법에 있어서, 아크 용융 개시 내지 아크 용융 중에 전극을 몰드 중심선에 대하여 상대적으로 측방으로 이동하여, 편심 위치에서 아크 용융하는 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   전극을 몰드 중심선 상에서 아크 용융을 행하는 전체 가열과, 전극을 몰드 중심선으로부터 벗어난 편심 위치에서 아크 용융을 행하는 국부 가열을 행하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,

   전체 가열의 시간이 아크 용융 전(全) 시간의 60％ 이하인 석영 유리 도가니의 제조 방법.
4. 제2항에 있어서,

   국부 가열에 있어서, 전극 선단(先端) 중심과 석영분 성형체의 가열 부위와의 거리(L2)를, 몰드 중심선으로부터 상기 가열 부위까지의 거리(L1)의 5～80％로 유지하여 가열 용융하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   복수의 전극 선단에 접하는 외접원의 면적을 710㎠ 이하로 하고, 상기 외접원의 원내 전체를 아크 가열하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   전극 중심 간의 거리가 2㎝ 이상 15㎝ 이하인 석영 유리 도가니의 제조 방법.
7. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 방법에 의해 제조된 도가니로서, 만곡부 내면의 곡률(W2)이 만곡부 외면의 곡률(W1)의 0.8～1.2배인 석영 유리 도가니.
8. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 방법에 의해 제조된 도가니로서, 도가니 전체의 내표면으로부터 1.0㎜의 두께 범위에 있어서, 0.5㎜ 이상의 내부 기포가 만곡부 전체에서 5개 이하인 석영 유리 도가니.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 제조방법의 실시에 사용되는 석영 유리 도가니의 제조 장치로서,

   아크 전극과 회전 몰드의 적어도 어느 하나에 측방으로의 이동 수단을 갖고, 상기 이동 수단에 의해, 아크 전극 또는 회전 몰드를 측방으로 이동함으로써, 회전 몰드에 대한 아크 전극의 상대 위치가 편심 가능한 석영 유리 도가니의 제조 장치.

Images