KR20080074256A - A manufacturing method for high-purify quartz glass with low oh content - Google Patents

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KR20080074256A
KR20080074256A KR1020070013002A KR20070013002A KR20080074256A KR 20080074256 A KR20080074256 A KR 20080074256A KR 1020070013002 A KR1020070013002 A KR 1020070013002A KR 20070013002 A KR20070013002 A KR 20070013002A KR 20080074256 A KR20080074256 A KR 20080074256A
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박성은
신지식
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주식회사 새빛
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Abstract

A manufacturing method of highly pure quartz glass is provided to prevent the deterioration of definition in a dust proof glass having similar thermal expansion coefficient with the substrate quartz glass by removing OH group in a heat-treatment of silica in dry gas atmosphere. A manufacturing method of highly pure quartz glass having less OH contents comprises a step of heat-treatment using He gas having dew pot temperature less than -100°C at a temperature of at least 1,150°C in dry gas atmosphere for more than 10 hours. The dry gas atmosphere is in a state having moisture of 1ppm under the control of dew pot temperature less than -20°C. After the heat-treatment in dry gas atmosphere, an annealing treatment is carried out at virtual temperature of 950-1,000°C. An anti-dust glass for projection display is prepared by a process comprising steps of: drying silica soot; preparing quartz glass ingot by heat-treatment of the dried silica for making a glass state; slicing the quartz glass ingot in a form of wafer by means of wire saw; lapping the slices to quartz glass wafer and polishing the wafer; and preparing anti-dust glass by means of dicing saw. A high-temperature poly-silicone TFT substrate or an opposed substrate is manufactured by a process comprising steps of: drying silica soot; preparing quartz glass ingot by heat-treatment of the dried silica for making a glass state; slicing the quartz glass ingot in a form of wafer by means of wire saw; and lapping the slices to quartz glass wafer and polishing the wafer.

Description

OH 함량이 낮은 고순도 석영유리의 제조방법{A manufacturing method for high-purify quartz glass with low OH content}A manufacturing method for high-purify quartz glass with low OH content}

도 1은 이슬점 온도 변화에 따른 OH 함량 변화를 측정한 그래프이다(사용가스: He, 열처리온도: 1200℃, 열처리시간: 20hr).1 is a graph measuring the change in OH content according to the dew point temperature change (used gas: He, heat treatment temperature: 1200 ℃, heat treatment time: 20hr).

도 2는 이슬점 온도와 수분 함량의 관계를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the relationship between dew point temperature and moisture content.

도 3은 사용 가스를 He와 Ar로 변화시켰을 때 OH 함량을 나타낸 그래프이다(이슬점온도: -196℃, 열처리온도: 1200℃, 열처리시간: 20hr).Figure 3 is a graph showing the OH content when the use gas is changed to He and Ar (dew point temperature: -196 ℃, heat treatment temperature: 1200 ℃, heat treatment time: 20hr).

도 4는 열처리 온도가 OH 함량에 미치는 영향을 측정한 그래프이다(사용가스: He, 이슬점온도: -196℃, 열처리시간: 20hr).4 is a graph measuring the effect of the heat treatment temperature on the OH content (using gas: He, dew point temperature: -196 ℃, heat treatment time: 20hr).

도 5는 열처리 시간 변화가 OH 함량에 미치는 영향을 측정한 그래프이다(사용가스: He, 이슬점온도: -196℃, 열처리온도: 1200℃).5 is a graph measuring the effect of the change in heat treatment time on the OH content (use gas: He, dew point temperature: -196 ℃, heat treatment temperature: 1200 ℃).

도 6은 투사형 디스플레이 장치용 방진유리 또는 고온 폴리 실리콘 TFT 기판, 대향 기판 제조과정을 나타낸 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a process of manufacturing a dustproof glass or a high temperature polysilicon TFT substrate for a projection display device and an opposing substrate.

도 7은 석영유리 상의 OH 농도분포 제어를 위한 측정점을 나타낸 것이다.7 shows a measuring point for controlling the OH concentration distribution on the quartz glass.

도 8은 도 7의 측정점에서 측정한 서냉 열처리 전후의 OH 농도 분포를 나타낸 것이다.FIG. 8 shows OH concentration distribution before and after the slow cooling treatment measured at the measurement point of FIG. 7.

도 9는 OH 함량이 각각 18, 87, 174ppm인 샘플의 열팽창계수 측정 결과를 나타낸 것이다.Figure 9 shows the results of measuring the coefficient of thermal expansion of the samples of the OH content of 18, 87, 174ppm, respectively.

도 10은 점도 측정온도가 각각 1100, 1200, 1300℃인 경우에 대하여 OH 함량에 따른 점도 변화를 나타낸 것이다.Figure 10 shows the viscosity change according to the OH content for the case where the viscosity measurement temperature is 1100, 1200, 1300 ℃, respectively.

도 11은 건조가스 트랩을 나타낸 개략도이다.11 is a schematic diagram illustrating a dry gas trap.

본 발명은 고내열성 석영유리 제조방법에 관한 것으로 좀더 상세히는 투사형 디스플레이 장치에 사용되는 방진유리 또는 고온 폴리 실리콘 TFT 기판, 대향 기판의 내열성을 향상시키기 위하여 석영유리 제조공정 중 실리카를 건조가스 분위기에서 열처리하여 OH기를 제거하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing high heat-resistant quartz glass, and more particularly, to heat-proof silica in a dry gas atmosphere in order to improve the heat resistance of dustproof glass or high temperature polysilicon TFT substrate and counter substrate used in a projection display device. It relates to a method for removing the OH group.

고순도 석영유리는 SiO2 만으로 이루어지고 기타 금속불순물의 함량이 매우 적은 고순도의 유리이기 때문에 화학적 안정성이 매우 우수하며, 투광성 특히 자외선 영역에서의 투과율이 뛰어나기 때문에 액정디스플레이 관련 타겟용 소재, 반도체/LCD용 포토마스크 기판(substrate), 투사형 디스플레이의 핵심부품인 고온 폴리-Si TFT-LCD용 웨이퍼를 비롯한 디스플레이산업용 부품으로 응용되고 있으며, 정밀 광학용 소재(UV 그레이드 렌즈, 프리즘, 거울, 필터 등), 반도체/LCD 제조관련 각종 장비(배쓰, 챔버, 보트)로도 사용되고, 이밖에도 정보통신용 광섬유에 사용되는 등 디스플레이산업과 반도체산업 등의 첨단산업에 널리 사용되는 소재이다.High-purity quartz glass is made of SiO 2 only and has high chemical stability because it is a high-purity glass with very low content of other metal impurities. It is applied to display industry parts including photomask substrate for substrate and wafer for high temperature poly-Si TFT-LCD which is a core component of projection display, and is used for precision optical materials (UV grade lens, prism, mirror, filter, etc.), It is also used as a variety of equipment related to semiconductor / LCD manufacturing (baths, chambers, boats), and is also widely used in high-tech industries such as the display industry and the semiconductor industry.

또한, 자외선영역에서의 투과율이 우수한 석영유리는 제조방법에서 금속불순물의 순도를 엄격히 관리하는 합성석영유리(synthetic silica glass)이며, 합성석영유리는 제조방법의 특성상 석영유리 내부에 OH 기(hydroxyl group)를 다량 포함하고 있다. 유리 내부에 존재하는 OH는 [SiO4] 4면체의 망목구조를 끊기 때문에 석영유리가 갖고 있는 우수한 성질의 하나인 내열성을 저하하는 원인이 된다.In addition, quartz glass having excellent transmittance in the ultraviolet region is synthetic silica glass that strictly controls the purity of metal impurities in the manufacturing method, and synthetic quartz glass is an OH group (hydroxyl group) inside the quartz glass due to the nature of the manufacturing method. It contains a lot of). Since OH present in the glass breaks the [SiO 4 ] tetrahedron network structure, it causes a decrease in heat resistance, which is one of the excellent properties of quartz glass.

국내 디스플레이산업 및 반도체산업 등에 사용되는 석영유리산업의 수준은 반도체 제조공정에서 각종 운반도구, 용기 및 진공 챔버로 사용되는 저순도 석영유리의 경우에는 수입품을 국내에서 가공하여 사용하며, 반도체, LCD용 포토마스크용 석영유리기판, 정밀 광학용 석영유리 등의 고순도 석영유리의 경우에는 완제품형태로 수입하여 사용하고 있는 실정이다.The level of quartz glass industry used in display industry and semiconductor industry in Korea is processed low-purity quartz glass which is used as transportation tool, container and vacuum chamber in semiconductor manufacturing process. High purity quartz glass, such as quartz glass substrates for photomasks and quartz glass for precision optics, is imported and used as a finished product.

합성석영유리 제조분야의 기술을 선도하고 있는 일본과 미국 등의 석영유리 제조현황을 살펴보면, 석영유리는 본래 수정을 2000℃ 이상의 고온에서 용융시켜 제조하였으나 산업이 발전하면서 그 용도와 요구사항이 다양해지고 엄격해짐에 따라 여러 가지 제조방법이 개발되어 왔다. 석영유리의 종류를 크게 두 가지로 분류하면 천연수정의 분말을 용융시켜 제조한 용융석영유리와 화학적으로 합성하여 제조한 합성석영유리로 구분되며, 용융석영유리의 제조방법에는 수정을 용융하는 방 법에 따라 전기용융법, 플라즈마용융법, 산수소화염용융법이 있고, 합성석영유리의 제조방법에는 직접법, 화학기상증착법, sol-gel법 등이 있다. Considering the manufacturing status of quartz glass in Japan and the United States, which are leading technologies in the manufacturing of synthetic quartz glass, quartz glass was originally manufactured by melting quartz at a high temperature of 2000 ° C or higher. However, as the industry develops, its use and requirements are diversified. As they become more stringent, several manufacturing methods have been developed. The two types of quartz glass are largely divided into molten quartz glass prepared by melting the powder of natural crystal and synthetic quartz glass manufactured by chemical synthesis. According to the present invention, there are an electric melting method, a plasma melting method, an oxyhydrogen salt melting method, and a method of manufacturing synthetic quartz glass includes a direct method, a chemical vapor deposition method, a sol-gel method, and the like.

전기용융법은 수정분말을 전기로 용융하는 방법이기 때문에 석영유리중에 수분은 거의 함유되지 않는다. 플라즈마 용융법은 산수소 버너 대신에 플라즈마 토치(torch)를 이용하는 방법이다. 전기용융법과 마찬가지로 OH기를 거의 함유하지 않는다. 산수소화염 용융법은 산소와 수소의 반응을 이용한 화염을 이용하는 방법이다. 산소와 수소가 반응하면 수분이 발생하며 이때 대량의 에너지를 발생하여 고온이 되는데, 이 열을 이용하여 수정의 분말을 용융시키는 것이다. 산소와 수소의 반응을 이용하기 때문에 수정을 용융시킴과 동시에 대량의 수분이 발생하므로 석영유리 중에 많은 결함을 함유하게 된다. 용융석영유리의 특징으로서는 열에 강하지만, 금속불순물이 비교적 많은 단점이 있다. Since the electrofusion method is a method of melting the crystal powder with electricity, almost no moisture is contained in the quartz glass. The plasma melting method uses a plasma torch instead of an oxyhydrogen burner. Like the electrofusion method, it contains almost no OH group. Oxyhydrogen flame melting method is a method using a flame using a reaction of oxygen and hydrogen. When oxygen and hydrogen react, water is generated. At this time, a large amount of energy is generated to become a high temperature. This heat is used to melt the crystal powder. Because of the reaction between oxygen and hydrogen, quartz crystals are melted and a large amount of moisture is generated, which causes many defects in quartz glass. As a characteristic of molten quartz glass, it is heat resistant, but there are relatively many disadvantages of metal impurities.

합성석영유리를 제조하는 방법에는 여러 가지가 있지만 대부분은 산소와 수소를 연소시키는 버너 중에서 사염화규소(SiCl4)를 산소와 수소의 반응에 의해 생성된 물 분자와 반응(가수분해)시킴으로써 합성한다. 이때 출발원료로 불순물이 적은 화합물을 이용하기 때문에 순도가 매우 높은 석영유리가 만들어진다. 용융석영유리는 원료인 수정분말 중에 금속불순물을 함유하여 순도에 한계가 있기 때문에, 고순도를 요구하는 경우에는 화학적으로 합성한 석영유리를 이용하게 된다. 직접법 합성석영유리는 사염화규소를 고온의 산수소 화염 중에서 가수분해하여 만든다. 직접법으로 합성한 석영유리는 산수소 화염 중에서 합성하기 때문에 OH가 남는다. OH의 양은 산수소화염에서 용융시킨 용융석영유리보다도 10배 정도 많다. 또한, 원료로서 사염화규소(SiCl4)를 이용하기 때문에 Cl이 포함되기 때문에 고온에서 용융석영유리에 비해 변형하기 쉬워진다.There are many methods for producing synthetic quartz glass, but most of them are synthesized by reacting (hydrolysis) silicon tetrachloride (SiCl 4 ) with water molecules produced by the reaction of oxygen and hydrogen in a burner that burns oxygen and hydrogen. At this time, since the compound with few impurities is used as a starting material, very high purity quartz glass is made. Molten quartz glass contains a metallic impurity in the crystal powder as a raw material and thus has a limited purity. Therefore, when high purity is required, chemically synthesized quartz glass is used. Direct synthetic quartz glass is made by hydrolyzing silicon tetrachloride in a hot oxyhydrogen flame. Since quartz glass synthesized by the direct method is synthesized in an oxyhydrogen flame, OH remains. The amount of OH is about 10 times higher than that of molten quartz glass melted in an oxyhydrogen salt. In addition, since silicon tetrachloride (SiCl 4 ) is used as a raw material, since Cl is contained, it is easier to deform than molten quartz glass at a high temperature.

화학기상증착법 합성석영유리는 실리카의 미립자로 이루어진 덩어리를 제조한 후 열처리하여 만든다. 대표적인 제조방법 중의 하나인 VAD(Vapor-phase Axial Deposition)법은 일본에서 고안되어 실용화된 방법인데, 우선 직접법보다도 낮은 약 1100℃의 온도에서 다공질의 실리카 덩어리를 합성한 후 이를 약 1500℃로 소결하여 투명한 석영유리로 만드는 방법이다. 이 석영유리는 용융석영유리에 비하면 금속불순물의 양이 매우 적은 특징이 있다. Chemical Vapor Deposition Synthetic quartz glass is prepared by heat treatment after preparing agglomerates made of fine particles of silica. VAD (Vapor-phase Axial Deposition) method, one of the typical manufacturing methods, was devised and put into practice in Japan. First, porous silica agglomerates were synthesized at a temperature of about 1100 ° C. lower than the direct method, and then sintered to about 1500 ° C. It is a method of making transparent quartz glass. This quartz glass is characterized by a very small amount of metal impurities compared to molten quartz glass.

플라즈마법은 OH를 포함하지 않는 석영유리를 제조하는 방법이다. 이것도 직접 석영유리를 합성하는 일종의 직접법이지만 산수소 화염 대신에 아르곤(Ar)이나 산소(O2) 등의 유도플라즈마를 이용하여 사염화규소와 산소를 반응시키는 방법이다. 이 석영유리는 산소나 염소가 잔류하여 방사선이나 자외선에 약한 단점이 있다. sol-gel법은 용액 중에서 다공질체를 합성하고 이를 건조시켜 열처리하여 유리화하는 방법이다. 용액을 건조시켜 대략적인 형태를 만들고 열처리함으로써 유리를 효율성(수율)이 매우 높게 제조할 수 있기 때문에 여러 연구자의 기대 속에 연구가 진행되고 있다.The plasma method is a method for producing quartz glass containing no OH. This is also a direct method of synthesizing quartz glass, but instead of oxyhydrogen flames, silicon tetrachloride and oxygen are reacted using induction plasma such as argon (Ar) or oxygen (O 2 ). This quartz glass has a disadvantage of being weak in radiation or ultraviolet rays due to residual oxygen or chlorine. The sol-gel method is a method of synthesizing a porous body in a solution, drying it, and heating and vitrifying. Research has been carried out in the hopes of several researchers because the glass can be manufactured with high efficiency (yield) by drying the solution to form a rough form and heat treatment.

투사형 디스플레이장치로는 액정프로젝터 및 프로젝션 TV가 있고, 이들은 최근 수요가 급증하고 있으며, 향후에도 성장증가세가 이어지리라 예상된다. 투사형 디스플레이용 석영유리는 방진유리, 고온 폴리-Si TFT-LCD기판, 컬러필터기판 등에 응용되며, 품질수준은 방진유리, 컬러필터기판, TFT-LCD기판 순으로 높아진다. 그러나 국내에서는 품질수준이 가장 낮은 방진유리조차도 전량 수입에 의존하고 있는 실정이며, 국산화를 이루지 못할 경우에는 기술종속이 우려된다.Projection-type display devices include liquid crystal projectors and projection TVs, which are rapidly increasing in demand, and are expected to continue to grow in the future. Quartz glass for projection display is applied to dustproof glass, high temperature poly-Si TFT-LCD substrate, color filter substrate, etc., and the quality level is higher in order of dustproof glass, color filter substrate, TFT-LCD substrate. However, even in Korea, even the lowest quality dust-proof glass relies on imports, and if it cannot be localized, technology dependency is concerned.

방진유리(Dust Proof Glass)는 고온 폴리-Si TFT-LCD기판 및 컬러필터기판의 앞뒷면에 위치하여 먼지나 이물질이 기판 표면에 부착되어 발생되는 화질의 저하를 막는 기능(defocusing)을 하며, 이 밖에도 기판유리의 기계적인 손상을 방지하는 기능을 갖는다.Dust Proof Glass is located on the front and back of the high-temperature poly-Si TFT-LCD substrate and the color filter substrate to prevent deterioration of image quality caused by dust or foreign matter adhering to the substrate surface. In addition, it has a function of preventing mechanical damage to the substrate glass.

또한, 투사형 디스플레이장치는 광원으로 할로겐램프 등을 사용하기 때문에 고열이 발생하며, 따라서 석영유리의 내열성이 서로 다른 경우에는 기판/방진유리의 열팽창계수의 차이에 의해서 밀착성이 저하되어 화질의 저하로 이어지게 된다. 따라서 기판용 석영유리의 열팽창계수와 같은 수준의 방진유리의 개발이 필요하며, 이를 위해서는 열팽창계수에 가장 큰 영향을 미치는 석영유리 내부의 OH 기 농도를 제어하여야 하며, 이를 통해서 내열성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the projection display device uses a halogen lamp as a light source, high heat is generated. Therefore, when the heat resistance of the quartz glass is different, the adhesion decreases due to the difference in the thermal expansion coefficient of the substrate / dustproof glass, leading to deterioration of image quality. do. Therefore, it is necessary to develop dust-proof glass at the same level as the coefficient of thermal expansion of the quartz glass for substrate. To this end, it is necessary to control the concentration of OH groups in the quartz glass that have the greatest influence on the coefficient of thermal expansion, thereby improving heat resistance. .

전 세계시장을 석권하고 있는 일본의 제조회사에서의 석영유리에 대한 연구개발 내용은 특허 이외에는 전혀 공개되지 않고 있기 때문에 내열성 향상기술에 대한 동향을 일본 특허청 자료에서 조사하였으며, 그 결과를 표 1-2에 나타내었다.Since the research and development of quartz glass in Japanese manufacturing companies that dominate the world market is not disclosed at all except patents, the trend of heat resistance enhancement technology was investigated in the JPO data. Shown in

스미또모 금속의 내열성 향상 관련 특허문헌 내용을 표 1에 정리하였다.Table 1 summarizes the patent literature related to the heat resistance improvement of Sumitomo metal.

출원번호Application number 출원인Applicant 내 용Contents JP2002-160936JP2002-160936 住友金屬住友 金屬 100Pa로 감압시킨 산소가스로 고온에서 열처리하여 OH의 농도를 80ppm으로 저하시킴Heat treatment at high temperature with oxygen gas reduced to 100 Pa to reduce OH concentration to 80 ppm JP2002-053338JP2002-053338 住友金屬住友 金屬 20Pa로 감압시킨 He가스로 고온에서 열처리함으로서 12ppm으로 저하시킴It is reduced to 12ppm by heat treatment at high temperature with He gas reduced to 20Pa. JP2002-087833JP2002-087833 住友金屬住友 金屬 2*10E4 Pa로 초저압 상태에서 고온에서 열처리하여 18ppm으로 저하시킴Reduced to 18ppm by heat treatment at high temperature under ultra low pressure of 2 * 10E4 Pa JP1999-228160JP1999-228160 住友金屬住友 金屬 1-3Pa로 감압시킨 상태에서 고온에서 열처리하여 50ppm으로 저하시킴Reduced to 50ppm by heat treatment at high temperature under reduced pressure of 1-3Pa

아사히 글라스의 내열성 향상 관련 특허문헌 내용을 표 2에 정리하였다.Table 2 summarizes the contents of patent documents related to improving heat resistance of Asahi Glass.

출원번호Application number 출원인Applicant 내 용Contents JP2002-316123JP2002-316123 아사히글라스Asahi Glass 0.1atm로 감압시킨 산소가스로 1200℃에서 열처리하여 OH의 농도를 18ppm으로 저하시킴Heat treatment at 1200 ℃ with oxygen gas reduced to 0.1 atm to reduce OH concentration to 18 ppm JP2002-318049JP2002-318049 아사히글라스Asahi Glass 0.1atm로 감압시킨 He가스로 1250℃에서 열처리함으로서 9.4ppm으로 저하시킴He gas reduced to 0.1 atm, and reduced to 9.4 ppm by heat treatment at 1250 ° C. JP2001-180962JP2001-180962 아사히글라스Asahi Glass 0.1Torr로 초저압 상태에서 고온에서 열처리하여 7.8ppm으로 저하시킴Heat treatment at high temperature in ultra low pressure at 0.1 Torr and drop to 7.8 ppm JP2000-239031JP2000-239031 아사히글라스Asahi Glass 1Torr로 감압시킨 상태에서 고온에서 열처리하여 4.2ppm으로 저하시킴Heat reduced at 4.2ppm after depressurizing to 1Torr

상기 표에서 알 수 있듯이 일본의 제조회사에서는 감압상태에서 열처리함으로서 OH의 농도를 저하시키는 연구를 진행 중인 것으로 조사되고 있으며, 최근에는 SiF4가스분위기에서 열처리하는 특허도 공개되고 있다. 그러나 SiF4가스분위기에서의 열처리는 OH의 저하목적 이외에도 불소(F)를 석영유리 내에 존재시키기 위한 목적이 있기 때문이며, 불소함유 석영유리는 광섬유용도로 사용하기 위한 제품이다. 또한, 불소는 석영유리 내에서 망목구조를 끊는 역할을 하여 내열성을 저하시킨다. 본 출원인도 감압상태에서 급속 열처리하여 석영유리의 OH를 제거하는 기술에 대한 국내특허를 획득한 바 있으며, 현재 국제특허출원(PCT) 중에 있다. 그러나 감압상태에서의 OH의 제거는 상대적으로 장시간이 필요하기 때문에 공업적으로 유용성이 떨어지며, 이에 따라서 좀더 효율적인 기술 개발이 필요하다.As can be seen from the table, a Japanese manufacturer is investigating that the concentration of OH is reduced by heat treatment under reduced pressure, and recently, a patent for heat treatment in a SiF 4 gas atmosphere is also disclosed. However, the heat treatment in the SiF 4 gas atmosphere is for the purpose of presenting fluorine (F) in the quartz glass in addition to the purpose of lowering the OH, and the fluorine-containing quartz glass is a product for use in optical fibers. In addition, fluorine serves to break the network structure in the quartz glass to lower the heat resistance. The present applicant has also obtained a domestic patent for a technology for removing OH from quartz glass by rapid heat treatment under reduced pressure, and is currently under international patent application (PCT). However, the removal of OH under reduced pressure requires a relatively long time, so the industrial utility is inferior, and thus, more efficient technology development is required.

건조가스를 사용하는 방법은 불필요한 원소의 유입이 없기 때문에 공정이 추가되지 않는 장점이 있으나, 목표로 하는 OH 농도에 도달하기 위한 시간이 매우 오래 걸리리라 예상된다. 따라서 공정 최적화를 통해서 생산단가를 낮추면서 생산성이 우수한 고내열성 석영유리 제조방법을 제공하려는 것이 본 발명의 목적이다.The method of using dry gas has the advantage that the process is not added because there is no influx of unnecessary elements, but it is expected that it will take a very long time to reach the target OH concentration. Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for producing high heat-resistant quartz glass with excellent productivity while lowering production cost through process optimization.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 이슬점 온도, 사용가스, 열처리 온도, 시간 등을 조절하여 가장 적절한 조건을 찾아내었고, 뿐만 아니라, 열처리 이후 서냉 열처리하여 내열성이 높은 석영유리를 제조하였다.In order to achieve the above object, the present inventors have found the most suitable conditions by adjusting the dew point temperature, used gas, heat treatment temperature, time, and the like, as well as producing quartz glass having high heat resistance by slow cooling after heat treatment.

본 발명은 이슬점 온도 -100℃ 이하, 사용가스 He, 열처리 온도 1150℃ 이상, 열처리 시간 10hr 이상의 조건으로 건조가스 분위기에서 열처리하여 OH 함량이 낮은 고순도 석영유리를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing high purity quartz glass having a low OH content by heat treatment in a dry gas atmosphere under a dew point temperature of -100 ° C. or less, use gas He, heat treatment temperature of 1150 ° C. or more, and heat treatment time of 10 hr or more.

또한, 본 발명에서 열처리 온도는 1200~1500℃인 것을 특징으로 한다.In addition, the heat treatment temperature in the present invention is characterized in that 1200 ~ 1500 ℃.

또한, 본 발명에서 열처리 시간은 10~50시간인 것을 특징으로 한다.In addition, the heat treatment time in the present invention is characterized in that 10 to 50 hours.

또한, 본 발명에서 이슬점 온도는 -150~-300℃인 것을 특징으로 한다.In addition, the dew point temperature in the present invention is characterized in that -150 ~ -300 ℃.

뿐만 아니라, 본 발명은 건조가스 분위기 열처리 후 가상온도 950~1100℃가 되도록 서냉 열처리하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that the slow cooling heat treatment to the virtual temperature 950 ~ 1100 ℃ after the dry gas atmosphere heat treatment.

상기 조건 범위는 석영유리의 OH 농도를 낮추는데 가장 적합한 범위이다.The condition range is the most suitable range for lowering the OH concentration of the quartz glass.

석영유리의 OH 제거를 위해 이슬점 온도, 사용가스, 열처리온도, 열처리시간을 조절하며 건조분위기 열처리 테스트를 수행하였고, OH 농도분포제어를 위해 가상온도를 조절하여 서냉 열처리하였다. 이슬점 온도 -196℃, 사용가스 He, 열처리온도 1200℃, 열처리시간 20hr의 조건으로 건조가스분위기 열처리하여 OH를 제거한 후 가상온도가 1000℃가 되도록 서냉 열처리한 경우 석영유리 웨이퍼의 OH 농도분포는 65±3ppm이었다.In order to remove OH of quartz glass, the dew point temperature, gas used, heat treatment temperature, and heat treatment time were controlled by drying atmosphere heat treatment test, and hypothetical temperature was controlled by slow temperature heat treatment to control OH concentration distribution. The OH concentration distribution of the quartz glass wafer was 65 when the GH was removed by dry gas atmosphere heat treatment under the condition of dew point temperature -196 ℃, used gas He, heat treatment temperature 1200 ℃ and heat treatment time 20hr, and virtual temperature was 1000 ℃. ± 3 ppm.

건조가스 분위기 열처리에 의해 OH를 제거한 후, 균일한 OH 농도분포 제어를 위한 서냉 열처리가 필요하다. 가상온도가 1000℃가 되도록 서냉 열처리하였을 때 OH 농도분포는 65±3ppm이었다.After removing OH by dry gas atmosphere heat treatment, a slow cooling heat treatment for uniform OH concentration distribution control is required. The OH concentration distribution was 65 ± 3 ppm when the slow cooling was performed such that the virtual temperature was 1000 ° C.

FT-IR을 이용하여 OH농도를 분석하였고, Beam bending method를 이용하여 점도를 평가하였고, TDA를 이용하여 열팽창계수를 측정하였다. OH함량이 증가할수록 점도가 낮아졌고, 열팽창계수는 증가하였다. OH함량이 87ppm인 경우 평균 열팽창계수는 4.5×10-7/K이었다.The OH concentration was analyzed by FT-IR, the viscosity was evaluated by the beam bending method, and the coefficient of thermal expansion was measured by TDA. As the OH content increased, the viscosity decreased and the coefficient of thermal expansion increased. When the OH content was 87 ppm, the average coefficient of thermal expansion was 4.5 × 10 −7 / K.

건조가스를 이용하여 석영유리의 OH기를 제거하는 방법은 다음과 같은 화학 반응식으로 나타낼 수 있다.Removing the OH group of the quartz glass using a dry gas can be represented by the following chemical reaction formula.

-Si-OH + HO-Si- → -Si-O-Si- + H2O(g) -Si-OH + HO-Si- → -Si-O-Si- + H 2 O (g)

건조가스를 이용하는 경우 기타 원소의 유입이 없으므로 기타 원소의 제거를 위한 추가 공정이 필요 없다는 장점이 있다. 본 발명에서 건조가스 분위기는 이슬점 온도 -20℃ 이하의 조건으로 수증기 농도가 약 1ppm 즉, 10-6㎏/㎏이 되는 조건을 말한다.The use of dry gas has the advantage that no additional process is required for the removal of other elements since there is no influx of other elements. In the present invention, the dry gas atmosphere refers to a condition in which the water vapor concentration is about 1 ppm, that is, 10 −6 kg / kg under a dew point temperature of −20 ° C. or less.

본 발명자들은 건조가스분위기 열처리에 의한 OH 제거 및 농도분포제어 실험을 위하여 건조가스 트랩을 제작하였다. 사용가스가 챔버 안으로 들어가기 전에 극저온으로 유지되고 있는 건조가스 트랩을 통과하게 되면 이슬점 온도가 매우 낮은 건조가스로 된다. 건조가스 트랩에 액체질소를 넣으면 건조가스의 이슬점 온도는 -196℃가 되고, 드라이아이스와 에탄올을 혼합하여 넣으면 건조가스의 이슬점 온도는 -78.5℃가 된다.The present inventors fabricated a dry gas trap for OH removal and concentration distribution control experiment by dry gas atmosphere heat treatment. If the working gas passes through a cryogenic dry gas trap before entering the chamber, it becomes a dry gas with a very low dew point temperature. When the liquid nitrogen is added to the dry gas trap, the dew point temperature of the dry gas is -196 ° C, and when the dry ice and ethanol are mixed, the dew point temperature of the dry gas is -78.5 ° C.

석영유리 내의 OH 제거를 위한 건조가스분위기 열처리 테스트에 대한 실험변수로는 이슬점 온도, 사용가스, 열처리온도, 열처리시간 등으로 설정하였다. 이슬점 온도는 -196℃, -78.5℃, 사용가스는 He, Ar, 열처리온도는 1000~1300℃, 열처리시간은 1~40hr으로 하였다.Experimental variables for the dry gas atmosphere heat treatment test for OH removal in quartz glass were set to dew point temperature, used gas, heat treatment temperature, heat treatment time, and the like. The dew point temperature was −196 ° C., −78.5 ° C., the used gas was He, Ar, the heat treatment temperature was 1000 to 1300 ° C., and the heat treatment time was 1 to 40 hours.

석영유리 내의 OH 농도를 측정하기 위해서는 FT-IR을 이용하여 2600nm와 2730nm 파장에서 투과율을 측정하여 아래와 같은 식으로 구한다.In order to measure the concentration of OH in the quartz glass, the transmittance was measured at 2600 nm and 2730 nm using FT-IR, and the following formula was obtained.

OH 함량[ppm] = 910 × (1/t) log10(Ta/Tb)OH content [ppm] = 910 × (1 / t) log 10 (Ta / Tb)

여기서, t는 샘플의 두께(mm), Ta는 2600nm 파장에서의 투과율(%), Tb는 2730nm 파장에서의 투과율(%)이다. 또한 상수 910은 아래와 같은 식으로 계산된 것이다. MW는 (OH)-의 분자량으로 17g이고, E는 (OH)-의 감광계수(extinction coefficient)로 85liters/mol·cm이고, ρ는 SiO2의 밀도로 2.21g/cm3이다.Where t is the thickness of the sample (mm), Ta is the transmittance (%) at 2600 nm wavelength, and Tb is the transmittance (%) at 2730 nm wavelength. In addition, the constant 910 is calculated by the following equation. MW is 17g at the molecular weight of (OH) - , E is 85liters / mol.cm at the extinction coefficient of (OH) - , and ρ is 2.21g / cm 3 at the density of SiO 2 .

910 = ( MW × 104 ) / ( E × ρ )910 = (MW × 10 4 ) / (E × ρ)

* 점도 평가* Viscosity evaluation

석영유리는 일반유리와 달리 융점이 높고 고온 점도가 높기 때문에 고온에서의 점도 측정이 쉽지 않다. 점도 측정방법으로는 Beam bending method, Cantilever beam bending method, Torsion method, Falling ball method 등이 있다. Beam bending method와 Cantilever beam method는 1100~1500℃에서 109~1016 Pa·s의 점도 측정이 가능하고, Torsion method는 1500~2200℃에서 105~108 Pa·s의 점도 측정이 가능하고, Falling ball method는 2300℃ 이상에서 104 Pa·s 이상의 점도 측정이 가능하다. 고온에서 사용되는 석영유리의 내열성 확인을 위한 점도 측정에는 Beam bending method와 Cantilever beam bending method 만이 가능하다. 이 중에서 본 발명에서는 간단히 측정할 수 있는 Cantilever beam bending method를 이용하여 석영유리의 점도를 측정하였다.Unlike ordinary glass, quartz glass has high melting point and high temperature viscosity, making it difficult to measure viscosity at high temperature. Viscosity measurement methods include beam bending method, cantilever beam bending method, torsion method, and falling ball method. The beam bending method and the cantilever beam method can measure the viscosity of 10 9 ~ 10 16 Pa.s at 1100 ~ 1500 ℃, and the Torsion method can measure the viscosity of 10 5 ~ 10 8 Pa · s at 1500 ~ 2200 ℃. , Falling ball method can measure the viscosity of more than 10 4 Pa · s above 2300 ℃. Only the beam bending method and the cantilever beam bending method are available for measuring the viscosity to check the heat resistance of quartz glass used at high temperature. Among them, in the present invention, the viscosity of the quartz glass was measured using a cantilever beam bending method which can be easily measured.

석영유리의 점도(η)는 측정을 원하는 온도에서 일정시간 유지하며 변형된 길이를 측정하여 다음 식에 의해 구할 수 있다.The viscosity (η) of the quartz glass can be obtained by the following equation by measuring the deformed length while keeping the measurement at a desired temperature for a certain time.

η = ( ρ g L4 Δt ) / ( 2 a2 h )η = (ρ g L 4 Δt) / (2 a 2 h)

여기서 ρ는 유리의 밀도, g는 중력가속도, L은 시편의 길이, Δt는 측정온도에서의 유지시간, a는 시편의 두께, h는 시편의 변형량이다.Where ρ is the glass density, g is the acceleration of the specimen, L is the length of the specimen, Δt is the holding time at the measurement temperature, a is the thickness of the specimen, and h is the deformation of the specimen.

석영유리의 점도측정을 위한 테스트는 분위기 조절이 가능한 고온 반응로를 이용하여 1100~1300℃의 온도에서 유지시간을 10시간으로 고정하여 실시하였고, 각각의 열처리 조건에서 제조된 OH 함량이 서로 다른 샘플을 이용하여 실험에 이용하였다.The test for the measurement of the viscosity of the quartz glass was carried out by fixing the holding time to 10 hours at a temperature of 1100 ~ 1300 ℃ using a high-temperature reactor capable of controlling the atmosphere, samples with different OH content produced under each heat treatment condition Was used for the experiment.

석영유리의 점도는 OH 함유량이 증가함에 따라 감소한다. OH 농도가 높을 때 점도가 낮은 것은, 유리의 망목구조가 OH기에 의해 여러 곳에서 절단되어 있기 때문이라고 생각되고, OH 이외의 불순물도 점도에 영향을 미칠 수 있지만 본 발명에서는 순도가 일정한 샘플을 사용했다고 가정하여 순도의 영향은 배제하였다. 본 발명에서 여러 가지 실험 조건의 변수를 조절하여 OH 함량이 20~200ppm 범위인 석영유리를 제조할 수 있었으며, 각 OH 함량에 따른 석영유리의 점도값 범위도 산출해 낼 수 있었다.The viscosity of the quartz glass decreases with increasing OH content. The low viscosity when the OH concentration is high is considered to be because the network structure of the glass is cut at various places by the OH group, and impurities other than OH may affect the viscosity, but in the present invention, a sample having a constant purity is used. The influence of purity was excluded on the assumption that the system was used. In the present invention, by adjusting the parameters of the various experimental conditions it was possible to manufacture a quartz glass having an OH content of 20 ~ 200ppm range, it was also possible to calculate the range of viscosity value of the quartz glass according to each OH content.

* 열팽창계수 평가* Coefficient of thermal expansion

석영유리의 열팽창계수는 TDA(Thermal Dilatometric Analyzer)를 이용하여 측정하였다. 열팽창계수 측정용 시편은 직경 5mm x 길이 50mm의 막대 형태로 제작하였다. 측정온도는 상온~500℃ 범위로 하였고, 승온 속도는 5℃/min으로 하였다. 열팽창계수와 OH 함량과의 관계를 규명하기 위해서 앞서 얻은 샘플들 중 OH 함량이 각각 18, 87, 174ppm인 시편을 선정하였다.The coefficient of thermal expansion of the quartz glass was measured using a TDA (Thermal Dilatometric Analyzer). The specimen for measuring the coefficient of thermal expansion was produced in the form of a rod 5 mm in diameter x 50 mm in length. The measurement temperature was in the range of room temperature to 500 ° C., and the temperature increase rate was 5 ° C./min. In order to investigate the relationship between the coefficient of thermal expansion and the OH content, specimens of OH content of 18, 87 and 174ppm were selected among the samples obtained above.

도 9는 OH 함량이 각각 18, 87, 174ppm인 샘플의 열팽창계수 측정 결과를 나타낸 것이다. 500℃까지의 온도범위에서, OH함량이 18ppm인 경우 평균 열팽창계수 값은 0.42x10-6/K, OH함량이 87ppm인 경우 평균 열팽창계수 값은 0.45x10-6/K, OH함량이 174ppm인 경우 평균 열팽창계수 값은 0.55x10-6/K이었다. OH 함량이 증가할수록 열팽창계수가 증가하는 경향을 보여준다.Figure 9 shows the results of measuring the coefficient of thermal expansion of the samples of the OH content of 18, 87, 174ppm, respectively. In the temperature range up to 500 ℃, when the OH content is 18ppm, the average coefficient of thermal expansion is 0.42x10 -6 / K, and when the OH content is 87ppm, the mean coefficient of thermal expansion is 0.45x10 -6 / K and 174ppm The mean coefficient of thermal expansion was 0.55x10 -6 / K. As the OH content increases, the coefficient of thermal expansion increases.

투사형 디스플레이용 방진유리(ADG; Anti Dust Glass)는 도 6과 같은 과정으로 제조된다. 실리카 건조체를 제조한 후 유리화 열처리에 의해 석영유리 잉곳을 만든다. 석영유리 잉곳을 웨이퍼 형태로 와이어 톱(wire saw)을 이용하여 절단하고 래핑(lapping)하여 석영유리 웨이퍼를 만든다. 웨이퍼를 연마(polishing)하여 제조된 석영유리 연마 웨이퍼를 다이스 톱(dicing saw)을 이용하여 방진유리(antidust glass: 발명의 상세한 설명 및 도면에서 "ADG"와 혼용함)를 제조한다. 반면, 고온 폴리 실리콘 TFT기판이나 대향기판의 경우에는 실리카 건조체를 제조한 후 유리화 열처리에 의해 석영유리 잉곳을 만들고, 와이어 톱(wire saw)을 이용하여 절단하고 래핑(lapping)하여 석영유리 웨이퍼를 만들고, 웨이퍼를 연마(polishing)하여 제조한다.Anti Dust Glass (ADG) for a projection display is manufactured by the process as shown in FIG. Silica glass ingots are made by vitrification heat treatment after preparing the silica dried body. The quartz glass ingot is cut into a wafer using a wire saw and wrapped to form a quartz glass wafer. A quartz glass abrasive wafer prepared by polishing a wafer is manufactured using a dice saw to produce an antidust glass (mixed with "ADG" in the description and drawings of the invention). On the other hand, in the case of a high temperature polysilicon TFT substrate or a counter substrate, after manufacturing a silica dried body, a quartz glass ingot is formed by vitrification heat treatment, and a quartz glass wafer is made by cutting and lapping using a wire saw. It is produced by polishing a wafer.

방진유리는 한 장의 웨이퍼에서 절단되어 수십 개가 제조되기 때문에 웨이퍼 형태에서의 OH 농도분포 제어 또한 중요하다. 웨이퍼에서의 OH 함량이 위치에 따라 큰 편차를 갖는다면 방진 유리 내열성의 편차를 가져오게 되므로 문제가 발생한다.Since the dust-proof glass is cut from a single wafer and dozens are manufactured, it is also important to control the OH concentration distribution in the wafer form. If the OH content in the wafer has a large deviation depending on the position, a problem occurs because it brings about a deviation of the dustproof glass heat resistance.

OH 함량분포 분석을 위해 도 7과 같이 아홉 개의 점을 측정하여 비교 분석하였다. 건조가스분위기 열처리 테스트를 수행한 샘플 중, 이슬점 온도 -196℃, 사용가스 He, 열처리온도 1200℃, 열처리시간 20hr 조건의 테스트 샘플에 대하여 도 7의 측정점에서 OH 함량을 측정한 결과, 도 8과 같은 결과(Before)를 얻었다. 평균값은 66ppm, 최대값은 82ppm, 최소값은 48ppm, 범위(range) 값은 34ppm이었다.Nine points were measured and analyzed as shown in FIG. 7 for OH content distribution analysis. Among the samples subjected to the dry gas atmosphere heat treatment test, the OH content was measured at the measurement point of FIG. 7 with respect to test samples with dew point temperature of -196 ° C, used gas He, heat treatment temperature of 1200 ° C, and heat treatment time of 20hr. The same result was obtained. The average value was 66ppm, the maximum value was 82ppm, the minimum value was 48ppm, and the range value was 34ppm.

건조가스분위기 열처리에 의한 OH 제거 후 발생한 OH 농도분포의 편차를 줄여주기 위해서는 서냉 열처리가 필요하다. 서냉 열처리에 의해 가상온도(fictive temperature)의 제어가 가능하고, 이에 따라 OH 농도분포를 제어할 수 있다.Slow cooling is required to reduce the variation in OH concentration distribution after OH removal by dry gas atmosphere heat treatment. It is possible to control the fictive temperature by the slow cooling heat treatment, thereby controlling the OH concentration distribution.

가상온도는 어떤 상태에서 특정 온도로 급격히 도달하도록 하였을 때 평형상태가 되는 유리의 온도로 정의된다[참고문헌: A. Q. Tool, J. Am. Ceram. Soc., 29 (1946) 240]. 유리를 일정 온도에서 충분한 시간 동안 열처리하면, 유리의 가상온도는 그 온도에 접근한다. 유사평형상태에 도달하도록 충분히 오랜 시간 동안 일정온도에서 열처리하고 급냉한 유리의 가상온도는 그 온도가 된다. 만약 급냉하지 않 고 서냉하면 냉각속도에 따라 유리의 가상온도는 변하게 된다. 잔류 응력을 제거하고 균질한 유리를 제조하기 위한 서냉 공정 평가시 가상온도는 훌륭한 도구가 될 수 있다. 일반유리는 DSC(Differential Scanning Calorimetry)로 가상온도를 측정할 수 있지만, 석영유리의 경우에는 유리전이온도 전후의 비열변화가 매우 적어 DSC로 가상온도를 측정할 수 없다. 석영유리의 가상온도의 측정방법은 IR 흡광도 측정법(spectroscopic method)을 이용하였다[참고문헌: Anand Agrwal, Kenneth M. Davis, Minoru Tomozawa, Journal of Non-Crystalline Solids 185 (1995) 191-198] .The hypothetical temperature is defined as the temperature of the glass in equilibrium when it is allowed to reach a certain temperature rapidly in a certain state [Ref. A. Q. Tool, J. Am. Ceram. Soc., 29 (1946) 240]. When the glass is heat treated at a constant temperature for a sufficient time, the virtual temperature of the glass approaches that temperature. The virtual temperature of the heat-treated and quenched glass at a constant temperature for a long enough time to reach the quasi-equilibrium state is that temperature. If you do not quench and slow cool, the virtual temperature of the glass will change according to the cooling rate. Virtual temperature can be an excellent tool in evaluating slow cooling processes to remove residual stress and produce homogeneous glass. In general glass, the virtual temperature can be measured by DSC (Differential Scanning Calorimetry). In the case of quartz glass, the virtual temperature cannot be measured by DSC because there is very little specific heat change before and after the glass transition temperature. The virtual temperature of quartz glass was measured by IR spectroscopic method (Anand Agrwal, Kenneth M. Davis, Minoru Tomozawa, Journal of Non-Crystalline Solids 185 (1995) 191-198).

본 발명자들은 석영유리 내의 OH기를 제거하기 위해 건조가스 분위기 열처리 실험을 하였다. 이슬점 온도, 사용가스, 열처리 온도, 열처리 시간 등을 변화시켜가며 최적의 조건을 찾아내는 실험을 수행하였다. 아래에서는 본 발명의 구성을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래 실시예의 기재에만 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 자명하다.The inventors conducted a dry gas atmosphere heat treatment experiment to remove OH groups in the quartz glass. Experiments were performed to find the optimum conditions by varying the dew point temperature, used gas, heat treatment temperature, and heat treatment time. Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail through specific embodiments. However, it is apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited only to the description of the following examples.

<< 실시예Example 1: 이슬점 온도 변화> 1: dew point temperature change>

실시예 1 내지 4에 적용되는 기본적인 실험 방법은 다음과 같다.Basic experimental methods applied to Examples 1 to 4 are as follows.

밀폐가 가능한 챔버형 로(furnace)에 실리카 벌크를 넣고, 먼저 진공 펌프를 이용하여 약 10 mTorr까지 진공도를 높이고, 건조가스트랩(액체질소트랩, 드라이아 이스/에탄올트랩 등)을 통과시킨 가스(He, Ar 등)를 대기압에 도달할 때까지 주입하였다. 다시 진공펌프를 이용하여 진공도를 높이고 건조가스트랩을 통과시킨 가스를 주입하고, 이러한 과정을 최소 3회 이상 반복하였다. 마지막엔 건조가스트랩을 통과시킨 가스를 흘리며 원하는 열처리온도(1200℃)까지 로의 온도를 높이고, 그 온도에서 원하는 열처리 시간(20hr) 동안 유지하고, 냉각시켰다.Put the bulk of silica into a hermetic chamber furnace, first increase the degree of vacuum to about 10 mTorr using a vacuum pump, and pass the gas through the dry gas trap (liquid nitrogen trap, dry ice / ethanol trap, etc.) He, Ar, etc.) was injected until reaching atmospheric pressure. In addition, the vacuum pump was used to increase the degree of vacuum and inject gas passed through the dry gas strap, and this process was repeated at least three times. Finally, the gas passed through the dry gas strap was flowed to raise the temperature of the furnace to a desired heat treatment temperature (1200 ° C.), maintained at that temperature for a desired heat treatment time (20 hr), and cooled.

먼저 건조 가스의 이슬점 온도를 -196℃와 -78.5℃로 설정하여 실험하였다. 이슬점 온도 -196℃는 액체질소 트랩을 사용하여 구현하였고, 이슬점 온도 -78.5℃는 드라이아이스/에탄올 트랩을 사용하였다. 이슬점 온도가 OH 제거에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 다른 조건으로서는 사용가스 헬륨(He), 열처리 온도 1200℃, 열처리 시간 20hr으로 동일하게 하였다. 도 1은 실험결과를 나타낸 것이다.First, the experiment was carried out by setting the dew point temperature of the dry gas to -196 ℃ and -78.5 ℃. A dew point temperature of -196 ° C was implemented using a liquid nitrogen trap and a dew point temperature of -78.5 ° C using a dry ice / ethanol trap. In order to examine the effect of the dew point temperature on the OH removal, the other conditions were the same as the used gas helium (He), heat treatment temperature 1200 ° C, and heat treatment time 20hr. Figure 1 shows the experimental results.

이슬점 온도가 -196℃인 경우에는 OH 함량 평균이 65ppm이었고, 이슬점 온도가 -78.5℃인 경우에는 OH 함량 평균이 97ppm이었다. 도 2와 같이 이슬점 온도와 수분함량과의 관계는 이슬점 온도가 낮아질수록 수분함량이 지수적으로 감소하게 된다. 이슬점 온도가 -196℃이면 수분함량은 0.001ppm 이하이고, 이슬점 온도가 -78.5℃이면 수분함량은 약 1ppm이 된다. 이슬점 온도가 낮으면 수분함량이 적게 되고, 석영유리 내의 OH를 제거하는데 더 효과적인 것으로 생각된다.When the dew point temperature was -196 ° C, the average OH content was 65 ppm, and when the dew point temperature was -78.5 ° C, the average OH content was 97 ppm. As shown in FIG. 2, the relationship between the dew point temperature and the moisture content decreases exponentially as the dew point temperature decreases. If the dew point temperature is -196 ℃, the moisture content is less than 0.001ppm, and if the dew point temperature is -78.5 ℃, the moisture content is about 1 ppm. Lower dew point temperatures result in lower moisture content and are believed to be more effective at removing OH in the quartz glass.

<< 실시예Example 2: 사용가스 변화> 2: change of used gas>

건조가스 열처리에 의한 OH 제거에서 사용가스가 미치는 영향을 살펴보기 위하여 헬륨(He) 가스와 아르곤(Ar) 가스로 실험하였다. 이슬점 온도는 -196℃, 열처 리 온도는 1200℃, 열처리 시간은 20hr로 고정하였다. 도 3에 실험결과를 나타내었다.In order to examine the effect of used gas on OH removal by dry gas heat treatment, helium (He) gas and argon (Ar) gas were tested. The dew point temperature was fixed at −196 ° C., the heat treatment temperature at 1200 ° C., and the heat treatment time at 20 hr. 3 shows the experimental results.

He 가스를 사용한 경우에는 평균 OH 함량이 65ppm인 반면, Ar 가스를 사용한 경우에는 평균 OH 함량이 128ppm이었다. He 가스가 Ar 가스보다 OH를 제거하는데 더 효과적인 것으로 나타났다. He의 몰 질량(molar mass)은 4.003g/mol인 반면, Ar의 몰 질량은 39.948g/mol이므로 He이 샘플 내부 깊숙이 침투를 잘하여 OH 제거 반응이 활발히 일어나는 것으로 생각된다.The average OH content was 65 ppm when He gas was used, whereas the average OH content was 128 ppm when Ar gas was used. He gas has been shown to be more effective at removing OH than Ar gas. The molar mass of He is 4.003 g / mol, whereas the molar mass of Ar is 39.948 g / mol, so it is thought that He penetrates deeply inside the sample and the OH removal reaction is active.

<< 실시예Example 3: 열처리 온도 변화> 3: heat treatment temperature change>

건조가스 열처리에 의한 OH 제거에서 열처리 온도가 미치는 영향을 살펴보기 위하여 열처리 온도를 각각 1000℃, 1100℃, 1200℃, 1300℃로 하였고, 다른 조건(사용가스: He, 이슬점 온도: -196℃, 유지시간: 20hr)은 동일하게 하였다. 도 4에 실험결과를 나타내었다.In order to examine the effect of the heat treatment temperature on the OH removal by dry gas heat treatment, the heat treatment temperature was set to 1000 ° C, 1100 ° C, 1200 ° C, and 1300 ° C, respectively, and other conditions (gas: He, dew point temperature: -196 ° C, Holding time: 20hr) was the same. 4 shows the experimental results.

열처리 온도가 1000℃인 경우에는 평균 OH 함량이 174ppm, 열처리 온도가 1100℃인 경우에는 125ppm, 열처리 온도가 1200℃인 경우에는 65ppm, 열처리 온도가 1300℃인 경우에는 65ppm이었다. 열처리온도가 높아질수록 OH 함량이 줄어들다가 1200℃ 이상에서는 거의 변화가 없는 것을 알 수 있었다. 열처리 온도가 높아질수록 에너지가 더 많이 필요하고 생산비용이 상승하게 되므로, 최적 열처리온도는 1200℃라고 할 수 있다.The average OH content was 174 ppm when the heat treatment temperature was 1000 ° C, 125 ppm when the heat treatment temperature was 1100 ° C, 65 ppm when the heat treatment temperature was 1200 ° C, and 65 ppm when the heat treatment temperature was 1300 ° C. As the heat treatment temperature increases, the OH content decreases, but it was found that there was almost no change above 1200 ° C. As the heat treatment temperature is higher, more energy is required and production cost is increased, so the optimum heat treatment temperature is 1200 ° C.

<< 실시예Example 4: 열처리 시간 변화> 4: heat treatment time change>

건조가스 열처리에 의한 OH 제거에서 열처리 시간이 OH 함량에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 열처리 시간을 각각 1hr, 5hr, 20hr, 40hr으로 하고, 다른 조건(사용가스: He, 이슬점온도: -196℃, 유지시간: 20hr)은 동일하게 하였다. 도 5에 실험결과를 나타내었다.In order to examine the effect of heat treatment time on OH content in OH removal by dry gas heat treatment, the heat treatment time was 1hr, 5hr, 20hr, and 40hr, respectively, and the different conditions (gas: He, dew point temperature: -196 ℃) were maintained. Time: 20 hr) was the same. 5 shows the experimental results.

열처리 시간이 1hr인 경우의 평균 OH 함량은 103ppm, 열처리 시간이 5hr인 경우에는 86ppm, 열처리 시간이 20hr인 경우에는 65ppm, 열처리 시간이 40hr인 경우에는 61ppm이었다. 열처리 시간이 길어질수록 OH 함량이 줄어들다가 20hr 이상에서는 거의 변화가 없는 것을 알 수 있다. 열처리 시간이 길어질수록 에너지가 더 많이 필요하고 생산비용이 상승하게 되므로 최적 열처리시간은 20hr이라고 할 수 있다.The average OH content when the heat treatment time was 1 hr was 103 ppm, when the heat treatment time was 5 hr, 86 ppm, when the heat treatment time was 20 hr, 65 ppm, and when the heat treatment time was 40 hr, 61 ppm. As the heat treatment time increases, the OH content decreases, but almost no change occurs over 20hr. The longer the heat treatment time, the more energy is needed and the production cost increases, so the optimal heat treatment time is 20hr.

건조가스 분위기 열처리에 의한 OH 제거 실험에서 이슬점 온도, 사용 가스, 열처리 온도, 열처리 시간 등을 변화시켜가며 찾은 최적화 조건은 이슬점 온도 -196℃, 사용가스 He, 열처리 온도 1200℃, 열처리 시간 20hr이었다. 이 때 OH 함량은 65ppm이었다.In the OH removal experiment by dry gas atmosphere heat treatment, the optimum conditions found by changing dew point temperature, used gas, heat treatment temperature, heat treatment time, etc. were dew point temperature -196 ℃, used gas He, heat treatment temperature 1200 ℃, and heat treatment time 20hr. At this time, the OH content was 65 ppm.

<< 실시예Example 5: 건조가스 분위기 열처리에 의한  5: by dry gas atmosphere heat treatment OHOH 농도분포제어> Concentration Distribution Control>

건조가스분위기 열처리 테스트를 수행한 샘플, 즉 서냉 열처리 전의 샘플의 가상온도는 1230℃이었다. 이 샘플을 가상온도가 각각 1100℃, 1000℃가 되도록 서 냉 열처리한 후 OH 농도분포를 도 8에 나타내었다. 가상온도가 1100℃가 되도록 서냉 열처리하는 방법은 Ar 분위기에서 1100℃까지 10℃/min의 속도로 승온하고, 1100℃에서 유지하며 20hr 동안 열처리하고, 상온까지 5℃/min의 속도로 냉각한다. 또한, 가상온도가 1000℃가 되도록 서냉 열처리하는 방법은 Ar 분위기에서 1000℃까지 10℃/min의 속도로 승온하고, 1000℃에서 유지하며 20hr 동안 열처리하고, 상온까지 5℃/min의 속도로 냉각한다.The virtual temperature of the sample which performed the dry gas atmosphere heat treatment test, ie, the sample before a slow cooling heat treatment, was 1230 degreeC. This sample was subjected to cold heat treatment at a virtual temperature of 1100 ° C. and 1000 ° C., respectively. The slow cooling heat treatment is performed at a rate of 10 ° C./min up to 1100 ° C. in an Ar atmosphere, maintained at 1100 ° C. for 20 hours, and cooled to 5 ° C./min up to room temperature. In addition, the method of slow cooling heat treatment so that the virtual temperature is 1000 ℃ is heated at a rate of 10 ℃ / min to 1000 ℃ in an Ar atmosphere, maintained at 1000 ℃ heat treatment for 20 hours, and cooled to 5 ℃ / min at room temperature do.

가상온도가 1100℃가 되도록 서냉 열처리한 경우에는 평균 OH 농도는 66ppm, 최대값은 73ppm, 최소값은 57ppm, 범위값은 16ppm이었고, 가상온도가 1000℃가 되도록 서냉 열처리한 경우에는 평균 OH 농도는 65ppm, 최대값은 68ppm, 최소값은 62ppm, 범위 값은 6ppm이었다.The average OH concentration was 66ppm, the maximum value was 73ppm, the minimum value was 57ppm, and the range value was 16ppm when the slow cooling was performed such that the virtual temperature was 1100 ° C. The maximum value was 68 ppm, the minimum value was 62 ppm and the range value was 6 ppm.

결론적으로, 이슬점 온도 -196℃, 사용가스 He, 열처리 온도 1200℃, 열처리 시간 20hr의 조건으로 건조가스분위기 열처리하여 OH를 제거한 후, 가상온도가 1000℃가 되도록 서냉 열처리한 경우, 석영유리 웨이퍼의 OH 농도분포는 65±3ppm으로 매우 균일한 값을 나타내었다.In conclusion, after removing OH by dry gas atmosphere heat treatment under the condition of dew point temperature -196 ℃, used gas He, heat treatment temperature 1200 ℃ and heat treatment time 20hr, the slow cooling heat treatment was performed at a virtual temperature of 1000 ℃. The OH concentration distribution was 65 ± 3ppm, showing a very uniform value.

방진유리(Dust Proof Glass)는 고온 폴리-Si TFT-LCD 기판 및 컬러필터 기판의 앞뒷면에 위치하여 먼지나 이물질이 기판 표면에 부착되어 발생되는 화질의 저하를 막는 기능, 즉 디포커싱(defocusing) 기능을 하며, 그 밖에도 기판유리의 기 계적인 손상을 방지하는 기능을 갖는다. 또한, 투사형 디스플레이장치는 광원으로 할로겐램프 등을 사용하기 때문에 고열이 발생하며, 따라서 석영유리의 내열성이 서로 다른 경우에는 기판/방진유리의 열팽창계수의 차이에 의해서 밀착성이 저하되어 화질의 저하로 이어지게 된다. 따라서 본 발명은 기판용 석영유리의 열팽창계수와 유사한 수준의 방진유리를 제공함으로써 화질 저하를 방지한다.Dust Proof Glass is located on the front and back of the high-temperature poly-Si TFT-LCD substrate and the color filter substrate to prevent deterioration of image quality caused by dust or foreign matter adhering to the substrate surface. It also functions to prevent mechanical damage of the substrate glass. In addition, since the projection display device uses a halogen lamp as a light source, high heat is generated. Therefore, when the heat resistance of the quartz glass is different, the adhesion decreases due to the difference in the thermal expansion coefficient of the substrate / dustproof glass, leading to deterioration of image quality. do. Accordingly, the present invention prevents deterioration of image quality by providing a dustproof glass at a level similar to the thermal expansion coefficient of the quartz glass for a substrate.

또한, 본 발명의 방법은 최근 수요가 급증하고 있는 액정프로젝터 광학 엔진의 방진유리, 광학엔진 부품, 포토마스크 기판, 스테퍼 렌즈 등으로 응용할 수 있다.In addition, the method of the present invention can be applied to dust-proof glass, optical engine components, photomask substrates, stepper lenses, and the like of liquid crystal projector optical engines, which are rapidly increasing in demand.

뿐만 아니라, 본 발명의 방법은 고온 폴리-Si TFT-LCD용 기판유리 제조의 기반기술로 활용할 수 있고, 그 외 디스플레이, 반도체, 정밀 광학용 석영유리 제조기술에 응용이 가능하다.In addition, the method of the present invention can be utilized as a base technology for manufacturing substrate glass for high temperature poly-Si TFT-LCD, and can be applied to other technologies for manufacturing quartz glass for display, semiconductor, and precision optics.

Claims (5)

이슬점 온도 -100℃ 이하, 사용가스 He, 열처리 온도 1150℃ 이상, 열처리 시간 10hr 이상의 조건으로 건조가스 분위기에서 열처리하여 OH 함량이 낮은 고순도 석영유리를 제조하는 방법.A method for producing high purity quartz glass having a low OH content by heat treatment in a dry gas atmosphere under a dew point temperature of -100 ° C. or lower, a used gas He, a heat treatment temperature of 1150 ° C. or higher, and a heat treatment time of 10 hr or more. 제1항에 있어서, 열처리 온도는 1200~1500℃인 것을 특징으로 하는 OH 함량이 낮은 고순도 석영유리를 제조하는 방법.The method of producing a high purity quartz glass having a low OH content according to claim 1, wherein the heat treatment temperature is 1200 to 1500 ° C. 제1항에 있어서, 열처리 시간은 10~50시간인 것을 특징으로 하는 OH 함량이 낮은 고순도 석영유리를 제조하는 방법.The method of manufacturing a high purity quartz glass having a low OH content according to claim 1, wherein the heat treatment time is 10 to 50 hours. 제1항에 있어서, 이슬점 온도는 -150~-300℃인 것을 특징으로 하는 OH 함량이 낮은 고순도 석영유리를 제조하는 방법.The method of claim 1, wherein the dew point temperature is -150 ~ -300 ℃ method for producing high purity quartz glass with low OH content. 제1항에 있어서, 건조가스 분위기 열처리 후 가상온도 950~1100℃가 되도록 서냉 열처리하는 것을 특징으로 하는 OH 함량이 낮은 고순도 석영유리를 제조하는 방법.The method of claim 1, wherein the low-OH content is high purity quartz glass, characterized in that the slow cooling heat treatment to a virtual temperature 950 ~ 1100 ℃ after the dry gas atmosphere heat treatment.
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